Контрольная работа: Силовые агрегаты

Рабочий цикл двухтактного двигателя совершается за два хода поршня или за один оборот коленчатого вала 2 рад (360°). В связи с этим двухтактный цикл характеризуется тем, что у него один такт является рабочим, а второй- вспомогательным. Рассмотрим работу двухтактного карбюраторного двигателя с кривошипно-камерной продувкой (рис.6). Конструктивно этот двигатель проще четырехтактного. В таком двигателе отсутствуют клапаны, их роль выполняет поршень, закрывающий при своем движении выпускные, впускные и продувочные окна. Через эти окна рабочая полость цилиндра сообщается в определенные моменты с впускным и выпускным трубопроводами, а также с кривошипной камерой, которая в данном типе двигателя выполнена герметичной, так как она участвует в рабочем цикле. Цилиндр двигателя в средней части имеет три окна: впускное 2, выпускное 3 и продувочное 4, служащее для сообщения цилиндра с картером 1 при помощи перепускного канала 5. Когда поршень расположен в в. м. т., в камере сгорания имеется сжатая поршнем смесь, и в то же время в кривошипной камере находится засосанная поршнем при его движении к в. м.т. горючая смесь. При воспламенении сжатой рабочей смеси электрической искрой давление в цилиндре над поршнем резко возрастет и поршень начнет перемещаться от в. м. т. к н.м.т., совершая рабочий ход. При движении поршня к н. м.т. одновременно будут происходить рабочий ход в цилиндре и сжатие горючей смеси в кривошипной камере. При движении поршня к н. м, т. его верхней кромкой сначала открывается выпускное окно 5 и продукты сгорания, давление которых выше атмосферного, начнут выходить наружу (выпуск). При дальнейшем движении поршня открывается продувочное окно 4 и сжатая в картере горючая смесь перетекает по каналу 5, заполняя цилиндр и осуществляя продувку его от остатков продуктов сгорания. При этом часть горючей смеси неизбежно теряется, выходя вместе с отработавшими газами. При обратном движении от н.м.т. к в.м т.поршень своей верхней кромкой перекрывает продувочное окно 4, затем выпускное 3, после чего начинается сжатие смеси в цилиндре. Одновременно создается разрежение в полости картера до момента открытия нижней кромкой поршня впускного окна 2. После этого процесс начнет повторяться.

Рис. 7. Схема работы двухтактного карбюраторного двигателя с кривошипно-камерной продувкой; А-сгорание рабочей смеси в цилиндре и наполнение кривошипной камеры горючей смесью. Б-выпуск отработавших газов и наполнение цилиндра.

Рабочий процесс двухтактных дизелей с прямоточной продувкой (ЯАЗ-204 и ЯАЗ-206) осуществляется следующим образом:

Первый такт - перемещение поршня от в. м. т. к н. м. т. При положении поршня около в. м. т. происходит воспламенение топлива, впрыснутого в среду сжатого воздуха через форсунку. Под давлением газов поршень перемещается к н. м. т. Около середины хода поршня происходит открытие выпускных клапанов 3 и отработавшие газы начинают выходить из цилиндра, в результате чего давление в цилиндре резко снижается.36 При достижении верхней кромкой поршня продувочных окон начинается продувка цилиндров сжатым воздухом, поступающим к продувочным окнам 2 от нагнетателя 1 через ресивер 4 под избыточным давлением, достигающим 0,05 Мн/м2 (0,5 кГ/см2). Второй такт - перемещение поршня от н. м. т. к в. м. т. В начале движения поршня до момента перекрытия верхней кромкой поршня продувочных окон в цилиндре продолжается продувка, после чего выпускные клапаны закрываются и происходит сжатие воздуха. В конце сжатия при помощи насос-форсунки осуществляется впрыск топлива в цилиндр под давлением 140 Мн/м2 (1400 кГ/см2) и его сгорание.

После чего цикл повторяется. В сравнении с четырехтактными двигателями двухтактные имеют преимущества, заключающиеся в том, что рабочий ход в них происходит за каждый оборот коленчатого вала 2 рад (360°). Поэтому двигатели, работающие по двухтактному циклу, теоретически должны при одинаковых оборотах коленчатого вала развивать вдвое большую мощность, чем четырехтактные. Однако худшая очистка цилиндра от продуктов сгорания, частичный унос свежей горючей смеси с отработавшими газами во время продувки и повышенный тепловой режим работы снижают мощность двухтактного двигателя и значительно ухудшают его экономичность. В связи с этим мощность при двухтактном цикле по сравнению с четырехтактным повы¬шается в 1,6-1,7 раза. Наддув двигателей. Наддув на двигателях применяется для повышения их мощности, так как при одних и тех же размерах рабочих цилиндров в двигателе может быть сожжено большее количество топлива. Для осуществления турбонаддува применяются турбокомпрессоры, состоящие из центробежного компрессора и газовой турбины.

