Архитектура Аудит Военная наука Иностранные языки Медицина Металлургия Метрология
Образование Политология Производство Психология Стандартизация Технологии


История развития двигателестроения



Конспект лекционных занятий

Лекция 1. энергетические установки. Двигатели внутреннего сгорания (ДВС) (2 часа)

Особенности ДВС

 

Одним из наиболее распространенных видов энергетических установок транспортной техники являются двигатели внутреннего сгорания. Двигатели внутреннего сгорания принадлежат к наиболее распространенному типу тепловых двигателей, в которых тепловая энергия преобразуется в механическую. Тепловые двигатели разделяются на две основные группы.

1. Двигатели с внешним сгоранием.

2. Двигатели внутреннего сгорания (ДВС).

В двигателе внутреннего сгорания механическая работа образуется за счет энергии топлива, сгорающего внутри рабочего цилиндра. К таким двигателям относятся поршневые, роторно-поршневые, комбинированные двигатели, газовые турбины и реактивные двигатели (рисунок 1).

а - поршневой двигатель; б – газовая турбина; в – жидкостный реактив­ный двигатель; г – роторно-поршневой двигатель; 1 – картер; 2 – цилиндр; 3 – впускной клапан; 4 – выпускной клапан; 5 – крышка цилиндра; 6 – пор­шень; 7 – шатун; 8 – коленчатый вал; 9 и 16 – насосы; 10 – камера сгорания; 11 – направляющий аппарат; 12 – турбина; 13 – компрессор; 14 и 15 – баки; 17 – сопло; 18 – корпус; 19 – эксцентриковый вал; 20 – ротор; 21 – впускной канал; 22 – выпускной канал; 23 – свеча зажигания.

Рисунок 1 – Принципиальная схема двигателей внутреннего сгорания

У поршневого двигателя (рисунок 1, а) основными деталями являются цилиндр 2, крышка (головка) 5 цилиндра, картер 1, поршень 6, шатун 7, коленчатый вал 8, впускные 3 и выпускные 4 клапана. Топливо и воздух вводятся в объем цилиндра двигателя, ограниченный днищем крышки, стенками цилиндра и днищем поршня. Образующиеся при сгорании газы, имеющие высокую температуру, давят на поршень и перемещают его в цилиндре. Поступательное движение поршня через шатун передается установленному в картере коленчатому валу, который и преобразует его во вращательное движение.

В роторно-поршневых двигателях (рисунок 1, г) сжатие, расшире­ние, выпуск и впуск рабочего тела производятся при изменении объемов полостей, образованных между кор­пусом 18 двигателя и совершающим сложное планетарное движение ротором 20, имеющим треугольную форму. Глав­ное их отличие от поршневых двигателей состоит в за­мене возвратно-поступательного движения поршней вращательным. Вследствие этого может быть увеличе­на частота вращения вала двигателя, что при одинако­вом массовом заряде рабочего объема позволяет полу­чить большую мощность. Поэтому при одинаковой мощ­ности роторно-поршневые двигатели компактнее обыч­ных поршневых двигателей и легче последних.

Рабочий процесс в роторно-поршневых двигателях осуществляется за четыре такта. За три оборота эксцентрикового вала двигателя совершается один полный оборот ротора. Продолжительность каждого такта таким обра­зом составляет 270° угла поворота эксцентрикового ва­ла, т. е. полный четырехтактный цикл в одной полости совершается за один оборот ротора или за три полных оборота эксцентрикового вала 19.

В газовых турбинах (рисунок 1, б) сжигание топлива производится в специальной камере сгорания 10. Топливо в нее подается насосом 9 через форсунку. Воздух нагнетаеся в камеру сгорания с помощью компрессора 13, установленного на одном валу с рабочим колесом газовой турбины 12. Продукты сгорания через направляющий аппарат 11 поступают на лопатки рабочего колеса турбины.

