Нормативные ссылки

В настоящем пособии использованы ссылки на следующие стандарты:

ГОСТ 305 – 82 Топливо дизельное. Технические условия.

ГОСТ 2084 – 77 Бензины автомобильные. Технические условия.

ГОСТ 14846 – 81 Двигатели автомобильные. Методы стендовых испытаний.

ПЗ№1 Исследование политропного процесса

Учебные вопросы:

1. Политропный процесс

2. Определение величин показателя политропы для различных идеальных процессов.

3. Связь между p,v и T в политропном процессе. Определение изменения внутренней энергии , работы и теплоты q в политропном процессе.

4. Исследование политропного процесса.

1.Политропный процесс

Политропный процесс- это процесс, протекающий при определенных постоянных значениях теплоемкости газа (с_р=const, с_v=const).

Любой произвольный процесс можно описать (по крайней мере на небольшом участке) уравнением

,

(1.1)

подбирая соответствующее значение n. Процесс, описываемый уравнением (1.1) называется политропным. Показатель политропы

.

(1.2)

может принимать любое численное значение в пределах от - до + , но для данного процесса он является величиной постоянной.

Политропный процесс имеет обобщающее значение, ибо охватывает всю совокупность основных термодинамических процессов (рис. 1.2).

Рис. 1.1. Диаграмма политропного процесса в pv и Ts координатах

2.Определение величин показателя политропы для различных идеальных процессов

Рассмотрим значения показателя политропы рассмотренных основных процессов:

в изохорном процессе c=c_v , тогда n= ;

в изобарном процессе c=c_р , тогда n=0;

в изотермическом процессе c= , тогда n=1;

в адиабатном процессе c=0 , тогда n=k.

3.Связь между p,V и t в политропном процессе. Определение изменения внутренней энергии , работы и теплоты q в политропном процессе.

Связь между p,v и T в любых двух телах политропы аналогична связи в адиабатном процессе

; ; .

Изменение внутренней энергии в политропном процессе определяется по формуле

.

(1.3)

Уравнение для определения работы в политропном процессе имеет вид, аналогичный рассмотренному в адиабатном процессе

.

(1.4)

С использованием уравнения состояния выражение (1.4) может быть преобразовано к виду

.

(1.5)

Подведенная теплота в общем случае определяется через теплоемкость процесса

q = с(T2 - T1).

(1.6)

4.Исследование политропного процесса.

Вид графика политропного процесса в координатах pv и Ts зависит от численного значения показателя политропы. Закономерность расположения графиков можно обнаружить, если нанести кривые основных термодинамических процессов с общим начальным состоянием 0 (p₀ v₀) (см. рис.1.1).

Графики основных термодинамических процессов делят диаграммы pv, Ts на ряд характерных областей.

Процессы, графики которых направлены вправо от изохоры (n= ) протекают с увеличением объема и в таких процессах газ совершает работу против внешних сил (dl>0). Если кривые направлены влево от изохоры, то процессы протекают с уменьшением объема и внешние силы совершают работу сжатия газа(dl<0).

Процессы, графики которых идут вверх от изобары, (n=0), протекают с увеличением давления(dр>0). Если графики направлены вниз от изобары, то в процессах давления уменьшается (dр<0).

Процессы, графики которых направлены в зону выше изотермы (n=1), протекают с увеличением температуры(dT>0) и внутренней энергии (du>0). В том случае, когда в процессах температура и внутренняя энергия уменьшаются (dT<0, du<0), их графики направлены в зону ниже изотермы.

На pv диаграмме процессы, графики которых направлены в зону выше адиабаты (n=k), осуществляются с подводом теплоты. Если в процессах теплота отводится, то их графики направлены в зону ниже адиабаты на диаграмме pv и влево от адиабаты на диаграмме Ts.

По диаграмме pv наглядно можно судить об изменении давления и совершаемой работы, а диаграмма Ts дает представление об изменении внутренней энергии и теплоты, участвующей в процессе.

Таким образом, если известен показатель политропы, то его график можно нанести на диаграмму pv или Ts и произвести термодинамический анализ.

Для анализа политропного процесса предварительно в координатах pv и Ts выбирают точку, соответствующую начальному состоянию рабочего тела и строят графики основных термодинамических процессов, исходящих из этой точки. Затем строят график исследуемого процесса и по его расположению судят об изменении параметров и распределении энергии.

Контрольные вопросы

1. Что такое Политропный процесс?

2. Как определить величину показателя политропы для различных идеальных процессов.

3. Исследовать политропный процесс при различных исходных данных

ПЗ№2 Изучение конструкции деталей корпуса, деталей КШМ и ГРМ.

Учебные вопросы:

1. Конструкция неподвижных деталям деталей корпуса двигателя

2. Конструкция подвижных деталей кривошипно-шатунного механизма.

3. Механизм газораспределения

Корпус двигателя состоит из блока цилиндров с картером, головки блока цилиндров, поршней с кольцами, поршневых пальцев, шатунов, коленчатого вала, маховика и поддона картера.

