Принцип работы 4-х тактных двигателей

     Балтийская  Государственная Академия

     Рыбопромыслового  Флота 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Реферат

     По  дисциплине

     “Введение в специальность” 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Курсант: Пантелеев А.Н.

     Преподаватель: Покровский Е.А. 
 
 

                                                         Калининград

                                                                  2011

Введение: 
 
 
 

     Этот  реферат ставит своей целью раскрыть две различные по содержанию и направлению, но родственные меж собой темы:

          -Принцип и организация работы 4-х тактных двигателей.

           -Судовые системы. 

Включает в  себя иллюстрированный теоретический  материал подкрепленный иллюстрациями  и схемами, наглядно дающими представление  по тому или иному вопросу. Первая тема освещается в первой части реферата, под общим названием “Принцип и организация работы 4-х тактных двигателей”, где подробно излагается вся необходимая теоретическая информация. Вторая идет следом и называется “Судовые системы” и включает в себя статьи об Основных Судовых Системах. 

     Для студентов технически специальностей высших учебных заведений,  специалистов технических отраслей рыбопромыслового флота, любителей океанического  лова и для тех, кому интересна  техника.

 

 

Глава 1. Принцип и организация работы 4-х тактных двигателей

Содержание  главы :

1.История  создания

2. 4 Цикла

3.Октановое  число топлива

4.Факторы  ограничивающие мощность  двигателя

5. Потоки через впускной  и выхлопной каналы

6. Нагнетание воздуха в цилиндры

7. Турбо-нагнетание

8. Отношение длины  шатуна к длине  хода поршня

9. Газораспределительный  механизм

10. Баланс энергии

1)История  создания

 

Четырёхтактный  двигатель впервые был запатентован Алфоном де Роше в 1861 году. До этого около 1854—1857 годов два итальянца (Евгенио Барсанти и Феличе Матоцци) изобрели двигатель, который, по имеющейся информации, мог быть очень похож на четырёхтактный двигатель, однако тот патент был утерян.

Первым  человеком, реально построившим  четырёхтактный двигатель, был немецкий инженер Николаус Отто. Вот почему четырёхтактный принцип сегодня известен, в основном, как цикл Отто, а четырёхтактный двигатель, использующий свечи зажигания, часто называется двигателем Отто.

 

 Тактом рабочего цикла ДВС является ход поршня от одной мёртвой точки до другой. Один такт соответствует 180-градусному повороту (полуобороту) коленчатого вала. При 4-тактном процессе рабочий цикл осуществляется за два оборота вала.

 
Присутствуют те же 4 такта: впуск  — сжатие — расширение — выпуск. Сначала открывается впускной клапан, поршень идёт вниз, под действием  создающегося разрежения в цилиндр  поступает свежая топливовоздушная смесь или воздух — это такт впуска. Затем клапан закрывается, поршень  идёт вверх — происходит сжатие. Следующий такт: сжатая смесь воспламеняется искрой, поршень под действием  этого идёт вниз — это расширение, или рабочий ход поршня. Двигатель  совершает полезную работу именно в  течение такта расширения. Потом  поршень идёт вверх, открывается  выпускной клапан, через который  продукты сгорания топлива выходят  в атмосферу — это такт выпуска. 

2)Рабочий цикл четырёхтактного двигателя

Как следует  из названия, рабочий цикл четырёхтактного  двигателя состоит из четырёх  основных этапов — тактов.

 

1. Впуск. В течение этого такта поршень опускается из верхней мёртвой точки (ВМТ) в нижнюю мёртвую точку (НМТ). При этом кулачки распредвала открывают впускной клапан, и через этот клапан в цилиндр засасывается свежая топливно-воздушная смесь.

2. Сжатие. Поршень идёт из НМТ в ВМТ, сжимая рабочую смесь. При этом значительно возрастает температура смеси. Отношение рабочего объёма цилиндра в НМТ и объёма камеры сгорания в ВМТ называется степенью сжатия. Степень сжатия — очень важный параметр, обычно, чем она больше, тем больше топливная экономичность двигателя. Однако, для двигателя с большей степенью сжатия требуется топливо с большим октановым числом, которое дороже.

