Bendros zynios apie varikli

8426 0

BENDROS ŽINIOS APIE VARIKLIUS

Variklių klasifikacija

Šiluminiai varikliai klasifikuojami pagal įvairius būdingus požymius.

Pagal darbo mišinio uždegimo būdą skiriami varikliai, kuriuose mišinys uždegamas priverstinai papildomu energijos šaltiniu (elektros kibirkštimi, elektrofakelu ir t.t.) arba jis užsiliepsnoja savaime dėl aukštos suspausto oro temperatūros. Šie varikliai dažniausiai vadinami jų išradėjų vardais. Varikliai su priverstiniu degiojo mišinio uždegimu vadinami Oto varikliais, varikliai su savaiminiu degiojo mišinio užsiliepsnojimu – Dyzelio arba dyzeliniais varikliais.

Pagal darbo ciklą varikliai skirstomi į keturtakčius ir dvitakčius.

Pagal degiojo mišinio ruošimo būdą skiriami varikliai, kuriems degusis miišinys ruošiamas cilindrų išorėje arba cilindrų viduje. Oto varikliams degusis mišinys ruošiamas cilindrų išorėje arba viduje. Dyzelio varikliams degusis mišinys ruošiamas cilindrų viduje.

Pagal galios reguliavimo būdą skiriami varikliai su kokybiniu, kiekybiniu ir mišriu galios reguliavimu. Kai galios reguliavimas kokybinis, į cilindrus tiekiamas beveik pastovus oro kiekis, o keičiamas įpurškiamų degalų kiekis. Taip reguliuojami Dyzelio varikliai. Oto variklių galia reguliuojama keičiant į cilindrus tiekiamo degiojo mišinio kiekį, o jo sudėtis kinta nedaug. Variklio galią reguliuojant mišriu būdu, keičiama degiojo mišinio sudėtis ir joo kiekis. Pagal aušinimo būdą varikliai skirstomi į aušinamus skysčiu, oru ir mišriai.

Pagal naudojamus degalus skiriami varikliai, naudojantys skystus, dujinius, mišrius ir įvairius degalus. Skystus degalus naudojantys varikliai varomi benzinu, dyzeliniais degalais, žibalu, mazutu, spiritu ir t.t. Dujiniams varikliams naudojamos su

uskystintos naftos (propanas, butanas) arba suslėgtos gamtinės dujos. Mišrius degalus naudojantys varikliai paleidžiami vienais degalais, o vėliau perjungiami dirbti kitais degalais (pvz., paleidžiami benzinu, o vėliau perjungiami dirbti dujomis).

jų pripildymo šviežiu degiuoju mišiniu arba oru būdą varikliai skirstomi į nepripučiamuosius ir pripučiamuosius. Pirmuoju atveju šviežios dujos į cilindrą siurbiamos dėl stūmokliui slenkant atgal cilindre susidariusio išretėjimo. Pripučiamuose varikliuose šviežias dujas į cilindrus tiekia kompresorius.

Pagal cilindrų skaičių varikliai skirstomi į viencilindrius ir daugiacilindrius: dviejų cilindrų, trijų, keturių, penkių, šešių ir t.t.

Pagal cilindrų išdėstymą varikliai gali būti vienos eilės su vertikaliai, horizontaliai arba nuožulniai išdėstytais cilindrais, dviejų eilių V formos arba opoziciniai su priešpriešiais judančiais stūmokliais, žvaigždės pavidalo.

Pagal alkūninio veleno sukimosi kryptį varikliai skirstomi j dešininius ir kairinius. Variklis yra dešiniojo sukimo, jei, žiūrint į jį iš priešingos smagračiui pusės, alkūninis velenas sukasi laikrodžio rodyklės sukimosi kryptimi.

Pagal paskirtį varikliai skirstomi į stacionarius ir transportinius. Stacionarūs varikliai naudojami elektrinėse, vandens siurblinėse, naftos ir dujų tiekimo pastotėse ir kitose jėgainėse. Transportiniai varikliai montuojami automobiliuose, traktoriuose, savaeigėse važiuoklėse ir kituose mobiliuose agregatuose.

Varikliai gali būti su slankiojančiais stūmokliais ir stūmokliniai-rotoriniai su besisukančiais stūmokliais.

