Двигатели внутреннего сгорания
ТИПЫ ДВИГАТЕЛЕЙ И ИХ ХАРАКТЕРИСТИКИ
В геологоразведочных партиях и экспедициях получили распространение легкие быстроходные четырехтактные и двухтактные бензиновые двигатели, а также бескомпрессорные дизели. Последние имеют наибольшее распространение в разведочном бурении благодаря высокой экономичности, устойчивой работе, малой массе и надежности в эксплуатации. В качестве приводных двигателей буровых станков, компрессоров и электростанций применяются следующие дизели: Д-35, который после модернизации дал целый ряд принципиально одинаковых двигателей Д-38, Д-38Б, Д-38М, Д-40А, Д-40К, Д-48Л. Дизель Д-54 также модернизирован. В результате выпускаются двигатели Д-54А и Д-40Р. Дизель Д-54А в конструктивном отношении подобен дизелю Д-38М. Некоторую аналогию в конструкции можно провести между дизелем Д-54А и КДМ-46, явившимся предшественником двигателя КДМ-100. Техническая характеристика приведена в табл. 20.
ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
В двигателе внутреннего сгорания происходит преобразование тепловой энергии в механическую работу. Поршень под действием расширяющихся газов совершает в цилиндре прямолинейное возвратно-поступательное движение. С помощью шатунно-кривошипного механизма движение поршня преобразуется во вращательное движение коленчатого вала двигателя. Верхнее положение поршня в цилиндре называется верхней мертвой точкой (в. м. т.), нижнее положение — нижней мертвой точкой (н. м. т.).
Расстояние, проходимое поршнем от в. м. т. до н. м. т. или наоборот, называется ходом поршня. За это время коленчатый вал делает пол-оборота.
Процессы, совершившиеся в рабочем цилиндре, периодически повторяются, образуя рабочие циклы. Рабочий цикл может закончиться за два или за четыре хода поршня (один или два оборота коленчатого вала). Часть рабочего цикла, совершаемая за один ход поршня, называется тактом. Отсюда, если рабочий цикл двигателя заканчивается за два такта, или за два хода поршня, то двигатель называется двухтактным, если за четыре — четырехтактным.
В зависимости от способа воспламенения топлива в цилиндре различают двигатели с воспламенением от: 1) электрической искры, 2) раскаленной поверхности запальника (калоризатора), 3) высокой температуры сжатого в цилиндре воздуха. К первым относятся бензиновые карбюраторные двигатели, ко вторым — нефтяные калоризаторные, а к третьим — дизели.
ЧЕТЫРЕХТАКТНЫЙ ЦИКЛ РАБОТЫ ДИЗЕЛЯ Д-54А
Четырехтактный цикл двигателя состоит из четырех ходов поршня, четырех тактов, или двух полных оборотов коленчатого вала.
Первый такт— всасывание. Впускной клапан открывается за 8° до в. м. т. (угол измеряется между вертикалью и кривошипом коленчатого вала), а закроется после и. м. т., когда кривошип повернется на 22°. Это обеспечивается газораспределительным механизмом и делается для того, чтобы набрать как можно больше воздуха в цилиндр. Когда поршень придет в в. м. т., впускной клапан будет иметь наиболее полное открытие и пропустит максимально возможное количество воздуха. Закрывая впускной клапан позже и. м. т. используют инерцию воздушной струи, чем также увеличивают объем зашедшего в цилиндр воздуха.
Второй такт — сжатие. После закрытия впускного клапана поршень, двигаясь вверх, сжимает воздух. Выпускной клапан закрыт. Сжатый до 4 МПа воздух нагревается до 550—600 °С. В конце такта сжатия, за 15—19° до в. м. т., в цилиндр с помощью форсунки впрыскивается топливо в распыленном состоянии под давлением 12,5 МПа. Топливо хорошо перемешивается с воздухом в вихревой камере и мгновенно воспламеняется. Давление в камере сжатия возрастает до 5,5—6,5 МПа.
Третий такт — рабочий ход. Под действием высокого давления поршень движется вниз, совершая рабочий ход. В этот момент происходит расширение газов и резкое понижение давления в цилиндре. За 46° до подхода поршня к н. м. т. открывается выпускной клапан и часть отработанных газов выходит из цилиндра еще до того, как поршень придет в и. м. т.
Четвертый такт — выпуск. Поршень движется к в. м. т., выталкивая отработавшие газы и освобождая цилиндр для новой порции свежего воздуха. Выпускной клапан открыт, а закроется он только после в. м. т., когда поршень пройдет вниз 14°. Здесь также используют инерцию движения выпускных газов. Но в этот момент уже начался первый такт (всасывание) следующего рабочего цикла. Наблюдается так называемое перекрытие клапанов, когда открыты оба клапана, впускной и выпускной. Но в результате большой инерции потоков свежего воздуха и отработанных газов, а также очень малого промежутка времени перекрытия клапанов (всего
22°) ни перемешивания потоков, ни утечки свежего воздуха у быстроходных двигателей не происходит.опора двигателя
Таким образом, из четырех ходов поршня только один рабочий. Поэтому, чтобы выравнять движение поршня в трех нерабочих тактах и плавно выводить его из мертвых точек, применяют маховик, который крепится на коленчатом валу двигателя. Маховик накапливает энергию во время рабочего такта, а потом равномерно распределяет ее между тремя нерабочими. И все же к концу последнего такта движение поршня и коленчатого вала замедляется. Для ликвидации такой неравномерности в работе строят двух-, четырех-, шестицилиндровые двигатели.
Отношение небольшого объема цилиндра к наименьшему называется степенью сжатия двигателя. Дизели — двигатели высокого сжатия и, следовательно, значительно экономичнее двигателей низкого сжатия. Расход топлива на 2,6 МДж у быстроходных дизелей малой мощности составляет 200—240 г.