книги из ГПНТБ / Колоколов А.А. Двигатели внутреннего сгорания изотермического подвижного состава учебник

Л. А. КОЛОКОЛОВ, Н. В. ЩЕТИНИН

ДВИГАТЕЛИ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ ИЗОТЕРМИЧЕСКОГО ПОДВИЖНОГО СОСТАВА

ИЗДАНИЕ ТРЕТЬЕ, ПЕРЕРАБОТАННОЕ И ДОПОЛНЕННОЕ

МОСКВА «ТРАНСПОРТ» 1974

Вкниге изложены основы теории двигателей

внутреннего сгорания, даны сведения по элемен­ там термодинамики, топливу и смазочным материа­ лам. Описаны устройство, эксплуатация и профилак­ тическое обслуживание дизелей, применяющихся на рефрижераторном подвижном составе.

Книга написана по программе учебника для тех» никумов железнодорожного транспорта,

Рис. 217, табл. 3,

Гог. пубчччная I

К 049(01)-74 1 4 6 ' 7 4

© Издательство «Транспорт», 1974.

ВВЕДЕНИЕ

Тепловым двигателем называется устройство, предназначенное для преобразования теплоты в механическую работу. Такие двигатели по принципу действия можно разделить на три группы: поршневые, лопаточные и реактивные.

К поршневым двигателям относятся: паровая машина, в которой механическая работа получается за счет действия пара на поршень, возвратно-поступательно движущийся в цилиндре; двигатель внутрен­ него сгорания, в котором на поршень действуют газы, образующиеся в результате сгорания топлива в цилиндре.

Неотъемлемой принадлежностью подавляющего большинства пор­ шневых двигателей являются цилиндр, поршень и кривошипно-ша- тунный механизм, посредством которого возвратно-поступательное движение поршня преобразуется в непрерывное вращательное дви­ жение вала.

Клопаточным двигателям относятся паровые и газовые турбины.

Вдвигателях этого типа механическая работа получается за счет про­ хождения пара (паровая турбина) или продуктов сгорания топлива (газовая турбина) по криволинейным каналам, образованным рабочими лопатками, закрепленными на ободе вращающегося диска или бараба­ на. При прохождении пара или газа по таким каналам возникает ок­ ружное усилие, обусловливающее вращение вала, на котором закреп­ лен диск или барабан.

Отличительными особенностями лопаточных двигателей в срав­ нении с поршневыми служат: отсутствие возвратно-поступательно движущихся частей, полная уравновешенность, равномерность вра­ щения вала, быстроходность и возможность получения больших мощ­ ностей в одном агрегате.

Вреактивном двигателе механическая работа получается за счет силы реакции, образующейся при выходе мощного потока продуктов сгорания топлива через канал специального профиля (реактивное сопло) в окружающую среду. Под действием реактивной силы сопло вместе со связанными с ним агрегатами движется в сторону, обратную направлению истечения газов.

Среди широкого разнообразия современных типов тепловых дви­ гателей наиболее старым является паровая машина, которая получила свое первоначальное применение во второй половине X V I I I в. и на

3

протяжении ста лет была единственным типом теплового двига­ теля, удовлетворявшим нужды всех отраслей производства и транс­ порта.

Первые попытки избавиться от громоздкого взрывоопасного паро­ вого котла и создать двигатель внутреннего сгорания, пригодный для практического использования, были сделаны в шестидесятых годах прошлого века. Такие двигатели до последнего десятилетия прошлого века обладали низкой экономичностью, имели ряд существенных не­ достатков и не могли еще успешно конкурировать с паровыми ма­ шинами, достигшими к тому времени уже высокой степени совер­ шенства.

В девяностых годах прошлого столетия немецким инженером Р. Дизелем был предложен и построен двигатель внутреннего сгора­ ния с высоким предварительным сжатием воздуха в цилиндре и самово­ спламенением топлива (керосин), подаваемого внутрь цилиндра в рас­ пыленном состоянии. Экономичность одного из таких двигателей (1897 г.) оказалась более чем в 1,5 раза выше существовавших до того времени двигателей внутреннего сгорания. С тех пор и по настоящее время двигатели внутреннего сгорания с высоким предварительным сжатием воздуха и подачей топлива в конце сжатия внутрь цилиндра называются д и з е л я м и .

Очень большая работа по разработке теории и конструкции дизе­ лей была проделана русскими учеными и конструкторами. Так дизель, построенный в 1899 г. петербургским заводом «Нобель», впервые был приспособлен для работы на сырой нефти и расходовал 221 г/л. с. ч вместо 240 г/л. с. ч керосина в двигателях Дизеля 1897 г. Кроме ле­ нинградского завода «Русский дизель» (б. «Нобель»), наши отечест­ венные заводы — Коломенский, Харьковский, горьковский «Двига­

Быстро совершенствуясь, паровая турбина благодаря своим поло­ жительным особенностям уже в первые десятилетия текущего столетия стала вытеснять паровую машину из области стационарной энерге­ тики и в настоящее время является основным типом двигателя тепло­ вых электростанций.

Первая стационарная газотурбинная установка была построена в 1938 г. в Швейцарии. За прошедшие три с половиной десятилетия она подвергалась значительным усовершенствованиям. В настоящее время газотурбинные установки малых и больших мощностей широко при­ меняются в народном хозяйстве страны, например в энергопоездах, стационарных электростанциях, турбовинтовой и турбореактивной авиации.

Особенности того или иного типа теплового двигателя опреде­ ляют и преимущественные области его применения.

Паровая машина, в значительной мере вытесненная в настоящее время другими более совершенными типами тепловых двигателей, на-

4

Р А З Д Е Л I

ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ ОБ УСТРОЙСТВЕ И РАБОТЕ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

§ 1. Рабочее тело, его основные параметры и их измерение

Рабочим телом называется вещество, посредством которого про­ исходит преобразование теплоты в работу. В двигателях внутреннего сгорания рабочим телом служат газообразные продукты сгорания топлива, воздух, а также смесь его с распыленным жидким или газо­ образным топливом.

Величины, характеризующие состояние рабочего тела, называются его п а р а м е т р а м и . Основными параметрами являются: давление, температура, удельный объем и удельная масса. Помимо основных, в термодинамике рассматриваются также и другие параметры: внут­ ренняя энергия, энтальпия, энтропия и др. О них будет сказано ниже. В технике применяются следующие единицы измерения основных па­

давление, создаваемое столбом ртути высокой 760 мм. Малые давления при измерении часто выражают в миллиметрах ртутного столба (мм рт. ст.) или водяного столба (мм вод. ст.). При этом столб воды высотой 1 мм создает давление 1 кгс/м2.

Исходя из того что 1 ньютон как единица силы составляет 0,102 кгс, получаем зависимости между различными единицами измерения дав­ ления, приведенные в табл. 1.

В расчетах, не требующих особой точности, разницей между вели­

6

стоящее время служит 1 английский фунт, приходящийся на 1 квадратный дюйм площади. При этом 1 кгс/см2 —

=14,22 фунта/дюйм.

Давление газа на поверхность,

в основных единицах и технических атмосферах, если давление в окружающей

двигателя внутреннего сгорания на всасывающем коллекторе 2 двигателя 3 установлен ртутный вакуумметр 4. Определить абсолютное давление всасывае­ мого воздуха в коллекторе в основных единицах, если барометрическое давление 742 мм рт. ст.

704 750- Ю - 6 = 0,939-10* н/м2,

а в атмосферах

704

— = 0,958 кгс/см2. 736

Температура. Температура рабочего тела измеряется в градусах стоградусной температурной шкалы и обозначается буквой f С (гра-

7

дус Цельсия). За нулевую точку шкалы принята температура перехода воды из твердого состояния в жидкое при давлении, равном 1 физи­ ческой атмосфере. За вторую постоянную точку принята температура перехода воды из жидкого состояния в парообразное при том же дав­ лении. Температурный интервал между этими постоянными точками разделен на 100 равных частей, каждая из которых и составляет 1° С. Температура

Пример. В технической характеристике двигателя английской фирмы ука­ зана наивысшая допустимая температура охлаждающей воды 175°. Учитывая, что температура указана по Фаренгейту, определить эту температуру по Цель­ сию.

Решение:

'с = у (' Ф - 32)= - ^ - (175 - 32 ) = 7 9 , 4 ° С ,

или приближенно 80° С.

Необходимо отметить, что при точных измерениях с использова­ нием ртутных приборов следует учитывать изменение удельной массы ртути при отклонении ее температуры от 0° С. Для приведения высоты столба ртути к 0° С можно пользоваться формулой

h 0 = h (1 — 0,000172 /).

Так, например, если показание ртутного барометра 753 мм pm. ст. при температуре 40° С, то действительное барометрическое давление будет

А0 = 753 (1—0,000172 • 40) = 748 мм рт. ст.

Удельный объем. Основной единицей измерения объема рабочего

8

Сравнивая выражения (2) и (3), видим, что р — — , т. е. удельный

"уд

объем и удельная масса есть величины взаимно обратные. Так, напри­ мер, удельная масса сухого воздуха при t = 0° С и р = 760 мм рт. ст. р = 1,293 кг/м3. Следовательно, удельный объем воздуха при этих физических условиях

Очень часто количество газа выражают не массой, а объемом. Но объем одной и той же массы газа будет различным в зависимости от давления и температуры. Поэтому в случае выражения количества газа через объем необходимо оговаривать температуру и давление, при которых указывается этот объем. Такой объем называется при­ веденным к данному давлению и температуре. В практике чаще всего объем газообразных тел дается при давлении 1 физической атмосферы и температуре 0° С. Эти условия называются нормальными физи­ ческими.

§ 2. Уравнение состояния газа

Все газы, реально существующие в природе, представляют собой перегретые пары соответствующих жидкостей. По мере понижения температуры и увеличения давления реальный газ переходит в жидкое состояние — конденсируется. Например, кислород при абсолютном

при каких давлениях и температуре, называются идеальными. Таких газов в природе не существует, тем не менее большинство реальных газов при температуре, значительно превышающей критическую, по своим свойствам мало отличается от идеальных. Это позволяет поль­ зоваться для большинства реальных газов закономерностями идеаль­ ных газов.

Основными законами идеальных газов, известными из физики, являются законы Гей — Люссака и Бойля — Мариотта. Как след­ ствие, вытекающее из закона Гей — Люссака, получается, что при

9