1.Конструкция неподвижных деталям деталей корпуса двигателя

К неподвижным деталям относятся цилиндры или блок цилиндров (в зависимости то применяемой конструкции), головки цилиндров или головки блока цилиндров, картер, поддон картера.

Цилиндр является направляющей поверхностью для поршня при его перемещении от ВМТ к НМТ. Высокая температура и давление воспринимаются стенками цилиндра.

На двигателях с воздушным охлаждением применяются отдельные цилиндры. В этом случае каждый цилиндр имеет развитое оребрение для обеспечения эффективной теплоотдачи. На двигателях с жидкостным охлаждением применяют блок цилиндров, при этом на большинстве современных двигателей блок цилиндров и картер образуют единый узел - блок-картер, имеющий рубашку охлаждения, заполненную охлаждающей жидкостью. Применение блок - картера позволяет уменьшить число разъемов и увеличивает жесткость корпуса. Цилиндры могут быть образованы непосредственно в теле блок - картера, или выполнены в виде чугунных гильз, установленных в блоке цилиндров. Если наружная часть гильзы омывается охлаждающей жидкостью, гильза называется мокрой. Для исключения возможности утечки охлаждающей жидкости через место стыка гильзы и блока в этом случае применяют уплотнения, представляющие собой медные, алюминиевые или стальные (из мягкой стали) уплотнительные прокладки, а также резиновые кольца.

Блок цилиндров является основной деталью двигателя, к которой крепятся все механизмы и детали.

В нижней части блока-картера устанавливается коленчатый вал. Он вращается в подшипниках скольжения, установленных в расточках блока, к которым крепятся нижние крышки этих подшипников.

Снизу картер закрыт литым или штампованным поддоном, прикрепляемым по всему периметру к картеру шпильками или винтами. Внутренняя полость поддона выполняет функции масляного резервуара, в котором устанавливается маслоприемник системы смазки, вместе с масляным насосом.

Блок- картеры двигателей малой и средней мощности получают литьем из серого чугуна или алюминиевых сплавов. Большая жесткость заготовки при этом достигается рациональным распределением толщины стенок (от 3-х до 7 мм- для чугуна и от 5 до 12 мм- для алюминиевых сплавов), количеством ребер и их расположением в соответствии с действующими нагрузками. Отливкой получают необходимые полости и пространства, в том числе полости блока цилиндров, по которым циркулирует охлаждающая жидкость (рубашка охлаждения). Внутренние поверхности для предохранения от коррозии покрывают бакелитовым лаком.

Блоки цилиндров современных иномарок часто отливается в кокиль под низким давлением из высокопрочного алюминиевого сплава, а рабочие поверхности цилиндров, например двигателя Volkswagen R5-TDI рабочим объемом 2,5 л имеют покрытие, наносимое плазменным напылением. Напыляемый на стенки цилиндра порошок подается через плазматрон. Это решение исключает применение вставных или залитых в алюминиевый блок гильз цилиндров. В результате достигается снижение массы по сравнению с конструкцией с вставными гильзами цилиндров, уменьшение размеров двигателя по сравнению с ранее выпускаемой моделью с чугунным блоком цилиндров за счет сужения перемычек между цилиндрами, увеличение срока службы цилиндров благодаря износостойкому покрытию, наносимому плазменным напылением.

Ниже представлены примеры выполнения блок-картеров современных двигателей Volkswagen с различной компоновкой.

Рядный двигатель

Этот двигатель известен с самого начала автомобильного двигателестроения. Цилиндры расположены в один ряд перпендикулярно коленчатому валу.

Достоинство: простота конструкции

Недостаток: при большом количестве цилиндров получается очень длинный агрегат, который невозможно расположить поперечно относительно продольной оси автомобиля.

Рис. 2.1. Блок-картер рядного двигателя

V-образный двигатель

Чтобы уменьшить длину двигателей, в этом двигателе цилиндры расположены под углом от 60 до 120, при этом продольные оси цилиндров проходят через продольную ось коленчатого вала.

Достоинство: относительно короткий двигатель

Недостатки: двигатель относительно широк, имеет две раздельные головки блока, повышенная стоимость изготовления, слишком большой рабочий объем.

Рис. 2.2. Блок-картер V- образного двигателя

VR-двигатели

В поисках компромиссного решения исполнения двигателей для легковых автомобилях среднего класса пришли к созданию VR-двигателей. Шесть цилиндров под углом 15 образуют относительно узкий и в целом короткий двигатель. Кроме того, такой двигатель имеет только одну головку блока. Например, компактный двигатель VR6 устанавливают на автомобиль Volkswagen Golf.

Рис. 2.3. Блок-картер VR- образного двигателя

W-двигатели

В двигателях W-семейства в одном двигателе соединены два ряда цилиндров в VR-исполнении.

