Размещено на http://www.allbest.ru/

ФГБОУ ВПО «Рязанский государственный агротехнологический университет им. П.А. Костычева»

Специальность: 190600 - «Эксплуатация транспортно-технологических машин и комплексов (бакалавр)»

Цикловая комиссия: Автомобильного транспорта

Курсовая работа

по дисциплине: «Рабочие процессы, конструкция и основы проектирования энергетических установок»

Выполнил студент: Слабов А.С.

Группа: З/АС-307

Руководитель: преподаватель РКЭ Белов М.В.

Рязань - 2014



Введение

Двигатель внутреннего сгорания (сокращённо ДВС) -- это тип двигателя, тепловая машина, в которой химическая энергия топлива (обычно применяется жидкое или газообразное углеводородное топливо), сгорающего в рабочей зоне, преобразуется в механическую работу. На данный момент является одним из самых распространенных типов двигателей. В этой работе будет показаны основы строения ДВС, принцип работы.

Актуальность данной темы заключается в том, что двигатели внутреннего сгорания играют важную роль в жизни человечества.

Применение двигателей внутреннего сгорания чрезвычайно разнообразно: их используют в авиации, теплоходы, автомобили, тракторы и тепловозы также используют ДВС. Более мощные двигатели внутреннего сгорания устанавливают на речных и морских судах. Несмотря на то, что двигатели внутреннего сгорания являются весьма несовершенным типом тепловых машин (низкий КПД, громкий шум, токсичные выбросы, меньший ресурс) благодаря своей автономности (необходимое топливо содержит гораздо больше энергии, чем лучшие электрические аккумуляторы) двигатели внутреннего сгорания очень широко распространены, например на транспорте.



Задание №1

Процесс сгорания в карбюраторном двигателе.

Эффективность процесса сгорания зависит от многих факторов и прежде всего от способов смесеобразования и воспламенения топлива.

В отличие от процессов газообмена и сжатия процесс сгорания следует рассматривать раздельно для карбюраторных двигателей и дизелей.

Процесс сгорания топлива включает ряд сложных последовательных реакций, скорость протекания которых зависит от температуры рабочей смеси, её состава, т.е. от коэффициента избытка воздуха и т.п. Воспламенение однородной горючей смеси возможно только в определённых пределах изменения коэффициента избытка воздуха (от до ).

При наличии в смеси остаточных газов пределы воспламеняемости сужаются. По этой причине при изменении нагрузочного режима для карбюраторного двигателя необходимо такое одновременное изменение количества поступающего в цилиндр топлива и воздуха, при котором горючая смесь находилась бы в пределах воспламеняемости. Количество смеси в карбюраторном двигателе изменяется с помощью дроссельной заслонки при одновременном изменении состава смеси (б=0,8-1,15) в зависимости от нагрузки.

При анализе процесса сгорания в карбюраторном двигателе на индикаторной диаграмме можно выделить три фазы.

Первая фаза и_I - начальная фаза сгорания, или фаза формирования фронта пламени. Начальным моментом фазы считается момент возникновения электрической искры (точка m), а конечным - резкое повышение давления в цилиндре в результате выделения теплоты. На продолжительность фазы и_I по углу поворота коленчатого вала влияет состав смеси, степень сжатия, частота вращения, нагрузка двигателя, характеристики искрового разряда.

Наименьшая продолжительность фазы и_I отмечается при использовании смеси с б=0,8-0,9. Обеднение смеси увеличивает продолжительность фазы и_I и ухудшает стабильность воспламенения. С возрастанием степени сжатия Е повышаются температура и давление рабочей смеси, что способствует увеличению скорости сгорания и сокращению продолжительности фазы и_I. Аналогичный результат наблюдается и при уменьшении угла опережения зажигания Ф_о.з.. Обычно , где показатель m=0,5-1,0. Чем выше мелкомасштабные пульсации при повышении частоты вращения n, тем больше показатель m.

По мере открытия дроссельной заслонки с возрастанием нагрузки на двигатель повышается относительное количество остаточных газов и уменьшается давление рабочей смеси, что приводит к увеличению продолжительности фазы и_I и к ухудшению стабильности воспламенения.

Чем выше пробивное напряжение, длительность и стабильность искрового разряда, тем короче фаза и_I. Использование электронных (транзисторных) систем зажигания по сравнению с классическими батарейными системами позволяет улучшить параметры процессов воспламенения и сгорания, особенно на режимах разгона.

Вторая фаза и_II - основная фаза сгорания. Её продолжительность отсчитывается от конца первой фазы до момента достижения максимального давления сгорания и зависит от закономерностей крупномасштабного турбулентного горения.

С ростом n продолжительность второй фазы по времени уменьшается в соответствии с изменением продолжительности всего цикла, т.е. продолжительность фазы и_II в градусах поворота коленчатого вала практически не меняется, так как интенсивность турбулизации заряда в цилиндре пропорциональна частоте вращения. Снижение продолжительности и_II достигается расположением свечи зажигания ближе к центру камеры сгорания, а также усилением турбулизации заряда.

Третья фаза и_III - фаза догорания - начинается в момент достижения максимального давления цикла. В этой фазе смесь горит в пристеночных слоях, где турбулентных пульсаций значительно меньше, чем в основном объёме камеры сгорания. Отдельные элементарные объёмы смеси догорают за фронтом пламени, особенно когда зона горения имеет большую глубину.

На продолжительность фазы и_III идентичным образом влияют те же факторы, которые воздействуют на продолжительность фазы и_I, т.е. те, от которых зависит скорость турбулентного горения. С ростом степени сжатия Е возрастает доля смеси, догорающей в пристеночных объёмах, что оказывает влияние на увеличение продолжительности третьей фазы. Определить момент окончания фазы догорания без специальных расчётов и обработки индикаторных диаграмм невозможно.

