Отличие рабочего цикла дизельного двигателя от карбюраторного

На чтение 14 мин. Обновлено 27 октября, 2020

Чем отличается карбюраторный двигатель от дизельного?

Основными типами ДВС являются поршневые двигатели – камерой сгорания является цилиндр, где тепловая энергия топлива превращается в механическую энергию, которая из возвратно-поступательного движения поршня превращается во вращательную с помощью кривошипно-шатунного механизма. По типу используемого топлива делятся на:

Бензиновые – смесь топлива с воздухом готовится в карбюраторе и далее во впускном коллекторе, или во впускном коллекторе при помощи распыляющих форсунок (механических или электрических), или непосредственно в цилиндре при помощи распыляющих форсунок, далее смесь подаётся в цилиндр, сжимается, а затем поджигается при помощи искры, проскакивающей между электродами свечи.
Дизельные -специальное дизельное топливо впрыскивается в цилиндр под высоким давлением. Возгорание смеси происходит под действием высокого давления и, как следствие, температуры в камере.

Бензиновый двигатель является довольно неэффективным и способен преобразовывать всего лишь около 20-30 % энергии топлива в полезную работу. Стандартный дизельный двигатель обычно имеет коэффициент полезного действия в 30-40 %, дизели с турбонаддувом и промежуточным охлаждением свыше 50 % .

Дизельный двигатель из-за использования впрыска высокого давления не предъявляет требований к летучести топлива, что позволяет использовать в нём низкосортные тяжелые масла.

Рассмотрим подробнее устройство каждого из двигателей.

Карбюраторные поршневые двигатели

К составляющим карбюраторного поршневого двигателя относятся:

кривошипно-шатунный механизм,
газораспределительный механизм,
система питания,
система выпуска отработавших газов,
система зажигания,
система охлаждения,
система смазки.

А теперь рассмотрим принцип работы на примере одноцилиндрового карбюраторного двигателя. Его устройство представлено на рисунке 1.1.

Рис. 1.1 Одноцилиндровый карбюраторный двигатель внутреннего сгорания: а) «стакан» в «стакане»; б) поперечный разрез 1 – головка цилиндра; 2 – цилиндр; 3 – поршень; 4 – поршневые кольца; 5 – поршневой палец; 6 – шатун; 7 – коленчатый вал; 8 – маховик; 9 – кривошип; 10 – распределительный вал; 11 – кулачок распределительного вала; 12 – рычаг (коромысло); 13 – клапан; 14 – свеча зажигания

В цилиндре (2) со съемной головкой (1) находится поршень (3), в специальные канавки справа и слева помещены поршневые кольца (4). Кольца скользят по поверхности цилиндра, не давая образующимся газам вырваться вниз и препятствуя попаданию наверх масла. Поршневые кольца по назначению разделяют на компрессионные и маслосъемные.

Компрессионные кольца предотвращают порыв газов из камеры сгорания в картер. Наружный диаметр кольца в свободном состоянии больше внутреннего диаметра цилиндра, поэтому часть кольца вырезана. Вырез в поршневом кольце называют замком.

Маслосъемные кольца препятствуют проникновению масла из картера в камеру сгорания, снимая излишки масла со стенки цилиндра. Их устанавливают ниже уровня компрессионных. Они в отличии от компрессионных колец имеют сквозные прорези.

Поршневой палец (5) и шатун (6) соединяют поршень с кривошипом коленчатого вала (9). Он вращается в подшипниках, которые расположены в картере двигателя. На конце коленчатого вала (7) укреплен маховик (8).

Когда кулачки распределительного вала (11) находят на рычаги (12), клапаны (13) открываются. При этом, через впускной клапан проходит горючая смесь (бензин и воздух), а через выпускной выходят отработанные газы. Закрываются клапаны под воздействием пружин, когда кулачки сбегают с рычагов. В движении коленчатый вал и кулачки приводятся с помощью коленчатого вала.

Свеча зажигания (14) расположена в резьбовом отверстии головки цилиндра (1). Между ее электродами проскакивает искра и воспламеняет горючую смесь (см. выше).

