Особенности применения ДВС на транспортной технике

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Особенности применения ДВС на транспортной технике

Поршневым двигателем внутреннего сгорания (ДВС) называют такую тепловую машину, в которой превращение химической энергии топлива в тепловую, а затем в механическую энергию, происходит внутри рабочего цилиндра. Двигатели, в которых механическая работа создается в результате преобразования тепловой энергии, называются тепловыми. Тепловая энергия получается при сжигании какого-либо топлива. Превращение теплоты в работу в таких двигателях связано с реализацией целого комплекса сложных физико-химических, газодинамических и термодинамических процессов, которые определяют различие рабочих циклов и конструктивного исполнения. Двигатели внутреннего сгорания автотракторного типа (ДВС) устанавливаемые на современных базовых тягачах строительных и дорожных машин являются сложными техническими устройствами. Они обладают достаточно высокой степенью совершенства, приемлемыми мощностными и экономическими показателями, достаточно надежны в работе, однако необходимость повышения эффективности использования базовых машин требует дальнейшего совершенствования, как самих машин, так и их силовых установок. В настоящее время существует большое количество устройств, использующих тепловое расширение газов. К таким устройствам относится карбюраторный двигатель, дизели, турбореактивные двигатели и т.д. Тепловые двигатели могут быть разделены на две основные группы.1. Двигатели с внешним сгоранием - паровые машины, паровые турбины, двигатели Стирлинга и т.д.2. Двигатели внутреннего сгорания. На большинстве современных автомобилей установлены двигатели внутреннего сгорания.Наиболее экономичными являются поршневые и комбинированные двигатели внутреннего сгорания. Они имеют достаточно большой срок службы, сравнительно небольшие габаритные размеры и массу. Основным недостатком этих двигателей следует считать возвратно-поступательное движение поршня, связанное с наличием криво шатунного механизма, усложняющего конструкцию и ограничивающего возможность повышения частоты вращения, особенно при значительных размерах двигателя. Быстрое распространение ДВС в промышленности, на транспорте, в сельском хозяйстве и стационарной энергетике была обусловлена рядом их положительных особенностей. Осуществление рабочего цикла ДВС в одном цилиндре с малыми потерями значительным перепадом температур между источником теплоты и холодильником обеспечивает высокую экономичность этих двигателей. Высокая экономичность - одно из положительных качеств ДВС. Среди ДВС дизель в настоящее время является таким двигателем, который преобразует химическую энергию топлива в механическую работу с наиболее высоким КПД в широком диапазоне изменения мощности. Это качество дизелей особенно важно, если учесть, что запасы нефтяных топлив ограничены. К положительным особенностям ДВС стоит отнести также то, что они могут быть соединены практически с любым потребителем энергии. Это объясняется широкими возможностями получения соответствующих характеристик изменения мощности и крутящего момента этих двигателей. Сравнительно невысокая начальная стоимость, компактность и малая масса ДВС позволили широко использовать их на силовых установках, находящих широкое применение и имеющих небольшие размеров моторного отделения. Установки с ДВС обладают большой автономностью. Даже самолеты с ДВС могут летать десятки часов без пополнения горючего. Важным положительным качеством ДВС является возможность их быстрого пуска в обычных условиях. Двигатели, работающие при низких температурах, снабжаются специальными устройствами для облегчения и ускорения пуска. После пуска двигатели сравнительно быстро могут принимать полную нагрузку. ДВС обладают значительным тормозным моментом, что очень важно при использовании их на транспортных установках. Положительным качеством дизелей является способность одного двигателя работать на многих топливах. Так известны конструкции автомобильных многотопливных двигателей, а также дизелей большой мощности, которые работают на различных топливах - от дизельного до котельного мазута. Наряду с положительными качествами ДВС обладают рядом недостатков. Среди них ограниченное по сравнению, например с паровыми и газовыми турбинами агрегатная мощность. Высокий уровень шума, относительно большая частота вращения коленчатого вала при пуске и невозможность непосредственного соединения его с ведущими колесами потребителя, токсичность выхлопных газов, возвратно-поступательное движение поршня, ограничивающие частоту вращения и являющиеся причиной появлений не уравновешенных сил инерции и моментов от них.

2. Требования предъявляемые к ДВС

В настоящее время на подавляющем большинстве строительно-дорожных машин и технике, силовой энергетической установкой является ДВС, который предназначен для обеспечения перемещения машины с заданными скоростями, выполнение работы рабочим оборудованием и функционирование систем и механизмов. Общими требованиями для ДВС СДМ являются: конструкция кривошипно-шатунного механизма - тронковая (боковое усилие от шатуна воспринимается поршнем);- род применяемого топлива - жидкое (бензин, дизельное);- направление вращения коленчатого вала - правое (положение наблюдателя со стороны, противоположной валу основного отбора мощности).На СДМ в основном устанавливаются многоцилиндровые поршневые дизельные двигатели с мощностью от 1,5 до более 2000 кВт, преимущественно с комбинированной системой охлаждения. К двигателям СДМ предъявляются следующие основные требования: Двигатели должны быть оборудованы всережимными регуляторами. Степень неравномерности центробежного регулятора должна составлять от 0,08 до 0,10.Из-за возможных перегрузок двигателя коэффициент приспособляемости должен быть не менее 1,15.Номинальная частота вращения коленчатого вала дизеля должна составлять от 1500 до 2500 об/мин. Долговечность (срок службы до капитального ремонта) автотракторных дизелей при установке на строительные и дорожные машины должна составлять от не менее 3000 до 3500 ч, что соответствует 4000 ч работы на тракторах и автомобилях. 6. Запуск дизеля должен осуществляться электростартером или пусковым двигателем с электростартерным запуском последнего. 7. двигатели должны быть рассчитаны на работу при продольном наклоне до 35° и поперечном наклоне до 15°. При подборе двигателей к СДМ необходимо принимать во внимание следующие рекомендации: 1.Двигатели должны подбираться с учетом режимов и условий эксплуатации. 2.Двигатель должен быть подобран таким образом, чтобы большую часть времени цикла он работал на регуляторной ветви характеристики. Переход на безрегуляторную ветвь допускается только при преодолении временно возросших сопротивлений и должен быть по возможности непродолжительным. При подборе двигателя необходимо учитывать неустановившийся характер нагрузки, имея в виду, что при неустановившейся нагрузке выходные мощностные показатели и наилучшая топливная экономичность могут быть получены при загрузке двигателя меньше номинального крутящего момента. Для дизеля, работающего на переменных режимах, величина оптимальной загрузки составляет 78% номинального крутящего момента. При использовании абсолютных непрозрачных гидродинамических трансформаторов, которые обеспечивают работу двигателей на постоянном режиме, гидротрансформатор необходимо подбирать так, чтобы двигатель работал на номинальном режиме.