Условия эксплуатации автомобильных двигателей характеризуется частой сменой скоростных и нагрузочных режимов. Уменьшение нагрузки и повышение частоты вращения коленчатого вала влияют на продолжительность основной фазы сгорания и_II несущественно, но вызывают возрастание продолжительности первой и_I и третьей и_III фаз. Для компенсации возрастающей продолжительности фаз и_I и и_III возникает необходимость увеличения угла опережения зажигания. Для этого в системе зажигания карбюраторных двигателей предусмотрены специальные регуляторы (вакуумные и центробежные). Вакуумный регулятор позволяет увеличить угол опережения зажигания по мере снижения нагрузочного режима, а центробежный - при возрастании скоростного режима.

Детонационное сгорание.

Возможно в двигателях с воспламенением от электрической искры при определённых условиях. При этом работа двигателя сопровождается металлическим стуком, снижением мощности, неустойчивостью частоты вращения коленчатого вала, появлением дыма в отработавших газах и перегревом. Длительная работа двигателя с детонацией недопустима, т.к. может привести к прогоранию поршней, кроме того, в этом случае детали кривошипно-шатунного механизма воспринимает повышенные ударные нагрузки.

Развитие процесса детонационного сгорания протекает следующим образом. Под воздействием высоких температур и давлений в сжимаемой несгоревшей смеси в результате реакции окисления образуются соединения, называемые пероксидами. Скорость протекания этих реакций при высоких давлениях и температурах может возрасти настолько, что до прихода фронта пламени в эту зону в ней возникает очаг воспламенения, который с высокой скоростью распространяется к соседним слоям, подготовленным к сгоранию прошедшими предпламенными реакциями окисления. В результате появляются ударные волны, которые распространяются по камере сгорания со скоростью 1200-2300 м/с.

Стуки двигателя при детонационном сгорании возникают при ударах поршней о стенки цилиндров, а также при вибрации этих стенок в результате воздействия взрывных волн.

Дым в отработавших газах появляется вследствие выгорания масла при высокой температуре, термического разложения углеводородов и диссоциации продуктов сгорания. На детонацию оказывает влияние: степень сжатия, форма камеры сгорания и расположение свечи зажигания, угол опережения, состав смеси, материал поршня и головки цилиндров, частота вращения коленчатого вала, нагрузка двигателя, свойства топлива, нагарообразование тепловое состояние двигателя, условия на впуске и выпуске, размер и число цилиндров.

При раннем зажигании в результате быстрого нарастания давления и температуры в цилиндре в начале сгорания, т.е. вследствие ускорения предпламенных реакций перед фронтом пламени опасность появления детонации возрастает.

При повышении частоты вращения коленчатого вала увеличивается коэффициент остаточных газов _r, повышается скорость распространения пламени, следовательно, сокращается время на предпламенное окисление, возрастает скорость распространения пламени, снижается склонность двигателя к детонации.

С уменьшением нагрузки и соответствующем прикрытии дроссельной заслонки карбюратора увеличивается коэффициент остаточных газов, снижается давление рабочей смеси в конце сжатия, что уменьшает опасность возникновения детонационного сгорания.

При возрастании октанового числа.

Процесс сгорания - основной процесс рабочего цикла двигателя, в течении которого теплота, выделяющаяся в следствии сгорания топлива, идёт на повышение внутренней энергии рабочего тела и на совершение механической работы.

С целью упрощения термодинамических расчётов ДВС принимают, что процесс сгорания в двигателях с воспламенением, от искры происходит по циклу с подводом теплоты при постоянном объеме (V = const), а в двигателях с воспламенением от сжатия при постоянном объеме (V = const) и давлении (p = const), то есть по циклу со смешанным подводом теплоты.

Система питания служит для приготовления горючей смеси требуемого качества, подачи ее в цилиндры двигателя и удаления отработанных газов.

Система питания двигателя должна:

· Обеспечивать точное дозирование топлива на всех установившихся и переходных режимах (быстрый пуск двигателя при любой температуре, экономичность работы при неполных нагрузках, быстрое увеличение нагрузки, получение полной мощности).

· Обеспечивать возможно более высокое паросодержание горючей смеси, поступающей в цилиндры двигателя. Это связано с тем, что горючие смеси с высоким паросодержанием, попадая в цилиндр двигателя, не разжижают смазку на стенках, оседая на них, тем самым заметно уменьшая износ цилиндропоршневой группы. Высокоепаросодержание обеспечивается при качественном распылении и перемешивании топлива с воздухом.

· Обеспечивать полную автоматичность и стабильность работы.

Система питания карбюраторного двигателя.

На рис. 5.1 представлена принципиальная схема системы питания карбюраторного двигателя. Топливо, подаваемое из топливного бака 1 насосом 3, проходит предварительно фильтр 2, а затем поступает в карбюратор 5. Воздух поступает через воздухоочиститель 4 также в карбюратор 5. В карбюраторе топливо распыливается, испаряется и, перемешиваясь с воздухом, образует горючую смесь. Горючая смесь через впускной коллектор поступает в цилиндры двигателя и, смешиваясь с остаточными газами, образует рабочую смесь. Поступившая в цилиндры рабочая смесь воспламеняется при помощи электрической искры и сгорает. Отработавшие газы после сгорания отводятся из цилиндров двигателя через выпускной коллектор и глушитель 6 в окружающую среду.

Процесс распыления, испарения и перемешивания топлива с воздухом вне цилиндра двигателя называется карбюрацией.

Прибор, осуществляющий этот процесс, называется карбюратором.

Рис. 5.1. Схема питания карбюраторного двигателя

Карбюраторы могут быть трех типов: испарительный, впрыскивающий и поплавковый всасывающий.