Вот основные принципы работы одноцилиндрового карбюраторного двигателя.Также существуют показатели, которые используются для оценки двигателей (рисунок 1.2).

Рис. 1.2 Ход поршня и объемы цилиндра двигателя: а) поршень в нижней мертвой точке б) поршень в верхней мертвой точке

ВМТ и НМТ – верхняя и нижняя «мертвая» точка, соответственно. Эти показатели характеризуют положение поршня, при котором он удален от оси коленчатого вала. S – ход поршня. Путь от одной «мертвой» точки до другой.

Vс – объемом камеры сгорания. Это объем над поршнем, когда он находится в ВМТ. Vр – рабочий объем цилиндра. Тот объем, который освобождает поршень, перемещаясь от верхней «мертвой» точке к нижней. Vп – полный объем цилиндра. Показатель, который исчисляется суммированием объема камеры сгорания и рабочего объема цилиндра.

При сложении рабочих объемов всех цилиндров мы получаем рабочий объем двигателя. Мы рассмотрели работу двигателя с одним цилиндром, но современные машиностроительные заводы выпускают, как правило, двигатели с количеством цилиндров 4, 6, 8, 12.

Но бывают 1-цилиндровые (все с приставкой «мото», т.е. мотоциклы, мотоблоки и т.д.), 3- цилиндровые (например, ДАМАС, МАТИС, т.е. все ДЭУ), 5- цилиндровые (система «звездочка», применяемая в самолетах)

На рисунке 1.3 показано возможное расположение цилиндров.

Рис. 1.3 Расположение цилиндров двигателя.: 1 – рядное расположение цилиндров; 2 – V – образный двигатель; 3 – звездообразный двигатель; 4 – оппозитное расположение цилиндров двигателя; 5 – U – образный двигатель с шатуном прицепного типа (поршни движутся в одном направлении); 6 – двигатель с горизонтально расположенными цилиндрами и поршнями, движущимися в противоположных направлениях.

Рабочий цикл четырехтактного карбюраторного двигателя

Чтобы заставить вращаться ведущие колеса автомобиля двигатель должен пройти так называемый рабочий цикл. Двигатель автомобиля совершает этот цикл за четыре такта (схема представлена на рисунке 1.4):

впуск горючей смеси,
сжатие рабочей смеси,
рабочий ход,
выпуск отработавших газов.

Рис. 1.4 Рабочий цикл четырехтактного карбюраторного двигателя: а) впуск; б) сжатие; в) рабочий ход; г) выпуск

Первый такт – впуск горючей смеси (рис. 1.4а). Клапан открывается, горючая смесь заполняет цилиндр, смешивается с остатками газов и превращается в рабочую смесь.

Второй такт – сжатие рабочей смеси (рис. 1.4б). Клапаны закрыты, следовательно, рабочая смесь сжимается, температура газов повышается. Если оценить это в цифрах, то мы получим следующие величины: давлении в цилиндре составит 9-10 кг/см 2 , температура газов – 400 о С.

Третий такт – рабочий ход (рис. 1.4в). На этом этапе сгорает рабочая смесь, в результате происходит выделение энергии, которая превращается в механическую работу. Расширяющиеся газы создают давление на поршень, далее через шатун и кривошип на коленчатый вал. Под силой давления коленчатый вал и ведущие колеса автомобиля начинают вращаться.

Четвертый такт – выпуск отработавших газов (рис. 1.4г). Поршень совершает движение от ВМТ к НМТ, при этом открывается выпускной клапан, и отработанные газы выходят из цилиндра.

Мы рассмотрели четыре такта работы двигателя. Только в ходе третьего такта (рабочего хода) совершается полезная механическая работа. А первый, второй и четвертый – это подготовительные процессы. Этим процессам способствует кинестетическая энергия маховика (рисунок 1.5), который вращается по инерции.

