Подвесные лодочные моторы

ГЛАВА 2. ОБЩЕЕ ПОНЯТИЕ О ДВИГАТЕЛЯХ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Конструктивная схема двигателя внутреннего сгорания.

Основной частью подвесного лодочного мотора является двигатель. Двигателем принято называть всякую машину, производящую какую-либо работу. Те двигатели, которые пользуются для производства работы тепловой энергией, называются тепловыми. Тепловая энергия обычно получается в результате сжигания какого-либо вида топлива. Количество тепла, получаемого при полном сжигании 1 кг топлива, носит название теплотворной способности или тепло-производительности топлива и измеряется в калориях на 1 кг топлива.

Двигатели, в которых сгорание топлива происходит внутри рабочего цилиндра, носят название двигателей внутреннего сгорания. Источником тепловой энергии для таких двигателей преимущественно является жидкое топливо.

Чтобы лучше понять процесс превращения в двигателе внутреннего сгорания тепловой энергии в механическую работу, рассмотрим его конструктивную схему (рис. 10).

Каждый двигатель внутреннего сгорания состоит минимально из одного цилиндра 1, закрепленного на картере 2, в котором вдоль его оси движется поршень 3. В картере располагается коленчатый вал 4 с одним или несколькими кривошипами 5 в зависимости от числа цилиндров в двигателе. Кривошип соединяется шатуном 6 и пальцем поршня 7 с поршнем, образуя кривошипный механизм. Кривошипный механизм служит для превращения прямолинейно-возвратного движения поршня во вращательное.

Газы, получающиеся в результате сгорания топлива в цилиндре, с большой силой давят на верхнюю часть поршня — днище, заставляя поршень двигаться в цилиндре и проворачивать при посредстве шатуна за кривошип коленчатый вал. Крутящий момент вала через силовую передачу (вертикальный вал, пару конических шестерен, горизонтальный вал, соединительную муфту) передается гребному винту; последний через посредство своих лопастей, отбрасывающих от себя воду, превращает крутящий момент в тягу винта, сообщая тем самым движение судну. Работа двигателя обеспечивается распределительным механизмом и рядом систем: системой питания, системой зажигания, системой смазки и системой охлаждения.

Распределительный механизм регулирует подачу рабочей смеси в цилиндр и выпуск сгоревших газов из рабочего цилиндра после рабочего хода поршня, т. е. того хода поршня, при котором происходит сгорание топлива в цилиндре.

Рис. 10. Конструктивная схема четырехтактного двигателя и схема его работы:
1 — цилиндр; 2 — картер; 3 — поршень; 4 — коленчатый вал; 5 — кривошип; 6 — шатун; 7 — палец; 8 — впускной клапан; 9 — выпускной клапан

В четырехтактном двигателе он состоит из кулачкового валика, впускных и выпускных клапанов, пружин, толкателей и шестерен. В двухтактных двигателях обязанности распределительного! механизма выполняет поршень, открывающий и закрывающий при своем движении впускные, выпускные и продувочные окна, прорезанные в гильзе цилиндра (см. рис. 12 и 14).

Гильзой цилиндра называют стакан цилиндра, внутри которого ходит поршень. Верхняя часть цилиндра носит название головки. Крайнее положение поршня в направлении головки цилиндра условно принято называть верхней мертвой точкой (ВМТ), даже если цилиндр двигателя располагается в горизонтальной плоскости, а крайнее положение поршня в направлении коленчатого вала принято называть нижней мертвой точкой (НМТ) (рис. 10).

Расстояние между верхней и нижней мертвыми точками определяет путь, который совершает поршень при своем движении в ту или иную сторону. Он называется ходом поршня и обычно обозначается буквой S. Как видно из рис. 10, S = 2R, где R — радиус кривошипа. За каждый ход поршня коленчатый вал поворачивается на 180°.

Пространство, образованное головкой цилиндра и поршнем при положении его в ВМТ, носит название камеры сгорания, или камеры сжатия, и обычно обозначается буквой Vс .

Объем цилиндра между мертвыми точками называется рабочим объемом и обозначается буквой Vs. А сумма камеры сгорания и рабочего объема дает полный объем цилиндра, обозначаемый буквой V а .

Отношение полного объема цилиндра к объему камеры сгорания носит название степени сжатия, обозначаемой буквой г, и выражается отвлеченным числом. Степень сжатия показывает, во сколько раз полный объем цилиндра больше объема камеры сгорания.

Процесс преобразования тепловой энергии в механическую работу называется рабочим процессом. В двухтактных двигателях законченный цикл осуществляется за один оборот коленчатого вала, а в четырехтактном — за два.