Испарительные, или барботажные, карбюраторы (рис. 5.2) предназначались для работы на легкоиспаряющемся топливе. Воздух, проходя над поверхностью топлива, насыщался его парами и образовывал горючую смесь. Дроссельная заслонка 1 определяла количество подаваемой смеси. Качество смеси, т. е. концентрация паров, регулировалось путем изменения объема пространства между поверхностью бензина и крышкой карбюратора. При множестве недостатков этого карбюратора (громоздкость, пожарная опасность, необходимость частой регулировки из-за повышенной чувствительности к изменениям условий внешней среды и т. д.) у него было одно существенное преимущество - однородная топливовоздушная смесь с высоким паросодержанием, так как воздух смешивался с парами топлива.

Впрыскивающий (мембранный) карбюратор (рис. 5.3) имеет довольно сложное устройство. Топливный клапан 4 перемещается под действием двух эластичных мембран. Первая мембрана разделяет воздушные камеры высокого 5 и низкого 6 давлений. Вторая разделяет топливные камеры 7 и 8, соответственно низкого и высокого давлений.

Рис. 5.2. Схема испарительного карбюратора

Рис. 5.3. Схема впрыскивающего карбюратора

Дроссельной заслонкой 1 регулируется количество воздуха, а следовательно, и смеси, поступающей в двигатель. В камере 5, в результате скоростного напора воздуха, давление повышенное, а в камере 6, соединенной с горловиной диффузора 2, устанавливается разрежение.

Под действием разности давлений эластичная мембрана выгибается и открывает топливный клапан 4. Через открытый клапан в топливную камеру 8 бензонасосом под давлением подается топливо. Из камеры 8 топливо через жиклер 3 и форсунку 9 подается в смесительную камеру карбюратора, где оно распыливается и перемешивается с воздухом. Топливная камера 7 также заполняется топливом из топливного канала через жиклер 3, но давление в камере 7 меньше, чем давление в камере 8. В результате этого эластичная мембрана камер 7 и 8прогибается и топливный клапан 4 стремится закрыться. При равенстве усилий на мембранах топливный клапан 4 находится в некотором определенном положении, что соответствует установившемуся режиму работы двигателя.

Впрыскивающие карбюраторы работают точно и надежно при любом положении двигателя. Однако из-за сложности регулировок и обслуживания в автомобильных двигателях не применяются.

Наибольшее распространение получили поплавковые всасывающие карбюраторы со всасыванием топлива при разрежении, возникающем в суженной части воздушного канала карбюратора - диффузоре вследствие местного повышения скорости потока воздуха. Устройство и работа систем таких карбюраторов будет подробно рассмотрена ниже.

Устройство элементарного карбюратора.

Схема элементарного карбюратора показана на рис. 5.4. Топливо из бака поступает по топливопроводу в поплавковую камеру 3 карбюратора. В поплавковой камере плавает пустотелый поплавок 2. На поплавок опирается запорная игла 1, пропускающая топливо в камеру при понижении уровня и прекращающая доступ топлива, когда уровень достиг необходимой высоты. Поплавковая камера через воздушное отверстие сообщается с атмосферой, в связи с чем в камере поддерживается атмосферное давление.

Из поплавковой камеры через калиброванное отверстие, называемое жиклером 4, топливо поступает в распылитель 5. Выходное отверстие распылителя размещено в горловине диффузора 7, на 5-6 мм выше уровня топлива в поплавковой камере.

Воздух поступает в карбюратор через воздухоочиститель. При прохождении через диффузор скорость воздушного потока возрастает, а давление в диффузоре падает.

Истечение топлива из распылителя происходит под действием разности давлений в поплавковой камере (атмосферное давление) и горловине диффузора (разрежение). Скорость потока воздуха, проходящего через горловину диффузора, значительно превышает скорость топлива, истекающего из распылителя. При истечении из распылителя топливо распыливается потоком воздуха, частично испаряется и, перемешиваясь в смесительной камере с воздухом, образует горючую смесь.

Рис. 5.4. Схема элементарного карбюратора

Дроссельная заслонка 6 служит для регулирования количества смеси, поступающей в цилиндры двигателя, а следовательно, и мощности, развиваемой двигателем.

Основы теории карбюрации.

Смесеобразование в карбюраторе представляет собой сложный процесс. Для формирования правильных представлений о процессе смесеобразования необходимо последовательно рассмотреть явления движения воздушного потока, истечения, распыливания и испарения топлива, а также принципы приготовления необходимого состава горючей смеси.

Движение воздушного потока через карбюратор.

При движении через карбюратор скорость и давление воздушного потока изменяются.

Количество воздуха, проходящего через карбюратор и поступающего в двигатель, определяется рабочим объемом цилиндров двигателя, скоростью вращения коленчатого вала и степенью открытия дроссельной заслонки.

Часовой расход воздуха (м³), поступающего в двигатель:

,

где D - диаметр цилиндра двигателя, м;

S - ход поршня, м;

G_воз - плотность воздуха при температуре и давлении окружающей среды, кг/м³;

n_v - коэффициент наполнения двигателя;

n - число оборотов коленчатого вала, c;

i - число цилиндров двигателя, обслуживаемых данным карбюратором;

t - тактность двигателя.

Часовой расход воздуха, проходящего через диффузор карбюратора и далее поступающего в двигатель:

,

где G_воз - скорость движения воздуха в диффузоре, м/с;

F_диф - площадь поперечного сечения горловины диффузора, м² .

Скорость воздуха, протекающего через горловину диффузора, может быть определена следующим уравнением в предположении, что воздух представляет собой несжимаемую жидкость:

,



где n_диф - коэффициент скорости воздуха в диффузоре;

P₀ - P_диф - разрежение в диффузоре, равное разности давлений окружающей среды и в диффузоре.

Воздух проходит через диффузор карбюратора со сравнительно большими скоростями, поэтому давление в нем заметно понижается. Наименьшее давление или наибольшее разрежение в горловине диффузора карбюратора наблюдается при максимальных скоростях и расходах воздуха. Отсюда следует, что разрежение в диффузоре должно возрастать по мере увеличения открытия дросселя и числа оборотов вала двигателя.

