Рабочие процессы четырехтактных двигателей внутреннего сгорания. Индикаторные диаграммы рабочего цикла

Размещено на http://www.allbest.ru/

Реферат на тему:

Рабочие процессы четырехтактных двигателей внутреннего сгорания. Индикаторные диаграммы рабочего цикла

Работу выполнил Овчарук А.М.

Работу проверил Кривко И.Н.

м. Киев 2007 р.

ВВЕДЕНИЕ

Дизельные установки занимают ведущее место в транспортном флоте, причем их интенсивное развитие позволяет предположить, что они и в дальнейшем будут иметь преимущественное применение на всех судах. Это объясняется в первую очередь их высокой энергетической эффективностью. Уже в настоящее время коэффициент полезного действия дизеля достигает 45-50 %, что определяет его топливную экономичность. Дизели надежны в работе, просты в обслуживании и ремонте, имеют ограниченный расход воздуха, мало подвержены влиянию атмосферных условий. Они обладают сравнительно низким температурным уровнем, простотой дистанционного автоматического управления. Положительными качествами дизелей являются их быстрый запуск, высокая приемистость, значительный тормозной момент, что особенно важно для транспортных установок.

Использование на судах дизелей приводит к снижению стоимости перевозок за счет уменьшения расходов на топливо и содержание машинной команды, заметно меньшей по составу. Кроме того, у судов с ДВС благодаря меньшим суммарным массам энергоустановки и запасу топлива грузоподъемность больше, чем у пароходов того же водоизмещения. Поэтому в настоящее время, доминирующее положение на транспортном флоте занимают дизельные ЭУ.

Наряду с положительными качествами двигатели внутреннего сгорания обладают и рядом недостатков. Среди них ограниченная, по сравнению с паровыми и газовыми турбинами, агрегатная мощность, высокий уровень шума, токсичность выпускных газов, повышенный расход смазочного масла, большая чувствительность к росту нагрузки, появление неуравновешенных сил инерции и возможность возникновения крутильных колебаний.

Развитие судовых дизельных установок идет по пути повышения топливной экономичности ДВС и внедрения решений, способствующих росту эффективности установок в целом, за счет комплексной утилизации теплоты, отборов мощности на валогенераторные системы, использования низкосортных топлив, снижения массогабаритных характеристик и металлоемкости, повышения безотказности и ремонтопригодности двигателей.

Двигатель внутреннего сгорания - это такой тепловой двигатель, в котором тепловая энергия, выделяющаяся при сгорании топлива в рабочем цилиндре, преобразуется в механическую работу. Преобразование тепловой энергии в механическую осуществляется посредством передачи энергии расширения продуктов сгорания на поршень, возвратно-поступательное движение которого, в свою очередь, через кривошипно-шатунный механизм преобразуется во вращательное движение коленчатого вала, приводящего в движение гребной винт, электрический генератор, насос, или другой потребитель энергии.

Основными определениями ДВС, являются:

- верхняя и нижняя мертвые точки (ВМТ и НМТ), соответстующие верхнему и нижнему крайнему положению поршня в цилиндре (в вертикальном двигателе);

- ход поршня, т.е. расстояние при перемещении поршня из одного крайнего положения в другое;

- объем камеры сгорания (или сжатия), соответствующий объему полости цилиндра при нахождении поршня в ВМТ;

- рабочий объем цилиндра, который описан поршнем при его ходе между мертвыми точками.

СХЕМА И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ЧЕТЫРЕХТАКТНОГО ДВИГАТЕЛЯ

четырехтактный двигатель сгорание

В четырехтактных дизелях рабочий цикл осуществляется за два оборота коленчатого вала или за четыре хода поршня (такта). Цилиндр такого дизеля закрыт крышкой, в которой размещены клапаны для впуска свежего заряда и выпуска продуктов сгорания. Клапаны удерживаются в закрытом состоянии пружинами, а, кроме того, давлением газа в цилиндре. Открытие клапанов в нужные моменты производится с помощью газораспределительного механизма, состоящего из рычагов, штанг и толкателей, на которые воздействуют кулачки, сидящие на распределительном валу. Последний приводится в движение от коленчатого вала двигателя и имеет вдвое меньшую частоту вращения. Каждый клапан открывается один раз за два оборота коленчатого вала.

Каждый цикл состоит из последовательно протекающих процессов: наполнения рабочего цилиндра; сжатия свежего заряда; впрыска, воспламенения, горения топлива и расширения продуктов сгорания; выпуска отработавших газов (рис. 1).

Крайние положения поршня в цилиндре, при которых расстояния от поршня до оси коленчатого вала достигают максимальной и минимальном величины, называют верхней и нижней мертвыми точками (ВМТ и НМТ).