В карбюраторных двигателях в рабочие цилиндры двигателя центробежным компрессором, колесо 7 которого вращается колесом 8 газовой 37 турбины, нагнетается горючая смесь, а у дизелей 13 - воздух. В этих случаях давление наддува рн больше давления окружающей среды ро; избыточное давление в среднем составляет: ри = 0,035 - 0,065 Мн/м2 (0,35 -0,65 кГ/см2).

Работа турбокомпрессора осуществляется следующим образом. При открытии выпускных клапанов 2 отработавшие газы по выпускному коллектору 3 поступают через сопла.на лопатки рабочего колеса 5 газовой турбины 4 и вращают ее. Проходя через сопла, скорость отработавших газов резко возрастает, при этом внутренняя тепловая энергия газов превращается во внешнюю кинетическую энергию потока, которая затем превращается в механическую работу вращения ротора 5. Рабочее колесо 7 компрессора 6, вращаясь, подает под избыточным давлением воздух по коллектору 9 через впускные клапаны 1 в рабочие цилиндры дизеля. Смазка подшипников ротора 5 производится от общей масляной системы дизеля 13 с помощью шестеренчатого масляного насоса 12, масляной центрифуги 11 и фильтра 10 тонкой очистки. На тракторном в восьмицилиндровом V-образном дизеле ЯМЗ-238НБ мощностью 156 квт (212 л. с.) для наддува его воздухом устанавливается турбокомпрессор, состоящий из одноступенчатого центробежного компрессора и радиальной центростремительной турбины. Колесо компрессора и колесо турбины расположены консольно по отношению к подшипникам - на противоположных концах вала ротора.

.7 Кривошипно-шатунный механизм

.7.1 Блок цилиндров, цилиндры, головки блока и картеры

Блоком цилиндров, или блок-картером, называется группа цилиндров, выполненная в общей отливке. У современных автотракторных двигателей блок цилиндров отливается из серого чугуна (у автомобилей УАЗ, ГАЗ-53Ф, ГАЗ-53А и др. иногда отливается, из алюминиевого сплава).

Внутренняя рабочая поверхность цилиндра, называемая зеркалом цилиндра, тщательно шлифуется и полируется. При водяном охлаждении двигателя цилиндры снаружи окружены водяной рубашкой; в случае воздушного охлаждения цилиндры и головки имеют на наружной поверхности охлаждающие ребра. Для увеличения жесткости блока плоскость крепления поддона в большинстве конструкций смещена книзу по отношению к оси коленчатого вала, а в плоскости коренных опор делаются ребра жесткости.

На рис.7 показан блок цилиндров карбюраторного восьмицилиндрового V-образного двигателя ЗИЛ-130. Блоки цилиндров V-образных двигателей в изготовлении более сложны, однако они обладают рядом преимуществ по сравнению с блоками рядных линейных двигателей. Такие блоки более жестки, отчего не подвергаются значительным деформациям, влияющим на износ деталей; двигатели с V-образными блоками короче и легче рядных двигателей (при одинаковой мощности), что дает возможность уменьшить базу автомобиля и его общий вес.

Рис. 9. Блоки цилиндров: а - блок-картер дизеля СМД-14:

- фланец для крепления масляного фильтра; 2- фланец для крепления маслозаливной горловины; 3 - блок-картер; 4 - маслопровод; 5 - передняя опора кулачкового вала; 6 - фланец для крепления водяного насоса; 7 - посадочные отверстия гильз цилиндров; б - блок цилиндров двигателя ЗИЛ-130:) 1- блок цилиндров; 2 - подшипник коленчатого вала; 3 - подшипник кулачкового вала; 4-гильза цилиндра; 5 - посадочный поясок гильзы.

Рис. 9. Цилиндр и головка с воздушным охлаждением

- цилиндр; 2 - головка; 3 - охлаждающие ребра.

На тракторных двигателях наибольшее распространение получили рядные, четырехцилиндровые блоки со вставными гильзами. Такая конструкция блока упрощает ремонт двигателя, так как при повреждении одной или нескольких гильз они легко могут быть заменены.