Площадь горловины диффузора подбирают так, чтобы:

1) на малых числах оборотов и неполных открытиях дроссельной заслонки скорости воздуха были не ниже 40--50 м/сво избежание недостаточного распыливания топлива и связанного с ним увеличения расхода топлива;

2) на больших числах оборотов и при полном открытии дроссельной заслонки скорость воздуха не превышала примерно 120 м/с, так как при больших скоростях заметно понизится весовое наполнение, а следовательно, и мощность двигателя.

Оба эти требования полностью совместить нельзя, а потому обычно подбирают площадь горловины диффузора так, чтобы разрежения в ней на больших числах оборотов не превосходили 9.81 КПа.

На холостом ходу двигателя и малых оборотах вала в двигатель поступает минимальное количество горючей смеси. При этом разрежение в диффузоре почти отсутствует, а разрежение за дроссельной заслонкой достигает наибольших значений, численно равных 49.05 КПа.

Уравнение часового расхода при подстановке уравнения скорости воздуха примет вид:

.

Оно справедливо для несжимаемых жидкостей, но разрежения в диффузорах карбюраторов очень редко превышают 9.81 КПа, поэтому этим уравнением можно пользоваться при расчете карбюраторов, так как ошибка при его использовании не превысит 1-2%.

Истечение топлива из распылителя.

Разность давлений в поплавковой камере и у распылителя заставляет топливо перетекать по системе каналов через жиклер в распылитель, а из него в диффузор карбюратора, где быстро двигается воздух.

Разрежение у распылителя, по данным опытов, на 20-25% меньше разрежения у стенки диффузора. В соответствии с этим скорость протекания топлива через жиклер определяют уравнением:

,

где n_жикл - коэффициент скорости, учитывающий трение в топливных каналах и жиклере, а также местные сопротивления при переходе от одного сечения к другому;

P_топл - плотность топлива при температуре и давлении окружающей среды, кг/м³.

В большинстве случаев основным сопротивлением является жиклер, а сопротивления в топливных каналах по сравнению с ним невелики, поэтому с достаточной точностью коэффициент скорости может учитывать только сопротивления самого жиклера.

Скорость протекания топлива через жиклер зависит от режима работы двигателя и изменяется в пределах от 0 до 5 м/с.

Для перехода от скорости вытекающего топлива к часовому весовому расходу необходимо учесть площадь жиклера F_жикл:



Или

.

Распыление и испарение топлива.

Струя топлива, вытекающая из жиклера карбюратора, распыляется на мелкие капли вследствие трения, возникающего между струей и потоком воздуха, двигающегося с большой скоростью. Тонкость распыливания топлива оценивается средним диаметром капель.

Средний диаметр капель распыляемого топлива тем меньше, чем больше скорость потока воздуха и чем меньше поверхностное натяжение топлива (рис. 5.5).

Рис. 5.5. Зависимость размера капель от скорости воздуха

Условия для испарения топлива в карбюраторе неблагоприятны. Время, отводимое на испарение, измеряется лишь сотыми долями секунды; температура, при которой происходит испарение, сравнительно небольшая. При температуре 30 °С и сравнительно высокой скорости воздуха полного испарения топлива не достигается.

Неиспарившееся топливо в виде капель уносится воздушным потоком, а так как температура впускного коллектора сравнительно невысока, топливо конденсируется и оседает на внутренних стенках коллектора, образуя жидкую пленку. Скопление пленки ухудшает распределение горючей смеси по цилиндрам двигателя. Часть неиспарившегося топлива уносится в цилиндры, что ухудшает сгорание смеси. Часть топлива проникает в картер и разжижает масло. Поэтому в карбюраторных двигателях для улучшения испаряемости топлива, уменьшения неравномерности распределения смеси по цилиндрам, предотвращения конденсации и понижения пленкообразования применяется подогрев впускного коллектора отработавшими газами.

Влияние состава горючей смеси на работу двигателя

Состав горючей смеси, оцениваемый коэффициентом избытка воздуха, оказывает большое влияние на мощность и экономичность двигателя.

При полностью открытом дросселе максимальная мощность двигателя достигается при коэффициенте избытка воздуха ? = 0.8-0.9, а минимальный расход топлива (наибольшая экономичность) при коэффициенте ? = 1.05-1.15.

Но по мере прикрытия дросселя (изменение нагрузки) изменяется и состав горючей смеси, соответствующий максимальной мощности и наибольшей экономичности. На рис. 5.6 показана связь между мощностью и экономичностью двигателя и составом горючей смеси при различных положениях дроссельной заслонки. Кривые а и а' характеризуют изменение мощности и экономичности при полностью открытом дросселе, кривые б и б' и в и в' - при прикрытых положениях дросселя. Каждая из кривых соответствует постоянному числу оборотов и нагрузке двигателя.

Рис. 5.6. Изменение мощности и экономичности двигателя

Кривые показывают, что при уменьшении нагрузки по мере прикрытия дроссельной заслонки значения максимальной мощности и минимального расхода топлива смещаются влево, коэффициент избытка воздуха понижается, смесь обогащается. Это объясняется тем, что дросселирование двигателя понижает скорость воздушного потока в карбюраторе. При этом ухудшение качества распыливания топлива и процесса сгорания смеси приводит к необходимости обогащения смеси. Выделив на кривых точки, соответствующие максимальной мощности и минимальным удельным расходам топлива, и соединив эти точки пунктиром, получим кривые А и Б. Кривая А характеризует изменение коэффициента избытка воздуха в зависимости от нагрузки при максимальной мощности. Кривая Б характеризует изменение коэффициента избытка воздуха в зависимости от нагрузки при наибольшей экономичности.

Кривые показывают, что при частичных нагрузках (прикрытая дроссельная заслонка) максимальная мощность, развиваемая двигателем, достигается на обогащенных смесях, при коэффициенте избытка воздуха от 0.9 до 0.6, а наибольшая экономичность достигается при = 0.9-1.15.

