2553

Поршневые двигатели в настоящее время являются основными энергетическими установками на автомобилях, и в ближайшем будущем конкурентов у них нет.

10

2. КЛАССИФИКАЦИЯ ДВИГАТЕЛЕЙ

Двигатели внутреннего сгорания можно классифицировать по следующим признакам:

1.По назначению:

а) стационарные, которые применяют на электростанциях, для привода насосных установок, в сельском хозяйстве и т.д.; б) транспортные, устанавливаемые на автомобилях, тракторах, самолетах, судах и т.д.

2. По роду применяемого топлива:

а) двигатели легкого жидкого топлива (бензин, легроин, керосин); б) двигатели тяжелого жидкого топлива (мазут, диз. топливо, соляровое масло); в) газовые двигатели;

г) двигатели смешанного топлива (газодизели); д) многотопливные двигатели.

3.По способу преобразования тепловой энергии в механическую: а) поршневые и роторно-поршневые двигатели; б) газотурбинны; в) комбинированные.

4.По способу смесеобразования:

а) с внутренним смесеобразованием; б) с внешним смесеобразованием.

5.По способу воспламенения рабочей смеси: а) с искровым воспламенением; б) с воспламенением от сжатия;

в) с форкамерно-факельным воспламенением; г) с воспламенением газового топлива небольшой порцией дизельного топлива.

6.По способу осуществления рабочего цикла:

а) четырехтактные двигатели (с наддувом и без наддува); б) двухтактные двигатели (с наддувом и без наддува).

7.По способу регулирования нагрузки: а) с качественным; б) с количественным; в) со смешанным.

8.По способу охлаждения:

а) жидкостное; б) воздушное;

11

в) смешанное.

9. По конструкции:

а) поршневые двигатели (вертикальные рядные, горизонтальные, V- образные,звездообразные, двойного действия и т.д.); б) роторно-поршневые, которые также подразделяются:

–ротор совершает движение, а корпус стоит на месте;

–корпус совершает движение, а ротор неподвижен;

–ротор и корпус совершают движение – бироторный двигатель. Разнообразие типов ДВС позволяет применять их в самых раз-

личных областях народного хозяйства и, в свою очередь, разнообразие областей применения обуславливает различные требования, предъявляемые к ДВС.

Общими требованиями, которые предъявляются к ДВС при заданной мощности и числе оборотов будут:

а) обеспечение наименьшей массы и габаритов двигателя: б) наибольшая экономичность;

в) наибольшая надежность и увеличение срока службы двигателя; г) простота конструкции и дешевизна производства; д) удобство и безопасность обслуживания и эксплуатациидвигателя.

Одновременное (одинаковое) удовлетворение всех требований затруднено, поэтому в зависимости от области применения ДВС одни требования удовлетворяются в большей степени, другие – в меньшей. Выполнение тех или иных требований зависит не только от области применения, но и от условий эксплуатации, включая кроме параметров режима работы двигателя технико-экономические факторы: стоимость двигателя, вид топлива и смазки, условия ремонта и др.

2.1. Термодинамические циклы

Для изучения тепловых процессов, происходящих в ДВС, для оценки этих процессов в отношении их совершенства, получения представления о способах экономического использования топлива в ДВС необходимо, прежде всего, знать термодинамические процессы.

Особенностями термодинамических циклов являются:

1.Рабочее тело и идеальный газ подчиняются закону PV=GRT.

2.Потери тепла отсутствуют, т.е. процесс расширения и сжатия совершается по адиабате.

3.Внутренняя энергия газа есть функция только температуры.

4.Теплоемкость газа есть величина постоянная.

12

5.Диссоциация молекул не учитывается.

6.Цикл замкнут и обратим.

7.Подвод и отвод теплоты осуществляется при постоянном объеме, при постоянном давлении или смешанно.

8.Отсутствуют гидравлические потери.

Особенности термодинамических циклов показывают, что КПД термодинамических циклов гораздо выше действительных циклов. Термодинамические циклы как прототипы действительных различают по способу сообщения теплоты рабочему телу и отдачи ее холодному источнику.

Различают 4 цикла:

1.Обобщенный цикл.

2.Смешанный цикл.

3.Цикл при Р=const.

4.Цикл при V=const.

Для поршневых двигателей представляет интерес три последних

цикла.

2.2. Смешанный цикл

Представляет собой прототип дизельного двигателя. Сообщение теплоты рабочему телу осуществляется вначале при постоянном объеме, участок С – Z1, а затем при постоянном давлении, участок Z1- Z. Отвод теплоты при постоянном объеме участок b – a (рис. 1).

Основными показателями цикла будут

где – степень сжатия; λ – степень повышения давления; ρ – степень предварительного расширения; δ – степеньпоследующегорасширения.

Vz Vb .

Vz1 Vz

13

Рис. 1. Смешанный цикл

2.3. Термодинамический КПД

1k 1

1 k 1 1 K 1 ;

Cp K .

CV

14

2.4. Цикл с сообщением теплоты при р = соnst

Этот цикл отличается тем, что участок, соответствующий подводу теплоты Q1 имеет постоянное давление. В этом случае Рс = =Рz; λ = 1. После подстановки значения λ в формулу ηt будет иметь

1k 1

t 1 к 1 k 1 .

Цикл является прототипом дизельных двигателей, в которых протекание процесса сгорания может осуществляться почти при постоянном давлении (компрессорные двигатели).

2.5. Цикл с подводом теплоты при V = const

Данный цикл характерен тем, что теплота Q1 подводится при постоянном объеме, отвод теплоты также происходит при постоянном объеме, т.е. ρ=1.

t 1 1к 1 .

