Характеристика двигателя внутреннего сгорания

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Тепловой баланс ДВС

Характеризует расходование теплоты сгорания топлива, внесенного в дв-ль за определ. период времени, на полезную работу и различные потери.Определяется для различных режимов работы. С помощью топливного баланса можно определить степень совершенства конструкции и регулировок дв-ля и наметить пути улучшения экономичности его работы. Уравнение теплового баланса:

Q=Qe+Qв+Qr+Qнс+Qост

Q-теплота сгор. Топлива, поступающего в двигатель; Qe-теплота эквивалентная эффективной работе дв-ля; Qв-теплота переданная в охлаждающую среду через стенки цилиндра;Qr-теплота уносимая с отработавшими газами; Qнс-потери теплоты в следствие неполноты сгорания топлива;Qост-остальные тепловые потери. Значения этих составляющих зависят от: степени сжатия, нагрузки, фаз газраспред., теплового режима, частоты вращения колен вала. состава смеси.

2. Влияние различных факторов на величину механических потерь

Механический КПД двигателя. Среднее эффективное давление и эффективная мощность двигателя. Эффективный КПД и эффективный удельный расход топлива.

Факторы, влияющие на индикаторные и эффективные показатели двигателей. Химическая энергия топлива, сжигаемого в цилиндрах двигателей, превращается в эффективную работу только частично. Так, опытным путем определено, что всего 20...40% получаемого тепла превращается в полезную работу. Остальную часть составляют потери. Основными из них являются потери, связанные с уносом тепла в охлаждающую среду, с отработавшими газами, неполным сгоранием топлива и др.

Механический КПД - оценочный показатель механических потерь в двигателе:

Отношение эффективной мощности двигателя к индикаторной.Индикаторная мощность, развиваемая тепловым двигателем, не может быть в полной мере реализована из-за потерь на преодоление трения и на привод вспомогательных механизмов, но, чтобы улучшить топливную экономичность двигателя, необходимо точно знать все эти потери. Для удобства их оценки введено понятие механического КПД зm.Эффективный удельный расход топлива

Эффективный удельный расход топлива ge при известных эффективной мощности Ne и расходе топлива GT определяют по формуле:

ge = 103Gт/Ne

Единица измерения эффективного удельного расхода топлива: г/(кВт * ч).

При работе двигателя на жидком топливе связь между ge и nе следующая:

nе = 3,6 * 103/(geQн)

Для автомобильных двигателей, работающих на номинальном режиме, значения эффективного КПД находятся в следующих пределах: для карбюраторных двигателей 0,25...0,33; для дизелей 0,35-0,4. При этом значение эффективного удельного расхода топлива составляет: для карбюраторных двигателей 300...370 г/ (кВт * ч); для дизелей с неразделенными камерами сгорания 245...270 г/(кВт * ч).

3. Процесс сгорания смеси в дизельном двигателе. Фазы сгорания. Расчет параметров конца сгорания

1.Такт впуска.

Во время такта впуска открыт впускной клапан. При перемещении поршня вниз, от ВМТ, воздух из впускного коллектора входит в цилиндр через впускной клапан.

2.Такт сжатия.

Когда поршень снова начинает перемещаться вверх к ВМТ после завершения такта впуска и закрытия впускного клапана, воздух в цилиндре дизельного двигателя сжимается по мере движения поршня вверх.

Впрыскивание топлива (самовоспламенение) - такт сгорания и расширения. Когда поршень оказывается в конце такта сжатия, топливо впрыскивается в сжатый воздух при высокой температуре при некотором угле опережения впрыскивания, после чего начинается такт сгорания и расширения.

Помните правильную и нормальную работу двигателя гарантируют только качественные запчасти ЯМЗ. Ниже описано как изменяют свое состояние капли топлива, впрыскиваемого форсункой в камеру сгорания, в воздухе с высокими температурой и давлением.

1) Капли нагреваются и температура их поверхности увеличивается.

2) Начинается испарение с поверхности капель топлива.

3) После перемешивания паров топлива с воздухом, т.е. при образовании топливовоздушной горючей смеси, начинается ее сгорание (самовоспламенение смеси не происходит в одной, определенной точке, как в бензиновых двигателях).

4) Воспламенение вызывает мгновенное увеличение температуры и давления в камере сгорания, что ускоряет испарение и перемешивание остального топлива с воздухом и образование горючей смеси, в результате чего происходит быстрое сгорание смеси.

3.Такт выпуска

Отработавшие газы, совершившие работу по перемещению поршня во время такта расширения, выпускаются из цилиндра через выпускной клапан газопоршневой электростанции, который открывается при приближении поршня к НМТ и остается открытым во время такта выпуска (при движении поршня вверх, к ВМТ). Когда поршень достигает ВМТ, снова начинается такт впуска и цикл повторяется снова и снова.

В процессе сгорания дизельного двигателя выделяют четыре периода:

I - период задержки воспламенения, когда осуществляются физико-химические процессы подготовки топлива к сгоранию;

II - период быстрого сгорания, способствующий резкому нарастанию давления в цилиндре и заканчивающийся уже после ВМТ (участок 2-3), воспламенение топлива в дизеле происходит за счет повышения температуры воздуха при сжатии;

III - период медленного сгорания, характеризующийся незначительным изменением давления (участок 3-4) в связи со снижением скорости химических реакций из-за уменьшения количества кислорода и увеличения количества продуктов сгорания;

IV - период догорания топлива (участок 4-5), который должен быть возможно меньшим за счет создания завихрения смеси в цилиндре и правильного выбора характеристик топливоподачи.

В тепловом поршневом двигателе внутреннего сгорания повышение температуры рабочего тела в рабочем цикле осуществляется за счет экзотермической реакции окисления (сгорания) топлива непосредственно в среде рабочего тела внутри конструктивно замкнутого объема - камеры сгорания. Камера сгорания представляет собой объем, ограниченный днищем поршня, боковой поверхностью цилиндра и головкой блока цилиндров когда поршень находится вблизи ВМТ. Собственно горение обусловлено сочетанием химических и физических процессов, включающих смешение топлива и окислителя, теплообмен, гидродинамические и газодинамические явления. Поэтому процессу сгорания топлива в цилиндрах двигателя предшествует процесс смесеобразования, под которым понимается процесс приготовления смеси из капелек и паров топлива с воздухом.

Полнота и скорость сгорания топлива определяются не только общим соотношением количества топлива и воздуха в смеси, что оценивается коэффициентом избытка воздуха, но и такими факторами, как однородность смеси, скорость, место и продолжительность образования смеси. На процесс сгорания бензино-воздушной смеси существенно влияют граничные значения коэффициента избытка воздуха а, которые определяют верхний (альфа = 0,3.. .0,5) и нижний (альфа = 1,2.. .13) пределы воспламеняемости смеси.

В дизелях качество приготовления смеси обусловливается качеством распыливания топлива. Действительный состав рабочей смеси при сгорании в дизеле непрерывно изменяется вследствие поступления топлива в камеру сгорания, его смешения с воздухом и выгорания, но изменение состава смеси меньше влияет на процесс сгорания, чем в бензиновом двигателе.

Особенности смесеобразования связаны с конструктивными особенностями двигателей.

В настоящее время по типу смесеобразования двигатели делятся на несколько типов: карбюраторные, бензиновые двигатели с распределенным впрыском, бензиновые двигатели с непосредственным впрыском, дизельные двигатели.

Карбюраторные двигатели хоть и сдали свои позиции в гражданском автомобилестроении, но широко используются там, где диапазон мощностей и расход топлива невелик, и где важна простота иинадежностьконструкции: ручной инструмент (бензопилы, бензотриммеры, бензокосы, бензобуры), переносные маломощные бензоэлектрогенераторы, малая сельская механизация, мотоциклетные двигатели.

4. Элементы смазочной системы. Назначение. Конструкция

Смазочная система служит для подачи смазочного материала к трущимся поверхностям с целью уменьшения трения, снижения износа и отвода теплоты от контактирующих поверхностей.

Смазочная система включает в себя масляный поддон, масляный насос с редукционным клапаном и маслоприемником, масляный фильтр, маслопроводы (каналы в головке и блоке цилиндров, коленчатом и распределительном валах), заливную горловину и указатель уровня масла. Масло заливают в поддон через горловину и его количество контролируют специальным стержнем, конец которого находится в масляной ванне. При работе двигателя масло забирается из поддона насосом через маслоприемник и по приемному каналу в блоке цилиндров подается в фильтр, который включен в главную масляную магистраль последовательно. Из фильтра масло через главную магистраль и канал в блоке цилиндров под давлением поступает соответственно к коренным подшипникам коленчатого вала и переднему подшипнику вала привода масляного насоса, а также к заднему подшипнику по центральному каналу вала.

Максимальное давление масла, создаваемое насосом, ограничивается редукционным клапаном, установленным в масляном насосе.

При засорении фильтра масло поступает в главную масляную магистраль, минуя фильтр, через перепускной клапан, который установлен в фильтре. От коренных подшипников масло через внутренние каналы коленчатого вала подается к шатунным подшипникам и от них через отверстия в нижних головках шатунов разбрызгивается на стенки цилиндров.

Поршневые кольца и поршневые пальцы смазываются маслом, снимаемым со стенок цилиндров, и масляным туманом, находящимся внутри двигателя. К центральному опорному подшипнику распределительного вала масло из фильтра под давлением поступает через главную магистраль , канал и канавку в опоре в центральный канал распределительного вала и из него к другим опорным подшипникам и кулачкам вала.

Звездочка и цепь привода распределительного вала смазываются маслом, вытекающим из переднего опорного подшипника вала. Стержни клапанов, направляющие втулки и другие детали клапанов смазываются маслом, разбрызгиваемым механизмами двигателя при их работе. Отработавшее масло стекает в поддон картера двигателя. Давление масла в смазочной системе контролируется контрольной лампой, датчик 6 которой установлен на блоке цилиндров двигателя

5. Система питания бензинового двигателя. Требования к составу смеси

Система питания карбюраторного двигателя включает в себя следующие элементы:

1) топливный бак;

2) топливопроводы;

3) топливные фильтры;

4) топливный насос;

5) карбюратор;

6) воздушный фильтр;

7) выпускной коллектор:

8) впускной коллектор;

9) глушитель шума выпуска отработанных газов.

Инжекторные системы впрыска топлива имеют ряд преимуществ перед карбюраторными системами питания:

1) отсутствие добавочного сопротивления потоку воздуха в виде диффузора карбюратора, что способствует лучшему наполнению камер сгорания цилиндров и получению более высокой мощности;

2) улучшение продувки цилиндров за счет использования возможности более длительного периода перекрытия клапанов (при одновременно открытых впускных и выпускных клапанах);

3) улучшение качества приготовления рабочей смеси за счет продувки камер сгорания чистым воздухом без примеси паров топлива;

4) более точное распределение топлива по цилиндрам, что дает возможность использования бензина с более низким октановым числом;

5) более точный подбор состава рабочей смеси на всех стадиях работы двигателя с учетом его технического состояния.

Система центрального одноточечного впрыска топлива отличается от системы распределительного впрыска тем, что в ней отсутствует отдельный для каждого цилиндра (распределительный) впрыск бензина. Подача топлива в этой системе осуществляется при помощи центрального модуля впрыска с одной электромагнитной форсункой. Регулировка подачи топливовоздушной смеси осуществляется дроссельной заслонкой. Распределение рабочей смеси по цилиндрам осуществляется, как и в карбюраторной системе питания. Остальные элементы и функции данной системы питания такие же, как и в системе распределительного впрыска

Требования к составу смеси.

1. При неполном открытии дроссельной заслонки в условиях установившихся режимов в двигатель должна подаваться горючая смесь, обеспечивающая заданную мощность двигателя при наименьшем расходе топлива (составление программы дозирования на оптимальную топливную экономичность) или наименьшую токсичность отработавших газов (составление программы дозирования на наименьшую токсичность).

2. При полном или близком к полному открытию дроссельной заслонки на установившихся режимах в двигатель нужно подавать обогащенную горючую смесь. При составлении программы дозирования на минимальную токсичность и на данных режимах должна подаваться смесь, при которой токсичность отработавших газов будет минимальной.

3. На неустановившихся режимах состав горючей смеси должен обеспечить наименьшее время перехода двигателя с одного режима на другой с минимально возможным расходом топлива.

4. На режимах холостого хода состав горючей смеси должен обеспечить минимально возможную устойчивую частоту вращения коленчатого вала двигателя при наименьшей токсичности отработавших газов.

5. Для быстрого пуска холодного двигателя смесь следует значительно обогащать.

6. По мере прогрева двигателя состав горючей смеси необходимо постепенно обеднять.

7. На режимах принудительного холостого хода подача топлива должна прекращаться.

6. Системы жидкостного охлаждения

По способу осуществления циркуляции жидкости около охлаждаемых поверхностей системы охлаждения могут быть: принудительными, в которых циркуляция обеспечивается специальным насосом, расположенным на двигателе (или в силовой установке); под давлением жидкости, подводимой в силовую установку из внешнего водопровода; термосифонными, в которых циркуляция жидкости происходит в результате разности гравитационных сил, возникающих в жидкости различной плотности - нагретой около поверхностей деталей двигателя и охлаждаемой в охладителе; комбинированными.

Принудительные системы охлаждения могут быть замкнутыми или незамкнутыми (проточными).

Незамкнутые водяные системы просты по конструкции, особенно если вода к ним подводится из водопровода, но обладают тем большим недостатком, что вместе с водой в систему охлаждения вносятся взвешенные или растворенные примеси, загрязняющие охлаждаемые поверхности. Поэтому применение таких систем охлаждения ограничено судовыми и стационарными двигателями малой удельной мощности.

В испарительных незамкнутых системах охлаждения циркуляция воды около охлаждаемых стенок осуществляется также за счет гравитационных сил и перемещения жидкости при всплытии паровых пузырей, образующихся на горячих стенках цилиндров и их крышек. Эта система охлаждения конструктивно самая простая, но она требует большого расхода умягченной воды во избежание интенсивного отложения накипи на охлаждаемых стенках и применяется крайне редко.

Термосифонная система охлаждения всегда замкнутая и является простейшей из всех замкнутых систем, однако вследствие малой интенсивности циркуляции воды она почти не применяется.

Комбинированные системы охлаждения в настоящее время находят все более широкое распространение. Наиболее интенсивно нагреваемые детали (головки блоков цилиндров, поршни) охлаждаются принудительно, а блоки цилиндров - по термосифонному принципу.

Замкнутая принудительная система - наиболее распространенная система жидкостного охлаждения. Рабочим телом в ней является вода, подвергающаяся предварительной обработке - умягчению, фильтрации или дистилляции. Высокая температура замерзания воды обусловливает необходимость в автомобильных и других транспортных двигателях, эксплуатируемых при низких температурах окружающего воздуха, в качестве рабочего тела систем охлаждения использовать жидкости с низкой (до -65 °С) температурой замерзания - антифризы. Применение их упрощает эксплуатацию двигателей и предотвращает разрушение системы охлаждения при замерзании воды.

7. Пути повышения мощности и улучшения экономичности ДВС. Наддув как метод улучшения показателей ДВС

Пути повышения мощности и улучшения экономичности ДВС.

Средства решения проблемы повышения мощности ДВС многообразны. К одним из них относится повышение частоты вращения вала: чем она выше, тем большую мощность может обеспечить двигатель. Использование этого средства связано с необходимостью улучшения процессов смесеобразования и сгорания, особенно в дизелях. В дизелях с повышением частоты вращения сокращается время, отводимое на названные процессы, что приводит к ухудшению качества приготовления смеси, а затем - и к ухудшению качества сгорания. С ростом продолжительности сгорания повышается температура рабочего тела в процессе расширения, что служит причиной увеличения температур деталей и выпускных газов. Другим важным средством повышения мощности двигателей является наддув. Под наддувом понимается повышение мощности посредством повышения массового количества воздуха, подаваемого в цилиндры машины, с одновременным увеличением подачи топлива. Подачу воздуха увеличивают за счёт повышения его плотности. При этом мощность двигателя повышается прямо пропорционально росту плотности. Для повышения плотности воздуха служит специальный агрегат, называемый компрессором. К наиболее перспективным средствам наддува относится газотурбинный наддув. При таком наддуве для привода компрессора используется энергия выпускных газов двигателя. Эти газы раскручивают турбину, которая приводит компрессор. Реализация мер по повышению мощности связана с необходимостью решения ряда других проблем. В частности, мощный двигатель характеризуется хорошей экономичностью при условиях использования его на режимах полных нагрузок, для работы на малых нагрузках её нет. Выходом из положения в таких случаях может служить выключение из работы части цилиндров.

(или частичное выключение цилиндров: подача топлива через цикл). Тогда выключенные цилиндры «нагружают» оставшиеся в работе. Вследствие реализации этого обстоятельства КПД работающих цилиндров существенно повышается, а в целом повышается и экономичность машины.

Применение наддува в ДВС

Наддув применяют в двс для увеличения мощности двигателя без существенного увеличения его массы и габаритов ,а также расхода топлива.

В ДВС применяют три типа наддува: резонансный -при котором используется кинетическая энергия объема воздуха во впускных коллекторах (нагнетатель в этом случае не нужен)

механический - в этом варианте компрессор приводится во вращение ремнем от двигателя

газотурбинный (или турбонаддув) - турбина приводится в движение потоком отработавших газов.

Резонансный наддув. Для кратковременного повышения давления вполне подойдет волна сжатия, «гуляющая» по впускному трубопроводу при работе мотора. Достаточно лишь рассчитать длину самого трубопровода, чтобы волна, несколько раз отразившись от его концов, пришла к клапану в нужный момент. Для использования эффекта резонансного наддува требуются впускные трубопроводы переменной длины. При коротком впускном коллекторе мотор лучше работает на высоких оборотах , при низких оборотах более эффективен длинный впускной тракт. Переменные длины впускных трубопроводов можно создать двумя способами: или путем подключения резонансной камеры, или через переключение на нужный впускной канал или его подключение. Последний вариант называют еще динамическим наддувом. Как резонансный, так и динамический наддув могут ускорить течение впускного столба воздуха.

Механический наддув. Механические нагнетатели позволяют довольно простым способом существенно поднять мощность мотора. Имея привод непосредственно от коленчатого вала двигателя, компрессор способен закачивать воздух в цилиндры при минимальных оборотах и без задержки увеличивать давление наддува строго пропорционально оборотам мотора. Но у них есть и недостатки. Они снижают КПД ДВС, так как на их привод расходуется часть мощности, вырабатываемой силовым агрегатом. Системы механического наддува занимают больше места, требуют специального привода (зубчатый ремень или шестеренчатый привод) и издают повышенный шум. Существует два вида механических нагнетателей: объемные и центробежные.

Газотурбинный наддув. У турбокомпрессора крыльчатка-нагнетатель сидит на одном валу с крыльчаткой-турбиной, которая встроена в выпускной коллектор двигателя и приводится во вращение отработавшими газами. Частота вращения может превышать 200.000 об./мин. Прямой связи с коленвалом двигателя нет, и управление подачей воздуха осуществляется за счёт давления отработавших газов. Ряд производителей устанавливают на свои моторы сразу два турбокомпрессора. Такие системы называют «битурбо» или «твинтурбо». К достоинствам турбонаддува относят: повышение КПД и экономичности мотора. К недостаткам - повышенные требования к эксплуатации, высокую стоимость.



8. Термодинамические циклы с подводом теплоты при постоянном объеме, постоянном давлении

Термодинамические циклы с подводом теплоты при постоянном объеме.

Рассмотрим идеальный термодинамический цикл ДВС с изохорным подводом теплоты. Цикл в pv координатах представлен на рис. 2.

Идеальный газ с начальными параметрами p1, v1,T1 сжимается по адиабате 1-2. В изохорном процессе 2-3 рабочему телу от внешнего источника теплоты передается количество теплоты q1. В адиабатном процессе 3-4 рабочее тело расширяется до первоначального объема v4=v1. В изохорном процессе 4-1 рабочее тело возвращается в исходное состояние с отводом от него теплоты q2 в теплоприемник.

Характеристиками цикла являются:

- Степень сжатия;

-Степень повышения давления;

Количество подведенной и отведенной теплоты определяются по формулам:

Подставляя эти значения теплот в формулу для термического кпд, получим:

Найдем параметры рабочего тела во всех характерных точках цикла.

Точка 2.

откуда получаем

Точка 3.



откуда получаем

Точка 4.

откуда получаем

С учетом найденных значений температур формула для кпд примет вид

Формула 1. Из последнего соотношения следует, что термический кпд увеличивается с возрастанием степени сжатия и показателя адиабаты k.

Однако повышение степени сжатия в двигателях данного типа ограничивается возможностью преждевременного самовоспламенения горючей смеси. В связи с чем, рассматриваемые типы двигателей имеют относительно низкие кпд. В зависимости от рода топлива степень сжатия в таких двигателях изменяется от 4 до 9.



Работа цикла определяется по формуле:

Циклы с подводом теплоты при постоянном объеме применяются в карбюраторных типах двигателей с использованием принудительного воспламенения от электрической искры.

Термодинамические циклы с подводом теплоты при постоянном давлении

Циклы ДВС с подводом теплоты при постоянном давлении

Двигатели, в основу работы которых положен цикл с подводом теплоты при постоянном давлении (с постепенным сгоранием), имеют ряд преимуществ по сравнению с двигателями, работающими по циклу с подводом теплоты при постоянном объеме. Они связаны с тем, что в двигателях с постепенным сгоранием осуществляется раздельное сжатие топлива и воздуха. Поэтому здесь можно достигать значительно более высоких степеней сжатия. Воздух при высоких давлениях имеет настолько высокую температуру, что подаваемое в цилиндр топливо самовоспламеняется без всяких специальных запальных приспособлений. Кроме того, раздельное сжатие воздуха и топлива позволяет использовать любое жидкое дешевое топливо - нефть, мазут, смолы и проч.

В двигателях с постепенным сгоранием топлива воздух сжимается в цилиндре, а жидкое топливо распыляется сжатым воздухом от компрессора. Раздельное сжатие позволяет применять высокие степени сжатия (до e =20 ), исключая преждевременное самовоспламенение топлива. Постоянство давления при горении топлива обеспечивается соответствующей регулировкой топливной форсунки. Конструкция такого двигателя впервые была разработана немецким инженером Дизелем.

Рассмотрим идеальный цикл двигателя с подводом теплоты при постоянном давлении в pv- диаграмме рис.3

Этот цикл осуществляется следующим образом. Газообразное рабочее тело с начальными параметрами p1, v1, T1 сжимается по адиабате 1-2. В изобарном процессе 2-3 телу сообщается некоторое количество теплоты q1. В адиабатном процессе 3-4 происходит расширение рабочего тела до первоначального объема. В изохорном процессе 4-1 рабочее тело возвращается в первоначальное состояние с отводом в теплоприемник теплоты q2. Характеристиками цикла являются :

Степень сжатия

Степень предварительного расширения



Количество подведенной и отведенной теплот определяются по формулам:

Термический кпд цикла в предположении постоянства теплоемкостей cp и cv и их отношения k=cp /cv будет:

Параметры рабочего тела в характерных точках цикла будут:

Точка 2.

откуда получаем:

Точка 3.



откуда получаем:

Точка 4.

Так как

то



Подставляя полученные значения температур в формулу для кпд, получим

Формула 2

Отсюда следует, что с увеличением e и k кпд увеличивается, а с увеличением r - уменьшается.

Работа цикла определяется по формуле:

Сравнения кпд циклов ДВС с подводом теплоты при p = const и v = const при одинаковых давлениях и температурах, но при различных e показывают, что

При этом степень сжатия e в цикле с подводом теплоты при p = const больше, чем в цикле с подводом теплоты при v = const .

Величина e в цикле с подводом теплоты при постоянном давлении выбирается таким образом, чтобы обеспечивались условия самовоспламенения топлива. Таким условиям в компрессорных дизелях соответствует e = 14 -18.