3. Историческая справка

Первый поршневой ДВС. был создан Ленуаром в 1860 г. Двигатель работал по двухтактному циклу, имел золотниковое распределение, посторонний источник зажигания и потреблял в качестве топлива светильный газ. В 1877 г. Н. Отто построил газовый двигатель, работающий по четырехтактному циклу с предварительным (перед воспламенением) сжатием. Это обеспечило существенное повышение экономичности по сравнению с двигателем Ленуара. Двигатели Отто получили промышленное применение. В 1889 г. в России И. С. Костовичем был разработан двигатель, работавший на жидком топливе (бензине) и предназначавшийся для установки на дирижабле. Дизель построил первый двигатель с воспламенением от сжатия в 1896 г. Первые работоспособные двигатели с воспламенением от сжатия строились в России начиная с 1899 г.Первые бескомпрессорные дизели конструкции Г.В. Тринклера были построены в России в 1901 г. Особенно примечательна конструкция бескомпрессорного дизеля, разработанная русским инженером Я. В. Маминым для трактора в 1910 г. Наряду с развитием моторостроения развивалась и теория ДВС В 1906 г. проф. МВТУ В. И. Гриневецкий впервые разработал метод теплового расчета двигателя, который в дальнейшем развили и дополнили Н. Р. Брилинг, Е. К. Мазинг, Б. С. Стечкин и др. Особенно быстрое развитие получило моторостроение после победы Великой Октябрьской социалистической революции. В начале 30-х годов вступили в строй крупные тракторные заводы им. Ф. Э. Дзержинского, Харьковский, Челябинский, явившиеся базой выпуска дизелей, используемых на СДМ. После победы в Великой Отечественной войне в кратчайшие сроки были восстановлены разрушенные тракторные заводы и построены новые -- Алтайский, Владимирский, Липецкий, Минский и др. На Ярославском автомобильном заводе было освоено производство двухтактных дизелей, а в начале 60-х годов -- семейства четырехтактных дизелей, получивших наряду с тракторными дизелями распространение на строительных и дорожных машинах. Основной базой выпуска автомобильных дизелей, используемых на СДМ являются Камский автомобильный завод (проектная мощность 250 000 дизелей в год), ЯМЗ, и др.

4. Тенденции развития ДВС

Повышение экономичности является генеральным направлением дальнейшего развития ДВС при одновременном снижении материалоемкости, повышении надежности, сохранении высоких мощностных и динамических качеств, приемлемой общей токсичности и др. При любом способе смесеобразования общепризнанными в настоящее время направлениями в повышении экономичности поршневых двигателей являются снижение потерь на трение (путем отключения цилиндров, уменьшения числа поршневых колец и др.), совершенствование питания (точность дозирования, хорошее распиливание топлива и распределение смеси по цилиндрам), турбулизации свежего заряда в камере сгорания, наддув, применение нетрадиционных топлив (спирты, водород) и различных топливных смесей, масел, позволяющих снижать потери на трение в двигателе, и т. д. Чтобы уменьшить расход топлива, всемерно интенсифицируют дизелизацию транспортных средств, т. е. расширяют масштабы применения более экономичных двигателей с внутренним смесеобразованием, которые к настоящему времени стали уже основой силовых агрегатов ТТ. первые образцы дизелей для автомобилей малого класса фирма «Мерседес» начала выпускать еще в 30-х годах. В зависимости от назначения и типа дизелей в них применяют различные объемные и объемно-пленочные способы смесеобразования с одно- и двухполостными камерами сгорания. В настоящее время современное двигателестроение показывает о высоких технико-экономических показателях современных тракторных и автомобильных дизелей. Так, старейшая из ведущих тракторостроительных фирм «Катерпиллер» (США) с начала 70-х годов выпускает дизели серии 3200, предназначаемые для колесных тракторов, городских автобусов и грузовых автомобилей. Эта фирма поставила на производство дизель V-8 (модификация 3208) с углом развала цилиндров 90° с наддувом и без наддува, что позволяет расширять области возможного их применения. Известны уже образцы адиабатных двигателей. Например,, адиабатный двигатель фирмы «Киото керамик» (Япония), в которых цилиндры, поршни, поршневые пальцы, толкатели, накладки коромысел, проставка и ротор ТК изготовлены из нитрида кремния,. Ожидается, что освоение адиабатных двигателей позволит до 8 % уменьшить общий расход топлива при условии, когда более горячие отработавшие газы будут использованы для ТК и силовых турбин в комбинированных двигателях. Но для адиабатных двигателей необходимы синтетические масла с высокой термической стойкостью. Трудность их освоения связана также с малым коэффициентом линейного расширения керамических материалов, который для нитрида кремния в диапазоне температур до 800 °С составляют примерно одну пятую в сравнении с чугуном. В последнее время все большее применение получают поршневые двигатели с принудительным наполнением цилиндра воздухом повышенного давления, т.е. двигатели с наддувом. Перспективным направлением развития поршневых двигателей внутреннего сгорания является более полное использование энергии выпускных газов в турбине, обеспечивающей мощность компрессора, нужную для достижения заданного давления наддува. Избыточная мощность в этом случае передается на коленчатый вал дизеля. Реализация такой схемы наиболее возможна для четырехтактных двигателей. Проектирование двигателя является сложным процессом, при котором специалистам приходится решать комплекс проблем, связанных с удовлетворением требований, определяемых назначением двигателя и условиями его эксплуатации. Для создания высокопроизводительной, экономичной в эксплуатации и экологически чистой транспортной, дорожно-строительной и сельскохозяйственной техники автотракторные двигатели должны обеспечивать: - высокую надежность в разнообразных эксплуатационных условиях; - необходимые энергетические и экономические характеристики на всех режимах работы; - нормативные экологические параметры двигателя; - хорошие пусковые качества; - легкость управления и автоматизацию работы; - простоту технического обслуживания и ремонта; - минимум эксплуатационных затрат .Одной из основных эксплуатационных характеристик двигателя является его надежность, поскольку с ее уровнем напрямую связаны затраты на поддержание работоспособности и расходы, вызванные простоем, машины из-за отказов энергетической установки.