Рис. 10. Гильзы цилиндров

а - тракторная: 1 - верхний буртик; 2 и 3 - центрирующие пояски; 4-канавки для резиновых колец; 5 - прокладка под верхний буртик гильзы; 6 - уплотнительные резиновые кольца; б - автомобильная ЗИЛ-130): 1 - гильза цилиндра, 2 - антикоррозионная вставка из нирезиста.

Гильзы бывают «мокрые», наружные стенки которых охлаждаются водой, или «сухие», которые устанавливаются в предварительно расточенные цилиндры блока. Сухие гильзы запрессовывают в блок либо по всей длине цилиндра (ЯАЗ-204), либо только в верхнюю его часть, соответствующую перемещению колец, где износ цилиндра наибольший (двигатели ГАЗ, ЗИЛ). Блок цилиндров с сухими гильзами имеет меньший вес и большую жесткость по сравнению с блоком, имеющим мокрые гильзы. Гильзы изготовляются из легированного аустенитового чугуна и реже из стали; толщина стенок сухих гильз 2- 4 мм, мокрых 6- 8 мм.

Герметичность установки мокрой гильзы достигается тщательной обработкой центрирующих поясов и применением прокладок под верхний буртик гильзы. В нижней части, где температура не превышает 373°К (100°С), между гильзой и специальной выточкой в стенке блока устанавливают резиновые уплотняющие кольца.

Мокрая гильза автомобиля ЗИЛ-130 снабжена короткой (длиной 50 мм)вставкой - сухой гильзой, изготовленной из кислотоустойчивого чугуна - нирезиста, обладающего высокой износоустойчивостью и хорошо сопротивляющегося коррозии. Такие вставные кислотоупорные гильзы толщиной 2,5-3 мм применяются на всех автомобилях ГАЗ и впоследних моделях автомобилей «Москвич».

Нирезист - жаропрочный легированный чугун аустенитного класса; применяется для вставных гильз и седел клапанов. Химический состав нирезиста: С 2,5-3%; Si 2,5-3%; Мп 0,6-1,0%; Сг 1,8-2,2%; № 16,0- 17,5%; Си 7,0-8,0%; S до 0.10%; Р до 0,5%; остальное - Fe.

Верхняя, тщательно обработанная плоскость блока цилиндров служит для установки головки блока. Между блоком цилиндров и головкой ставят уплотняющую металлоасбестовую прокладку.

При нижнем расположении клапанов в карбюраторных двигателях с одной стороны блока имеются каналы и гнезда, в которых устанавливаются клапаны.

Головка блока цилиндров делается съемной, так как это облегчает контроль за состоянием рабочей поверхности цилиндров, притирку клапанов и удаление нагара. Головки блока двигателя отливаются из чугуна или алюминиевого сплава. Головки блока, отлитые из алюминиевого сплава, по сравнению с чугунными имеют меньший вес и превышают его теплопроводность в 3-4 раза, что позволяет несколько повысить степень сжатия. Головки блока двигателей имеют сложную форму, так как в них размещаются камеры сгорания, клапаны, впускные и выпускные каналы, свечи зажигания у карбюраторных двигателей, а у дизелей - вихревые камеры, предкамеры форсунки и иногда свечи накаливания.

Рис. 11. Головки блока цилиндров:

а - дизеля СМД-14: 1 - головка цилиндров; 2--выпускной клапан; 3 - впускные клапаны: 4 - впускные каналы; 5 - выпускной канал; 6 - каналы для охлаждающей воды системы охлаждения; 7 - форсунки; 8 - вихревая камера; б - головка с воздушным охлаждением:1 - охлаждающие ребра; 2 - головка; 3 - клапан.

Для создания равномерного удельного давления по всей поверхности головки крепление ее к блоку осуществляется большим количеством шпилек. Затяжку гаек крепления головки нужно производить равномерно динамометрическим ключом с моментом 5-8 н-м(0,5-0,8 кГ•м).Головки для карбюраторных автомобильных двигателей делают в общей отливке для всех цилиндров; для четырех и шестицилиндровых дизелей с большим диаметром цилиндров с целью уменьшения веса, удобства монтажа и облегчения технологии изготовления иногда делают одну головку на два или три цилиндра.

Две головки на четыре цилиндра установлены на дизеле Т-100М.

Впускные и выпускные каналы у автотракторных двигателей выводятся на одну или обе стороны, на которых к блоку или головке крепятся впускные и выпускные трубопроводы (коллекторы).