9. Форсунки

Форсунки обеспечивают поступление и распыливание топлива в камере сгорания дизеля в соответствии с выбранным способом смесеобразования. В связи с этим важное значение имеет конструкция сопловой части распылителя форсунки. По этому признаку различают клапанные, нормальные закрытые, штифтовые и клапанно-сопловые форсунки. Во всех форсунках дизелей имеется запорный элемент, выполняющий функцию предельного клапана. Он регулируется на такоедавление начала впрыскивания, при котором обеспечивается мелкое распиливание топлива при подаче его в камеру сгорания.

До недавнего времени у нормальных закрытых форсунок давление начала впрыскивания составляло 15...35 МПа. В настоящее время с целью улучшенияэкономичности дизелей оно повышается. В последние годы это давление в отдельных топливных системах доведено до 60 МПа.

Современные нормальные закрытые форсунки обычно имеют длиннокорпусный распылитель малого диаметра. Он подвергается меньшему нагреву и облегчает компоновку головки цилиндров.

Поддержание высокого давления топлива в нормальной закрытой форсунке оказывается возможным благодаря наличию зазора (3...8 мкм) между иглой и распылителем. По сути, они образуют подвижное уплотнение. Однако полностью устранить утечки невозможно, для их отвода в линию низкого давления предусматривается сливная магистраль и гнездо штуцера слива.

Нормальные закрытые и клапанно-сопловые форсунки применяют при объемном и пленочном смесеобразовании. В первом случае, выбирая число, направление и размеры сопловых отверстий, добиваются целесообразного распределения топлива по объему воздушного заряда, при этом предъявляют высокие требования к качеству распыливания топлива. При пленочном смесеобразовании в полу разделённой камере в поршне топливные струи направляются на стенки камеры сгорания, омываемые воздушным вихрем.

В дизелях с разделенными камерами сгорания устанавливают клапанные, или штифтовые, форсунки, распыливающие топливо широкой струей, не обладающей большой дальнобойностью. Они имеют лишь одно сопловое отверстие с площадью поперечного сечения, изменяемой по мере движения клапана или штифта форсунки.

Штифтовая форсунка отличается от нормальной закрытой лишь конструкцией сопловой части распылителя. Конец штифта имеет обычно заточку в виде двух конусов. При закрытой игле конец 9 штифта выступает относительно

торца распылителя 7 на 0,3...0,5 мм, а цилиндрическая часть штифта, расположенная выше заточки, входит в штифтовой канал на 0,3...0,5 мм. Таким образом, для прохода топлива образуется кольцевой канал, площадь поперечного сечения которого необходимым образом меняется по мере подъема иглы. Струя топлива штифтовых форсунок имеет форму полого конуса, что увеличивает поверхность его соприкосновения с воздушным зарядом.

Давление впрыскивания топлива в штифтовых форсунках ниже, чем в нормальных закрытых, но смесеобразование в этом случае в большей мере определяется сильным воздушным вихрем.

Насос-форсунка объединяет в одном агрегате насосную секцию и форсунку. Она устанавливается в головке цилиндров

и приводится в действие от кулачка распределительного вала, при этом отпадает необходимость в нагнетательном трубопроводе.

10. Процесс сгорания в дизеле

двигатель внутренний сгорание дизель

Под сгоранием понимают быстро протекающую химическую реакцию окисления топлива, сопровождающуюся выделением тепла и появлением пламени. При сгорании химическая энергия топлива превращается в тепловую энергию продуктов сгорания, которая используется в двигателях. Воспламенение рабочей смеси в цилиндре дизеля в отличие от карбюраторного двигателя происходит без участия внешнего источника пламени (искры).

В цилиндре дизеля при такте всасывания поступает воздух, который при следующем перемещении поршня (такт сжатия) сжимается до давления 25-60 кГ/см2. Температура воздуха в цилиндре при таком давлении поднимается до 650-750°С. В нагретый и сжатый воздух в конце такта сжатия насосами высокого давления с силой впрыскивается через форсунку топливо и в распыленном состоянии перемешивается с воздухом, образуярабочую смесь, которая без постороннего источника воспламеняется и сгорает. Достижение таких высоких параметров воздуха в дизелях тепловозов обеспечивается за счет высокой степени сжатия.

Для нормального сгорания топлива необходимо, чтобы оно успевало полностью испариться в цилиндре. Соотношение топлива и воздуха в объеме цилиндра должно быть равномерным. Эти условия достигаются как за счет конструкционных особенностей топливной аппаратуры и камеры сгорания двигателя, так и за счет свойств дизельного топлива (вязкости, фракционного состава, плотности и др.).

Для полного испарения н сгорания топлива в цилиндрах необходимо тонкое его распыливание. Если в цилиндре дизеля какая-то часть топлива к моменту воспламенения будет находиться в каплевидном состоянии, то процесс сгорания будет частично задерживаться н топливо будет догорать в конце такта расширения или даже при выпуске. За счет этого будет перегреваться дизель и падать его мощность. Для полного сгорания топлива необходимо, чтобы было подано в дизель достаточное количество воздуха, а процесс перемешивания топлива с воздухом происходил бы равномерно. Если в дизель будет подано недостаточное количество воздуха, то это приведет к неполному сгоранию рабочей смеси, т. е. в продук тах сгорания останутся горючие вещества - окись углерода или чистый углерод в виде сажи. Поэтому для полного сгорания топлива в цилиндры двигателя подается воздух с некоторым избытком.

Подача топлива начинается до в. м. т. и может заканчиваться как до в. м. т., так и после нее.

В течение некоторого времени после начала впрыска горение еще не поступает; давление в этот период изменяется из-за продолжающегося сжатия, причем вначале несколько снижается температура, а соответственно и давление сжимаемого воздуха вследствие затраты теплоты на нагревание и испарение поданного топлива. В течение указанного периода развиваются предпламенные реакции, возникают первые очаги самовоспламенения, и давление начинает повышаться в результате выделения теплоты сгорания.