5. Классификация ДВС

По назначению: стационарные и транспортные. В свою очередь транспортные двигатели подразделяются на судовые, тепловозные, тракторные (включая комбайновые двигатели и двигатели различных строительно-дорожных машин), двигатели машин специального назначения, авиационные, автомобильные, мотоциклетные и т. п. Каждая из этих групп отличается особенностями, обусловленными характером их эксплуатации. Стационарные двигатели применяются на электростанциях, для привода насосных установок, на нефте и газоперекачивающих установках. 2. По роду используемого топлива работающие на: лёгком, тяжёлом, газовом, смешанном топливе. Легким топливом считается то, которое получается из самых легких фракций при перегонке нефти. Это бензин и керосин. Тяжелое топливо: мазут, соляровое масло, дизельное топливо и газойл.Газовое: генераторное, природное, промысловое и др. Смешанное топливо - это такое, при котором основным топливом является газ, а для пуска двигателя используется жидкое топливо. 3. По способу преобразования тепловой энергии в механическую: - двигатели внутреннего сгорания, - с внешним подводом теплоты, - и комбинированные. В двигателях внутреннего сгорания процессы химического реагирования и превращения тепловой энергии в механическую работу происходят во внутрицилиндровом объеме (в надпоршневом пространстве). К двигателям с внешним подводом теплоты относятся: двигатели, в которых процессы химического реагирования происходят в отдельном агрегате (камере сгорания), образующееся при этом рабочее тело (продукты сгорания) поступает на лопатки колеса турбины, где совершает работу. Комбинированные двигатели, в которых сгорание топлива осуществляется в поршневом двигателе, являющемся генератором газа, механическая работа совершается в цилиндре поршневого двигателя и частично - на лопатках колеса газовой турбины. 4. По способу смесеобразования: с внешним смесеобразованием, с внутренним смесеобразованием и с расслоением заряда.У двигателей с внешним смесеобразованием горючая смесь образуется вне цилиндра (карбюраторные и газовые двигатели, а также двигатели с впрыском топлива во впускную трубу).У двигателей с внутренним смесеобразованием при впуске в цилиндр поступает только воздух, а рабочая смесь образуется внутри цилиндра. У двигателей с расслоением заряда в различных зонах камеры сгорания образуется рабочая смесь разного состава. 5. По способу воспламенения рабочей смеси: с воспламенением рабочей смеси от электрической искры; с воспламенением от сжатия; двигатели, в которых рабочую смесь легкого топлива принудительно зажигают вследствие самовоспламенения тяжелого жидкого (так называемого запального) топлива, подаваемого в цилиндр в конце хода сжатия. (Такое воспламенение характерно для газо- или бензодизельного процесса).В двигателях с воспламенением рабочей смеси от электрической искры смесь воспламеняется искрой после попадания ее в цилиндр и в конце такта сжатия.В двигателях с воспламенением от сжатия воздух поступает в цилиндр, сжимается, и в конце такта сжатия в нагретый до определенной температуры воздух впрыскивается порция топлива. 6. По способу осуществления рабочего цикла: двухтактные; четырехтактные; шеститактные. В двухтактных двигателях рабочий цикл осуществляется за два такта, что соответствует двум ходам поршня от одного крайнего положения до другого, или одному обороту коленчатого вала. В четырёхтактных двигателях рабочий цикл осуществляется за четыре хода поршня, соответствующим двум оборотам коленчатого вала. Шеститактные двигатели т.е. двигатели с двумя ходами расширения. 7. По способу регулирования в связи с изменением нагрузки: с качественным регулированием,; с количественным регулированием; со смешанным регулированием. В ДВС с качественным регулированием при постоянном количестве вводимого в цилиндр воздуха увеличивается или уменьшается количество подаваемого топлива, и состав смеси изменяется. В двигателях с количественным регулированием состав смеси остается постоянным и меняется только ее количество. В двигателях со смешанным регулированием изменяются количество и состав смеси. 8. По конструкции: поршневые и роторно-поршневые. 9. По расположению цилиндров: с вертикальным расположением цилиндров; с горизонтальным; V - образные (двухрядные с расположением цилиндров в рядом под углом 60, 75 или 90); При угле расположения цилиндров 180⁰ двигатель называется оппозитным. 10. По числу цилиндров: одноцилинровые и многоцилиндровые двигатели ( двух-, трёх-, шести-, восьми-, и т. д.) 11. По расположению поршней: однопоршневые, с противоположно движущимся поршнями, двойного действия. Однопоршневые - в каждом цилиндре имеются один поршень и одна рабочая полость. С противоположно движущимися поршнями - рабочая полость расположена между двумя поршнями, движущимися в одном цилиндре в противоположные стороны. Двойного действия - по обе стороны поршня имеются рабочие полости. 12.По степени сжатия: - двигатели высокого сжатия (E = от 12 до 18) и двигатели низкого сжатия (E = от 4 до 9); 13. По способу наполнения рабочего цилиндра: с естественным на-полнением (двигатели без наддува наполнение обеспечивается перемеще-нием поршня); с надувом (наполнение происходит при повышенном давлении от надувочного агрегата).Двигатели без наддува, у которых впуск воздуха или горючей смеси осуществляется за счет разряжения в цилиндре, при всасывающем ходе поршня; Двигатели с наддувом, у которых впуск воздуха или горючей смеси в рабочий цилиндр происходит под давлением создаваемым компрессором, с целью увеличения заряда и получения повышенной мощности двигателя. 14. По рабочему объёму цилиндров (литражу): - микролитражные автомобильные двигатели (до 1 л); малолитражные (до 2 л); среднелитражные (до 3 - 4 л); - и большого литража (свыше 4 л). 15. По отношению хода поршня S к диаметру D цилиндра: короткоходные (S/D<1); - квадратные (S/D=1); клинноходные (S/D>1); 16. По степени быстроходности: - тихоходные (средняя скорость поршня от 6,5 до 10 м/с); - быстроходные (средняя скорость поршня от 10 до 15 м/с); 17. По типоразмерам: - с конкретными типоразмерами- диаметра цилиндра и хода поршня DS; 18. По способу охлаждения: с жидкостным; с воздушным; со смешанным 19. По способу пуска: с электростартером; с электростартером и пусковым двигателем; с пусковым двигателем.

