Области применения поршневых и комбинированных двигателей

 

Наиболее широко ДВС используются на транспортных установках и сельско-хозяйственных машинах.

ДВС является основным источником энергии на автомобилях, железнодорожном транспорте, речном и морском флоте. различного типа и назначения. Мощность автомобильных ДВС в настоящее время превышает 1500 кВт, железнодорожном транспорте – 3000 кВт, а речном и морском флоте – 37500 кВт.

Появление ДВС обусловило быстрое развитие авиации. Были созданы комбинированные ДВС мощностью до 3750 кВт. В дальнейшем появились газлтурбинные двигатели, которые позволили резко увеличить скорость самолета.

Поршневые и комбинированные двигатели являются основой механизации сельского хозяйства, где применяются только ДВС. Мощность тракорных двигателей свыше 350 кВт.

ДВС используются также на строительно-дорожной технике, в стационарной энергетике, а также в качестве привода компрессоров и насосов для подачи газа, нефти, жидкого топлива и т.п. по трубопроводам, при производстве разведочных работ, для привода бурильных установок при бурении скважин на газовых и нефтяных промыслах.

Для маркировки двигателей приняты условные обозначения, состоящие из букв и цифр.

Буквы обозначают: Ч – четырехтактный, Д – двухтактный, Р – ревесривный, С – судовой, с реверсивной муфтой, П – с редукторной передачей, К – крейцкопфный, Н – с наддувом.

Цифры обозначают: первая цифра – число цилиндров; число над чертой – диаметр цилиндра в сантиметрах; число под чертой – ход поршня в сантиметрах; последняя цифра характеризует модернизацию (1-я, 2-я и т.д.) двигателя. В условном обозначении тронкового дизеля отсутствует буква К, а в обозначении нереверсивного дизеля – буква Р.

Примеры обозначений:

Дизель 8ЧН 14/14 – восьмицилиндровый, четырехтактный, нереверсивный, тронковый, с наддувом, диаметр цилиндра 140 мм, ход поршня - 140 мм.

Дизель 3ДСП 19/30 – трехцилиндровый, двухтактный, тронковый, судовой с ревесрсивоной муфтой и редукторной передачей, диаметр цилиндра 190 мм, ход поршня 300 мм.

Дизель 8ДКРН 55/120 – восьмицилиндровый, двухтактный, крейцкопфный, реверсивный, с наддувом, диаметр цилиндра 550 мм, ход поршня 1200 мм.

Рекомендуемая литература: осн.3 [8-18], 8 [8-16]; доп. 14 [6-9], 16 [4-9], 17 [8-18].

Контрольные вопросы

1. Дайте определение Двигателя.

2. Какие типы тепловых двигателей существуют?

3. Где поризводится сжигание топлива в газовых турбинах?

4. Из каких основных частей состоит газовая турбина?

5. Что является причиной возникновения реактивной силы тяги в ракетных двигателях?

6. Когда и кем был построен первый промышленный ДВС?

7. Что такое наддув?

8. Чем передается энергия потребителю в комбинированных ДВС?

9. Какие виды двигателей вы знаете?

10. Назовите самый распространенный тип двигателей.

11. Какие преимущества у поршневых двигателей внутреннего сгорания?

12. Назовите преимущества роторно-поршневого двигателя.

13. В какой области наиболее широко используются ДВС?

14. Поясните принцип маркировки двигателей.?

Лекция 2. Принцип работы поршневых двигателей (2 часа)

2.1 Основные понятия и определения

 

Возвратно-поступательное движение поршня обусловило сгорание топлива в двигателях последовательными порциями. Причем сгоранию каждой порции предшествует ряд подготовительных процессов.

Совокупность происходящих в цилиндре в определенной последовательности процессов называется рабочим циклом. Эти циклы периодически повторяются.

Рабочий цикл любого поршневого двигателя осуществляется по одному из способов смесеобразования - с внешним или внутренним смесеобразованием.

При осуществлении рабочего цикла с внешним смесеобразованием обеспечивается хорошее смесеобразование и более полное использование рабочего объема цилиндра (коэффициент избытка воздуха α = 0, 8÷ 1, 1), а давление в конце сжатия находится в пределах 1, 0÷ 2, 0 МПа.