Рис. 1.5 Коленчатый вал двигателя с маховиком: 1 – коленчатый вал двигателя; 2 – маховик с зубчатым венцом; 3 – шатунная шейка; 4 – коренная (опорная) шейка; 5 – противовес

Металлический диск, закрепленный на коленчатом валу, и называется маховик. Во время третьего такта, коленчатый вал, раскрученный поршнем через шатун и кривошип, передает запас инерции маховику. В свою очередь, под действием энергии, отдаваемой маховиком, поршень движется вверх (выпуск и сжатие) и вниз (впуск). Т.е. подготовительные такты в обратном порядке осуществляются только за счет запасов инерции в массе маховика через коленчатый вал, шатун и поршень.

Теперь перейдем к рассмотрению дизельных двигателей.

Чем отличается карбюраторный двигатель от дизельного?

Главным отличием дизельных двигателей от карбюраторных является отсутствие свечей и системы зажигания. Это связано с высоким давлением, под которым подается топливо непосредственно в цилиндр при помощи форсунки, и высокой температурой. Поэтому топливо воспламеняется само. Таким образом система зажигания не нужна.

Главной особенностью работы дизельного двигателя является то, что топливо подается форсункой или насос-форсункой непосредственно в цилиндр двигателя под большим давлением в конце такта сжатия. Необходимость подачи топлива под большим давлением обусловлена тем, что степень сжатия у таких двигателей в несколько раз больше, чем у карбюраторных.

И так как давление и температура в цилиндре дизельного двигателя очень высоки, то происходит самовоспламенение топлива. А это означает, что искусственно поджигать смесь не надо. Поэтому у дизельных двигателей отсутствуют не только свечи, но и вся система зажигания.

Дизельный двигатель является двигателем внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия. Поскольку такие двигатели втягивают воздух, то он сжимается в двигателе до уровня, который существенно выше, чем в двигателях с воспламенением от искры, в которых используется топливовоздушная смесь. Вдобавок ко всему, двигатели с воспламенением от искры очень чувствительны к детонации.

С точки зрения коэффициента полезного действия (КПД) дизельный двигатель является наиболее эффективным двигателем внутреннего сгорания. Низкооборотные двигатели большего рабочего объема могут иметь КПД =50% и выше.

В результате этого дизельные автомобили имеют низкий расход топлива и низкий уровень вредных выбросов в выхлопных газах, что можно отнести к преимуществу дизельных двигателей по сравнению с бензиновыми. В дизельном двигателе может использоваться четырех- или двухтактный цикл. В автомобильных двигателях практически всегда используется четырехтактный цикл. Рабочий цикл четырехтактного дизельного двигателя

Первый такт – впуск. Цилиндр двигателя наполняется через впускной клапан воздухом.

Второй такт – сжатие. Здесь идет подготовка к воспламенению топлива. Поршень при движении от ВМТ к НМТ сжимает воздух, давление над поршнем становится равным 40 кг/см 2 , температура – более 500 о С.

Третий такт – рабочий ход. Дизельное топливо через форсунку под давлением поступает в камеру сгорания, где и происходит его воспламенение за счет высокой температуры сжатого воздуха. Во время третьего такта давление в цилиндре 100 кг/см 2 , а температура свыше 2000 о С.

Четвертый такт – выпуск отработавших газов, Поршень от НМТ совершает движение к ВМТ, выпускной клапан открывается, отработанные газы выходят из цилиндра.

Размеры, масса и стоимость дизельного двигателя значительно больше бензинового за счет высоких нагрузок на рабочие механизмы. Но есть неоспоримый плюс таких двигателей:

меньший расход топлива;
за счет отсутствие системы зажигания снижается вероятность лишних поломок.

В дизельном двигателе, нагрузки на все механизмы и детали значительно больше, чем в карбюраторном бензиновом, и это закономерно приводит к увеличению его массы, размеров и стоимости. Однако дизельный двигатель имеет и неоспоримые преимущества – меньший расход топлива, чем у его карбюраторного «брата» (приблизительно на 30%), а также отсутствие системы зажигания, что значительно уменьшает количество возможных неисправностей при эксплуатации.