6. Обозначения ДВС в соответствии с ГОСТ 10150 - 88

Условные обозначения дизелей должны состоять из букв и чисел, которые обозначают: Ч-четырехтактный, Д-двухтактный, ДД-двухтактный двойного действия, Н-с наддувом, Р-реверсивный, С-с реверсивной муфтой, П-с редукторной передачей, К-крейкопфный. Число перед буквами означает число цилиндров,число над чертой - диаметр цилиндра в сантиметрах, число под чертой - код поршня в сантиметрах. Отсутствие в условном обозначении буквы К указывает, что дизель тронковый, буквы Р -- дизель нереверсивный. Пример условного обозначения дизеля двенадцатицилиндрового, четырехтактного, с наддувом, с реверсивной муфтой, с редукторной передачей, с диаметром цилиндра 18 см и ходом поршня 20 см: 12ЧНСП 18/20

7. Общее устройство дизельного двигателя

Поршневые ДВС представляют собой комплекс механизмов, систем и специализированных устройств, обеспечивающий преобразование в механическую работу части тепловой энергии, выделяющейся при сгорании топлива непосредственно в цилиндрах. Состоят из следующих неподвижных и подвижных основных деталей: крышки или головки цилиндра, картера, поршня, шатуна, коленчатого вала и маховика. Картер, цилиндр, его головка и другие неподвижные (корпусные) элементы конструкции двигателя, прочно скрепляемые между собой с помощью резьбовых соединений или отлитые совместно, образуют остов двигателя. Основанием для остова и двигателя в целом служит картер. К нему крепят цилиндр, размещают в нем коленчатый вал и многие другие детали. Изготовляют его литым, усиливают ребрами жесткости и чаще всего делают разъемным, состоящим из двух половин Нижней, в обычных конструкциях не несущей частью картера, является литой или штампованный поддон. В цилиндре перемещается поршень, имеющий форму стакана, с повернутым в сторону головки цилиндра днищем. При движении поршня стенки цилиндра служат для него направляющими. Уплотняют цилиндр поршневыми кольцами. В полости цилиндра, заключенной между днищем поршня и головкой, происходят все основные и вспомогательные процессы, связанные с окислением (сжиганием) топлива и преобразованием части выделяющейся при этом теплоты в механическую работу. Перемещение поршня в цилиндре передается на вал с помощью связывающего их звена - шатуна, имеющего форму профильного стержня с двумя головками. Головка, соединяющая его стержень с шейкой (цапфой) колена или кривошипа вала, называется кривошипной или нижней, а головка, через отверстие которой проходит поршневой палец, обеспечивающий шарнирное соединение шатуна с поршнем, называется поршневой или верхней. Расстояние между осями верхней и нижней головок составляет длину шатуна. Для каждого цилиндра (или группы их) на валу имеется отдельное колено, образованное цапфой кривошипа, щеками и опорными шейками, поэтому вал двигателя и называют коленчатым. Размер кривошипа (колена) определяется радиусом r, разным расстоянию между осью вращения коленчатого вала и осью цапфы кривошипа. В автомобильных и тракторных двигателях с разъемным картером коленчатый вал размещают в опорных подшипниках, расположенных в верхней части картера. Эти подшипники и соответствующие им опорные шейки коленчатого вала называют коренными. Цапфу кривошипа, шарнирно связывающую вал с нижней головкой шатуна, в поршневых двигателях автомобилей и тракторов называют шатунной шейкой.

