Тракторы и автомобили: конструкция двигателей

В. А. Кравченко, Н. В. Сергеев






            ТРАКТОРЫ И АВТОМОБИЛИ: КОНСТРУКЦИЯ ДВИГАТЕЛЕЙ


Учебное пособие


















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2023

УДК 629.113:621.43
ББК 39.35
      К77


Рецензенты: заведующий кафедрой эксплуатации автомобилей и технологии транспортных процессов Азово-Черноморского инженерного института ФГБОУ ВО Донской ГАУ к. т. н., доцент В. Н. Щиров; заведующий кафедрой тракторов и автомобилей Азово-Черноморского инженерного института ФГБОУ ВО Донской ГАУ к. т. н., профессор Л. А. Нагорский



      Кравченко, В. А.
К77 Тракторы и автомобили: конструкция двигателей : учебное пособие / В. А. Кравченко, Н. В. Сергеев. -Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. - 480 с. : ил.
         ISBN978-5-9729-1196-7


       Приведено общее устройство и назначение системы питания двигателей внутреннего сгорания. Рассмотрено автоматическое регулирование режима работы двигателей, системы смазки, охлаждения и пуска. Дано сравнение четырёхтактных и двухтактных двигателей.
       Для студентов обучающихся по направлению подготовки 35.03.06 «Агроинженерия». Может быть полезно студентам других направлений подготовки, учебные планы которых предусматривают изучение конструкции и рабочих процессов автотракторных двигателей, способы улучшения их показателей.

                                        УДК 629.113:621.43
                                        ББК 39.35



ISBN 978-5-9729-1196-7 © Кравченко В. А., Сергеев Н. В., 2023
                      © Издательство «Инфра-Инженерия», 2023
                      © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023

ВВЕДЕНИЕ


      Дисциплина «Тракторы и автомобили» является основной при изучении других предметов специального цикла, обеспечивающих подготовку высококвалифицированных специалистов по эксплуатации и ремонту тракторов и автомобилей.
      Одной из основных частей трактора и автомобиля является двигатель, которые подразделяют на первичные и вторичные.
      Природные источники энергии (топливо, сила воды и ветра) преобразуются в механическую работу первичными двигателями: тепловыми, водяными, ветряными.
      Электрическая энергия и энергия рабочего тела, получающиеся в результате работы первичных двигателей, преобразуются в механическую работу с помощью вторичных двигателей: электрических, гидравлических и пневматических.
      Из первичных двигателей самое широкое распространение получили тепловые двигатели, в которых энергия, выделяющаяся при сгорании топлива, преобразуется в полезную работу.
      Все тепловые двигатели, получившие распространение, можно разбить на две основные группы:
      -       паровые двигатели: поршневые паровые двигатели и паровые турбины;
      -       двигатели внутреннего сгорания: поршневые двигатели внутреннего сгорания, газовые турбины, реактивные двигатели .
      В паровых двигателях рабочим телом для преобразования тепловой энергии топлива в механическую работу служит водяной пар. Сгорание топлива и выделение теплоты у данных двигателей происходит в топках паровых котлов. Влажный, насыщенный пар, полученный в котле, поступает в пароперегреватель, обогреваемый горячими газами, где происходит перегрев пара до определённой температуры. Перегретый пар по паропроводам подводится к паровому двигателю или паровой турбине. При расширении пара в рабочем цилиндре двигателя или на лопатках турбины происходит преобразование какой-то части теплоты сгоревшего топлива в механическую энергию. В паросиловых установках для повышения экономичности,