В жидкостных реактивных двигателях (рисунок 1, в) жидкое топливо и окислитель насосами 16 подаются под давлением из баков 14 и 15 в камеру сгорания 10. Продукты сгорания расширяются в сопле 17 и вытекают в окружающую среду с большой скоростью, что является причиной реактивной силы (силы тяги) двигателя. Сила тяги двигателя почти не зависит от скорости движения реактивного корабля, но его мощность возрастает с увеличением скорости движения. Недостатком реактивных двигателей является относительно низкая экономичность и сравнительно небольшой срок службы.

Комбинированными двигателями называются двигатели, состоящие из поршневой части и нескольких компрессионных и расширительных машин, а также устройств для отвода теплоты, объединенных между собой общим рабочим телом.

Энергия в такой установке передается потребителю валом поршневой части или валом расширительной машины, или обоими валами одновременно. Комбинированный двигатель имеет малый объем и массу на I кВт, а также высокую экономичность, по сравнению с экономичностью поршневого двигателя.

Чаще всего расширение выпускных газов поршневой части происходит в предварительно сжатом свежем заряде турбомашины. Здесь выпускные газы из поршневого двигателя отдают свою энергию лопаткам рабочего колеса газовой турбины, приводящей в действие компрессор. Последний засасывает воздух из атмосферы и под давлением нагнетает его в цилиндры поршневого двигателя, т.е. происходит наддув.

Повышение давления на впуске называется наддувом.

Поршневые и комбинированные двигатели являются наиболее экономичными. Но наличие в поршневых двигателях кривошипно-шатунного механизма усложняет конструкцию и ограничивает возможность повышения числа оборотов. В связи с этим широкое распространение получили комбинированные двигатели внутреннего сгорания, состоящие из поршневого двигателя, компрессионных (компрессора) и расширительных (газовая турбина) машин.

Классификация двигателей

 

Двигатели внутреннего сгорания классифицируются по следую­щим признакам:

1) по назначению:

а) стационарные, устанавливаемые на небольших электростан­циях, для привода насосных установок и т. п.;

б) транспортные, устанавливаемые на различных транспортных средствах (автомобили, тракторы, самолеты, суда).

2) По способу преобразования тепловой энергии в механическую работу (Рисунок 1):

а) поршневые, в которых все основные процессы происходят в надпоршневом пространстве двигателя;

б) газотурбинные, в которых процесс сгорания топлива совершается в специальной камере сгорания, а превращение тепловой энергии в механическую происходит на лопатках колеса газовой турбины;

в) комбинированные, в которых поршневой двигатель является генератором газа, а превращение тепловой энергии в механическую работу происходит на лопатках колеса газовой турбины.

3) По способу смесеобразования:

а) с внешним смесеобразованием;

б) с внутренним смесеобразованием.

4) По способу воспламенения смеси:

а) с воспламенением от искры;

б) с воспламенением при сжатии. В этом случае воспламенение смеси происходит при впрыске топлива в конце такта сжатия благодаря высокой температуре воздуха.

5) По числу цилиндров:

а) одноцилиндровые;

б) многоцилиндровые.

6) По расположению цилиндров:

а) с горизонтальным расположением цилиндров;

б) с вертикальным расположением цилиндров;

в) с V-образным расположением цилиндров;

г) с звездообразным расположением цилиндров.

7) По виду регулирования состава горючей смеси:

а) двигатели с регулированием качества смеси, т.е внутрь двигателя подается определенное количество воздуха и к нему в зависимости от нагрузки добавляется разное количество топлива (дизельные двигатели);

б) двигатели с регулированием количества смеси, т.е внутрь двигателя в зависимости от нагрузки подается разное количество готовой топливной смеси (карбюраторные двигатели);

в) со смешанным регулированием состава смеси.

8) По конструкции двигателей:

а) поршневые;

б) роторно-поршневые:

- ротор вращается внутри корпуса;

- корпус вращается, а ротор неподвижен;

- оба совершают вращение.

9) По типу охлаждения:

а) с водяным охлаждением;

б) с воздушным охлаждением.

Теоретические циклы ДВС

 

В теоретическом цикле процесс сгорания топлива условно заменен мгновенным подводом тепла от постороннего источника, а процесс выпуска из цилиндра продуктов сгорания – мгновенным отводом тепла на сторону.