8. Общее устройство карбюраторного двигателя

Карбюратор -- это сложное механическое устройство, смешивающее бензин с воздухом в определенных пропорциях и осуществляющее доставку подготовленной смеси к цилиндрам двигателя. Современный карбюратор состоит из следующих основных устройств: главного дозирующего устройства, пускового устройства, системы холостого хода, экономайзера, ускорительного насоса, балансировочного устройства и ограничителя частоты вращения коленчатого вала. Иногда в состав карбюратора входят также эконостат и система принудительного холостого хода. Бензиновые двигатели работают на жидком топливе с принудительным зажиганием. Перед попаданием в цилиндры топливо в определенных пропорциях смешивается с воздухом -- эту функцию выполняют карбюратор или инжектор, закрепляемые на двигателе снаружи. Поэтому бензиновые двигатели называют также двигателями с внешним смесеобразованием.

9. Основные определения в ДВС

В зависимости от способов воспламенения рабочей смеси (смеси топлива с воздухом) двигатели разделяются на две группы: карбюраторные или двигатели с принудительным воспламенением смеси от электрической искры и дизели или двигатели, работающие с воспламенением от сжатия. К двигателям с воспламенением от искры относятся также газовые двигатели и двигатели с непосредственным впрыском топлива во впускную систему. В каждой из указанных групп могут быть четырехтактные и двухтактные двигатели. Прежде чем рассматривать рабочие процессы, остановимся на основных понятиях и определениях, принятых для двигателей внутреннего сгорания. Двигатель, в котором рабочий цикл совершается за четыре хода поршня или за два оборота коленчатого вала 4р рад (720°), называется четырехтактным. Двухтактным двигателем называется такой, у которого цикл работы совершается за два хода поршня, или за один оборот коленчатого вала 2р рад (360°). За один оборот коленчатого вала поршень дважды будет находиться в крайних положениях, где изменяется направление его движения. Эти положения поршня принято называть мертвыми точками, так как усилие, приложенное к поршню в этот момент, не может вызвать вращательного движения коленчатого вала. Положение поршня в цилиндре, при котором расстояние его от оси вала двигателя достигает максимума, называется верхней мертвой точкой (ВМТ). Нижней мертвой точкой (НМТ) называют такое положение поршня в цилиндре, при котором расстояние его от оси вала двигателя достигает минимума. В мертвых точках скорость поршня равна нулю, так как в них изменяется направление движения поршня. Расстояние, проходимое поршнем от верхней мертвой, точки к нижней, называется ходом поршня и обозначается буквой S. Каждому ходу поршня соответствует р рад (180°) -- полуоборот -- поворота коленчатого вала. Ход поршня равен удвоенному радиусу кривошипа: S = 2R.Объем, освобождаемый в цилиндре двигателя при движении поршня от верхней мертвой точки к нижней, называется рабочим объемом цилиндра и обозначается через

V_h.:

где D - диаметр цилиндра, м; S - ход поршня, м.Рабочий объем цилиндров двигателя:

где i - число цилиндров. Литражом двигателя называется сумма рабочих объемов цилиндров, выраженная в литрах. Объём над поршнем при нахождении последнего в верхней мертвой точке называется камерой сжатия или камерой сгорания и обозначается через V_c.Полный объем цилиндра V_a представляет сумму объема камеры сжатия V_c и рабочего объема цилиндра V_h: Степенью сжатия е называется отношение полного объема цилиндра к объему камеры сжатия: Рабочим циклом называют совокупность последовательных процессов, осуществляемых с целью превращения тепловой энергии топлива в механическую.

10. Охарактеризуйте рабочие циклы карбюраторных и дизельных ДВС

Принцип действия четырехтактного дизеля

В четырехтактном двигателе рабочие процессы происходят следующим образом:1. Такт впуска. При движении поршня от ВМТ к НМТ вследствие образующегося разряжения из воздухоочистителя в полость цилиндра через открытый впускной клапан поступает атмосферный воздух. Давление воздуха в цилиндре составляет 0.08 - 0.095 МПа, а температура 40 - 60 С. 2. Такт сжатия. Поршень движется от НМТ к ВМТ; впускной и выпускной клапаны закрыты, вследствие этого перемещающийся вверх поршень сжимает поступивший воздух. Для воспламенения топлива необходимо, чтобы температура сжатого воздуха была выше температуры самовоспламенения топлива. При ходе поршня к ВМТ цилиндр через форсунку впрыскивается дизельное топливо, подаваемое топливным насосом . 3. Такт расширения, или рабочий ход . Впрыснутое в конце такта сжатия топливо, перемешиваясь с нагретым воздухом, воспламеняется, и начинается процесс сгорания, характеризующийся быстрым повышением температуры и давления. При этом максимальное давление газов достигает 6 - 9 МПа, а температура 1800 - 2000 С. Под действием давления газов поршень 2 перемещается от ВМТ в НМТ -происходит рабочий ход. Около НМТ давление снижается до 0.3 - 0.5 МПа, а температура до 700 - 900 С. 4. Такт выпуска . Поршень перемещается от НМТ в ВМТ и через открытый выпускной клапан 6 отработавшие газы выталкиваются из цилиндра. Давление газов снижается до 0.11 - 0.12 МПа, а температура до 500-700 С. После окончания такта выпуска при дальнейшем вращении коленчатого вала рабочий цикл повторяется в той же последовательности. Для обобщения на показаны схемы рабочего цикла карбюраторных двигателей и дизелей.