Характеристика элементарного карбюратора.

Элементарный карбюратор конструктивно прост (рис. 5.4). Выясним, как удовлетворяет установленным ранее основным требованиям элементарный карбюратор. Проанализируем характер изменения состава горючей смеси, создаваемый элементарным карбюратором на различных режимах работы двигателя.

Состав горючей смеси оценивается коэффициентом избытка воздуха, определение которого возможно по выражению:

.



Выражение показывает, что изменение коэффициента избытка воздуха зависит от изменения отношения коэффициентов n_диф и n_жикл, а также плотности воздуха р_воз. Остальные величины постоянны.

На основании опытных данных (рис. 5.8) установлено, что при изменении разрежения в диффузоре отношение n_диф /n_жикл не остается постоянным, а постепенно уменьшается. Не остается постоянным и плотность воздуха. Следовательно, можно установить, что по мере повышения разрежения в диффузоре коэффициент избытка воздуха должен понижаться, а состав смеси, приготовляемый элементарным карбюратором, стремиться к обогащению. Характер изменения коэффициента избытка воздуха в зависимости от разрежения показан на рис. 5.9. Эта зависимость является характеристикой элементарного карбюратора. Из сопоставления характеристик желаемого и элементарного карбюратора видно, что элементарный карбюратор не обеспечивает приготовления горючей смеси требуемого состава. Поэтому все современные карбюраторы снабжены дозирующими устройствами, предназначенными для исправления характеристики элементарного карбюратора и максимального приближения ее к характеристике желаемого карбюратора.

Рис. 5.8. Изменение n_диф и n_жикл, их отношения и плотности воздуха

Рис. 5.9. Характеристика элементарного карбюратора

Главное дозирующее устройство.

Главное дозирующее устройство служит для исправления характеристики элементарного карбюратора, приготовляя горючую смесь главным образом при средних и больших нагрузках.

У карбюраторов преобладающее распространение имеют четыре разновидности главных дозирующих устройств: с двумя жиклерами - главным и компенсационным; с пневматическим торможением топлива; с переменным сечением диффузора; c дозирующей иглой.

Рассмотрим принципиальные схемы каждого из указанных главных дозирующих устройств.

Главное дозирующее устройство с двумя жиклерами (рис. 5.10). Карбюратор имеет два жиклера, поставленные в разные условия работы. Жиклер 1 называется главным. Он подает топливо непосредственно в диффузор. Расход топлива через главный жиклер зависит от разрежения в диффузоре и возрастает по мере повышения разрежения. Жиклер 2 называется компенсационным. Он подает топливо в колодец 3, называемый компенсационным. Колодец сообщается с атмосферой. Вследствие свободного доступа воздуха в колодец изменение разрежения в диффузоре не влияет на количество топлива, поступающего из компенсационного жиклера.

Рис. 5.10. Главное дозирующее устройство с двумя жиклерами и его характеристика

Если двигатель не работает, уровень топлива в поплавковой камере, колодце и распылителях одинаковый. При работе двигателя, по мере увеличения разрежения в диффузоре, расход топлива через распылитель главного жиклера непрерывно повышается. Распылитель компенсационного жиклера вначале работает полным сечением. В дальнейшем уровень топлива в колодце постепенно понижается и через него начинается подсос воздуха. При этом поступающее через жиклер 2 топливо смешивается с подсасываемым воздухом и в виде эмульсии подается через распылитель в диффузор карбюратора.

Таким образом, главный жиклер работает по характеристике элементарного карбюратора, обогащая смесь по мере увеличения разрежения. Характеристика компенсационного жиклера противоположна. При увеличении разрежения он обедняет смесь. Размеры жиклеров подбираются так, чтобы их совместная работа приближала характеристику карбюратора к желаемой.

Главное дозирующее устройство с пневматическим торможением топлива (рис. 5.11). Карбюратор имеет один жиклер 1 и калиброванное отверстие 2 в воздушном колодце.

В период работы двигателя на малых расходах воздуха разрежение в диффузоре сравнительно небольшое. При этом отверстие из воздушного колодца в стенке распылителя находится под уровнем топлива, а доступ воздуха в распылитель закрыт. В этот период жиклер работает так же, как и элементарный карбюратор.

Рис. 5.11. Главное дозирующее устройство с пневматическим торможением топлива и его характеристика



С увеличением расхода воздуха разрежение в диффузоре повышается, а уровень топлива в колодце понижается. Как только уровень топлива в колодце понизится до отверстия в распылитель, в него начнет поступать воздух; при этом разрежение у распылителя будет уменьшаться, а образовавшаяся эмульсия поступать в смесительную камеру.

Подбор соответствующих соотношений жиклера и калиброванного отверстия воздушного колодца позволяет приблизить характеристику карбюратора к желаемой.

Главное дозирующее устройство с переменным сечением диффузора (рис. 5.12). Карбюратор имеет один жиклер 1 и диффузор 2 переменного сечения, образуемый двумя крыльями.

При малых расходах воздуха крылья сходятся и уменьшают проходное сечение диффузора. Это повышает разрежение в диффузоре, и расход топлива через распылитель возрастает.

С увеличением расхода воздуха (увеличение открытия дросселя или числа оборотов) под действием напора воздушного потока крылья раздвигаются, увеличивая проходное сечение диффузора. Разрежение при этом понижается, а смесь обедняется.

Рис. 5.12. Главное дозирующее устройство с переменным сечением диффузора и его характеристика

Характер изменения проходного сечения диффузора выбирается в соответствии с желаемой характеристикой карбюратора.

Главное дозирующее устройство с дозирующей иглой представлено на рис. 5.13.

При работе двигателя топливо из поплавковой камеры через кольцевой зазор, образованный топливным жиклером 2 и дозирующей иглой 1, проходит к распылителю.

При малых разрежениях в диффузоре через топливный жиклер 2 топливо подается к распылителю в количестве, ограниченном его проходным сечением. Таким образом, жиклер работает по характеристике элементарного карбюратора, обогащая смесь по мере увеличения разрежения.