В действительном цикле рабочая смесь качественно изменяется – превращается в продукты сгорания. В теоретическом же цикле этот процесс заменен сжатием и расширением постоянного по количеству и по качеству рабочего тела (газа) в цилиндре условного двигателя, стенки которого считаются не теплопроводными. Различают два основных теоретических цикла: а) с подводом тепла при постоянном объеме рабочего тела и б) с подводом части тепла при постоянном объеме и части тепла – при постоянном давлении. Тепло из цилиндра в обоих циклах отводится при постоянном объеме.

Теоретические циклы графически изображаются в виде pV- диаграмм.

На рисунке 2 приведены диаграммы теоретических циклов, происходящих в двигателях внутреннего сгорания: диаграмма цикла с подводом тепла при постоянном объеме (Рисунок 2, а) и диаграмма цикла со смешанным подводом тепла (Рисунок 2, б).

Рассмотрим первую диаграмму. В начале цикла поршень находится в н.м.т., что соответствует точке а диаграммы. При перемещении поршня и сжатии газа, находящегося в цилиндре, повышаются его температура и давление, что находит отражение на линии ас диаграммы. В точке с топливо воспламеняется и при постоянном объеме продолжает гореть до точки z (cz). По zb происходит расширение сгоревших газов, по ba – уравнивание давлений с выпуском продуктов сгорания и, наконец, по ar – выталкивание оставшихся продуктов сгорания в атмосферу.

 


 

 


а) с подводом тепла при постоянном объеме; б) со смешанным подводом тепла.

Рисунок 2 – Теоретические циклы двигателей внутреннего сгорания

 

Четырехтактный цикл. Рабочий процессчетырехтактного карбюраторного двигателя(Рисунок 3) состоит из четырех тактов.

Первый такт – впуск горючей смеси. При движении поршня 3 от в.м.т. к н.м.т. в цилиндре 4 создается разрежение в пределах 0, 005÷ 0, 025 МПа, благодаря чему горючая смесь засасывается через впускной трубопровод 5 в цилиндр двигателя. При этом впускной клапан 6 открыт, а выпускной клапан 8 закрыт.

Температура смеси при впуске за счет соприкосновения с нагретыми деталями двигателя и перемешивания с остатками продуктов сгорания повышается по сравнению с температурой окружающего воздуха на 90÷ 120° С.

 

а) впуск горючей смеси; б) сжатие рабочей смеси; в) сгорание рабочей смеси и рабочий ход; г) выпуск отработавших газов.

Рисунок 3 – Рабочий процесс четырехтактного карбюраторного двигателя

 

Второй такт – сжатие смеси. Поршень перемещается от н.м.т. к в.м.т., сжимая смесь при закрытых клапанах.

По мере уменьшения объема смеси давление и температура в цилиндре повышаются. Для карбюраторных двигателей со степенью сжатия от 4 до 8 при подходе поршня к в. м. т. давление достигает 0, 7÷ 1, 5 МПа, а температура – 600÷ 700° К. В этот момент между электродами свечи 7 проскакивает электрическая искра и рабочая смесь воспламеняется.

Третий такт – сгорание рабочей смеси и расширение продуктов сгорания. Во время расширения газы совершают полезную работу, поэтому третий такт также называют рабочим ходом.

при сгорании смеси, резко повышает температуру до 1900÷ 2400° С и давление – до 2, 5÷ 5 МПа. Под действием давления расширяющихся продуктов сгорания поршень перемещается от в.м.т. к н.м.т. и с помощью шатуна 2 вращает коленчатый вал 1, совершая при этом механическую работу. В конце такта при подходе поршня к н.м.т. открывается выпускной клапан. Вследствие значительной разности давлений в цилиндре и окружающей среде в момент открытия выпускного клапана, отработавшие газы начинают выходить из цилиндра с большой скоростью. При этом давление газов в цилиндре резко падает – до 0, 105÷ 0, 115 МПа.