Принцип действия четырехтактного карбюраторного двигателя В карбюраторном четырехтактном одноцилиндровом двигателе рабочий цикл происходит следующим образом: 1. Такт впуска По мере того, как коленчатый вал двигателя делает первый полуоборот, поршень перемещается от ВМТ к НМТ, впускной клапан открыт, выпускной клапан закрыт. В цилиндре создается разряжение 0.07 - 0.095 МПа, вследствие чего свежий заряд горючей смеси, состоящий из паров бензина и воздуха, засасывается через впускной газопровод в цилиндр и, смешиваясь с остаточными отработавшими газами, образует рабочую смесь . 2. Такт сжатия. После заполнения цилиндра горючей смесью при дальнейшем вращении коленчатого вала (второй полуоборот) поршень перемещается от НМТ к ВМТ при закрытых клапанах. По мере уменьшения объема температура и давление рабочей смеси повышаются. 3. Такт расширения или рабочий ход. В конце такта сжатия рабочая смесь воспламеняется от электрической искры и быстро сгорает, вследствие чего температура и давление образующихся газов резко возрастает, поршень при этом перемещается от ВМТ к НМТ.В процессе такта расширения шарнирно связанный с поршнем шатун совершает сложное движение и через кривошип приводит во вращение коленчатый вал. При расширении газы совершают полезную работу, поэтому ход поршня при третьем полуобороте коленчатого вала называют рабочим ходом. В конце рабочего хода поршня, при нахождении его около НМТ открывается выпускной клапан, давление в цилиндре снижается до 0.3 -0.75 МПа, а температура до 950 - 1200 С/4. Такт выпуска При четвертом полуобороте коленчатого вала поршень перемещается от НМТ к ВМТ. При этом выпускной клапан открыт, и продукты сгорания выталкиваются из цилиндра в атмосферу через выпускной газопровод .

11. Термодинамические циклы ДВС

Все современные двигатели внутреннего сгорания подразделяются на три основные группы: 1.Двигатели, в которых используется цикл с подводом тепла при постоянном объеме v=const (цикл Отто). 2.Двигатели, в которых используется цикл с подводом тепла при постоянном давлении p=const (цикл Дизеля). 3.Двигатели, в которых используется смешанный цикл с подводом тепла как при v=const , так и при p=const (цикл Тринклера). Циклы ДВС с подводом теплоты при постоянном объеме При движении поршня от верхней мертвой точки к нижней происходит всасывание горючей смеси (линия 0-1). Эта линия не является термодинамическим процессом, так как основные параметры при всасывании не изменяются, а изменяются только масса и объем смеси в цилиндре. Кривой 1-2 (линия сжатия) изображается процесс сжатия (поршень движется от нижней мертвой точки к верхней). В точке 2 от электрической искры происходит мгновенное воспламенение горючей смеси (при постоянном объеме). Этот процесс изображается кривой 2-3. В ходе этого процесса температура и давление резко возрастают. Процесс расширения продуктов сгорания на индикаторной диаграмме изображается кривой 3-4, называемой линией расширения. В точке 4 происходит открытие выхлопного клапана, и давление в цилиндре уменьшается до наружного давления. При дальнейшем движении поршня (от нижней мертвой точки к верхней) через выхлопной клапан происходит удаление продуктов сгорания из цилиндра при давлении несколько большем давления окружающей среды. Этот процесс на диаграмме изображается кривой 4-0 и называется линией выхлопа. В данном случае рабочий процесс совершается за четыре хода поршня (такта). Коленчатый вал делает за это время два оборота. В связи с чем, рассмотренные двигатели называются четырехтактными. 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. 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. Цикл ДВС со смешанным подводом теплоты Одним из недостатков двигателей, в которых применяется цикл с подводом теплоты при постоянном давлении, является необходимость использования компрессора, применяемого для подачи топлива. Наличие компрессора усложняет конструкцию и уменьшает экономичность двигателя, т.к. на его работу затрачивается 6-10 % от общей мощности двигателя. С целью упрощения конструкции и увеличения экономичности двигателя русский инженер Г.В.Тринклер разработал проект бескомпрессорного двигателя высокого сжатия. Этот двигатель лишен недостатков рассмотренных выше двух типов двигателей. Основное его отличие в том, что жидкое топливо с помощью топливного насоса подается через форсунку в головку цилиндра, где оно воспламеняется и горит вначале при постоянном объеме, а потом при постоянном давлении. На рис представлен идеальный цикл двигателя со смешанным подводом теплоты в pv - координатах. В адиабатном процессе 1-2 рабочее тело сжимается до параметров в точке 2. В изохорном процессе 2-3 к нему подводится первая доля теплоты q1 штрих , а в изобарном процессе 3-4 - вторая - q1 два штриха. В процессе 4-5 происходит адиабатное расширение рабочего тела и по изохоре 5-1 оно возвращается в исходное состояние с отводом теплоты q2 в теплоприемник.

12. Термодинамический цикл дизеля

Цикл Дизеля -- термодинамический цикл, описывающий рабочий процесс двигателя внутреннего сгорания с воспламенением впрыскиваемого топлива от разогретого рабочего тела, цикл дизельного двигателя. 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. 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.