 

3. Сгорание и расширение (рабочий ход поршня). Незадолго до конца цикла сжатия топливовоздушная смесь поджигается искрой от свечи зажигания. Во время пути поршня из ВМТ в НМТ топливо сгорает, и под действием тепла сгоревшего топлива рабочая смесь расширяется, толкая поршень. Степень «недоворота» коленчатого вала двигателя до ВМТ при поджигании смеси называется углом опережения зажигания. Опережение зажигания необходимо для того, чтобы сгорание топлива успело полностью закончится к моменту достижения поршнем НМТ, то есть для наиболее эффективной работы двигателя. Сгорание топлива занимает практически фиксированное время, поэтому для повышения эффективности двигателя нужно увеличивать угол опережения зажигания при повышении оборотов. В старых двигателях эта регулировка производилась механическим устройством (центробежным и вакуумным регулятором воздействующим на прерыватель). В более современных двигателях для регулировки угла опережения зажигания используют электронику.

 

4. Выпуск. После НМТ рабочего цикла открывается выпускной клапан, и движущийся вверх поршень вытесняет отработанные газы из цилиндра двигателя. При достижении поршнем ВМТ выпускной клапан закрывается и цикл начинается сначала.

 

Цикл Отто

Цикл Отто состоит  из адиабатического сжатия, сообщения теплоты при постоянном объёме, адиабатического расширения и отдачи теплоты при постоянном объёме. В случае четырёхтактного цикла Отто имеется также изобарическое сжатие и изобарическое расширение, которые обычно не рассматриваются, так как в идеализированном процессе они не играют роли в сообщении рабочему газу теплоты или в совершении газом работы.

Идеализированный  цикл Отто, показанный в координатах  давление (Р) и объём (V):  такт впуска(A) , представляющий собой изобарическое расширение; за ним следует  такт сжатия (B) , представляющий собой адиабатический процесс. Далее следуют сжигание топлива, которое является изохорическим процессов, и адиабатическое расширение, характеризующие  такт рабочего хода (C) . Цикл завершается изохорическим процессом и изобарическим сжатием, характеризующими 
 такт выпуска (D) . TDC — верхняя мёртвая точка; BDC — нижняя мёртвая точка.

 

 

3)Октановое число

 

Мощность на коленчатый вал двигателя внутреннего  сгорания передаётся на вал от расширяющихся  газов, в основном, во время такта  рабочего хода. Сжатие топливо-воздушной смеси до очень малого объёма повышает эффективность рабочего хода, но увеличение степени сжатия в цилиндре также сильнее нагревает сжимающуюся топливо-воздушную смесь (согласно Закону Шарля).

Если топливо легко воспламеняемое, с низкой температурой вспышки, то это может привести к возгоранию топливо-воздушной смеси до того, как поршень достигнет верхней мертвой точки. Это, в свою очередь, будет заставлять поршень двигаться в сторону, противоположную требуемому направлению вращения коленчатого вала. Топливо, которое воспламеняется в верхней мёртвой точке, но до того, как поршень начнёт двигаться вниз, может повредить поршень и цилиндр из-за наличия в малом объёме очень большого количества тепловой энергии, не имеющей возможности выхода. Это повреждение часто проявляет себя как стук двигателя, и оно ведёт к перманентному повреждению двигателя, если случается постоянно.

Октановое число является мерой  сопротивления топлива  к самовоспламенению  под воздействием возрастающих температур. Топлива с более высокими октановыми числами позволяют осуществлять более высокую степень сжатия без риска повреждения двигателя в следствии самовоспламенения.

Для работы дизельных двигателей самовоспламенение необходимо. Они предотвращают возможное повреждение двигателей путём раздельного впрыска топлива под большим давлением в цилиндр очень незадолго до того, как поршень достигнет верхней мёртвой точки. Воздух без топлива может быть сжат очень сильно без опасности самовоспламенения, и в то же время, находящееся под высоким давлением топливо в системе подачи топлива не может самовоспламениться без присутствия воздуха.