Точку 2, в которой линия повышения давления вследствие сгорания отрывается от линии сжатия при его отсутствий, условно принимают за начало сгорания, а интервал времени 0 (в градусах поворота коленчатого вала) между точками 1 и 2 за период задержки воспламенения или период индукции. В результате сгорания значительной части испарившегося топлива, образовавшего с воздухом за этот период горючую смесь, а также вследствие сгорания продолжающего поступать через форсунку топлива давление и температура на участке 23 быстро повышаются.

Период, называемый фазой быстрого сгорания, первый период, в течение которого происходит собственно процесс сгорания и который следует за задержкой воспламенения и является как бы подготовительной фазой.

После фазы быстрого сгорания наступает фаза замедленного сгорания, в течение которой давление изменяется незначительно. Скорость сгорания в этой фазе в основном определяется скоростями смешения паров топлива с воздухом. Объем камеры сгорания в течение второй фазы непрерывно увеличивается из-за движения поршня, в связи с чем точка 4, соответствующая максимуму температуры цикла (средней по камере) лежит правее точки 3 максимума давления.

Тепловыделение продолжается и после достижения максимума температуры вследствие наличия догорания. Скорость процесса догорания определяется скоростью диффузии и турбулентного смешения с воздухом остатков находящегося в цилиндре несгоревшего топлива и продуктов его неполного сгорания, образовавшихся в зонах местного переобогащения смеси.

За момент окончания фазы быстрого сгорания условно принимают точку максимума давления на индикаторной диаграмме, а за момент окончания второй фазы замедленного сгорания и начало фазы догорания точку максимума средней температуры цикла. Фаза догорания может составлять значительную часть такта расширения. При неблагоприятных условиях организации процесса сгорания полного тепловыделения вообще не происходит, и в отработавших газах содержатся сажа, окись углерода и небольшие количества продуктов разложения жидкого топлива.

Обычно в случае хорошо организованного рабочего процесса при работе двигателя на полной нагрузке количество теплоты, выделяющейся в течение первой фазы сгорания (до точки максимума давления), составляет примерно 1/3 от общей располагаемой теплоты сгорания вводимого в цилиндр топлива, и коэффициент активного тепловыделения составляет 0,3. В точке максимума температуры, т. е. к моменту окончания второй фазы сгорания, коэффициент активного тепловыделения достигает 0,70,8. Сгорание в третьей фазе характеризуется постепенным замедлением скорости тепловыделения, так как условия догорания топлива делаются все менее благоприятными: уменьшается количество неизрасходованного кислорода, заряд все более разбавляется продуктами сгорания, процесс протекает при увеличении объема и уменьшении температуры и давления. При переносе значительной доли тепловыделения на такт расширения сильно снижается эффективность использования выделяющейся теплоты, уменьшается экономичность двигателя и повышается температура газов на выпуске.

На продолжительность задержки воспламенения влияет ряд факторов, а именно: а) химические свойства топлива его воспламеняемость, оцениваемая цетановым числом; б) температура и давление сжатого воздуха в цилиндре в момент начала впрыска топлива; в) мелкость распылнвания топлива; г) характер вихревого движения заряда; д) наличие в камере сгорания нагретых поверхностей.

Топливо, поступающее в камеру после того, как уже началось горение (в течение первой и начале второй фаз), в основном воспламеняется в результате смешения паров топлива с горячими продуктами сгорания и еще горящими газами. При этом необходимо, чтобы одновременно пары топлива смешивались также с достаточным количеством воздуха. Это достигается соответствующим сочетанием вихревого движения воздушного заряда с направлениями струй впрыскиваемого топлива. Например, создается вращательное (тангенциальное) движение воздуха, в то время как топливные струи 1 направлены радиально.

Очаги самовоспламенения возникают в наружных оболочках топливных струй со стороны, противоположной набегающему воздушному потоку, где концентрация паров топлива выше. Затем пламя распространяется по поверхности топливных факелов также преимущественно с задней их стороны. При этом продукты сгорания сносятся воздушным потоком, и последующие капли впрыскиваемого топлива снова встречают на своем пути чистый нагретый воздух. Испаряясь, они образуют горючую смесь, которая воспламеняется в результате контакта с уже горящей смесью, т. е. около каждой из топливных струй возникают как бы фронты стационарного пламени, в которые с одной стороны непрерывно поступает вновь образующаяся горючая смесь, а с другой вытекают продукты сгорания.

11. Чистка воздуха

Воздушные фильтры используются в двигателях всех типов. Их основная задача - очистка воздуха в двигателе от мелких грязевых частиц, содержащихся в воздухе (пыль, песчинки), а также от ядовитых газообразных примесей и абразивных частиц. Таким образом воздушные фильтры создают оптимальные условия для работы двигателя. Воздушные фильтры устроены следующим образом: фильтроэлемент (сетка, бумага или хемоабсорбент), как правило, сменный; и защищающий его кожух. В двигателях грузовых автомобилей кожухи воздушных фильтров имеют цилиндрическую форму и располагаются снаружи корпуса двигателя.

Воздушные фильтры двух самых часто встречающихся типов: кольцевой и панельный. Кольцевые воздушные фильтры выполняются в виде полого цилиндра из гофрированного фильтровального материала. Поток воздуха попадает на наружную поверхность воздушного фильтра и через фильтрующие стенки проходит внутрь (в полость цилиндра), откуда через открытый торец отправляется внутрь двигателя.Панельные воздушные фильтры более экономичны в исполнении и удобны в использовании. Такие воздушные фильтры представляют собой плоскую гофрированную перегородку, которая удерживает примеси из проходящего сквозь нее воздуха.

Двигатели техники, работающей в местах с высокой загрязненностью (стройплощадки, дорожные работы и т.п.), нуждаются в дополнительной очистке воздуха. На них устанавливаются дополнительные внутренние воздушные фильтры. Они помещаются внутри основных воздушных фильтров и работают как запасные - защищают двигатель от попадания пыли и песка в случае повреждения наружных фильтров.

В качестве фильтроэлемента в воздушных фильтрах используется целлюлоза, целлюлоза с полиэфирной пропиткой, чистая синтетика или композиционные материалы. Полиэфиром целлюлозу пропитывают для увеличения ее стойкости, синтетика - еще более прочный материал. Благодаря большой поверхности рабочей заоны фильтроэлемента, такие воздушные фильтры имеют очень высокую степень эффективности очистки: до 99,99%.

