Вивчення принципу дії і конструкції двигуна внутрішнього згоряння. Тепловий баланс двз

Мета роботи:	Вивчення конструкції двигуна 2СД-М1, визначення його складових теплового балансу і розрахунок ефективних та індикаторних характеристик ДВЗ.
Прилади та обладнання:	Двигун внутрішнього згоряння 2СД-М1, термометр, тахометр, вольтметр, амперметр, паливо.

Теоретичні відомості

До двигунів внутрішнього згоряння (ДВЗ) відносять такі теплові машини, в яких всі робочі процеси відбуваються всередині циліндра. Робочим тілом таких двигунів є продукти згоряння палива. За способом здійснення циклу двигуни внутрішнього згоряння поділяють на двотактні та чотиритактні.

Реальні двигуни внутрішнього згорання не можуть працювати по ідеальних колових циклах, оскільки процеси, що проходять у двигуні, не зворотні й розімкнуті. Хімічний склад робочого тіла змінюється тільки в один бік, горюча суміш переходить у продукти згоряння, а зворотного процесу бути не може, оскільки розширившись, продукти згоряння здійснюють корисну роботу і далі виходять з відпрацьованими газами.

Робочий цикл чотиритактного двигуна здійснюється за два оберти колінчастого вала. На початку першого такту (впуску) поршень перебуває в положенні близькому до верхньої мертвої точки (ВМТ). Камера згоряння (надпоршневий простір, коли поршень знаходиться в ВМТ заповнена продуктами згоряння від попереднього циклу. Розподільчий механізм, що приводить у дію впускний та випускний клапани, відкриває впускні клапани, і при переміщенні поршня до нижньої мертвої точки (НМТ) циліндр заповнюється свіжим зарядом повітря або горючою сумішшю.

Після закриття впускного клапана поршень переміщується від НМТ до ВМТ і стискає заряд, що надійшов у циліндр. Це другий такт. З підвищенням тиску в циліндрі підвищується також температура заряду. Їхні значення в кінці другого такту залежать від ступеня стискання. Запалювання робочої суміші від електричної свічки у двигунах із зовнішнім сумішоутворенням при впорскуванні палива в дизелях здійснюється до моменту приходу поршня у ВМТ, тобто з деяким випередженням. Це роблять для підготовки палива до спалювання.

Коли поршень рухається від ВМТ до НМТ (третій такт), відбувається згоряння палива та розширення продуктів горіння. Під час розширення гази здійснюють корисну роботу, тому цей такт називають також робочим тактом.

Під час четвертого такту поршень, що переміщується від НМТ до ВМТ, виштовхує відпрацьовані гази через випускні клапани, які відкриваються розподільчим механізмом. Для поліпшення випуску клапани відкриваються дещо раніше, ніж поршень досягне НМТ. Після завершення випуску всі такти циклу повторюються.

Робочий цикл у ДВЗ звичайно аналізують за допомогою індикаторної діаграми, на якій графічно зображено залежності тиску в циліндрі від об'єму, що вивільняється рухом поршня. Індикаторну діаграму записують під час роботи двигуна приєднаним до нього спеціальним приладом — індикатором.

Робочий цикл у двотактному двигуні здійснюється за два ходи поршня, тобто за один оберт колінчастого вала. Це досягається завдяки заміні процесів витіснення та наповнення, що мають місце в чотиритактному двигуні, процесами випускання та продування, що відбуваються, коли поршень перебуває біля НМТ, та займають 120... 140° кута повороту колінчастого вала. Механізмами газорозподілення тут є продувні та випускні вікна, що розміщені в нижній частині циліндра.

а б

Рис. 7.1. Індикаторні діаграми двигунів

внутрішнього згоряння: а — чотиритактного; б — двотактного

Перший такт двотактного двигуна з внутрішнім сумішоутворенням та петльовим продуванням відбувається під час руху поршня від ВМТ до НМТ. При цьому гази розширюються (робочий хід). Цей процес закінчується до початку відкривання випускних вікон, які за висотою більші, ніж продувні. До початку відкривання продувних вікон відбувається вільний випуск відпрацьованих газів. В момент початку відкривання продувних вікон в циліндр з ресиверу починає надходити заряд свіжого повітря. Продувне повітря витісняє продукти згоряння крізь випускні вікна у випускний колектор. При цьому здійснюється примусове очищення циліндра. Цей процес продовжується і на початку зворотного ходу поршня до ВМТ. Свіжий заряд перестає надходити в циліндр в момент закривання продувних вікон, і випускання свіжого повітря з циліндрів припиняється в момент закривання випускних вікон. Після цього поршень здійснює процес стискання.

Індикаторні та ефективні параметри ДВЗ.

Середній індикаторний тиск - це такий умовно постійний тиск, який протягом одного робочого ходу виконує роботу, яка дорівнює індикаторній роботі газів в циліндрі за робочий хід:

,

(7.1)

де - індикаторна робота за один цикл; - робочий об’єм циліндра.

За наявності індикаторної діаграми величина Р_і розраховується за формулою:

,

(7.2)

де - площа і довжина індикаторної діаграми відповідно; m - масштаб тиску індикаторної діаграми.

Індикаторною потужністю двигуна називають роботу, яка здійснюється газами в циліндрі двигуна за одиницю часу. Індикаторна потужність визначається:

,

(7.3)

де р_і – індикаторний тиск; V_h – робочий об'єм циліндра; n – частота обертання колінчастого вала; і – кількість циліндрів; τ – тактність двигуна.

Ефективна потужність знімається з колінчастого вала двигуна для одержання корисної роботи. Ефективна потужність завжди менша індикаторної на величину механічних втрат:

Ne = Nі – Nм,

(7.4)

,

(7.5)

де N_м – потужність механічних втрат; p_e – ефективний тиск.

Механічні втрати в двигунах внутрішнього згоряння оцінюють за допомогою механічного ККД ( ), який визначається як відношення ефективної потужності до індикаторної:

. (7.6).

Економічність дійсного робочого циклу ДВЗ визначають індикаторним коефіцієнтом корисної дії ( ). Індикаторний ККД показує ступінь використання теплоти в дійсному циклі з врахуванням всіх теплових втрат:

, (7.7)

де В – витрати палива; – нижча теплота згоряння палива.

Нижча теплота згоряння палива – це кількість теплоти, що виділяється в результаті згорання одиниці палива, і при цьому волога, яка є в продуктах згоряння, залишається разом з ним в газоподібному стані.

Однією з важливих характеристик ДВЗ є індикаторні питомі витрати палива b_i:

. (7.8)

Економічність роботи двигуна в цілому визначають ефективним ККД (η_е). Ефективний ККД показує ступінь використання теплоти з урахуванням всіх видів втрат (як теплових, так і механічних):

, . (7.9)

Питомі ефективні витрати палива b_e:

. (7.10)

Орієнтовні значення ефективного та індикаторного ККД для карбюраторних і дизельних двигунів внутрішнього згорання:

Карбюраторні: = 0,2÷0,32; = 0,35÷0,39.

Дизельні: = 0,35÷0,42; = 0,45÷0,52.