4)Факторы,  ограничивающие мощность  двигателя

Максимальная мощность двигателя вырабатывается при максимальном количестве всасываемого воздуха. Мощность, вырабатываемая поршневым двигателем, связана с его размерами (объёмом цилиндра), объемного КПД, потерь энергии, степени сжатия топливо-воздушной смеси, содержания кислорода в воздухе и частоты вращения. Это справедливо как для двухтактных, так и для четырёхтактных двигателей. Частота вращения в конечном счёте ограничена прочностью материалов и свойствами смазки. Клапана, поршни и коленчатые валы испытывают большие динамические нагрузки. На слишком высоких оборотах двигателя могут происходить физические повреждения и дрожание поршневых колец, и это приводит к потерям энергии и даже разрушению двигателя. Поршневые кольца колеблются вертикально в каналах, в которых они находятся. Эти колебания колец ухудшают уплотнение между кольцами и стенками цилиндра, что приводит к потерям давления в цилиндре и мощности. Если вал двигателя вращается слишком быстро, то пружины клапанов не успевают достаточно быстро срабатывать, и клапана не успевают закрываться. Эта ситуация называется «плаванием клапанов» и она может привести к контакту поршня и клапанов, вызвав серьёзные повреждения. На высоких скоростях условия смазки на границе поверхностей поршня и цилиндра ухудшаются. Это ограничивает скорость поршней промышленных двигателей величиной около 10 м/с.

5)Потоки  через впуской и выхлопной каналы

Выходная мощность двигателя зависит от всасывающей  способности, и от возможностей выхлопных  газов быстро перемещаться через  клапанные каналы, как правило  расположенные в головках цилиндров .Для увеличения выходной мощности можно минимизировать количество изгибов тех каналов, по которым движутся всасываемые и выхлопные потоки, а также сделать их более плавными, благодаря чему уменьшится сопротивление этим потоками. Для этого радиусы поворотов клапанных каналов и сёдла клапанов можно модифицировать таким образом, чтобы их аэродинамическое сопротивление было минимальным. Можно, кроме того, использовать разделение потока на несколько частей.

6)Нагнетание  воздуха в цилиндры

Один из путей  увеличения мощности — это принудительное нагнетание дополнительного количества воздуха в цилиндры, благодаря чему при каждом рабочем ходе может вырабатываться больше мощности. Такое принудительное нагнетание может производиться некоторыми типами компрессорных устройств, называемых нагнетателями. Последние могут приводиться в движение от коленчатого вала.

Нагнетание повышает предел мощности двигателя внутреннего  сгорания при том же самом объёме цилиндра. В общем случае, нагнетатель  всегда работает, но есть конструкции, позволяющие отключать его, или  позволяющие ему работать с разными  скоростями (относительно скорости двигателя).

Недостатком механически  осуществляемого нагнетания является то, что часть выходной мощности расходуется на приведение в движение нагнетателя. Воздух в цилиндре сжимается  дважды, но расширяется только в  один этап. Поэтому часть мощности понапрасну расходуется с выхлопами  высокого давления.

7)Турбо-нагнетание

Турбо-нагнетатель или турбокомпрессор (ТК, ТН) — это такой нагнетатель, который приводится в движение выхлопными газами. Получил своё название от слова "турбина" (фр. turbine от лат. turbo — вихрь, вращение). Это устройство состоит из двух частей: роторного колеса турбины, приводимого в движение выхлопными газами, и центробежного компрессора, закрепленных на противоположных концах общего вала. Струя рабочего тела (в данном случае, выхлопных газов) воздействует на лопатки, закреплённые по окружности ротора, и приводит их в движение вместе с валом, который изготовляется единым целым с ротором турбины из сплава, близкого к легированной стали. На вале, помимо ротора турбины, закреплён ротор компрессора, изготовленный из алюминиевых сплавов, который при вращении вала позволяет "закачивать" под давлением воздух в цилиндры ДВС. Таким образом, в результате действия выхлопных газов на лопатки турбины одновременно раскручиваются ротор турбины, вал и ротор компрессора. Применение турбокомпрессора совместно с промежуточным охладителем (интеркулером) позволяет обеспечивать подачу более плотного воздуха в цилиндры ДВС (в современных турбированных двигателях используется именно такая схема). Часто при применении в двигателе турбокомпрессора говорят о турбине, не упоминая компрессора. Турбокомпрессор — это одно целое. Нельзя использовать энергию выхлопных газов для подачи воздушной смеси под давлением в цилиндры ДВС при помощи только турбины. Нагнетание воздуха обеспечивает именно та часть турбокомпрессора, которая именуется компрессором.