12. Термодинамический цикл с комбинированным подводом теплоты (смешенный цикл). Расчет термодинамических показателей цикла (р,Т,V)

Теоретические PF-диаграммы термодинамического процесса, протекающего в ДВС, позволяют оценивать степень совершенства рабочего цикла реального двигателя. В отличие от рабочих циклов, протекающих в реальных двигателях, в термодинамических циклах допускается следующее:

* отсутствие каких-либо потерь, кроме отдачи теплоты холодному источнику;

* цикл протекает с постоянным количеством рабочего тела (газа);

* химический состав рабочего тела остается постоянным в течение всего цикла;

* процессы сжатия и расширения протекают без теплообмена с окружающей средой и тепловых потерь.



13. Индикаторные показатели рабочего цикла. Индикаторный КПД и удельный расход топлива. Относительный КПД. Факторы влияющие на индикаторные показатели цикла.

Совершенство тепловых процессов, происходящих в цилиндре реального автомобильного двигателя, оценивают по индикаторным показателям его действительного цикла, совершенство же двигателя в целом, с учетом потерь мощности на трение и привод вспомогательных механизмов, - по его эффективным показателям.Работа, совершаемая газами в цилиндрах двигателя, называется индикаторной работой. Индикаторная работа газов в одном цилиндре за один цикл называется работой цикла.

Индикаторный КПД оценивает степень использования теплоты в действительном рабочем цикле и представляет собой отношение теплоты, превращаемой в индикаторную работу Wt, к теплоте, введенной в цилиндр в результате сгорания топлива.

где - индикаторная мощность, кВт; - часовой расход топлива, кг/ч; - теплота сгорания топлива, кДж/кг.У существующих автотракторных двигателей индикаторный КПД находится в пределах 0,25...0,4 для бензиновых двигателей, 0,38...0,50 для дизелей.

Индикаторный удельный расход топлива представляет собой отношение часового расхода топлива Gr к индикаторной мощности Рi,



Он характеризует экономичность действительного цикла. Величина gi, при номинальном режиме работы двигателя колеблется в пределах 250...340 г/(кВт * ч) - для бензиновых двигателей, 175...230 г/(кВт * ч) - для дизелей.

14. Эффективные показатели двигателя. Механические потери в двигателе (потери на трение, на привод вспомогательных механизмов, на газообмен

Механические (внутренние) потери состоят из потерь всех видов механического трения, потерь на привод вспомогательных механизмов (жидкостного, масляного, топливного насосов, вентилятора, генератора и др.), на осуществление газообмена, вентиляционных потерь, возникающих при движении подвижных деталей двигателя при больших скоростях в воздушно-масляной среде, а также на привод компрессора. Газодинамические потери на перетекание заряда между полостями разделенной камеры сгорания также относят к механическим потерям.

Потери на трение в общем объеме механических потерь достигают 80%. Потери на трение между поршневой группой и цилиндром составляют 45...55 %, а в подшипниках - до 20 % от всех механических потерь.

Факторы, влияющие на уровень механических потерь:

силы, нагружающие трущиеся подвижные сочленения двигателя; средние по времени значения сил инерции, действующих в подвижных сопряжениях, определяют потери на трение;

силы упругости поршневых колец не зависят от режима работы двигателя; они особенно велики при сгорании в области ВМТ, когда мала скорость движения кольца, что изменяет режим трения и вызывает повышенный износ верхней части гильзы;

тепловой режим двигателя влияет на вязкость смазочного масла и, следовательно, на характер трения;

частота вращения (при ее увеличении) вызывает рост сил инерции и относительных скоростей трущихся пар, повышает температуру и снижает вязкость масла, обусловливая увеличение потерь на трение;

нагрузка (при ее увеличении) приводит к росту газовых сил и повышению температуры двигателя, что вызывает снижение вязкости масла; однако потери на трение сравнительно мало зависят от нагрузки;

эксплуатация двигателя - на начальной стадии жизненного цикла двигателя в процессе приработки деталей потери на трение постепенно снижаются, затем стабилизируются, а на завершающей стадии растут.

Потери на газообмен связаны с неодинаковыми величинами работ впуска и выпуска, сумма которых в основном отрицательна. Она может быть положительной при наддуве четырехтактного двигателя от компрессора, приводимого коленчатым валом, а также на отдельных режимах при газотурбинном наддуве. Потери на газообмен возрастают:

при увеличении сопротивления впускной и выпускной систем и скорости движения газов;

с ростом частоты вращения;

при уменьшении нагрузки в двигателе с искровым зажиганием из-за прикрытия дроссельной заслонки (растет сопротивление системы впуска и снижается положительная работа при впуске).

В высокооборотных двигателях с газотурбинным наддувом потери на газообмен могут составлять более 25 % от механических потерь. Это обусловлено ростом работы выталкивания при установке на выпуске газовой турбины.

Вентиляционные потери в двигателе незначительны. Они зависят от частоты вращения и растут пропорционально п2.

Потери на привод вспомогательных механизмов зависят от частоты вращения пропорционально п2 и обычно составляют 5...10 % от механических потерь.

Практически на все рассмотренные составляющие механических потерь существенно влияет повышение частоты вращения п. Увеличение числа цилиндров или рабочего объема при сохранении отношения S/D ведет к снижению механических потерь.

Эффективными показателями называют величины, характеризующие работу двигателя, снимаемую с его вала и полезно используемую. Во имя получения этой работы собственно и строят двигатели внутреннего сгорания. К числу эффективных показателей относят прежде всего эффективную мощность, крутящий момент, среднее эффективное давление топлива, эффективный КПД.

Полезная, или эффективная, работа двигателя за один цикл

- где Lмп - работа механических потерь.

15. Процесс сгорания рабочей смеси в бензиновом двигателе. Коэффициент избытка воздуха. Состав горючей смеси. Сгорание топлива при избытке и недостатке воздуха

Для полного сгорания топлива карбюраторные бензиновые и керосиновые двигатели должны работать при а = 1,05-1,10, т. е. с избытком воздуха от 5 до 10%.