При осуществлении рабочего цикла с внутренним смесеобразованием (внутри цилиндра) рабочий цилиндр заполняется только воздухом, который подвергается сжатию. Во время сжатия в ци­линдр через форсунку под большим давлением впрыскивается топливо и перемешивается с воздухом. Чтобы избежать преждевременной вспышки впрыск топлива проводится только в конце сжатия. Впрыск продолжается и в момент воспламенения. Во время впрыска топлива смесь получается неоднородной и потому для полного сгорания необходимо иметь коэффициент избытка воздуха не менее 1, 2 - 1, 4. При этом смесеобразовании достигается более высокая степень сжатия и обеспечивается более высокий кпд.

Для двигателя с внутренним смесеобразованием могут быть использованы все виды жидкого и газообразного топлива.

Положения кривошипно-шатунного механизма, при которых ось шатуна лежит в плоскости кривошипа (φ =0 и φ =180°), называется мертвыми точками. В этих положениях приложенное к поршню усилие не может вызвать вращательного движения коленчатого вала двигателя. Мертвым точкам соответствуют крайние положения поршня в цилиндре (рис. 2).

Крайнее верхнее положение поршня, когда он удален максимально от оси вала (φ = 0) называется внутренней мертвой точкой (в.м.т), а крайнее нижнее положение поршня, соответ­ствующее минимальному удалению его от оси вала (φ =180°), называется нижне й мертвой точкой (н.м.т).

Расстояние между крайними перемещениями поршня называется ходом поршня и соответствует половине оборота коленчатого вала.

Рабочие процессы, совершаемые в цилиндре в течение одного хода поршня (часть рабочего цикла), называется тактом.

При перемещении поршня объем внутренней полости цилиндра меняется, но характерные из них имеют следующие названия:

а) объем внутренней полости цилиндра при нахождении поршня в в.м.т. называется объемом камеры сгорания и обозначается V_c;

б) объем внутренней полости цилиндра при положении поршня в н.м.т. называется полным объемом цилиндра и обозначается V_a;

в) объем, описываемый поршнем при его ходе из в.м.т. в н.м.т., называется рабочим объемом цилиндра и обозначается V_h.

Рабочий объем цилиндра равен

(1)

где D – диаметр цилиндра; S – ход поршня.

Рабочий объем двигателя измеряется в литрах.

Полный объем одного цилиндра

. (2)

Отношение полного объема цилиндра к объему камеры сгора­ния называется степенью сжатия и обозначается буквой ε , т.е.

(3)

Степень сжатия показывает, во сколько раз сжимается заряд в цилиндре при перемещении поршня из н.м.т. в в.м.т.

Отношение действительного количества заряда G₁, поступаю­щего в цилиндр, к количеству, которое могло бы заполнить рабочий объем цилиндра V_h при температуре t_k давлении р_к заряда во впуск­ном трубопроводе, называется коэффициентом наполнения η _v, т.е.

(4)

где ρ - плотность заряда при давлении p_к и температуре t_к.

Коэффициент наполнения характеризует степень наполнения цилиндра свежим зарядом.

Изменение давления в цилиндре двигателя по ходу поршня за цикл называется индикаторной диаграммой. Ее получают с помо­щью специального прибора – индикатора.

Ординаты индикаторной диаграммы (Рисунок 2) внизу показывает значение давлений газов в цилиндре р, МПа, а абсциссы - ход поршня и соответствующие объемы цилиндра V см³. Горизонтальная тонкая линия соответствует давлению р_к во впускном трубопроводе, а вертикальными токнкими линиями отмечены крайние положения поршня (в.м.т., н.м.т. ).

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 S_n, где происходит газообмен, полезная работа не совершается. Данный объем V_n называется потерянным.

Рабочим объемом считается V^/_h=V_h-V_n.

Поэтому действительная степень сжатия

. (5^/)

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

. (5)

Отношение потеряного объема V_n к объему V_h 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?

 

⇐ Предыдущая123456789Следующая ⇒

Поделиться: