Теоретические основы рабочего процесса двигателей внутреннего сгорания

Размещено на http://www.allbest.ru/

Теоретические основы рабочего процесса

двигателей внутреннего сгорания

1. Двигатель. Общее устройство и рабочий цикл двигателя внутреннего сгорания. Порядок работы цилиндров двигателя

Двигатели внутреннего сгорания - это тепловые двигатели в которых используется давление расширяющихся газов, образующихся при сгорании топливно-воздушной смеси непосредственно в цилиндре.

По способу образования горючей смеси (пары топлива и воздух) и виду используемого топлива различают двигатели:

Воспламенение рабочей смеси осуществляется с помощью электрического разряда или высокой степени сжатия (дизельные двигатели). В результате сгорания рабочей смеси образующиеся газы давят на поршень, придавая ему прямолинейное движение, которое с помощью шатуна и коленчатого вала преобразуется во вращательное движение маховика. Чтобы поддержать работу двигателя, необходимо периодически очищать камеру сгорания цилиндра от отработавших газов и наполнять ее свежим зарядом горючей смеси, что осуществляется с помощью выпускных и впускных клапанов.

Поршень, перемещаясь в цилиндре, совершает возвратно-поступательное движение. Крайние положения, в которых поршень меняет направление движения, соответственно называются верхней и нижней мертвыми точками (ВМТ и НМТ).

Расстояние, проходимое поршнем между ВМТ и НМТ, называется ходом поршня. Процесс, происходящий в цилиндре за один ход поршня, называют тактом.

Пространство в цилиндре, освобождаемое поршнем при его перемещении от ВМТ к НМТ, называется рабочим объемом цилиндра. Наименьшее пространство в цилиндре образуется при нахождении поршня в ВМТ и называется объемом камеры сгорания. Рабочий объем цилиндра и объем камеры сгорания составляют полный объем цилиндра. Сумма всех рабочих объемов цилиндров называется литражом двигателя и выражается в кубических сантиметрах. Отношение полного объема цилиндра к объему камеры сгорания называется степенью сжатия, которая является важным показателем двигателя. С повышением степени сжатия повышается экономичность и мощность двигателя.

Для выполнения основного рабочего такта, при котором происходит сгорание рабочей смеси и расширение газов, не обходимо выполнить подготовительные такты: впуск горючей смеси, сжатие, рабочий ход поршня и заключительный - выпуск отработавших газов. Таким образом, непрерывность работы двигателя достигается совокупностью периодически повторяющихся в цилиндре процессов - тактов, объединяющихся в рабочий цикл. Так как рабочий цикл осуществляется за четыре хода поршня, автомобильные двигатели называются четырехтактными.

Последовательность чередования тактов в рабочих циклах двигателей с внешним смесеобразованием такая же, как и в дизеле. Отличие состоит только в степени сжатия и способе воспламенения рабочей смеси.

Впуск - поршень движется от ВМТ к НМТ. Открыт впускной клапан. Вследствие увеличения объема внутри цилиндра создается разряжение и происходит заполнение цилиндра свежим зарядом горючей смеси.

Сжатие - поршень движется от НМТ к ВМТ. Впускной и выпускной клапаны закрыты. Объем над поршнем уменьшается. Рабочая смесь сжимается, благодаря чему улучшаются испарение и перемешивание паров топлива с воздухом.

Рабочий ход (сгорание и расширение) - происходит воспламенение рабочей смеси от электрического разряда в двигателях с внешним смесеобразованием или вследствие высокой степени сжатия - в дизельных двигателях. Под давлением расширяющихся газов поршень перемещается от ВМТ к НМТ. Впускной и выпускной клапаны закрыты. Высокое давление газов, температура их достигает 9000°С.

Выпуск - поршень двигается от НМТ к ВМТ. Открыт выпускной клапан. Происходит вытеснение отработавших газов из камеры сгорания цилиндра.

Для обеспечения нормальной работы двигатель внутреннего сгорания имеет следующие механизмы и системы:

систему охлаждения;

систему смазки;

систему зажигания (бензиновый двигатель).

Дизельные двигатели системы зажигания не имеют, так как воспламенение рабочей смеси в цилиндрах двигателя происходит за счет высокой степени сжатия.