Такт I -- наполнение рабочего цилиндра воздухом из окружающей среды.

При нисходящем движении поршня от ВМТ до НМТ из впускного коллектора (см. рис. 3) через открытый впускной клапан в цилиндр поступает воздух. Во время первого такта выпускной клапан закрыт. Из-за аэродинамического сопротивления впускной системы давление воздуха в цилиндре и процессе наполнения ниже, чем во впускном коллекторе (на 5-10 КПА), а температура воздуха вследствие дополнительного нагрева его при соприкосновении со стенками, выше.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Для максимального наполнения цилиндров свежим воздухом впускной клапан открывается несколько ранее ВМТ (точка 1), т.е. с углом опережения впуска ц1 =20 - 30°, а закрывается после прохождения поршнем НМТ (точка 2), т. е. с углом запаздывания закрытия ц2 = 20 - 40°. Величина углов ц1 и ц2 зависит в основном от типа двигателя и степени его быстроходности. Общий угол поворота коленчатого вала, соответствующий всему процессу впуска ц12, составляет примерно 220--240° (рис 3)

Так как к началу зарядки в рабочем цилиндре остается некоторое количество (до 4--5%) продуктов сгорания от предыдущего цикла, то к концу зарядки в цилиндре находится смесь воздуха с остаточными газами. Изменение давления р газов в цилиндре в зависимости от объема V, описываемого поршнем, показано на рис. 4 (линия rа). Параметры рабочею тела при наполнении: давление рr при положении поршня и ВМТ равно 0,105- 0,11 МПа, давление ра при положении поршня в НМТ составляет 0,085--0,09 МПа, температура в конце зарядки -- около 110 120 К. Пониженное давление и повышенная температура заряда в сравнении с состоянием во впускном коллекторе уменьшают его массу. Поэтому при проектирований стремятся увеличить проходное сечение впускного клапана или их количество.

Такт II -- сжатие заряда

Сжатие заряда (линия аЗс, рис. 3), поступившего в цилиндр, происходит при восходящем движении поршня, начиная с момента закрытия впускного клапана до момента прихода поршня в ВМТ; при этом процессе все клапаны закрыты. Максимальное давление рс и температура Тс в конце сжатия зависят от параметров рабочего тела: ра, Tа в начале сжатия, степени сжатия е и интенсивности теплообмена между рабочим телом и стенками цилиндра. В дизелях для достижения необходимого для самовоспламенения топлива температуры в конце сжатия (Тс = 750--800 К) степень сжатия должна быть не ниже е = 12 - 13, а рс = 2,8--3,5 МПа. С учетом угла ц2 запаздывания закрытия впускного клапана общий угол поворота коленчатого вала (угол ПКВ) за весь процесс сжатия составляет ц23=140 - 160°.

Такт III -- горение топлива и расширение продуктов сгорания

Такт III -- горение топлива и расширение продуктов сгорания (линия czb, рис. 3). В конце процесса сжатия и в начале процесса расширения происходят впрыск, воспламенение и горение топлива. Примерно за 10--30° ПКВ до ВМТ топливный насос, управляемый кулачковой шайбой, насаженной на распределительный вал, нагнетает топливо к форсунке, которая распыливает его в цилиндре (капли распыленного топлива имеют сред ний диаметр 10--30 мкм, давление нагнетания--15--150 МПа).

Поступившее в цилиндр топливо воспламеняется не сразу: оно подогревается, частично испаряется, происходит распад сложных углеводородных соединений; на более простые, легче воспламеняемые. Промежуток времени между поступлением топлива в цилиндр и его самовоспламенением называется периодом задержки воспламенения. Длительность этого периода соизмерима длительностью подачи топлива, поэтому подачу топлива осуществляют с предварением.

Распыленное топливо, смешанное со сжатым воздухом, самовоспламеняется при положении поршня около ВМТ и сгорает, благодаря чему давление в цилиндре повышается до pz = 5-7-8 МПа, а температура Tz= 1700 - 1900 К. Горение топлива заканчивается за ВМТ (точка 4), после чего начинается расширение продуктов сгорания. Общий угол ПКВ, соответствующий процессу сгорания, равен ц34 = 40 - 60°. Расширение газов происходит при закрытых клапанах на крышке цилиндра и перемещении поршня от ВМТ к НМТ. При этом совершается работа, идущая на преодоление сопротивлений (полезных и вредных) вращению коленчатого вала и соединенного с ним потребителя механической энергии (например, гребного винта).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Поэтому ход поршня, соответствующий процессу расширения, называют рабочим ходом. К концу расширения давление в цилиндре рв падает примерно до 0,25--0,6 МПа, а температура до 1000-1100 К.

Общий угол ПКВ, отводимый на процессы сгорания и расширения, составляет ц35 = 160 - 180°.

Такт IV -- выпуск отработавших газов.

Очистка рабочего цилиндра от продуктов сгорания начинается вблизи НМТ. Выпускной клапан открывается примерно за ц5 = 20 - 40° до НМТ (рис. 3) и сообщает полость рабочего цилиндра с выпускным коллектором, давление в котором составляет 0,1--0,12 МПа. По мере выпуска давление в цилиндре уменьшается, а к концу свободного выпуска уравнивается с давлением в выпускном коллекторе, вследствие чего в цилиндре остается часть продуктов сгорания топлива. Удаление их из цилиндра производится через открытый выпускной клапан при перемещении поршня от НМТ к ВМТ. Этот период выталкивания газов из цилиндра называется принужденным выпуском. В процессе принужденного выпуска давление в цилиндре повышается, что объясняется сопротивлением газового тракта на рис. 3 изменение давления в процессе свободного выпуска изображается линией 5в, а выталкивания -- линией bkr. К приходу поршня в ВМТ давление в цилиндре рг немного выше давления окружающей среды р0.

Для более совершенного удаления продуктов сгорания закрытие выпускного канала происходит после прохождения поршнем ВМТ с запаздыванием закрытия на угол ПКВ, равный ц6 = 10 - 20°. Предварение открытия выпускного клапана обеспечивает снижение давления в цилиндре до прихода поршня в НМТ, вследствие чего при выталкивании газов поршень не испытывает большого противодавления, а запаздывание закрытия выпускного клапана позволяет производить выталкивание газов из цилиндра через почти полностью открытый клапан, т.е. также без значительного сопротивления.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Кроме того, в период, когда одновременно открыты впускной и выпускной клапаны, происходит некоторая продувка камеры сжатия воздухом, эжектируемым из выпускного коллектора газами, удаляющимися в выпускной коллектор.

Параметры продуктов сгорания в конце процесса очистки цилиндра соответственно равны: рr = 0,1 - 0,11 МПа, Tr = 600 - 900 К. При положении поршня в ВМТ (точка 6) продукты сгорания, занимающие объем, равный объему камеры сжатия Vc, не могут быть полностью удалены из цилиндра. Поэтому оставшиеся газы в дальнейшем смешиваются с воздухом, который начинает поступать в цилиндр через выпускной клапан при нисходящем давлении поршня. По окончании выталкивания продуктов сгорания начинается новый рабочий цикл, определенные процессы которого повторяются в рассмотренной последовательности.

В результате осуществления цикла производится работа, пропорциональная разности площадей заштрихованных частей диаграммы (рис. 3). Обычно площадь arka настолько мала в сравнении с площадью bkczb, что ею можно пренебречь.

Таким образом, цикл четырехтактного дизеля осуществляется за время, соответствующее двум оборотам коленчатого вала (720°). Из четырех тактов только один (такт III) является рабочим, в течение остальных трех тактов двигатель работает как поршневой компрессор, засасывающий и сжимающий воздух, а затем выталкивающий продукты сгорания топлива. Энергия, необходимая для осуществления насосных тактов в одноцилиндровом двигателе пополняется за счет запаса кинетической энергии аккумулированной в маховике, а в многоцилиндровом -- за счет рабочих ходов других цилиндров.

При рассмотрении схемы работы дизеля было установлено, что фазы газораспределения не совпадают с ВМТ и НМТ. Моменты газораспределения, а также углы, соответствующие отдельным фазам распределения, показаны на круговой диаграмме (см. рис. 2). Правильный выбор газораспределения в значительной степени влияет на мощность и экономичность дизеля. Окончательную установку фаз газораспределения производят при доводке двигателя на стенде завода и корректируют по полученным индикаторным диаграммам.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

1. Ваншейдт В.А. Судовые двигатели внутреннего сгорания. Л., Судостроение, 1977 г.

2. Двигатели внутреннего сгорания, т. 1-3, Москва.. 1957.

3. Двигатели внутреннего сгорания, Москва. 1968.

4. Ржепецкий К.Л., Сударева Е.А. Судовые двигатели внутреннего сгорания. Учебник. Изд-во «Судостроение», 1984 г.

5. Фомин Ю.Я., Горбань А.И., Добровольский В.В., Лукин А.И. Судовые двигатели внутреннего сгорания. Учебник. Изд-во «Судостроение», 1989 г.

Размещено на Allbest.ru