Полный цикл в двигателе состоит из двух или четырех самостоятельных ходов-поршня, именуемых тактами, а отсюда и все двигатели, осуществляющие свой процесс за два такта, получили наименование двухтактных, а осуществляющие его за четыре такта — четырехтактных.

Рабочий процесс четырехтактного двигателя. Выше упоминалось, что цикл четырехтактного двигателя осуществляется за четыре такта, или хода, поршня. Каждому такту в зависимости от того, что происходит в это время в цилиндре, присваивается определенное название. Такт, соответствующий ходу поршня при заполнении цилиндра горючей смесью, называется тактом всасывания, или всасыванием; такт, соответствующий ходу поршня при поджатии поршнем смеси, — тактом сжатия, или сжатием; такт, соответствующий ходу поршня при расширении сгоревших газов, совершающих свою работу, — тактом расширения, или рабочим ходом, или просто расширением; такт, соответствующий ходу поршня, при выталкивании им отработанных газов из цилиндра в глушитель или атмосферу, — тактом выпуска, или выпуском.

При такте всасывания заполняется цилиндр горючей смесью, при этом кулачок распределительного вала приподнимает всасывающий клапан. Поршень, перемещаясь от ВМТ к НМТ, создает разрежение в цилиндре, и под влиянием разности давлений между давлением наружного воздуха и давлением в цилиндре через всасывающий трубопровод, карбюратор и впускной клапан воздух поступает в цилиндр. Проходя через карбюратор, воздух обогащается парамибензина, образуя горючую смесь. В НМТ клапан под действием пружины закрывается и начинается следующий такт — сжатие. При сжатии все клапаны закрыты и поршень, изменив свое движение на обратное, начинает сжимать рабочую смесь, вследствие чего повышаются давление и температура внутри цилиндра.

В ВМТ сжатая смесь воспламеняется электрической искрой и быстро сгорает, при этом температура и давление повышаются, давление передается на поршень, толкая его к НМТ. В НМТ кулачок распределительного вала приподнимает выпускной клапан, и сгоревшие газы поршнем выталкиваются наружу, освобождая место для нового заряда. Выпуск заканчивается в ВМТ, когда выпускной клапан закрывается под давлением пружины. Далее рабочий процесс повторяется в том же порядке, как мы его рассмотрели.

Таким образом осуществляется рабочий процесс в четырехтактном двигателе. Из четырех ходов полезную работу производит только один — ход расширения, а остальные являются подготовительными и осуществляются за счет энергии рабочего хода, накапливаемой обычно в маховике двигателя. В многоцилиндровых установках частично или полностью эти ходы осуществляются за счет рабочих ходов поршней других цилиндров. Одноцилиндровые двигатели внутреннего сгорания работают толчками и являются самыми неуравновешенными двигателями, поэтому их снабжают более тяжелыми маховиками с целью получить равномерную работу двигателя.

Работа четырехтактного двигателя наглядней всего может быть изображена графически, в виде так называемой рабочей диаграммы, изображенной на рис. 11.

Во время всасывания по теоретическому циклу, пренебрегая сопротивлениями в трубопроводах и клапанах, т. е. гидравлическими потерями, в цилиндре будем иметь давление, равное атмосферному, или 1 кг/см³.

На рис. 11 это изображено линией bа. При обратном движении поршня смесь сжимается, объем уменьшается и давление в цилиндре растет; на диаграмме это показано линией ас.

Сжатая смесь воспламеняется электрической искрой от запальной свечи в ВМТ, при этом оба клапана закрыты. Вся смесь теоретически мгновенно сгорает, что изображается вертикальной линией сz.

Далее, с движением поршня к НМТ объем в цилиндре увеличивается, а температура и давление при возрастающем объеме будут постепенно падать, пока поршень не достигнет НМТ. Резкое повышение давления до точки г и постепенное его падение в момент расширения вследствие увеличения объема изображается линией zе. Давление конца расширения или начала открытия выпускного клапана при этом снижается примерно до давления 4—6 кг/см³.

По окончании рабочего хода сгоревшие газы выпускаются наружу. Так как теоретически считается, что выпуск происходит мгновенно, то давление теоретически сразу падает до атмосферного. Это отражено на диаграмме линией еа.

Рис. 11. Рабочая диаграмма четырехтактного двигателя

Рабочий процесс двухтактного двигателя. Основным отличием двухтактного двигателя от четырехтактного является то, что в нем полный рабочий цикл совершается за один оборот коленчатого вала, а не за два, как в четырехтактном. Двухтактный двигатель отличается еще и тем, что картер его в подвесных моторах используется для всасывания и предварительного сжатия рабочей смеси.