13. Термодинамический цикл карбюраторного двигателя

Цикл карбюраторного двигателя внутреннего сгорания состоит из двух изохор (1-2, 3-4) и двух адиабат (2-3, 4-1). В 1824 году французский инженер С. Карно рассмотрел круговой процесс, состоящий из двух изотерм и двух адиабат. Этот круговой процесс сыграл важную роль в развитии учения о тепловых процессах. Он называется циклом Карно. Цикл Карно совершает газ, находящийся в цилиндре под поршнем. На изотермическом участке (1-2) газ приводится в тепловой контакт с горячим тепловым резервуаром (нагревателем), имеющим температуру T1. Газ изотермически расширяется, совершая работу A12, при этом к газу подводится некоторое количество теплоты Q1 = A12. Далее на адиабатическом участке (2-3) газ помещается в адиабатическую оболочку и продолжает расширяться в отсутствие теплообмена. На этом участке газ совершает работу A23 > 0. Температура газа при адиабатическом расширении падает до значения T2. На следующем изотермическом участке (3-4) газ приводится в тепловой контакт с холодным тепловым резервуаром (холодильником) при температуре T2 < T1. Происходит процесс изотермического сжатия. Газ совершает работу A34 < 0 и отдает тепло Q2 < 0, равное произведенной работе A34. Внутренняя энергия газа не изменяется. Наконец, на последнем участке адиабатического сжатия газ вновь помещается в адиабатическую оболочку. При сжатии температура газа повышается до значения T1, газ совершает работу A41 < 0. Полная работа A, совершаемая газом за цикл, равна сумме работ на отдельных участках. Цикл Карно замечателен тем, что на всех его участках отсутствует соприкосновение тел с различными температурами. Любое состояние рабочего тела (газа) на цикле является квазиравновесным, т. е. бесконечно близким к состоянию теплового равновесия с окружающими телами (тепловыми резервуарами или термостатами). Цикл Карно исключает теплообмен при конечной разности температур рабочего тела и окружающей среды (термостатов), когда тепло может передаваться без совершения работы. Поэтому цикл Карно - наиболее эффективный круговой процесс из всех возможных.

14. Действительные циклы ДВС

Действительным циклом поршневого д. в. с. называют комплекс периодически повторяющихся процессов, осуществляемых с целью превращения термохимической энергии топлива в механическую работу. тот цикл осуществляется за два оборота коленчатого вала или четыре такта (хода поршня), во время которых в цилиндре происходят следующие процессы. 1. Процесс впуска воздуха начинается в точке а', соответствующей началу открытия впускного клапана, когда поршень еще не дошел до в. м. т. Заканчивается впуск в точке а'', когда впускной клапан полностью закрылся, а поршень уже прошел н. м. т., поэтому общая длительность впуска jвп больше 180°-- угла поворота коленчатого вала (п. к. в.). Среднее давление газов в цилиндре в течение впуска действует по направлению движения поршня к н. м. т.; по значению оно меньше атмосферного р0, которое препятствует движению поршня. Следовательно, на осуществление процесса впуска необходимо затратить энергию. Перед впуском камера сгорания заполнена продуктами сгорания -- остаточными газами, оставшимися от предыдущего цикла. В конце впуска в цилиндре оказывается заряд, состоящий из смеси воздуха с остаточными газами. 2. Процесс сжатия заряда происходит после окончания впуска (точка а") и сопровождается повышением температуры и давления заряда. При приближении поршня к в. м. т. в разогретый от сжатия заряд под большим давлением начинает впрыскиваться топливо (точка d). Угол между началом впрыска топлива и в. м. т. называют углом опережения впрыскивания. В течение периода d-- с' происходят развитие топливных струй, прогрев, испарение и перемешивание топлива с воздухом и другие процессы, предшествующие воспламенению топлива за счет теплоты горячего заряда; этот отрезок времени называют периодом задержки воспламенения. 3. Процесс сгорания начинается в точке с', когда на индикаторной диаграмме наблюдается заметное повышение давления по сравнению с тем, которое соответствует сжатию заряда (линия с'--с). В этот момент поршень на большинстве режимов работы двигателя еще не доходит до в. м. т., а подача топлива форсункой продолжается. Во время сгорания воздух и топливо образуют продукты сгорания, т. е. Состав заряда в цилиндре изменяется. Момент окончания этого процесса может находиться достаточно далеко после в. м. т. В течение процесса сгорания температура и давление в цилиндре достигают наибольших значений. 4. Процесс расширения совершается от точки z до точки b'. При расширении происходит превращение тепловой энергии, выделившейся в результате сгорания топлива, в механическую. 5. Процесс выпуска начинается в точке b', соответствующей началу открытия выпускного клапана. Заканчивается процесс в точке b", после того как поршень пройдет в. м. т. и выпускной клапан закроется. При выпуске среднее давление газов в цилиндре во время перемещения поршня от н. м. т. к в. м. т. действует против движения поршня, по значению оно больше р0, поэтому на процесс выпуска расходуется энергия.