Pagal šiluminės energijios pavertimo į mechaninę energiją būdą skiriami vidaus ir išorinio degimo varikliai. Vidaus degimo varikliuose (VDV) šiluminė energija mechaniniu darbu verčiama cilindrų viduje. Išorinio degimo va
arikliuose šiluma per šilumokaitį perduodama cilindre esančiam pastoviam darbo agentui, kuris ją paverčia mechaniniu darbu.

Bendra variklio sandara ir pagrindinės sąvokos

Stūmoklinis vidaus degimo variklis sudarytas iš mechanizmų (alkūninio veleno ir dujų skirstymo) ir sistemų: aušinimo, tepimo, maitinimo, uždegimo bei paleidimo, atliekančių skirtingas funkcijas. Nors įvairių variklių konstrukcijos ir skiriasi savo sudėtingumu, tačiau visi jie sudaryti iš tokių nejudančių ir judančių pagrindinių detalių (2.1 pav., a): karterio l, cilindro 2, cilindro galvutės 3, stūmoklio 6, švaistiklio 7, alkūninio veleno 8.

Variklio pagrindą sudaro karteris l ir cilindras 2 su galvute 3. Cilindre slankioja stūmoklis 6, švaistikliu 7 sujungtas su alkūniniu velenu 8. Pro įsiurbimo vožtuvą 5 į cilindrą patenka degus mišinys arba oras. Deginiai iš cilindro šalinami pro išmetimo vožtuvą 4. Degant mišiniui, dujos spaudžia žemyn stūmoklį 6, kuris per švaistiklį suka alkūninį veleną. Taip stūmoklio slenkamasis judesys paverčiamas alkūninio veleno sukamuoju judesiu.

Stūmoklio padėtis, kai jis labiausiai nutolęs nuo alkūninio veleno ašies, vadinama viršutiniu galiniu tašku (VGT) (2.1 pav, b). Kai stūmoklis yra arčiausiai alkūninio veleno, tokia padėtis vadinama apatiniu galiniu tašku (AGT). Galiniuose taškuose keičiasi stūmoklio judėjimo kryptis, o stūmoklio greitis lygus nuliui.

Keturtakčių variklių veikimo principai

Keturtakčiuose varikliuose darbo ciklas vyksta per keturis taktus: pirmasis taktas – įsiurbimas, antrasis taktas – suspaudimas, trečiasis taktas – išsiplėtimas arba darbo taktas ir ketvirtasis taktas – išmetimas. Alkūninis velenas per visą darbo ci

iklą (keturis taktus) apsisuka du kartus. Nagrinėdami darbo ciklus su išlyga priimame, kad kiekvienas taktas prasideda ir baigiasi stūmoklio eigos galiniuose taškuose.

Dirbant varikliui, slėgis cilindre visą laiką kinta. Slėgio kitimas variklio cilindre registruojamas specialiu prietaisu – slėgio indikatoriumi. Gauta slėgio kitimo diagrama vadinama indikatorine diagrama. Ji vaizduojama arba slėgis-tūris (p -V), arba slėgis-alkūninio veleno posūkio kampas (p – (p) koordinačių sistemose.

Keturtakčio Oto variklio veikimas

Įsiurbimo taktas (2.2 pav.) prasideda stūmokliui slenkant iš viršutinio į apatinį galinį tašką, alkūniniam velenui sukantis nuo 0° iki 180°. Dirbančiame variklyje įsiurbimo takto pradžioje suspaudimo kameros tūris Vc užpildytas likusiais deginiais, kurių slėgis truputį didesnis už atmosferinį (taškas r indikatoriuje diagramoje 2.3 paveiksle). Stūmokliui judant link AGT, tūris virš jo didėja, o slėgis cilindre mažėja, susilygina su atmosferiniu po, o po to tampa

mažesnis už atmosferinį dėl oro filtro ir viso įsiurbimo trakto hidrodinaminio pasipriešinimo. Kadangi jau takto pradžioje įsiurbimo vožtuvas būna pravertas, dėl susidariusio slėgių skirtumo degusis mišinys veržiasi į cilindrą; cilindras prisipildo degiojo mišinio.