Цикл с сообщением теплоты при V = const объединяет двигатели с принудительным зажиганием рабочей смеси.

Степень сжатия – постоянная величина.

V S

vc vh

Рис. 2. Цикл при постоянном объеме

15

При постоянной величине степени сжатия наибольшее значение КПД имеет место для цикла при подводе теплоты Qz при V = const, наименьшее значение при подводе теплоты для р = const, смешанный цикл занимает промежуточное значение (рис. 2).

Для цикла, у которого максимальное давление – постоянная величина, наибольшее значение КПД имеет место, если Qz подводится при постоянном давлении, а наименьшее значение – если Qz подводится при постоянном объеме, смешанный цикл занимает промежуточное значение (рис. 3).

Рис. 3. Цикл при постоянном давлении

2.6. Действительные циклы

Особенности действительных циклов:

1.Рабочее тело – реальный газ.

2.Процессы сжатия и расширения политропные, показатели политроп – переменные величины.

3.Подвод теплоты к рабочему телу осуществляется за счет сгорания топлива внутри цилиндра двигателя при переменном объеме и давлении.

4.Состав рабочего тела не остается постоянным, а претерпевает химические и физические изменения. Количество рабочего тела также не остается постоянным.

5.Внутренняя энергия рабочего тела и теплоемкость – переменные величины.

6.Цикл разомкнут.

7.Наличие гидравлических потерь.

8.Наличие избытка воздуха у дизельных двигателей.

9.Такты не соответствуют ходам поршня.

16

У дизельных двигателей более высокая степень сжатия, и если у бензиновых двигателей f1 – начало проскакивания электрической искры, f2 – начало горения, то у дизельных f1 – начало подачи топлива, f2

– начало горения и f3 – конец подачи топлива.

Рис. 4. Действительный цикл:

а– для дизельного двигателя; б – для бензинового двигателя

Вдействительных циклах открытие впускного клапана осуществляется за 10–30º до прихода поршня в верхнюю мертвую точку. Это дает возможность до прихода поршня в верхнюю мертвую точку создать некоторое проходное сечение впускным клапаном. Кроме того, предварительное открытие впускного клапана используют для продувки цилиндров у двигателей с наддувом. Величина предварительного открытия зависит от степени наддува, скоростного режима и продолжительности перекрытия клапанов (рис. 4).

Закрытие впускного клапана после нижней мертвой точки осуществляется через 40–80º, что позволяет использовать скоростной напор и инерционные явления во впускной системе. Благодаря этому в цилиндр двигателя вводится дополнительная масса свежего заряда. После прохода поршнем нижней мертвой точки происходит дозарядка цилиндра. Влияние дозарядки может быть учтено коэффициентом дозарядки.

17

Величина дозарядки зависит от величины угла запаздывания закрытия впускного клапана, длины впускного тракта, частоты вращения коленчатого вала. Дозарядка на номинальном режиме работы двигателя может составлять 12–15%. При уменьшении скоростного режима работы двигателя уменьшается дозарядка. На холостом ходу и малых скоростных режимах может быть обратный выброс свежего заряда, который может достигать 5–12 %.

Открытие выпускного клапана происходит за 40–70º до нижней мертвой точки, что уменьшает работу, затрачиваемую на выпуск отработавших газов. До НМТ удаляется до 60–70 % отработавших газов. Скорость отработавших газов в начальный период достигает 600– 700 м/с, к концу выпуска 60–70 м/с. Закрытие выпускного клапана осуществляется через 10–50º после ВМТ, что улучшает очистку цилиндра за счет большей скорости истечения.

3. ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ ДВИГАТЕЛЯ

Под тепловым расчетом понимают систему вычислений преимущественно термодинамических, позволяющих определить мощностные и экономические показатели двигатели. Так как мощность Nе и частоту вращения коленчатого вала задают для проектируемого двигателя, то под мощностными показателями понимают литраж двигателя и литровую мощность. Под экономическими показателями двигателя понимают удельный расход топлива и коэффициенты полезного действия.

Обратный тепловой расчет позволяет определить изменение мощностных и экономических показателей двигателя при переводе его с одного вида топлива на другое. Так как выполнить тепловой расчет по действительным циклам практически невозможно, то его выполняют по расчетным циклам (рис. 5).

3.1.Особенности расчетных циклов

1.Учет переменной теплоемкости.

2.Подвод теплоты осуществляется при постоянном объеме, постоянном давлении или смешанно.

3.Процесс сжатия и расширения осуществляется политропно, показатели политроп – постоянные величины.

4.Наличие гидравлических потерь на впуск и выпуск.

18

5.Такты соответствуют ходам поршня и т.д.

3.2.Определение параметров рабочего тела в процессе впуска

Количество свежего заряда, поступившего в цилиндр двигателя в процессе впуска, зависит от следующих факторов:

а) гидравлического сопротивления впускного тракта; б) наличия в цилиндре двигателя остаточных газов; в) подогрева свежего заряда; г) конструктивных особенностей двигателей.

Рис. 5. Расчетные циклы:

а – для дизельного двигателя; б – для бензинового двигателя

3.3. Определение давления рабочего тела в конце впуска

При определении давления рабочего тела в конце наполнения Ра для упрощения расчетов принимают следующие допущения:

а) плотность свежего заряда в процессе наполнения – постоянная величина;

б) давление впуска – постоянная величина; в) процесс рассматривается по установившемуся движению.

19