15. Индикаторные показатели ДВС

Индикаторной мощностью N_i (кВт), называется работа L_i совершаемая газами внутри цилиндра в единицу времени определяем по формуле: где L_i - индикаторная работа, совершаемая газами в цилиндре за один цикл, кДж; n - частота вращения коленчатого вала двигателя, об/с; ф - тактность двигателя - число ходов поршня за один цикл (ф = 4 для четырехтактного двигателя и ф = 2 для двухтактного).Индикаторная работа определяется по площади индикаторной диаграммы, полученной при испытании двигателя, или по данным теплотехнического расчета:где р_i - среднее индикаторное давление в цилиндре за время цикла, кПа; V_h - рабочий объем цилиндра двигателя, м³. Для многоцилиндрового двигателя индикаторная мощность (кВт) c учетом того, что практически рабочий объем цилиндра измеряют в литрах, n -- в об/мин и среднее индикаторное давление р_i - в МПа, Индикаторная мощность, развиваемая в цилиндре двигателя, не может быть полностью использована для выполнения полезной работы. Часть ее расходуется на преодоление трения между сопряженными деталями двигателя (цилиндр -- поршень, коленчатый вал -- подшипники), на привод вспомогательных механизмов (водяной и масляный насосы, вентилятор, генератор и др.), на процесс газообмена в цилиндре (впуск свежего заряда и выпуск отработавших газов). Мощность, равноценная этим потерям, называется мощностью механических потерь N_м. Величина N_м зависит от типа двигателя и условий его эксплуатации. На величину N_м оказывает влияние температура охлаждающей жидкости и масла в двигателе. Индикаторным удельным расходом топлива g_i [г/(кВт-ч)] называется количество топлива, расходуемого двигателем в течение часа работы на единицу индикаторной мощности; Наряду с индикаторным удельным расходом топлива экономичность оценивается индикаторным КПД

где - низшая теплота сгорания, МДж/кг, и эффективным КПД Под эффективным КПД понимают долю от всей подведенной топливом теплоты, превращенной в полезную работу.

Крутящий момент связан с мощностью зависимостью:

где Тогда индикаторный крутящий момент

16. Эффективные показатели ДВС

Разность между индикаторной мощностью двигателя N_i и мощностью механических потерь N_м представляет собой эффективную мощность двигателя N_e , т. е. мощность, которая может быть получена на коленчатом валу двигателя и использована для приведения в действие рабочего органа машины: Механические потери двигателя более удобно оценивать по относительной величине, называемой механическим КПД двигателя , представляющим собой отношение эффективной мощности N_e двигателя к индикаторной N_i: Величина зависит от КШМ и ГРМ, совершенства системы смазки и качества применяемого масла, степени сжатия, частоты вращения коленчатого вала, качества технического обслуживания и ремонта двигателя. Для автомобильных и тракторных двигателей = от 0,75 до 0,9. По аналогии с индикаторной эффективная мощность (кВт):

где - среднее эффективное давление, кПа; p_м - среднее давление механических потерь, кПа. Обычно эффективную мощность двигателя определяют при его испытаниях на специальном тормозном стенде путем определения крутящего момента М_е и частоты вращения коленчатого вала n. Определяется эффективный удельный расход топлива: Эффективный крутящий момент:

17. Литровая и налоговая мощность ДВС

Литровая мощность двигателя N_л (кВт/л) представляет собой эффективную мощность двигателя N_e, снимаемую с одного литра рабочего объема всех цилиндров двигателя (V_л =iV_ц): . Литровая мощность позволяет оценивать совершенство конструкции двигателя. Среднее значение литровых мощностей современных карбюраторных двигателей находится в пределах от 26 до 37 кВт/л, а дизельных от 9 до 15 кВт/л. Налоговая мощность N_н - это некоторая условная величина, которую вычисляют по эмпирической формуле для определения величины налога, взимаемого за транспортное средство:

где d - диаметр цилиндра, см; S- ход поршня, м. Одним из основных показателей качества двигателя является его экономичность, которая определяется количеством топлива G_T в килограммах, расходуемым двигателем за 1 ч работы. Параметрами, характеризующими экономичность работы двигателя, являются индикаторный и эффективный удельные расходы топлива.

18. Механический, индикаторный и эффективный КПД

Механические потери двигателя более удобно оценивать по относительной величине, называемой механическим КПД двигателя , представляющим собой отношение эффективной мощности N_e двигателя к индикаторной N_i:

Величина зависит от КШМ и ГРМ, совершенства системы смазки и качества применяемого масла, степени сжатия, частоты вращения коленчатого вала, качества технического обслуживания и ремонта двигателя. Для автомобильных и тракторных двигателей = от 0,75 до 0,9. с индикаторным удельным расходом топлива экономичность оценивается индикаторным КПД: эффективным КПД 19 Тепловой баланс ДВС.

Тепловой баланс двигателя. В двигателе внутреннего сгорания в полезную работу превращается только часть теплоты, выделяемой при сгорании в цилиндре топлива (от 20 до 40%) остальное составляют тепловые потери. Тепловой баланс в значительной мере зависит от конструктивных особенностей двигателя (тип, основные размеры, степень сжатия, система охлаждения, смазки и др.), а также от ряда эксплуатационных факторов (условия окружающей среды, число оборотов, нагрузка и др.).

Распределение теплоты, полученной при сгорании топлива в цилиндре, описывается уравнением, называемым тепловым балансом двигателя где Q_т - теплота, полученная при сгорании определенного количества топлива в двигателе;

Q_i - теплота, превращенная в эффективную работу двигателя; Qi = от 0,22 до 0,3); Q_щ - теплота, отводимая водяной или воздушной системой охлаждения Q_щот 0,12 до 0,25); Q_г - теплота, теряемая при выходе отработавших, газов в атмосферу Q_г = от 0,3 до 0,55); Q_s - неиспользованная теплота из-за неполного сгорания топлива в цилиндре; Q_s = от 0 до 0.35); Q_k - 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. Q_k = от 0,03 до 0,1)Тепловой баланс двигателя может определяться экспериментально или расчетным путем. Количество теплоты, преобразованное в эффективную работу у дизельного ДВС - от 36 до 38 %.