Четвертый такт – выпуск отработавших газов – заключительный такт цикла. В этот период поршень перемещается от н.м.т. к в.м.т. и продолжает выталкивать продукты сгорания рабочей смеси в выпускной трубопровод 9. Среднее давление газов в этот период составляет 0, 105÷ 0, 115 МПа, а температура – 900÷ 1000°С.

Рабочий процесс четырехтактного дизельного двигателяотличается от карбюраторного способом образования и воспламенения рабочей смеси. В дизеле во время такта впуска поступает в цилиндр атмосферный воздух, который, нагреваясь в процессе сжатия, воспламеняет топливо, впрыскиваемое в распыленном виде в конце сжатия. Давление впуска 0, 08÷ 0, 095 МПа. Температура воздуха в цилиндре на 50÷ 80° С выше атмосферной. В конце такта давление газов в цилиндре падает до 0, 105-0, 12 МПа.

Дизельные двигатели по сравнению с карбюраторными имеют следующие преимущества:

1. Благодаря увеличенной степени сжатия подводимое количество тепла Q1 в цикле дизеля больше, чем у карбюраторного двигателя, а отводимое тепло Q2 меньше. Поэтому термический коэффициент полезного действия дизеля t = 1– оказывается больше, а расход топлива – меньше, чем у карбюраторных двигателей, на 20÷ 25%.

2. Стоимость дизельного топлива значительно ниже стоимости бензина.

3. Повышенная пожарная безопасность дизелей из-за более низкой воспламеняемости дизельного топлива по сравнению с бензином.

К недостаткам дизельных двигателей относятся:

1. Большой вес, приходящийся на единицу мощности. В связи с высокими нагрузками, возникающими в цилиндре двигателя, основные детали дизеля весьма массивны. При одинаковой мощности вес карбюраторного двигателя ниже веса дизеля на 40÷ 70%.

2. Высокая первоначальная стоимость дизеля. Это объясняется повышенной металлоемкостью и необходимостью изготовления топливной аппаратуры с высокой степенью точности.

3. Более трудный пуск дизеля при низких температурах. Это вызвано следующими обстоятельствами: для пуска дизеля необходимо вращать коленчатый вал с большей скоростью (150÷ 350 об/мин против 80÷ 100 об/мин); сжимать находящийся в цилиндре воздух приходится до 3, 5÷ 4, 0 МПа против 0, 7÷ 1, 5 МПа у карбюраторного двигателя.

Из выше рассмотренного видно, что четырехтактный двигатель только половину времени, затраченного на цикл, работает как тепловой двигатель (такты сжатия и расширения). Вторую половину времени (такты впуска и выпуска) двигатель работает как воздушный насос.

Двухтактный цикл. Более полно время, отводимое на рабочий цикл, используется в двухтактных двигателях, в которых рабочий цикл совершается за два такта, т.е. за один оборот коленчатого вала. В отличие от четырехтактных двигателей в двухтактных очистка рабочего цилиндра от продуктов сгорания и наполнение его свежим зраядом, или, другими словами, процесс газообмена, происходит только при движении поршня вблизи н. м. т. При этом очистка цилиндра от выпускных газов осуществляется путем вытеснения их не поршнем, а предварительно сжатым до определенного давления воздухом или горючей смесью.

Рабочий цикл в двигателе осуществляется следующим образом (рис. 4):

Превый такт. Превый такт соответствует ходу поршня от в.м.т. к н.м.т. В цилиндре только что произошло сгорание и начался процесс расширения газов, т.е. осуществляется рабочий ход. Несколько раньше момента подхода поршня к впускным окнам открываются выпускные клапаны в крышке цилиндра, и продукты сгорания начинают вытекать из цилиндра в выпускной патрубок; при этом давление в цилиндре резко падает. Впускные окна открываются поршнем, когда давление в цилиндре становится примерно равным давлению предварительно сжатого воздуха в ресивере или немного выше его. Воздух поступая в цилиндр через впускные окна, вытесняет через выпускные клапаны оставшиеся в цилиндре продукты сгорания и заполняет цилиндр (продувка), т.е. осуществляется газообмен. Таким образом, в течение первого такта в цилиндре происходит сгорание топлива, расширение газов, выпуск выпускных газов, продувка и наполнение цилиндра.