Источник

Устройство автомобилей

Что лучше – дизельный или бензиновый?

Часто можно услышать вопрос, – какой двигатель выгоднее и лучше – карбюраторный или дизельный? Давайте попробуем разобраться в этом непростом вопросе, и начнем со сравнения конструкций этих тепловых машин и анализа их принципиальных различий.

Основные отличия карбюраторных двигателей от дизельных заключаются в способе приготовления горючей смеси (смеси топлива с кислородом воздуха) и способе ее воспламенения. В карбюраторном двигателе горючая смесь, которая обычно представляет собой смесь бензина и воздуха, готовится вне цилиндров двигателя – во внешнем смесительном устройстве – карбюраторе (внешнее смесеобразование).

При открытом впускном клапане и ходе поршня к нижней мертвой токе (такт впуска) в цилиндре создается разрежение, при этом воздух засасывается через воздушный патрубок карбюратора. Перемещаясь по диффузорам карбюратора, воздух смешивается бензином, который подсасывается и распыляется из жиклеров, соединяющих поплавковую камеру с диффузорами (по принципу вакуумного пульверизатора). В таком виде готовая к воспламенению смесь поступает в цилиндр, где в процессе сжатия происходит ее окончательное перемешивание и разогрев.

Далее смесь воспламеняется от свечной искры и совершается такт рабочего хода.

В дизеле горючая смесь готовится непосредственно в цилиндрах двигателя (внутреннее смесеобразование) – сначала через впускной клапан в цилиндр поступает воздух, а затем, когда воздух сильно сжимается и раскаляется от сжатия, в цилиндр с помощью форсунки впрыскивается порция топлива. Воспламенение происходит без постороннего источника пламени (искры) и двигатель выполняет рабочий ход, т. е. совершает полезную механическую работу, используя тепловую энергию сгорающего топлива.

Степень сжатия в дизельных двигателях значительно выше степени сжатия в карбюраторных двигателях, благодаря чему и становится возможным самовоспламенение рабочей смеси.

Не следует путать два понятия – «рабочая смесь» и «горючая смесь». Горючая смесь – это смесь чистого воздуха и топлива, а в рабочей смеси, кроме того, присутствуют отработавшие газы, оставшиеся в цилиндре после его продувки через выпускной клапан. Т. е. в цилиндре воспламеняется не горючая, а рабочая смесь, так как отработавшие газы полностью удалить практически не возможно.

Исходя из анализа принципиальных различий между дизельным и карбюраторным двигателями, попробуем оценить их достоинства и недостатки, для объективного сравнения.

Преимущества и недостатки карбюраторного двигателя

К преимуществам карбюраторного двигателя по сравнению с дизелями можно отнести их следующие свойства:

меньшие габаритные размеры и массу (меньшие степени сжатия не требуют тяжелых элементов цилиндропоршневой группы);
более легкий пуск, особенно при низких температурах окружающей среды (сказывается лучшая испаряемость бензина и принудительное воспламенение, а также относительно невысокая степень сжатия, что облегчает работу системе пуска);
низкий уровень шума;
простота и низкая стоимость топливной аппаратуры (стоимость дизельной топливной аппаратуры сравнима со стоимостью основных деталей двигателя);
простота технического обслуживания и регулировок системы питания.

Очевидным плюсом карбюраторных двигателей является более качественное смесеобразование, что благотворно сказывается на процессе сгорания топлива.

К недостаткам карбюраторных двигателей можно отнести следующие их свойства:

низкая экономичность;
более высокая концентрация вредных веществ в выхлопных газах;
высокие требования к качеству топлива;
низкие динамические качества двигателя при переменных режимах работы;
зависимость работы системы питания от положения двигателя и автомобиля;
более высокая пожароопасность (дизельное топливо сложнее поджечь при нормальных условиях).

Существенным недостатком карбюраторных двигателей является относительно высокое сопротивление в диффузоре карбюратора, которое препятствует быстрому заполнению цилиндра горючей смесью. Избавиться от этого недостатка в значительной степени позволяют системы питания с впрыском бензина (инжекторные).