Indikatorinėje diagramoje įsiurbimo procesą vaizduoja linija r – a. Vidutinis slėgis įsiurbimo takto pabaigoje pa būna 0,07 – 0,095 MPa. Jis priklauso nuo įsiurbimo trakto ir degiojo mišinio ruošimo įtaisų hidrodinaminio pasipriešinimo, įleidimo angos ties vožtuvu ploto, alkūninio veleno sukimosi dažnio, mišinio pašildymo įsiurbimo kolektoriuje, išmetimo sistemos pasipriešinimo ir 1.1. Į cilindrus einantis degusis mi

išinys liečiasi su šiltomis įsiurbimo kolektoriaus ir cilindro sienelėmis, o taip pat susimaišo su cilindre likusiais karštais deginiais. Todėl įsiurbimo takto pabaigoje mišinio temperatūra būna Ta=320 – 380 K.

įsiurbimo proceso kokybė įvertinama cilindrų pripildymo koeficientu, kuris lygus faktiškai į cilindrą įtekėjusio šviežio mišinio masės G1 santykiui su jo mase GT, galinčia pripildyti cilindrą, jei jame būtų aplinkos slėgis po ir temperatūra To:

čia po- mišinio tankis, kai aplinkos slėgis po ir temperatūra T0, kg/m3.

Pripučiamiems varikliams, skaičiuojant nv, imamas slėgis pk ir temperatūra Tk už kompresoriaus. Cilindrų pripildymo koeficientas visada esti mažesnis už vienetą. Kai variklio darbo režimas vardinis nv=0,75 – 0,85.

Suspaudimo taktas vyksta stūmokliui grįžtant iš AGT į VGT ir alkūniniam velenui sukantis nuo 180° iki 360°. Suspaudimo pradžioje įsiurbimo vožtuvas dar būna pradarytas, todėl degusis mišinys dėl judančio srauto inercijos tebeteka į cilindrą. Užsidarius įsiurbimo vožtuvui, prasideda cilindre esančio degiojo mišinio suspaudimas. Suspaudimas baigiasi stūmokliui pasiekus VGT. Suspaudimo taktas pagerina variklio ekonomiškumą, nes kito takto metu deginiai lengviau plečiasi ir atlieka didesnį darbą. .

Indikatorinėje diagramoje suspaudimo piocesą vaizduoja linija a-c. Suspaudimas yra politropinis procesas, nes jo metu vyksta šilumos mainai tarp spaudžiamo mišinio ir cilindrų sienelių. Be to, politropės rodiklis kinta. Suspaudimo pradžioje karštos cilindro sienelės šildo mišinį. Spaudžiant, mišinio temperatūra kyla ir pasidaro aukštesnė už cilindro sienelių temperatūrą. Dabar sienelės aušina darbo mišinį. Darbo mišinio būklė suspaudimo pabaigoje priklauso nuo jo pradinių parametrų pa ir Ta, suspaudimo laipsnio e, cilindro sandarumo ir t.t. Slėgis suspaudimo pabaigoje pc = l ,2 – l ,7 MPa, o temperatūra Tc= 600 – 700 K. Suspaudimo takto pabaigoje suspaustas degusis mišinys uždegamas tarp žvakės elektrodų šokančia elektros kibirkštimi.

Išsiplėtimo taktas prasideda stūmokliui esant VGT; abu vožtuvai lieka uždaryti. Degant darbo mišiniui, cilindre staigiai didėja slėgis ir temperatūra. Dujų slėgio veikiamas stūmoklis juda link AGT, per švaistiklį suka alkūninį veleną ir atlieka naudingą darbą. Todėl šis taktas dar vadinamas darbo taktu.

Indikatorinėje diagramoje išsiplėtimo taktą vaizduoja linija z – b, o degimo proceso intensyvumą įvertina vertikali atkarpa c – z. Bandymais nustatyta, kad dujų išsiplėtimo darbas geriausiai panaudojamas, kai maksimalus slėgis cilindre pz pasiekiamas alkūniniam velenui pasisukus 10 – 15° už VGT. Kad tai būtų pasiekta, darbo mišinys uždegamas jau suspaudimo takto pabaigoje. Maksimalus slėgis cilindre pz siekia 4 – 4,5 MPa, maksimali temperatūra Tz = 2500 – 2800 K. Stūmokliui tolstant nuo VGT ir deginiams plečiantis, slėgis ir temperatūra cilindre mažėja. Išsiplėtimo pabaigoje (taškas b indikatorinėje diagramoje) slėgis cilindre lygus 0,3 – 0,5 MPa, o temperatūra 1100 – 1800 K.