Поддон блока цилиндров, являющийся резервуаром для масла, штампуется из стали, а у тракторных двигателей иногда отливается из чугуна. Поддон закрывает нижнюю часть двигателя пробковой или картонной прокладкой и крепится к нему болтами. В нижней части поддона имеется отверстие с пробкой для спуска отработавшего масла; пробка иногда снабжается магнитом для улавливания металлических частиц, попавших в масло в результате износа деталей. В поддоне двигателя устанавливаются перегородки, предотвращающие стекание масла в одну сторону при движении трактора или автомобиля по пересеченной местности.

В картере двигателя при утечке газов через неплотности колец может создаться повышенное давление, которое будет способствовать выдавливанию смазки через сальники и неплотности соединений. Во избежание этого картер двигателя соединяется с атмосферным воздухом сапуном, отверстие которого закрывается сеткой или снабжается воздухоочистителем, предупреждающим попадание в масло пыли.

.7.2 Поршни, поршневые кольца и пальцы

При работе двигателя поршень воспринимает и передает большие усилия, возникающие от действия газов и сил инерции. Потери на трение поршневых колец и поршня о стенки цилиндра составляют 60%, а для дизелей - 75% от всей работы трения двигателя. На поршень диаметром d = 100 мм карбюраторного двигателя в начале рабочего хода, когда давление в цилиндре равно 3 Мн/м2 (30 кГ/см2) и температура газов, омывающих днище поршня, составляет 2773°К (2500°С), действует сила 30 - 35 кн (3 - 3,5 Т); у дизелей эта сила в 1,5 - 2 раза больше. Поэтому днища поршней имеют сравнительно большую толщину. Средняя температура в камере сгорания доходит до 1273° К (1000° С), что вызывает нагревание центральной части днища поршня - у чугунных поршней до 673 - 773°К (400 - 500°С), у алюминиевых - до 473 - 523°К (200 - 250°С).

Поршень при работе отдает тепло стенкам цилиндра и охлаждающей воде, а также охлаждается свежей горючей смесью (или воздухом у дизеля) при впуске ее в начале сжатия. Кроме того, поршень охлаждается маслом, находящимся на стенках цилиндра, или путем разбрызгивания масла через специальные распылители.

Поршни автотракторных двигателей в большинстве случаев изготовляют из легких сплавов на алюминиевой или магниевой основе и реже из чугуна. Присадки в виде никеля, хрома и молибдена улучшают структуру чугуна и его механические качества. Температура поршней из алюминиевого сплава вдвое ниже, чем у чугунных, что дает возможность повысить наполнение цилиндров и увеличить степень сжатия (примерно на 0,5), вследствие чего повышаются экономичность и мощность двигателя. Однако поршни из легких сплавов имеют меньшую износостойкость и с повышением температуры значительно снижают механические свойства. При изменении температуры от 288 до 623°К (от 15° до 350°С) предел прочности для алюминиевых сплавов снижается на 65 - 70%, а для чугуна - только на 18 - 20%.

Во избежание заклинивания поршня в цилиндре вследствие нагревания между поршнем и цилиндром предусмотрен зазор, величина которого зависит от диаметра цилиндра, материала и конструкции поршня. Верхняя часть (головка) поршня имеет зазор больший, чем нижняя, так как она больше нагревается, а следовательно, и больше расширяется.

Коэффициент линейного расширения у алюминиевых сплавов примерно в два раза больше, чем у чугуна, что вынуждает делать увеличенные зазоры между поршнем и стенками цилиндров. Увеличенные зазоры могут вызвать стуки при пуске холодного двигателя.

Для обеспечения необходимого зазора по длине поршни делаются ступенчатыми. Верхняя часть поршня, называемая днищем 1, имеет наименьший диаметр; часть поршня, называемая головкой 2 или уплотняющей частью, на которой расположены кольцевые канавки 3, имеет несколько больший диаметр; часть поршня, называемая юбкой или направляющей частью поршня, расположенная ниже поршневых колец, имеет еще больший диаметр. Сверху и снизу юбки для маслосъемных колец делают канавки 4 (у карбюраторных двигателей делают одну-две канавки сверху юбки). В средней части поршня имеется отверстие с бобышками 6 для размещения в них поршневого пальца, который крепится стопорными кольцами 5. Выточки 9 на днище расположены под клапанами, а выемка 8 - под диффузором вихревой камеры. Снизу расположены маслоотводящие канавки 7.