При увеличении нагрузки двигателя (открытии дроссельной заслонки) подача топлива через топливный жиклер 2 становится меньше за счет опускания дозирующей иглы 1. Опускание достигают установкой поводка (на оси дроссельной заслонки) и тяг, связанных с иглой 1.По мере открытия дросселя благодаря перемещению деталей дозирующая игла 1 опускается и расход топлива через топливный жиклер уменьшается. При этом смесь обедняется.

Рис. 5.13. Главное дозирующее устройство с дозирующей иглой и его характеристика

Подбором профиля дозирующей иглы и величины топливного жиклера получают наивыгоднейший для экономичной работы двигателя расход топлива.

Существенные недостатки этого дозирующего устройства сводятся к отсутствию эмульсирования топлива, подаваемого топливным жиклером, сложности изготовления дозирующей иглы и ненадежности ее работы при эксплуатации карбюратора.

Дополнительные дозирующие устройства.

Пусковое устройство. В процессе пуска число оборотов двигателя незначительно, скорость воздушного потока небольшая, тонкость распыливания и испарения топлива недостаточны. Пониженный температурный режим двигателя способствует конденсации части топлива на стенках впускного коллектора. Все это создает неблагоприятные условия для смесеобразования и вызывает затруднения при пуске непрогретого двигателя.

Следовательно, для облегчения пуска двигателя необходимо кратковременное обогащение смеси. Это достигается при помощи специального пускового устройства, которое у большинства карбюраторов представляет собой воздушную заслонку (рис. 5.14).

Рис. 5.14. Воздушная заслонка с клапаном

Воздушная заслонка устанавливается во входном патрубке карбюратора, перед диффузором. При пуске воздушная заслонка кратковременно прикрывается. Это понижает количество воздуха, проходящего через диффузор, но, повышая разрежение у распылителя, увеличивает подачу топлива и обогащает смесь.

Воздушная заслонка часто дополняется клапаном, предотвращающим переобогащение смеси. Клапаном является круглая пластина, нагруженная пружиной. Под действием пружины пластина прижимается к воздушной заслонке и закрывает имеющиеся в ней отверстия. Как только двигатель запустится, разрежение в диффузоре возрастает. При этом пружина сжимается, пластина отходит от заслонки и открывает отверстия. В карбюратор поступает дополнительный воздух, что препятствует переобогащению смеси.

С этой же целью воздушная заслонка выполняется иногда неравносторонней, устанавливается на оси эксцентрично, а с приводным рычагом соединяется через пружину. При увеличении разрежения в карбюраторе воздушная заслонка под действием воздушного потока на большую сторону заслонки открывается автоматически.

У ряда карбюраторов пусковое устройство представляет собой сочетание воздушной заслонки с клапаном и обогатительной иглы.

Ряд карбюраторов имеет автоматическое управление воздушной заслонкой. В процессе пуска положение воздушной заслонки изменяется автоматически при помощи температурного (в зависимости от температуры охлаждающей воды или впускного коллектора) или вакуумного (в зависимости от разрежения во впускном коллекторе или карбюраторе) регуляторов.

Устройство холостого хода. На холостом ходу и малых нагрузках двигателя дроссельная заслонка почти полностью прикрыта, но воздушная заслонка открыта. В этот период расход воздуха и разрежение в диффузоре малы и главное дозирующее устройство не работает. Обогащение смеси на холостом ходу и малых нагрузках достигается при помощи устройства холостого хода (рис. 5.15).

Рис. 5.15. Устройство холостого хода

Работа этого устройства основана на использовании значительных разрежений, которые создаются за дроссельной заслонкой, когда дроссель прикрыт.

В устройстве холостого хода топливный жиклер холостого хода 2 каналом сообщается с отверстием 4 в стенке карбюратора перед дросселем и отверстием за дросселем, проходное сечение которого регулируется винтом 3. В канал через воздушный жиклер 1 поступает воздух.

На холостом ходу и малых нагрузках под действием значительного разрежения за дросселем топливо из поплавковой камеры через жиклер 2 поступает в канал, смешивается с воздухом, поступающим через воздушный жиклер 1, и образует эмульсию. Эмульсия поступает в пространство за дросселем через отверстие и дополнительно распыливается воздухом, проникающим с большой скоростью через зазоры между дросселем и стенками карбюратора.

Отверстие 4 создает условия для плавного перехода от холостого хода к малым нагрузкам и постепенного обеднения смеси. При холостом ходе, когда дроссель прикрыт, через отверстие 4, расположенное выше дросселя, в канал проходит воздух. Воздух уменьшает разрежение в канале и притормаживает истечение топлива. Когда при переходе к малым нагрузкам дроссель незначительно открывается, а расход воздуха, проходящего через карбюратор, увеличивается, оба отверстия оказываются ниже дросселя. В этот период приток воздуха через отверстие 4 в канал прекращается, и подача топлива несколько увеличивается.

По мере дальнейшего открытия дросселя разрежение за дросселем постепенно падает, но в горловине диффузора повышается. Одновременно подача топлива устройством холостого хода постепенно уменьшается, а затем прекращается. Подача топлива обеспечивается главным дозирующим устройством. Устройство холостого хода участвует в смесеобразовании при пуске двигателя.

Экономайзер. Максимальная мощность двигателя достигается на обогащенной смеси, когда коэффициент избытка воздуха составляет от 0.8 до 0.9. Но главное дозирующее устройство карбюратора рассчитывается на приготовление экономичной смеси. Следовательно, необходимо обогащать смесь от состава, соответствующего максимальной экономичности (что обеспечивается главным дозирующим устройством), до состава, при котором возможно реализовать максимальную мощность.