 


а – первый такт (сгора­ние, расширение, выпуск, продувка и наполнение); б – второй такт (выпуск, продувка и наполнение, сжатие); 1 – впускной патрубок; 2 – продувоч­ный насос; 3 – поршень;

4 – выпускные клапаны;

5 – форсунка; 6 – вы­пускной патрубок; 7 – воздушный ресивер; 8 – впускные окна

 


Рисунок 4 – Схема работы двухтактного двигателя с внутренним смесеобра­зованием и прямоточной клапанно-щелевой схе­мой газообмена и инди­каторные диаграммы

 

Второй такт. Второй такт соответствует ходу поршня от н.м.т к в.м.т. В начале хода поршня продолжаются процессы удаления выпускных газов, продувки и наполнения цилиндра свежим зарядом. Конец продувки цилиндра определяется моментом закрытия впускных окон и выпускных клапанов. Последние закрываются или одновременно с впускными окнами, или несколько ранее. Давление в цилиндре к концу газообмена и полного перекрытия поршнем впускных окон минимаальное. С этого момента начинается процесс сжатия воздуха. Когда поршень не доходит на 10-30° по углу поворота коленчатого вала до в.м.т., в цилиндр через форсунку начинает подаваться топливо. Следовательно, в течение второго такта в цилиндре происходит окончание выпуска, продувка и наполнение цилиндра в начале хода поршня и сжатие при его дальнейшем ходе. В отличие от четырехтактного двигателя в двухтактном двигателе отсутствуют такты впуска и выпуска как самостоятельные такты, для которых требуется один оборот коленчатого вала. В двухтактных двигателях процессы впуска и выпуска осуществляются на небольших участках хода поршня, соответствующего основным тактам расширения и сжатия.

Процесс заполнения цилиндра горючей смесью с одновременным вытеснением из него отработавших газов называется продувкой цилиндра.

В двухтактных двигателях отсутствует как самостоятельные такты впуска и выпуска. Эти процессы осуществляются на небольших участках основных тактов расширения и сжатия. В двухтактных двигателях применяются различные схемы органов газообмена, например: поперечно-петлевая с параллельным расположением окон, поперечно-петлевая с эксцентричным расположением окон, прямоточная клапанно-щелевая прямоточная с противоположно движущимися поршнями и т. п.

На части хода поршня Sn, где происходит газообмен, полезная работа не совершается. Данный объем Vn называется потерянным.

Рабочим объемом считается V/h=Vh-Vn.

Поэтому действительная степень сжатия

. (5/)

Геометрическая степень сжатия выражается той же формулой, что и для четырехтактных двигателей, т. е.

. (5)

Отношение потеряного объема Vn к объему Vh называется коэффициентом потерянного объема, т. е.

. (6)

Для двухтактных двигателей ψ =10-38%.

Двухтактные двигатели внутреннего сгорания по сравнению с четырехтактными имеют следующие преимущества.

1. Отсутствие клапанного газораспределительного механизма или значительное его упрощение.

2. Более равномерное вращение коленчатого вала благодаря меньшему количеству вспомогательных тактов (на каждый оборот вала приходится один рабочий ход).

3. Большая (на 50÷ 70%) мощность при одинаковом литраже и числе оборотов вала в минуту. Это объясняется вдвое большим, чем у четырехтактного двигателя, количеством рабочих ходов.

К недостаткам двухтактных двигателей относятся:

1. Повышенный расход топлива и сниженный к. п. д. двигателя в результате потери горючей смеси при продувке цилиндра.

2. Высокая частота рабочих ходов, приводящая к повышенному нагреву деталей кривошипно-шатунного механизма и ускорению их износа.

3. Плохая очистка цилиндра от отработавших газов, уменьшающая его наполнение горючей смесью, что снижает мощность двигателя.

Рекомендуемая литература: 3 [11-22], 4 [19-30], 14[29-36].

Контрольные вопросы

1. Что называется мертвой точкой поршня?