Кривошипно-шатунный механизм воспринимает давление газов при их расширении и преобразует прямолинейное, возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение коленчатого вала двигателя.

Газораспределительный механизм предназначен для своевременного впуска в камеру сгорания цилиндра двигателя необходимого заряда горючей смеси и выпуска из него отработавших газов.

Система охлаждения служит для отвода излишнего тепла от деталей двигателя и для поддержания оптимального температурного режима работающего двигателя. Существуют жидкостная и воздушная системы охлаждения двигателя.

Система смазки предназначена для подачи смазки к трущимся поверхностям деталей двигателя, отвода тепла от деталей; уноса механических частиц, образующихся в результате трения, и очистки моторного масла.

Система питания служит для приготовления горючей смеси в карбюраторных и газосмесительных двигателях, подачи ее в камеры сгорания цилиндров двигателя и удаления продуктов сгорания. В дизельных двигателях система питания топливного насоса высокого давления обеспечивает впрыск топлива в мелкораспыленном виде в цилиндры.

Система зажигания предназначена для преобразования тока низкого напряжения в ток высокого напряжения с целью образования электрического разряда в камере сгорания цилиндра двигателя для воспламенения рабочей смеси.

В одноцилиндровом двигателе на один рабочий ход приходится три подготовительных такта, вследствие чего такой двигатель работает неравномерно. Более того, масса двигателя, приходящаяся на единицу его мощности, будет велика. С целью устранения этих недостатков применяют двигатели с большим числом цилиндров, шатуны которых связаны с кривошипами общего коленчатого вала. Конструктивно коленчатый вал изготовлен таким образом, что рабочие такты в цилиндрах не совпадают, а подготовительные такты приходятся на рабочие такты других цилиндров. В этом случае роль маховика снижается, что позволяет уменьшить его массу, и, следовательно, уменьшается общая масса двигателя, приходящаяся на единицу его мощности. Достигается равномерность в работе двигателя.

В многоцилиндровых двигателях цилиндры располагаются в один ряд вертикально или наклонно, а также в два ряда под углом 90° (или У-образное расположение).

2. Индикаторная диаграмма 4-х тактного дизельного двигателя. Описание циклов

Индикаторная диаграмма - графическое изображение изменения давления в цилиндре от объема V цилиндра (или хода поршня).

1- ВПУСК R-A

2- СЖАТИЕ A-C

3- РАБОЧИЙ ХОД C-Z-B

4- ВЫПУСК B-R

1-R-A-2 - Процесс впуска

8-R-1 - Перекрытие клапанов (продувка, оба клапана открыты)

Такт впуска (рис. 2, а). Поршень 5 движется от в.м.т. к н.м.т., впускной клапан 1 открыт. В цилиндр 4 под действием перепада давления в атмосфере и цилиндре поступает воздух, перемешиваясь с остаточными газами. Давление в конце такта 0,08...0,09 МПа, температура воздуха 320...340 К.

Такт сжатия (рис. 2, б). Оба клапана закрыты. Поршень 5 движется от н.м.т. к в.м.т., сжимая воздух. Вследствие большой степени сжатия (14... 18) давление в конце этого такта достигает 3,5...4 МПа, а температура - 750...950 К (превышает температуру самовоспламенения топлива). При положении поршня, близком к в.м.т., в цилиндр через форсунку 2 впрыскивается жидкое топливо, подаваемое насосом 6 высокого давления. Форсунка обеспечивает тонкое распыление топлива в сжатом воздухе. Топливо, впрыснутое в цилиндр, смешивается с нагретым воздухом и остаточными газами, образуя рабочую смесь. Большая часть топлива воспламеняется и сгорает. Температура газов достигает 1900...2400 К, а давление - 5,5...9 МПа.

Такт расширения (рабочий ход) (рис. 2, в). Оба клапана закрыты. Поршень 5 под давлением расширяющихся газов движется от в.м.т. к н.м.т. и через шатун вращает коленчатый вал, совершая полезную работу. В начале такта сгорает остальная часть топлива. К концу рабочего хода давление газов уменьшается до 0,2...0,3 МПа, температура - до 900... 1200 К.