Для осуществления указанного требования современные карбюраторы имеют устройство, позволяющее автоматически обогащать смесь. Такое автоматическое устройство, обеспечивающее сочетание экономичной работы двигателя при неполных нагрузках и реализацию максимальной мощности при полных нагрузках, называется экономайзером.

Экономайзеры выполняются с механическим или пневматическим приводом. Экономайзер с механическим приводом включается в действие в зависимости от положения дросселя, а экономайзер с пневматическим приводом - в зависимости от разрежения в карбюраторе.

Принципиальная схема экономайзера с пневматическим приводом показана на рис. 5.16. Колодец экономайзера имеет клапан 2, шток 1, пружину 4 и поршень 3, размещенный в цилиндре. Цилиндр над поршнем сообщается через канал с пространством за дросселем. На малых и средних нагрузках под действием разности давлений поршень удерживается в верхнем положении. Клапан экономайзера при этом закрыт. С переходом к большим нагрузкам разность давлений значительно понижается. Поэтому поршень под действием разжимающейся пружины штока опускается, а клапан экономайзера открывается. Одновременно дополнительное топливо из колодца через жиклер экономайзера поступает к распылителю и обогащает смесь.



Рис. 5.16. Экономайзер с пневматическим приводом

Схема экономайзера с механическим приводом показана на рис. 5.17. Колодец экономайзера имеет клапан 2, шток 1, имеющий механическую связь с дроссельной заслонкой. На малых и средних нагрузках шток находится в верхнем положении. Клапан экономайзера при этом закрыт. С переходом к большим нагрузкам, при определенном положении дроссельной заслонки, на шток оказывается механическое воздействие. Шток опускается, а клапан экономайзера открывается. Одновременно топливо из колодца через жиклер экономайзера поступает к распылителю и смесь обогащается.

Рис. 5.16. Экономайзер с механическим приводом

Характер изменения мощности двигателя, в зависимости от степени открытия дросселя у карбюраторов с экономайзерами, показан на рис. 5.17.

Из рис. 5.17 а следует, что экономайзер с механическим приводом (двигатель ЗИЛ-130, карбюратор К-88А) включается в работу при одном и том же положении дросселя (около 80% открытия), вне зависимости от числа оборотов двигателя. Если при п = 2000 об./мин перед включением экономайзера мощность еще продолжает расти, то при п = 1000 об./мин и 40% открытия дросселя мощность практически не возрастает. Это ухудшает приемистость двигателя и является недостатком экономайзера с механическим приводом.

Включение экономайзера с пневматическим приводом (рис. 5.17б) происходит при разных положениях дросселя. Если при п = 900 об./мин экономайзер включается, когда дроссель открыт на 30%, то при п = 2300 об./мин включение соответствует открытию дросселя на 60%. Это объясняется зависимостью включения экономайзера от разрежения во впускном коллекторе.

а б

Рис. 5.17. Изменение мощности двигателя в зависимости от нагрузки и числа оборотов

Следовательно, по мере уменьшения оборотов включение экономайзера происходит при меньшем открытии дросселя. Это является преимуществом карбюратора с экономайзером, имеющим пневматический привод, так как дает возможность повысить мощность в те периоды, когда увеличение открытия дросселя не дает такой возможности.

Некоторые карбюраторы с двумя смесительными камерами имеют экономайзер, называемый эконостатом (рис. 5.18). Он устанавливается во вторичных камерах, дроссельные заслонки которых начинают открываться при нагрузке, близкой к полной.



Рис. 5.18. Эконостат

При работе на малых и в начале средних нагрузок дроссельная заслонка вторичных камер закрыта, и поток воздуха в диффузоре отсутствует.

При средних нагрузках, когда топливной смеси, приготовленной первой камерой, недостаточно, дроссельная заслонка вторичной камеры начинает открываться. Увеличивающийся поток воздуха через диффузор создает разрежение, и начинает работать главная дозирующая система вторичной камеры 2, которая готовит обедненную смесь.

При нагрузке, близкой к полной, воздушный поток через вторичную камеру велик и разрежение создается не только в диффузоре, но и перед ним. Через распылительную трубку эконостата 1, выведенную выше диффузора, начинает распыляться топливо, поднимаемое из поплавковой камеры этим разрежением. Топливная смесь обогащается.

Насос-ускоритель. Необходимость резкого изменения режима работы двигателя при разгоне машины или во время движения по пересеченной местности вызывает необходимость резкого изменения степени открытия дросселя.

При резком открытии дросселя разрежение в диффузоре карбюратора значительно возрастает, а за дросселем падает. С увеличением разрежения в диффузоре расход воздуха, благодаря меньшей инерции, повышается в большей мере, чем расход топлива. Поэтому смесь кратковременно обедняется. Понижению разрежения за дросселем сопутствует понижение температуры смеси; часть топлива конденсируется, что также способствует кратковременному обеднению смеси.

Обеднение смеси влечет за собой падение мощности и ухудшение приемистости двигателя и может вызвать перебои в его работе. Для того чтобы резкое открытие дросселя не сопровождалось временным обеднением смеси, а приемистость двигателя не ухудшалась, большинство современных карбюраторов снабжается насосом-ускорителем.

Принципиальная схема насоса-ускорителя показана на рис. 5.19. Колодец насоса питается топливом из поплавковой камеры через впускной клапан 1. Колодец сообщается с распылителем и имеет выпускной клапан 2. Если клапан 2 открыт, топливо из колодца поступает в распылитель 5. Поршень насоса 3 постоянно отжимается пружиной вверх к штоку 4. Шток при помощи рычага связан с осью дросселя.

При постепенном открытии дросселя и медленном движении поршня топливо из колодца перетекает через впускной клапан 1 в поплавковую камеру; выпускной клапан 2 при этом закрыт. При резком открытии дросселя поршень перемещается вниз, под действием давления топлива впускной клапан 1 закрывается, выпускной клапан 2 открывается и дополнительная доза топлива из колодца поступает в смесительную камеру, обогащая смесь.