3

кроме силового агрегата, применяются конденсаторы для отработавшего пара, подогреватели питательной воды, подогреватели воздуха, поступающего в топку котла, промежуточные подогреватели, насосы и т. д.
      Впервые паровая машина была построена в 1975 году русским механиком И. И. Ползуновым, но ранняя смерть прервала его дальнейшие работы. И только в 1786-1790 годах английскому механику Д. Уатту удалось построить и приспособить паровую машину для непосредственного вращения вала. До конца XIX века паровые машины являлись практически единственными тепловыми двигателями, применявшимися в промышленности и на транспорте. Ещё в начале XX века паровые машины использовали даже на автомобилях. Над совершенствованием паровых автомобилей работы продолжались и во второй половине прошлого столетия, продолжаются они и в наше время в связи с поисками возможностей замены нефтяных топлив.
      На смену паровым машинам пришли более совершенные двигатели: паровые турбины и двигатели внутреннего сгорания.
      В двигателях внутреннего сгорания процессы сжигания топлива, выделение теплоты и преобразование её в механическую энергию происходят непосредственно внутри рабочего цилиндра двигателя. Первый работоспособный двигатель был построен французским механиком Ренуаром в 1860 году. Двигатель работал на светильном газе без сжатия смеси в цилиндре, поэтому имел низкий коэффициент полезного действия.
      Двигатели внутреннего сгорания нашли широкое применение лишь после осуществления немецким механиком Н. Отто в 1987 году предварительного сжатия смеси в цилиндре, вследствие чего эффективность таких двигателей резко повысилась.
      В 1892 году Р. Дизель получил патент на двигатель внутреннего сгорания нового типа, рассчитанный на использование жидкого топлива (керосина). Изобретатель предложил нагревать воздух в цилиндре путём сжатия до температуры, при которой мелко распыленное впрыскиваемое топливо могло бы самовоспламеняться и сгорать по мере поступления в цилиндр.
      Газовая турбина, идея создания которой зародилась почти одновременно с первыми попытками создания поршневых дви

4

гателей внутреннего сгорания, была построена в 1897 году по проекту русского инженера П. Д. Кузьминского. Газовые турбины широко используют в стационарных силовых установках, в авиации, на водном и железнодорожном транспорте, а также для легковых и грузовых автомобилей.
     Идея транспортного роторно-поршневого двигателя внутреннего сгорания появилась ещё в XIX веке. Но только в 1957 году Ф. Ванкелю удалось создать работоспособный роторно-поршневой двигатель.
     С целью повышения эффективности в современной практике широко применяются комбинированные двигатели, в которых поршневой двигатель и газовая турбина работают на одном и том же рабочем теле.
     В сложившейся кризисной ситуации с моторными топливами усиленно осваивают транспортные варианты двигателей Стирлинга, работающих на любых топливах. Созданы образцы таких двигателей для транспортных средств.
     Учебное пособие предназначено для студентов, обучающихся по направлению подготовки 35.03.06 «Агроинженерия».
     Однако оно может быть полезно и для студентов других специальностей, учебные планы которых предусматривают изучение конструкции двигателей.
     В первой части учебного пособия изложены устройство и работа механизмов двигателей внутреннего сгорания, конструкция их деталей и узлов.

5

ЧАСТЬ I
МЕХАНИЗМЫ ДВИГАТЕЛЕЙ

6

ОБЩЕЕ УСТРОЙСТВО И РАБОТА ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

     1.1 Классификация, общее устройство и основные параметры двигателей

     В настоящее время на тракторах и автомобилях установлены поршневые двигатели внутреннего сгорания, которые могут быть классифицированы по различным признакам:
     -      по роду применяемого топлива: двигатели, работающие на жидком и газовом топливе;
     -      по способу смесеобразования: с внешним (карбюраторные двигатели) и внутренним (дизели) смесеобразованием;
     -      по способу осуществления рабочего цикла: четырёхтактные и двухтактные;
     -      по способу воспламенения рабочей смеси: с самовоспламенением (от сжатия) и с принудительным воспламенением (от электрической искры);
     -      по способу наполнения цилиндра: двигатели без наддува и с наддувом;
     -      по числу цилиндров: двигатели одноцилиндровые и многоцилиндровые (двух-, трёх-, четырёх- и т. д.);
     -      по способу охлаждения: с жидкостным и воздушным охлаждением;
     -      по компоновочным схемам.
     Существуют и другие признаки, по которым можно классифицировать двигатели.
     Поршневые двигатели внутреннего сгорания представляют собой комплекс механизмов, систем и устройств, обеспечивающих преобразование тепловой энергии, выделяющейся при сгорании топлива, в механическую работу. В зависимости от назначения и класса таких двигателей их конструкции имеют различия, но все они сходны по своей принципиальной схеме и состоят:
     -      из двух основных механизмов: кривошипно-шатунного и газораспределительного;
     -      четырёх систем: охлаждения, смазочной, питания, пуска и зажигания.