Ц илиндры каждого ряда размещены под углом 15 один к другому, а сами ряды цилиндров расположены под углом 72.

Р ис. 2.4. Блок-картер W-образного двигателя

Конструкция подвижных деталей кривошипно-шатунного механизма

Все детали, образующие кривошипно-шатунный механизм, можно разделить на две группы- неподвижные детали и детали, совершающие поступательное или вращательное движение.

Поршневой двигатель имеет следующие механизмы, системы и базовые детали.

Кривошипно-шатунный механизм включает в себя поршневые комплекты, шатуны (в случае крупных судовых двигателей также крейцкопфный механизм), коленчатый вал и маховик. Поршень воспринимает силу давления газов, кривошипно-шатунный механизм преобразует возвратно-поступательное движение поршня во вращательное коленчатого вала. На рис. 2.5 показаны схемы механизмов, применяемых в двигателях, на рис. 2.5, а— тронковый кривошипно-шатунный механизм, наиболее часто применяемый в дви­гателях простого действия с рядным, V-образным и более сложным расположе­нием цилиндров.

Поступательное движение поршня преобразуется во вращательное коленчатого вала при помощи шатуна 2, сочлененного шарнирно с поршнем / и кривошипом 3 коленчатого вала.

На рис. 2.5, б показан крейцкопфный кривошипно-шатунный механизм, в кото­ром поршень с целью разгружения от боковых усилий соединяется с шатуном при помощи штока 5 и крейцкопфа 4. В этом случае боковое усилие в механизме воспринимается крейцкопфом, шарнирно соединенным с шатуном 2.

Применение крейцкопфа в двигателях дает также возможность создать в цилин­дре под поршнем 1 вторую рабочую полость, через которую проходит лишь шток 5. В двигателе двойного действия цилиндр закрыт снизу дополнительной крышкой с сальником с целью уплотнения проходящего через нее штока. На рис. 2.5, в приведен кривошипно-ш­тунный механизм с двумя шатунами 2, соединенными с одним кривошипом 3. В таком механизме два шатуна выполнены одинаковыми и соединены не­посредственно с кривошипом или шарнирно один (называемый прицепным) с другим (соединенным с кривошипом и называемым главным). В W, Х - и звездообразных двигателях прицепных шатунов несколько.

На рис. 2.5, г показаны кривошипно-шатунные механизмы с промежуточными звеньями двигателей, с противоположно движущимися поршнями при наличии одного коленчатого вала. Возможны и дру­гие схемы преобразования возвратно-поступательного движения поршня во вра­щательное коленчатого вала (например, схема с вращающейся косой шайбой).

Рис. 2.5.Схемы кривошипно-шатунных механизмов:

1-поршень; 2- шатун; 3- кривошип коленчатого вала; 4-крейцкопф;

5- шток; 6-траверса; 7-коромысло

На рис. 2.6 показаны детали тронкового кривошипно-шатунного механизма V-об разного шестицилиндрового тракторного двигателя, включающего шатуны 4, порш­ни 5, коленчатый вал 1, противовесы 11.

Рис. 2.6.

Кривошипно-шатунный механизм тракторного дизеля:

/ -- передний конец коленчатого вала; 2 и 7 — зубчатые колеса; 3 — коренные шейки; 4 — шатуны; 5 — поршни; 6 — щеки с противовесами; 8 — шатунные шейки; 9- вкладыши; 10— масляная полость шатунной шейки с грязеуловителем;

// — противовес; 12 — шкив

Р ис. 2.7. Кривошипно-шатунный механизм 4-х цилиндрового

бензинового двигателя.

Головка блока цилиндров (ГБЦ).

Головка закрывает цилиндры и замыкает объем камеры сгорания. В ней размещаются впускные и выпускные клапаны, форсунки, клапаны воздушного пуска (в дизелях – генераторах), а также полости для циркуляции охлаждающей жидкости, каналы подвода воздуха и отвода газов.

Изготавливаются головки цилиндров литьем из чугуна или алюминиевых сплавов.

Рис 2.8. ГБЦ 4-х цилиндрового 16 клапанного инжекторного ДВС:

1-форсунки, 2-крышка, 3-сетчатый масляный фильтр, 4-выпускной клапан 5-направляющая втулка выпускного клапана, 6-уплотнения стержня клапана, 7-тарелка пружины клапана, 8-сухари клапана, 9-регулятор положения распредвала, 10-звёздочка распредвала, 11-клапан регулировки фаз газораспределения, 12-крышка ГБЦ, 13-болты с цилиндрическим фланцем, 14-датчик Холла, 15-роликовый толкатель, 16- ТНВД, 17-распредвал выпускных клапанов, 18-крышка, 19-распредвал впускных клапанов, 20-опорный элемент, 21-роликовое коромысло, 22-тарелка пружины клапана, 23-пружина клапана, 24-направляющая впускного клапана, 25-впускной клапан, 26-болт крепления ГБЦ, 27-датчик давления масла, 28 ГБЦ.