Рис. 5.19. Принципиальная схема насоса-ускорителя

Когда дроссель прикрывается, поршень насоса под действием пружины перемещается вверх; впускной клапан 1 при этом открыт и колодец заполняется топливом. Колодцем насоса-ускорителя иногда служит колодец экономайзера, но чаще колодец насоса выполняется самостоятельным.

Определение основных размеров карбюратора.

Диффузор. Диаметр горловины диффузора выбирается таким, чтобы необходимое разрежение и скорость потока воздуха создавали условия для тонкого распыливания и интенсивного испарения топлива при различных режимах работы двигателя. Эти требования должны удовлетворяться при возможно малом гидравлическом сопротивлении диффузора, что позволит повысить весовое наполнение цилиндров двигателя.

Часовой расход воздуха (м³), проходящего через горловину диффузора, как было установлено, равен:

Или

,

где d_диф - диаметр горловины диффузора.

Часовой расход воздуха (м³), поступающего в цилиндры четырехтактного двигателя, составляет:

,

где D и S - диаметр цилиндра и ход поршня.

Учитывая, что часовой расход воздуха, поступающего в цилиндры двигателя, равен часовому расходу воздуха, проходящего через горловину, и решая совместно их выражения относительно d_диф, получим:

.

Скорость воздушного потока в горловине диффузора, обеспечивающая распыливание топлива, должна составлять: при минимально устойчивом числе оборотов 45-50 м/с, при режиме максимальной мощности 110-150 м/с.

Если при расчете принята скорость воздушного потока в горловине диффузора, разрежение, необходимое для реализации такой скорости, может быть определено из выражения, согласно которому:

.

Жиклер. Диаметр жиклера выбирается таким, чтобы необходимый расход топлива достигался при данном разрежении в горловине диффузора. Порядок расчета следующий.

Часовой расход топлива (м³) через отверстие жиклера согласно выражению составляет:

Или

,

где d_жикл - диаметр отверстия жиклера.

Отсюда диаметр отверстия жиклера:

.



Скорость истечения топлива из жиклера может быть определена согласно выражению:

.

Коэффициент скорости истечения топлива зависит от формы и соотношения размеров жиклера, температуры, вязкости и удельного веса топлива, разрежения в горловине диффузора и других факторов.

Скорость истечения топлива из жиклера значительно ниже скорости воздушного потока в горловине диффузора и, в зависимости от разрежения в диффузоре, составляет от 3 до 6 м/сек.

Задание №2. Система охлаждения двигателя

Система охлаждения двигателя служит для поддержания нормального теплового режима работы двигателей путем интенсивного отвода тепла от горячих деталей двигателя и передачи этого тепла окружающей среде.

Отводимое тепло состоит из части выделяющегося в цилиндрах двигателя тепла, не превращающейся в работу и не уносимой с выхлопными газами, и из тепла работы трения, возникающего при движении деталей двигателя.

Большая часть тепла отводится в окружающую среду системой охлаждения, меньшая часть - системой смазки и непосредственно от наружных поверхностей двигателя.

Принудительный отвод тепла необходим потому, что при высоких температурах газов в цилиндрах двигателя (во время процесса горения 1800-2400 °С, средняя температура газов за рабочий цикл при полной нагрузке 600-1000 °С) естественная отдача тепла в окружающую среду оказывается недостаточной.

Нарушение правильного отвода тепла вызывает ухудшение смазки трущихся поверхностей, выгорание масла и перегрев деталей двигателя. Последнее приводит к резкому падению прочности материала деталей и даже их обгоранию (например, выпускных клапанов). При сильном перегреве двигателя нормальные зазоры между его деталями нарушаются, что обычно приводит к повышенному износу, заеданию и даже поломке. Перегрев двигателя вреден и потому, что вызывает уменьшение коэффициента наполнения, а в бензиновых двигателях, кроме того, - детонационное сгорание и самовоспламенение рабочей смеси.

Чрезмерное охлаждение двигателя также нежелательно, так как оно влечет за собой конденсацию частиц топлива на стенках цилиндров, ухудшение смесеобразования и воспламеняемости рабочей смеси, уменьшение скорости ее сгорания и, как следствие, уменьшение мощности и экономичности двигателя.

Классификация систем охлаждения.

В автомобильных и тракторных двигателях, в зависимости от рабочего тела, применяют системы жидкостного и воздушного охлаждения. Наибольшее распространение получило жидкостное охлаждение.

При жидкостном охлаждении циркулирующая в системе охлаждения двигателя жидкость воспринимает тепло от стенок цилиндров и камер сгорания и передает затем это тепло при помощи радиатора окружающей среде.

По принципу отвода тепла в окружающую среду системы охлаждения могут быть замкнутыми и незамкнутыми (проточными).

Жидкостные системы охлаждения автотракторных двигателей имеют замкнутую систему охлаждения, т. е. постоянное количество жидкости циркулирует в системе. В проточной системе охлаждения нагретая жидкость после прохождения через нее выбрасывается в окружающую среду, а новая забирается для подачи в двигатель. Применение таких систем ограничивается судовыми и стационарными двигателями.

Воздушные системы охлаждения являются незамкнутыми. Охлаждающий воздух после прохождения через систему охлаждения выводится в окружающую среду.

Классификация систем охлаждения приведена на рис. 3.1.

По способу осуществления циркуляции жидкости системы охлаждения могут быть:

· принудительными, в которых циркуляция обеспечивается специальным насосом, расположенным на двигателе (или в силовой установке), или давлением, под которым жидкость подводится в силовую установку из внешней среды;

· термосифонными, в которых циркуляция жидкости происходит за счет разницы гравитационных сил, возникающих в результате различной плотности жидкости, нагретой около поверхностей деталей двигателя и охлаждаемой в охладителе;

· комбинированными, в которых наиболее нагретые детали (головки блоков цилиндров, поршни) охлаждаются принудительно, а блоки цилиндров - по термосифонному принципу.

...