7

      Кривошипно-шатунный механизм служит для преобразования прямолинейного возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение коленчатого вала.
      Механизм газораспределения предназначен для впуска в цилиндр горючей смеси или воздуха и выпуска из цилиндра отработавших газов.
      Система питания служит для приготовления горючей смеси и подвода её к цилиндрам (карбюраторные и газовые двигатели) или для подачи топлива в цилиндры и наполнения их воздухом (дизельные двигатели).
      Система зажигания предназначена для воспламенения горючей смеси от электрической искры (у дизельного двигателя система зажигания отсутствует).
      Система охлаждения осуществляет отвод тепла от нагретых деталей двигателя в атмосферу (она может быть жидкостной или воздушной).
      Смазочная система служит для подачи смазки к трущимся деталям с целью уменьшения трения и улучшения отвода тепла.
      Система пуска осуществляет пуск двигателя.
      В поршневом двигателе внутреннего сгорания (рисунок 1.1) преобразование энергии происходит в замкнутом объёме, который образован цилиндром 5, крышкой (головкой) цилиндра 6 и поршнем 4.
      В бензиновом двигателе топливо в смеси с необходимым для его сгорания воздухом вводится в этот объём через впускной клапан 7 и воспламеняется. Образовавшиеся при сгорании газы перемещают поршень, который через шатун 3 передаёт усилие на коленчатый вал 2,

  Рисунок 1.1 — Основные элементы и параметры двигателя

8

  поворачивая его вокруг оси. Отработавшие газы вытесняются при обратном движении поршня через выпускной клапан 8. Таким образом, тепловая энергия преобразуется в механическую работу, а возвратно-поступательное движение поршня - во вращательное движение коленчатого вала двигателя, как наиболее удобный для трансформации вид движения. Процесс сгорания топлива в отдельных цилиндрах поршневого двигателя происходит периодически. Сгоранию каждой порции топлива предшествуют процессы газообмена, т. е. ввод в цилиндр свежего заряда (топлива и воздуха) и вывод из цилиндра отработавших газов.
     Положение поршня в цилиндре (рисунок 1.1), при котором расстояние от поршня до оси коленчатого вала двигателя будет наибольшим, называется верхней мёртвой точкой (ВМТ). Положение поршня в цилиндре, при котором расстояние от поршня до оси коленчатого вала будет наименьшим, называется нижней мёртвой точкой (НМТ). В общем случае мёртвыми точками называют положение поршня, при которых он меняет направление своего движения.
     Для вывода механизма из мёртвых его положений на коленчатый вал 2 устанавливают маховик 1, изготовленный в виде литого диска с массивным ободом. Его кинетическая энергия, накапливаемая при вращении, расходуется также на осуществление вспомогательных процессов в цилиндре двигателя и на выравнивание угловой скорости вращения коленчатого вала.
     Расстояние по оси цилиндра между верхней и нижней мёртвыми точками называется ходом поршня S. При каждом ходе поршня коленчатый вал поворачивается на половину оборота, т. е. на 180°. У центрального кривошипно-шатунного механизма ход поршня
S = 2r ,м, где r - радиус кривошипа коленчатого вала.

     Ход поршня S и диаметр цилиндра d относятся к тем оценочным параметрам двигателя, которые определяют основные его размеры. В автомобильных двигателях отношение хода поршня к диаметру цилиндра S / d находится в пределах

9

0,7—1,5. Если двигатель имеет S / d < 1,0, то его называют короткоходовым. При S / d = 1,0 двигатель называют квадратным. При S / d >1,0 двигатель называют длинноходовым.
     Объём Vₕ, освобождаемый поршнем при перемещении от верхней мёртвой точке к нижней мёртвой точке, называется рабочим объёмом цилиндра:
л • d „ ₃
V ⁻ —— S ,м7
где d — диаметр цилиндра, м.

     Объём Vc над поршнем, когда поршень находится в верхней мёртвой точке, называется объёмом пространства сжатия (камерой сжатия).
     Сумма объёма пространства сжатия и рабочего объёма цилиндра, т. е. объём Vₐ над поршнем, когда он находится в нижней мёртвой точке, называется полным объёмом цилиндра:
Vₐ - Vₕ + Vc.
     Литражом двигателя VJI называется сумма рабочих объёмов всех его цилиндров, выраженная в литрах:
                    Vл -10-³ • Vₕ • i ,л, где i — число цилиндров двигателя.

     Отношение полного объёма цилиндра к объёму пространства сжатия называется степенью сжатия:

    £-V - Vv+V - X ₊1.

Vc    Vc     Vc
     Степень сжатия £ показывает, во сколько раз сжимается заряд (воздух) в цилиндре двигателя при перемещении поршня из нижней мёртвой точки в верхнюю мёртвую точку. Для бензиновых двигателей £ = 6,5...12, для дизельных двигателей £ = 14.26. Верхний предел для бензиновых двигателей обусловлен детонационной стойкостью топлива, а для дизелей — нагрузками на детали двигателя. С повышением степени сжатия

10