Kuo didesnis suspaudimo laipsnis, tuo šie dydžiai mažesni, nes degimai daugiau išsiplečia. Stūmokliui artėjant prie AGT, atsidaro išmetimo vožtuvas, dėl slėgių skirtumo deginiai dideliu greičiu, lydimi triukšmo, ima veržtis iš cilindro.

Išmetimo taktas vyksta stūmokliui judant iš AGT j VGT; alkūninis velenas pasisuka nuo 540 iki 720°. Stūmoklis, slinkdamas aukštyn pro atidarytą išmetimo vožtuvą išstumia iš cilindro likusius deginius. Indikatorinėje diagramoje išmetimo taktą vaizduoja linija b – r. Dėl išmetimo angos, duslintuvo ir išmetimo sistemos vamzdžių pasipriešinimo slėgis išmetimo takto pabaigoje visada esti didesnis už atmosferinį; pr = 0,105 – 0,12 MPa. Deginių temperatūra sumažėja, tačiau siekia 900 – 1100 K. Kad daugiau deginių išeitų iš cilindro, išmetimo vožtuvas užsidaro ne išmetimo takto pabaigoje, o įsiurbimo takto pradžioje. Tačiau vis tiek cilindre lieka tam tikras kiekis deginių.

Pasibaigus išmetimo taktui, prasideda kitas darbo ciklas. Kiti ciklai kartojasi tuo pačiu taktų nuoseklumu.

Keturtakčio dyzelinio variklio veikimas

Keturtakčio dyzelinio variklio, kaip ir keturtakčio Oto variklio, darbo ciklas susideda iš keturių besikartojančių taktų: įsiurbimo, suspaudimo, išsiplėtimo arba darbo ir išmetimo. Tačiau dyzelinio variklio darbo ciklas labai skiriasi nuo Oto variklio darbo ciklo (2.4 pav.).

Įsiurbimo takto metu (indikatorinėje diagramoje r-a atkarpa) stūmokliui judant iš VGT į AGT, cilindre susidaro išretėjirnas. Pro atidarytą įsiurbimo vožtuvą cilindras pripildomas oro. Dyzelio variklio įsiurbimo trakto hidraulinis pasipriešinimas esti mažesnis negu Oto variklio, todėl cilindrai geriau užsipildo

šviežiu oru. Be to, dėl didesnio suspaudimo laipsnio e, pasibaigus išmetimui, cilindre lieka mažiau deginių. Įsiurbimo takto pabaidoje oro slėgis cilindre pa = 0,080 – 0,095 MPa, o temperatūra Ta = 310 – 350 K. Cilindrų pripildymo koeficientas nv siekia 0,9 ir daugiau.

Suspaudimo takto metu stūmoklis juda iš AGT į VGT; įsiurbimo vožtuvas užsidaro. Tūris virš stūmoklio mažėja, cilindre esantis oras suspaudžiamas. Dyzelio variklių suspaudimo laipsnis esti didelis (e = 15 – 24), todėl suspaudimo pabaigoje oro slėgis yra pc= 0,40 -0,55 MPa, o temperatūra, Tc = 850 – 1000 K. Kad variklis patikimai dirbtų, suspausto oro temperatūra turi būti daug didesnė už degalų

savaiminio užsiliepsnojimo temperatūrą. Suspaudimo takto pabaigoje, kai stūmoklis yra arti VGT, į cilindrą dideliu slėgiu (40 -130 MPa) pradedami purkšti degalai. Išpurkšti degalai maišosi su karštu oru, garuoja ir užsiliepsnoja. Dalis degalų sudega stūmokliui judant dar link VGT (atkarpa c – z indikatorinėje diagramoje). Stūmokliui pasiekus VGT ir judant link AGT, prasideda išsiplėtimo (darbo) taktas. Kadangi dyzeliniame variklyje degalų įpurškimas baigiasi už VGT, tai išsiplėtimo takto pradžioje, stūmokliui esant arti VGT, slėgis cilindre esti beveik pastovus. Indikatorinėje diagramoje šį laikotarpį vaizduoja linija z’ – z. Nepripučiamuose varikliuose maksimalus slėgis esti 5,5 – 8,0 MPa, pripučiamuose varikliuose pZ siekia 10 MPa ir daugiau. Maksimali temperatūra Tz = 1900 – 2200 K. Dujų slėgio veikiamas stūmoklis juda į AGT ir per švaistiklį suka alkūninį veleną, atlikdamas naudingą darbą. Dujoms plečiantis, slėgis ir temperatūra cilindre mažėja. Išsiplėtimo takto pabaigoje (taškas b indikatori¬nėje diagramoje) dujų slėgis cilindre pb = 0,2 – 0,5 MPa, temperatūra Tb= 1000-1300 K.