2. Как определяется ход поршня?

3. Теоритические циклы ДВС.

4. Рабочие процессы двигателей.

5. Какой объем цилиндра называется рабочим?

6. Что такое степень сжатия двигателя?

7. Какое отличие между принципами работы четырехтактного и двухтактного двигателей?

8. Какая работа совершается в процессе впуска?

9. Обясните принцип рабочего процесса карбюраторного двигателя?

10. В чем различие принципа работы дизельного двигателя от карбюраторного?

11. Что такое литраж двигателя?

12. Какой объем цилиндра называется объемом камеры сгорания?

 

Процесс впуска

 

Процесс впуска сопровождается тепловыми и гидравлическими потерями (сопротивление всасывания, нагрев рабочего тела и др.). Поэтому поступает в цилиндр двигателя количественно меньший заряд, чем теоретический, т. е. чем заряд, в котором нет потерь из-за сопротивления и подогрева.

Итак, теоретическим зарядом называется то количество газов, которое поступило бы в цилиндр при давлении р0 и температуре Т0, отвечающих давлению и температуре окружающего воздуха.

Процесс впуска оценивается коэффициентом наполнения , который представляет собой отношение действительного весового количество заряда, поступившего в цилиндр, к теоретическому, т. е.

. (21.а)

Если разделить числитель и знаменатель правой части на плотность заряда ρ 0 при нормальных атмосферных условиях, то получим

(21.б)

где V1 – объем свежего заряда при р0 и Т0, засосанного двигателем за один цикл; Vh – рабочий объем цилиндра.

Следовательно, коэффициент наполнения представляет собой отношение объема, засосанного за один цикл свежего заряда V1 при давлении р0 и Т0 окружающей среды, к рабочему объему цилиндра Vh.

Связь между давлением конца впуска (всасывания) ра, коэффициентом наполнения η v и другими параметрами процесса впуска определяется из уравнения теплового баланса, учитывающего тепло, содержащееся в смеси свежего заряда и в остаточных газах в цилиндре для конца процесса всасывания.

Количество тепла в остаточных газах равно

Qr= MrCvrTr , (22)

где Mr - число молей остаточных газов; Cvr - теплоемкость одной моли остаточных газов при постоянном объеме; Tr - абсолютная температура остаточных газов.

Количество тепла в свежем заряде определяется аналогично

Q1= M1Cv1To, (23)

где M1 - число молей свежего заряда; Cv1 - теплоемкость одной моли свежего заряда при постоянном объеме; To – абсолютная температура свежего заряда в момент поступления в цилиндр, которая выше температуры окружающей среды на 10 – 350 (для дизелей на 10 – 150) за счет подогрева всасывающей трубы (в карбюраторных двигателях) и за счет тепла впускного клапана (у дизельных двигателях).

Суммарное количество тепла в смеси газов в конце всасывания будет

Qa= MаCvаTа, (24)

где Mа – число молей остаточных газов и свежего заряда в конце процесса впуска (Ma=Mr+M1); Cvа – теплоемкость смеси газов при постоянном объеме в конце всасывания; Tа – температура смеси газов в конце всасывания (при положении поршня в н. м. т.).

Баланс тепла газов в цилиндре имеет вид

MrCvrTr + M1Cv1To= MаCvаTа.(25)

Теплоемкости молей, Cvr, Cvа и Cv1 незначительно отличается между собой (для двигателей высокого сжатия – дизелей на 4-5%) поэтому можно считать, что Cvr = Cv1 = Cvа = Cv и на этот множитель уравнение (16) можно сократить.

Учитывая характеристическое уравнение газов рV=8485MT, можно написать

Mr = ; M1 = .η v и Ма = .

где рr – давление газов в цилиндре в конце процесса выпуска, МПа; Vr – объем остаточных газов, который равен объему сжатия (Vr=Vc) м3; pa - давление смеси газов в конце процесса впуска, МПа; Vа – общий объем цилиндра, равный сумме объемов сжатия и рабочего (Vа=Vc+Vr ) м3.