При большем увеличении количества воздуха в составе горючей смеси индикаторная работа «аза уменьшается. Причины этого - обеднение смеси и потеря тепла с уходящим нагретым избыточным воздухом (во время выпуска).

Скорость горения рабочей смеси. Время сгорания топлива зависит от скорости распространения фронта пламени, измеряемой в м/сек.

На скорость распространения фронта пламени оказывают влияние следующие факторы: 1) сорт топлива; 2) коэффициент избытка воздуха и завихрение заряда смеси; 3) степень сжатия и форма камеры сгорания; 4) количество остаточных газов; 5) угол опережения зажигания и др.

По опытным данным, средняя скорость распространения фронта пламени в цилиндре двигателя равна 22-40 м/сек.

Изменение скорости распространения фронта пламени бензовоздушной смеси, в зависимости от коэффициента избытка воздуха, показано на графике (рис. 19).

Из этого графика видно, что максимальная скорость распространения фронта пламени будет при а = 0,90.

При недостатке воздуха (а < 1) происходит неполное сгорание топлива и снижение экономичности работы двигателя. При большем недостатке или избытке воздуха скорость распространения фронта пламени резко уменьшается, вследствие этого снижается мощность и экономичность работы двигателя.

Детонация. Выше отмечалось, что степень сжатия в карбюраторных двигателях ограничивается детонацией. Детонация - это сгорание заряда рабочей смеси, протекающее с весьма большой скоростью и резким повышением давления.

Нормальная скорость горения 20-30 м/сек, а при детонации достигает 2000- 3000 м/сек. Давление при нормальном горении 25-40 кг/см», а при детонации более 100 кг/см2. Резкое повышение давления объясняется чрезвычайно большой скоростью горения.

Чрезмерно большое давление очень вредно для двигателя, так как вы- зышнп перегрузку деталей, выдавливание масла из подшипников.

16. Фазы газораспределения

Под фазами газораспределения понимают моменты начала открытия и конца закрытия клапанов, выраженные в градусах угла поворота коленчатого вала относительно мертвых точек. Фазы подбирают опытным путем при конструировании в зависимости от быстроходности двигателя и конструкции его впускной и выпускной систем. Впускной клапан открывается с опережением в конце такта выпуска, когда поршень не доходит до в. м. т., а закрывается с опозданием в начале такта сжатия, когда поршень отойдет от н. м. т. Раннее открытие и позднее закрытие впускного клапана обеспечивает лучшее наполнение цилиндров за счет инерционного напора горючей смеси во впускном трубопроводе.

Выпускной клапан открывается с опережением в конце такта рабочего хода, когда поршень не доходит до н.м.т., что позволяет отработавшим газам выходить из цилиндра под собственным избыточным давлением. Закрытие выпускного клапана происходит после прохождения поршнем в.м.т. в начале такта впуска, что обеспечивает лучшую очистку цилиндров, так как отработавшие газы в это время еще продолжают выходить из цилиндра по инерции. Угол поворота коленчатого вала, на протяжении которого оба клапана в цилиндре открыты, называется перекрытием клапанов.

17. Процесс сгорания рабочей смеси. Теоретически необходимое количество воздуха для сгорания топлива. Коэффициент избытка воздуха

Сгорание является сложным физико-химическим процессом. На большую часть показателей двигателя влияют, однако, не физико-химические особенности процесса сгорания, а закономерности тепловыделения и вызываемого им изменения давления и температуры в цилиндре.Опыты показали, что скорость реакции зависит от состава горючей смеси, т. е. от коэффициента избытка воздуха, а воспламенение однородной горючей смеси возможно в определенных пределах изменения коэффициента избытка воздуха. За пределами этих значений коэффициента избытка воздуха воспламенить однородную смесь невозможно.Наименьший коэффициент избытка воздуха ccmin, при котором можно воспламенить смесь, называют верхним концентрационным пределом распространения пламени. Наибольший коэффициент избытка воздуха amax, при котором еще можно воспламенить смесь, называют нижним концентрационным пределом распространения пламени.Показано изменение скорости распространения пламени ин при сгорании смеси некоторых топлив с воздухом в зависимости от коэффициента избытка воздуха. В применяемых для двигателей углеводородных топливах наибольшие скорости имеют смеси при а = 0,85 -=- 0,9. Дальнейшее обогащение или обеднение смеси приводит к плавному снижению скорости распространения пламени до такого значения, при котором смесь не воспламеняется. При повышении температуры в момент воспламенения топлива ин увеличивается (пропорционально квадрату температуры), при повышении давления - несколько снижается.

Количество кислорода, теоретически необходимое для сгорания 1 кг твердого или жидкого топлива может быть подсчитано на основании стехиометрических соотношений для реакций горения элементов горючей массы топлива. Исходя из этого, для полного сгорания 1 кг топлива рассматриваемого элементарного состава потребность кислорода может быть определена по следующей формуле:

18. Действительные циклы поршневых ДВС. Процессы действительного цикла. Индикаторные диаграммы действительного цикла

Действительные рабочие циклы, протекающие при работе реальных поршневых ДВС, существенно отличаются от теоретических или термодинамических циклов. Эти отличия определяются следующим: изменением химического состава рабочего тела в течение цикла; сменой рабочего тела от цикла к циклу; сообщением теплоты рабочему телу по сложным закономерностям, определяемым процессом сгорания; наличием теплообмена между рабочим телом и стенками цилиндра.Таким образом, в действительном цикле происходят процессы, вызывающие дополнительные по сравнению с теоретическим циклом потери теплоты. В результате КПД действительного цикла меньше КПД теоретического.Рабочий цикл в цилиндре двигателя характеризуется изменением температуры и давления рабочего тела. Изменение давления газов за цикл может быть представлено графически в виде индикаторной диаграммы. Индикаторная диаграмма используется для изучения и анализа процессов, протекающих в цилиндре двигателей. Она может быть получена с помощью специального прибора - индикатора давления, который регистрирует зависимость давления р в цилиндре от угла поворота коленчатого вала . Такая диаграмма называется «развернутой». Полученную индикаторную диаграмму можно с учетом связи между ходом поршня и углом поворота коленчатого вала перестроить в свернутую.