Išmetimo takto metu iš cilindro pašalinami deginiai. Dujų išmetimas prasideda jau išsiplėtimo takto pabaigoje atsidarius išmetimo vožtuvui, ir tęsiasi iki įsiurbimo takto pradžios. Išmetimo takto pabaigoje deginių slėgis cilindre pr = 0,105 – 0,12 MPa ir temperatūra Tr = 650 – 900 K.

Taigi keturtakčiuose varikliuose naudingas darbas atliekamas tik išsiplėtimo takto metu, kai stūmoklis stumiamas besiplečiančių dujų, pasuka alkūninį veleną 180° kampu, t.y. pusę apsisukimo. Likę trys taktai yra paruošiamieji ir vyksta sukantis alkūniniam velenui pusantro apsisukimo (570°) smagračio inercijos ar kitų cilindrų (daugiacilindriuose varikliuose) darbo dėka.

2.4. Dvitakčių variklių veikimas

Dvitakčiuose varikliuose darbo ciklas įvyksta per dvi stūmoklio eigas, t.y. per vieną alkūninio veleno apsisukimą. Cilindrai pripildomi šviežiu degiuoju mišiniu arba oru prapūtimo proceso metu. Prapūtimo metu šviežias degusis mišinys arba oras pučiami į cilindrus slėgiu, didesniu už atmosferinį. Šis įtekantis srautas išstumia iš cilindro deginius ir jį užpildo šviežiu mišiniu ar oru. Cilindro prapūtimui naudojami įvairios konstrukcijos kompresoriai. Mažos galios varikliams naudojamas vadinamasis karterinis prapūtimas, kai vietoj kompresoriaus panaudojama variklio karterio vidinė ertmė.

Dvitakčiai varikliai ilgą laiką buvo naudojami „DKW”, „SAAB” (iki 1966 m.) automobiliuose bei Rytų Vokietijos „Trabant” ir„Wartburg” (iki pat Vokietijų suvienijimo) automobiliuose. Šiuo metu serijiniu būdu gaminamuose automobiliuose šie varikliai nenaudojami.

Dvitakčių variklių su karteriniu praputimu veikimas

Šitoks variklis (2.5 pav.) neturi specialaus dujų skirstymo mechanizmo. Vietoj jo cilindre yra įsiurbimo l, išmetimo 2 ir prapūtimo 3 angos, kurias atidaro ir uždaro cilindre 4 slankiojantis stūmoklis 5. Cilindras 4, kaip ir keturtakčiame variklyje, uždengtas galvute 6 ir pritvirtintas prie karterio 7. Stūmoklis per švaistiklį sujungtas su alkūniniu velenu. Karteris 7 daromas sandarus ir pro įsiurbimo angą l gali susijungti su įsiurbimo kolektoriumi, o prapūtimo kanalu 8 -su cilindru.

Pirmojo takto metu stūmoklis juda iš AGT į VGT. Kai stūmoklis yra AGT, prapūtimo ir išmetimo angos yra atidarytos. Degusis mišinys

arba oras (Dyzelio varikliuose) iš karterio prapūtimo kanalu teka į cilindrą, išstumdamas likusius deginius ir užpildydamas cilindrą. Abu procesai – deginių išstūmimas ir cilindro užpildymas – tęsiasi tol, kol stūmoklis, judėdamas link VGT, uždaro prapūtimo angą. Indikatorinėje diagramoje (2.6 pav.) šį procesą atspindi linija l – a. Kai stūmoklis uždaro ir išmetimo angą (taškas a indikatorinėje diagramoje), prasideda mišinio (oro) suspaudimas. Stūmokliui toliau judant link VGT, cilindre esantis darbo mišinys arba oras suspaudžiamas (linija a-c), o karteryje tuo metu susidaro išretėjimas. Kai stūmoklio apatinė briauna atidengia įsiurbimo angą, į karterį pradeda tekėti degusis mišinys arba oras. Stūmokliui priartėjus prie VGT, suspaustą darbo mišinį uždega tarp žvakės elektrodų šokanti kibirkštis; Dyzelio varikliuose į suspaustą įkaitusį orą pradedami purkšti degalai. Prasideda degimo procesas, analogiškas degimui keturtakčiuose varikliuose.