Влияние потерь и подогрева учитывается коэффициентом наполнения, поэтому т.е. число молей свежего заряда равнялось бы теоретическому умноженному на коэффицент наплнения

М1= =Mтеорη v. (26)

После подстановки этих значений в последнее выражение для ра, получим

, МПа. (27)

Потеря давления за счет сопротивлений впускной системы будет равна ∆ pа= pо - pа где pо – атмосферное давление; pа – давление в точке «а».

Величина ∆ ра может быть определена при некотором приближении из уравнения Бернулли по формуле

МПа,

где ξ – коэффициент сопротивления впускной системы, отнесенный к наиболее узкому ее сечению; β – коэффициент затухания скорости движения заряда в рассматриваемом сечении цилиндра; ω – скорость поступающего свежего заряда в проходном клапане в м/сек; ρ к, ρ о – плотность заряда на впуске соответственно при наддуве и без него (при pк=pо и ρ к= ρ о).

Значение для (β 2 + ξ вп) = 2, 5…4, 0 и ω вп = 50…130 м/с.

Величина ∆ ра у четырехтактных двигателей без наддува равна

∆ ра = (0, 10÷ 0, 25)ра,

давление в конце впуска (точка «а») будет колебаться

р а= ро – ∆ ра,

ра = рк – ∆ ра.

Для автотракторных двигателей при нормальных режимах работы pа находится в пределах 0, 075÷ 0, 09 МПа. Низкие значения относятся к газогенераторным двигателям, средние – к карбюраторным и более высокие – к дизельным двигателям.

Из уравнения (27) можно получить формулу для определения коэффициента наполнения

. (28)

Коэффициент наполнения зависит от оборотов, от давления в конце впус-ка ра, от давления остаточных газов рr, от выбора фаз газораспределения, т. е. от моментов открытия и закрытия впускного клапана, а также от профиля кулачка.

Чем выше величина , тем более совершенный процесс наполнения цилиндра свежим зарядом, следовательно, тем большая мощность, получаемая с единицы рабочего объема цилиндра. Величина для карбюраторных двигателей при полном открытии дросселя равна 0, 70-0, 9, а для дизелей 0, 8-0, 97.

На изменение коэффициента наполнения влияют частота вращения двигателя, при малых частотах вращения уменьшается из-за того, что для этих оборотов фазы распределения велики, т. е. уменьшается скорость поступления газа в цилиндр и скоростной напор.

При увеличении частоты вращения увеличивается аэродинамическое сопротивление движению газового потока в цилиндр, ухудшается наполнение свежим зарядом. Так как падение давления изменяется примерно по квадратичной зависимости от частоты вращения, а скорость потока – по линейной зависимости, то кривая имеет выпуклую форму.

Давление остаточных газов pr зависит от аэродинамического сопротивления, которое возрастает с увеличением частоты вращения двигателя.

Профессор В.А.Петров на основании экспериментальных данных получил эмпирическую формулу для определения давления остаточных газов pr от числа оборотов двигателя, которая имеет вид

pr = pо +А∙ 10-4n∙ 10-1, [МПа],

где ро – атмосферное давление, МПа; А – коэффициент, учитывающий частоту вращения двигателя и размерность (А = 0, 055 МПа мин/об.).

Качество очистки цилиндра от отработавших газов для лучшего заполнения его свежим зарядом оценивается коэффициентом остаточных газов, который равен отношению количества остаточных газов Mr к количеству свежего заряда M1, т. е.

. (29а)

Принимая во внимание, что Mr= и M1= .η v коэффициент остаточных газов приобретает следующий вид

. (29б)

Из уравнения (20) видно, что чем больше степень сжатия ε , тем меньше коэффициент остаточных газов (это зависит от объема ). Кроме того, коэффициент γ r уменьшается с уменьшением давления остаточных газов pr, а следовательно, тем больший коэффициент наполнения .

Коэффициент остаточных газов составляет: для карбюраторных двигателей γ r = 0, 08÷ 0, 12 и для дизелей γ r = 0, 03÷ 0, 05.