В отечественных двигателях подвесных моторов двухтактный процесс получил самое широкое распространение, поэтому мы будем преимущественно останавливаться только на конструкциях двухтактных двигателей. Основным в работе двухтактных, как и четырехтактных, двигателей является рабочий ход (такт расширения) — он совершает полезную работу, тогда как такт сжатия выполняет только подготовительную работу, производимую за счет кинетической энергии маховика, а в многоцилиндровых двигателях — за счет рабочих ходов в соседних цилиндрах.

На рис. 12 схематически изображена работа двухтактного двигателя.

Рис. 12. Схема работы двухтактного двигателя с возвратной двухканальной продувкой

Проследим процесс наполнения цилиндра горючей смесью.

При движении поршня вверх, т. е. в сторону головки цилиндра, в кривошипной камере (картере) двигателя под поршнем образуется разрежение. Юбка поршня при подходе последнего к ВМТ, как у моторов ЛММ-6, ЛМР-6, или специальный золотник, как у моторов А-8, ИМА, открывают всасывающие окна, и воздух через карбюратор и всасывающий патрубок из атмосферы устремляется в разреженное пространство картера. Проходя через карбюратор, воздух распыливает вытекающий из жиклера бензин и, перемешавшись с ним, образует горючую смесь.

Рис. 13. Схема движения потока смеси и отработанных газов в цилиндре при двухканальной продувке

При обратном ходе поршня всасывающие окна закрываются, смесь в картере сжимается и при открытии продувочных окон поршнем в НМТ с большой скоростью устремляется из картера в рабочий цилиндр. В двигателях ЛММ-6 и ЛМР-6 продувочные окна соединяются с кривошипной камерой двумя каналами, расположенными под углом друг к другу. Образованные окнами два встречных потока горючей смеси сталкиваются в цилиндре и, слившись в один общий поток, устремляются под действием сил инерции своих частиц к задней, глухой стенке цилиндра. У стенки поток изгибается и направляется вдоль нее вверх, как это показано на рис. 13. Вверху, обтекая сферическое днище, поток еще раз делает поворот уже вниз, к поршню, как бы образуя петлю. Продолжая все время давить на сгоревшие газы, поток свежей смеси выталкивает их в выхлопные окна и замещает собой объем цилиндра. Такая продувка носит название возвратно-двухканальной продувки. Она получила в отечественных моторах более широкое распространение, чем дефлекторная продувка. При дефлекторной продувке для направления продувочного воздуха днище поршня имеет направляющий козырек а (дефлектор, рис. 14). Из рисунка видно, что дефлектор также круто направляет свежий заряд кверху, вдоль стенки цилиндра. Вверху заряд по радиусу головки цилиндра поворачивается вниз, как и в первом случае. Такая продувка получила название петлевой, или поперечной, продувки.

Рис. 14. Схема работы двухтактное двигателя с дефлекторной продувкой

Сложность изготовления поршня, большая тепловая напряженность дефлектора и не вполне благоприятная форма камеры сгорания зачастую заставляют отказываться от дефлекторной продувки,отдавая предпочтение первому способу.

По заполнении цилиндра и закрытии продувочных и выпускных окон смесь сжимается и воспламеняется. Происходит мгновенный взрыв. Температура и давление газов в цилиндре при этом сильно возрастают и совершается рабочий ход.

Рис. 15. Рабочая диаграмма двухтактного двигателя

Как только поршень подойдет своей верхней кромкой к верхним кромкам выпускных окон и начнет открывать окна, сгоревшие газы с большой скоростью будут вылетать из цилиндра в атмосферу, а давление в цилиндре начнет быстро падать (теоретически мгновенно).

На несколько миллиметров ниже верхней кромки выпускных окон располагаются продувочные окна, которые при дальнейшем ходе поршня вниз открываются, впуская сжатую в картере смесь. Далее цикл работы двигателя повторяется.

Из сказанного ясно, что для осуществления полезной работы двухтактными двигателями достаточно всего два хода, или такта: 1) сжатия и 2) расширения (рабочего хода).

Такие двигатели получили название двухтактных двигателей с камерной продувкой.

Чтобы яснее представить процесс, происходящий в цилиндре двухтактного двигателя, построим диаграмму работы, производимой газами за один полный цикл в цилиндре двухтактного двигателя. На рис. 15 приводится примерная диаграмма двухтактного процесса, получаемого расчетным путем. В ней по горизонтальной оси (оси абсцисс) отложены объемы V, а по вертикальной оси (оси ординат) — соответствующие давления р. Площадь aczea, заключенная внутри замкнутой кривой, выражает работу цилиндра за цикл в масштабе диаграммы.