Antrojo takto metu stūmoklis juda iš VGT į AGT. Takto pradžioje vyksta intensyvus darbo mišinio degimas, prasidėjęs pirmojo takto pabaigoje. Ertmėje virš stūmoklio slėgis ir temperatūra greitai didėja. Besiplečiančių dujų slėgio veikiamas stūmoklis juda link AGT, per švaistiklį suka alkūninį veleną ir atlieka naudingą darbą. Slinkdamas

žemyn, stūmoklis apatine briauna uždaro įsiurbimo angą. Karteryje esantis degusis mišinys suspaudžiamas. Stūmokliui tolstant nuo VGT, slėgis ir temperatūra cilindre mažėja.

Takto pabaigoje stūmoklis atidengia išmetimo angą (taškas b indikatorinėje diagramoje) ir pro ją deginiai dideliu greičiu veržiasi į atmosferą. Dar daugiau stūmokliui priartėjus prie AGT, jo viršutinė briauna atidaro ir prapūtimo kanalą (taškas 3′ indikatorinėje diagramoje). Iki to momento slėgis cilindre beveik susilygina su karteryje suspausto degiojo mišinio ar oro slėgiu. Degusis mišinys arba oras ima tekėti į ertmę virš stūmoklio, užpildydamas ją ir išstumdamas laukan deginius. Šis procesas vadinamas cilindro prapūtimu.

Toliau procesai kartojasi tokiu pat nuoseklumu. Stūmoklis vėl slenka iš AGT į VGT ir, kol prapūtimo anga lieka atidaryta, į cilindrą teka šviežias degusis mišinys ar oras, išstumdamas deginių likučius. Stūmokliui uždarius prapūtimo ir išmetimo kanalus, vėl prasideda suspaudimas.

Dvitakčių variklių cilindrų užpildymo kokybė priklauso nuo prapūtimo schemos. Sukurta daug įvairių prapūtimo sistemų, tačiau visas jas galima suskirstyti į dvi pagrindines grupes: kilpinio ir tiesioginio prapūtimo. Kilpinio prapūtimo schema dažniausiai naudojama varikliams su karteriniu prapūtimu (2.7 pav, a, b). Šiuo atveju šviežio mišinio ar oro srautas a

. . .

Stirlingo stūmoklinlo variklio veikimas

1816 m. škotas R. Stirlingas (Robert Stirling) užpatentavo šiluminį variklį, dirbantį pagal uždarą termodinaminį ciklą. Šiame variklyje darbo-agentas (oras ar kitos dujos) cirkuliuoja uždaru kontūru, šiluma suteikiama iŠ išorės šilumokaityje, nuvedama aušintuve. Degimas vyksta cilindro išorėje, todėl tokie varikliai vadinami išorinio degimo varikliais. Dėl įvairių techninių problemų Stirlingo varikliai negalėjo konkuruoti su garo mašinomis ir ypač su amžiaus pabaigoje sukurtais vidaus degimo varikliais, ir šis variklis buvo pamirštas. Prie Stirlingo idėjos pirmoji grįžo olandų firma „Philips”, 1938 m. pradėjusi šio variklio kūrimo darbus. Vėliau į šį procesą įsijungė ir kitos firmos: „General motors”, „Ford” (JAV), „United Stirling” (Švedija), „MAN -MWM” (Vokietija) irkt.Tačiau kol kas serijiniams automobiliams Stirlingo varikliai nenaudojami.

Stirlingo variklio teorinis ciklas sudarytas iš dviejų izotermių l – 2 ir 3 – 4, ir dviejų izochorų 2 – 3 ir 4 – l (2.11 pav.}. šio ciklo terminis naudingumo koeficientas lygus Karno ciklo naudingumo koeficientui:

Join the Conversation

×
×