Температура конца процесса впуска Та определяется из равенства количества остаточных газов и нового заряда количеству смеси газа в конце впуска , т. е.

.

Учитывая вышеуказанные зависимости, получим

. (30)

Из этой формулы видно, что температура смеси газов в конце впуска Та зависит от температуры окружающей атмосферы, степени сжатия, коэффициента остаточных газов γ r и коэффициента наполнения , а также от отношения pa/po.

Температура остаточных газов колеблется в пределах: для карбюраторных двигателей от 800 до 1000, для дизелей – от 700 до 9000.

Температура конца процесса впуска Та изменяется: для карбюраторных двигателей – от 3500 до 4250, для дизельных двигателей – от 3100 до 3500.

Процесс сжатия

 

Процесс сжатия происходит во время движения поршня к в. м. т. при закрытых клапанах и при переменном теплообмене между зарядом, стенками цилиндра и камеры сгорания, кроме того, имеют место утечки части заряда через не плотности.

Теоретически процесс сжатия является адиабатическим (без подвода и отдачи тепла) с показателем k = , равным для воздуха k =1, 41.

В связи с переменным теплообменом и утечками части заряда показатель линии сжатия индикаторной диаграммы непрерывно изменяется (изменяются теплоемкости газов в виду переменной температура) т.е. процесс сжатия происходит по политропе с показателем .

Показатель политропы сжатия по своей величине лежит между показателями адиабаты (k = 1, 41.) и изотермы (n=1). Он зависит от конструктивных и эксплуатационных факторов. К конструктивным факторам относятся: величина поверхности, соприкасающейся с газами, степень сжатия ε, конфигурация камеры сгорания и рабочий объем цилиндра. К эксплуатационным факторам относятся: режим охлаждения двигателя, износы деталей поршневых групп, изменение скоростного и нагрузочного режимов, отложение нагара на поршнях, отложение накипи на стенках цилиндра и др.

Процесс сжатия в реальных двигателях представляет собой сложный политропический процесс, осуществляющийся с переменным показателем по всей линии сжатия (линия ас индикаторной диаграммы).

Если вычислить средние значения показателя политропы для небольших участков кривой сжатия, используя для этого уравнение , то получим примерный характер изменения этого показателя. Mаксимальное значение показатель действительного процесса сжатия имеет в начале процесса (н.м.т.), а затем по мере движения поршня к в.м.т. значения уменьшаются и достигают минимума около в.м.т. В конце процесса сжатия несколько раз увеличивается в связи с уменьшением объема рабочего тела и начинающегося тепловыделения при сгорании. В момент, когда мгновенная температура рабочего тела становится равной температуре стенок цилиндра, тогда приближается к показателю адиабаты.

Для упрощения расчетов заменяют переменный показатель постоянным средним (величиной ) за процесс.

Средним показателем политропы сжатия называют такое постоянное значение, при котором нужно затратить на сжатие ту же работу, что при процессе сжатия с переменным показателем.

Среднюю величину политропы сжатия действительной индикаторной диаграммы определяют аналитическим или графическим методами.

Аналитический метод определения средней величины исходит из уравнения политропы в начале и в конце сжатия, т.е.

Логарифмируя это выражение, получим

,

откуда

,

где ра и рс давления в начале и в конце сжатия (определяются по индикаторным диаграммам); ε -степень сжатия.

Графический метод определения показателя n1 (рисунок 5) состоит в планиметрировании индикаторной диаграммы по площадям (линии acmn) и (линии ackl).

Величина показателя сжатия n1 определяется отношением

n1 =

 

Рисунок 5 – К графическому методу определения показателя n1

 

Профессор В. А. Петров для карбюраторных двигателей при различных оборотах до 2500 в минуту установил экспериментальную зависимость показателя сжатия от оборотов двигателя nдв в последующем виде

, (31)

где В – коэффициент пропорциональности (В=100), мин-1.


Поделиться:



Последнее изменение этой страницы: 2017-05-04; Просмотров: 868; Нарушение авторского права страницы


lektsia.com 2007 - 2024 год. Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав! (0.119 с.)
Главная | Случайная страница | Обратная связь