Токсичность продуктов сгорания бензина требует установки различных нейтрализаторов, которые увеличивают сопротивление выпускного тракта системы питания. Эти два фактора значительно снижают эффективность и экономичность работы карюбюраторного двигателя.

Дизельные двигатели менее подвержены влиянию сопротивления трактов впуска и выпуска, а использование турбонаддува позволяет значительно улучшить наполняемость цилиндров воздухом.

Преимущества и недостатки дизельного двигателя

К основным преимуществам дизеля по сравнению с карбюраторным двигателем можно отнести следующие свойства:

более высокая экономичность;
возможность работать (кратковременно) на нестандартном топливе (иногда дизели называют многотопливными двигателями);
хорошие динамические качества;
допускают значительное форсирование (увеличение) мощности путем наддува;
возможность автоматизации процессов смесеобразования и дозирования количества топлива, подаваемого в цилиндры.

Недостатки дизелей по сравнению с карбюраторными двигателями:

большие габариты и масса (удельная металлоемкость конструкции);
сложная и дорогая топливная аппаратура;
более жесткая работа с повышенным уровнем шума.

Слабым местом дизелей является качество смесеобразования. В отличие от карбюраторного двигателя, где бензин перемешивается с воздухом относительно большой промежуток времени (карбюратор – впускной трубопровод – такт всасывания – такт сжатия), в дизельном двигателе смесеобразование осуществляется лишь краткий миг между впрыском топлива и его сгоранием. Плохо перемешанное с кислородом воздуха топливо сгорает медленно, и некоторая его часть может даже «улететь в трубу» в буквальном смысле этого слова, поскольку сгореть не успевает.

Для повышения качества смесеобразования конструкторам приходится применять различные технические приемы и решения, связанные с формой камеры сгорания, рационализацией впрыска и т. п.

Особое положение занимают бензиновые двигатели с впрыском топлива и принудительным воспламенением рабочей смеси. Эти двигатели в зависимости от организации процесса смесеобразования и конструкции могут сочетать в себе положительные свойства, как карбюраторных двигателей, так и дизелей.

Поскольку газовые двигатели тоже имеют на автомобилях достаточно широкое применение, рассмотрим свойства и этих тепловых машин внутреннего сгорания.

Преимущества и недостатки газовых двигателей

Двигатели, использующие для работы горючие газы (жидкие или газообразные) имеют ряд существенных достоинств:

низкая себестоимость топлива (газ дешевле бензина и дизельного топлива в 1,5-2 раза);
высокая детонационная стойкость газа по сравнению с бензином позволяет повысить степень сжатия, а, следовательно, и КПД;
более высокий ресурс (примерно в 1,5 раза);
меньшая токсичность отработавших газов.

Недостатки двигателей, работающих на газовом топливе:

при одинаковой степени сжатия мощность на 7…12% ниже, чем в бензиновом двигателе;
большая металлоемкость топливной аппаратуры (особенно для сжатых газов);
высокие требования к технике безопасности при работе с горючими газами (высокая пожароопасность);
меньший пробег автомобиля на одну заправку (по объему).

Так что же, все-таки, лучше – дизель или бензиновый?

Спор между автолюбителями о том, какой же двигатель лучше, ведется давно. Приверженцы дизелей утверждают, что при прочих равных условиях дизель несравненно лучше, чем карбюраторный двигатель, но не меньше поклонников и у карбюраторного двигателя, считающих, что такая конструкция, особенно для легкового автомобиля, более удобна в эксплуатации. Очевидно, в пределах определенных свойств сравниваемых двигателей могут быть правы и те и другие. Поэтому однозначный ответ на вопрос – что лучше – дать сложно, поскольку обе конструкции имеют и слабые места, и сильные стороны. Тем не менее, можно уверенно утверждать, что для грузовых автомобилей, предназначенных для перевозки тяжелых грузов, а также для многоместных автобусов, дизель явно превосходит бензинового конкурента

Источник