Такт выпуска (рис. 2, г). Выпускной клапан 3 открывается. Поршень 5 движется от н.м.т. к в.м.т. и через открытый клапан выталкивает отработавшие газы из цилиндра в атмосферу. К концу такта давление газов 0,11...0,12 МПа, температура 650...900 К.

Далее рабочий цикл повторяется.

Рис. 2 Рабочий цикл одноцилиндрового четырехтактного дизеля: а - такт впуска; б - такт сжатия; в - такт расширения; г - такт выпуска; 1 -- впускной клапан; 2 - форсунка; 3 -- выпускной клапан; 4 -- цилиндр; 5 -- поршень; б -- топливный насос высокого давления

3. Индикаторные и эффективные показатели ДВС

Индикаторные показатели

Среднее индикаторное давление

Среднее индикаторное давление pi - это значение условного постоянного давления в цилиндре двигателя, при котором работа, произведенная рабочим телом за один такт, равнялась бы индикаторной работе реального цикла.

где F-- площадь поршня; s - ход поршня.

Вместе с тем среднее индикаторное давление - величина, равная индикаторной работе цикла, приходящейся на единицу рабочего объема цилиндра

где Vh = Fs. Обычно pi измеряют в единицах удельной работы: Дж/л или МПа.

Индикаторная мощность Ni - это работа, совершаемая газами внутри цилиндра в единицу времени, или мощность, соответствующая индикаторной работе цикла. Индикаторная работа:

Liмин = Li * 2n/Фдв,

где n - частота вращения двигателя, мин-1; 2л/тдв - число циклов в минуту в одном цилиндре; тдв - коэффициент тактности двигателя (число ходов поршня за один цикл).

Ni = Li * 2ni/(Фдв * 60 * 103) = piVhni/(3 * 104Фдв),

где i - число цилиндров двигателя.

Ni=piVhni/(30Фдв).

Индикаторный КПД ni - это отношение работы L-, действительного цикла к подведенной теплоте Ј >, равной низшей теплоте сгорания цикловой дозы топлива:

Индикаторный удельный расход топлива gi - количество топлива, расходуемого в двигателе за 1 ч, отнесенное к индикаторной мощности, развиваемой двигателем. По значению gi оценивают эффективность теплоиспользования при работе на топливе одного вида. При работе на топливах с различной удельной теплотой сгорания QH такая оценка возможна только по значению ni. Единица измерения gi: г/(кВт * ч).

Эффективные показатели работы двигателя: среднее эффективное давление, эффективная мощность, механический КПД и эффективный удельный расход топлива. двигатель цилиндр дизель четырехтактный

Среднее эффективное давление ре - условное постоянное давление в цилиндрах двигателя, при котором работа, производимая в них за один такт, равна эффективной работе за цикл. Оно, так же как и среднее индикаторное давление, - мера удельной работы. Единица измерения: МПа или Дж/л.

Эффективная мощность Ne - это мощность на коленчатом валу двигателя, передаваемая трансмиссии. Эффективная мощность меньше индикаторной на величину мощности Nм, затрачиваемой на преодоление механических потерь:

Ne = Ni - Nм

Ne = реVhni/(30Фдв).

Механический КПД nм - оценочный показатель механических потерь в двигателе:

nм = LeLi = ре/рi = Me/Mi = Ne/Ni.

,

где: Q - количество теплоты, заключенное в сгоревшем топливе;

QЕ - количество теплоты, эквивалентное эффективной работе двигателя;

QВ - часть полных тепловых потерь, соответствующая количеству теплоты, отводимое системой охлаждения и смазки;

QГ - часть полных тепловых потерь, соответствующая количеству теплоты, отводимое с отработавшими газами;

QН - часть полных тепловых потерь, обусловленная неполным или несовершенным сгоранием топлива в цилиндре двигателя;

QОСТ - остаточный член теплового баланса, учитывающий количество теплоты, теряемое вследствие теплового излучения в окружающую среду, количество теплоты, соответствующее неиспользованной кинетической энергии отработавших газов, количество теплоты, соответствующее потерям на трение и на привод вспомогательных механизмов, а также другие неучтенные потери.

Количество теплоты, преобразованное в эффективную работу у карбюраторного ДВС, составляет 23-30%, у дизельного ДВС - 36-38 %.