книги из ГПНТБ / Теория двигателей внутреннего сгорания. Рабочие процессы учебник

ПРЕДИСЛОВИЕ

Поршневой двигатель внутреннего сгорания по сравнению с любым другим тепловым двигателем является наиболее эконо­ мичным. Высокая экономичность, малая металлоемкость, надеж­ ность и относительная долговечность позволяют этому типу ма­ шин занять ведущее место в народном хозяйстве. Для поршневых двигателей характерны также большие масштабы производства,

Общая мощность поршневых двигателей в данное время зна­ чительно превышает мощность всех электростанций СССР.

В связи с отмеченным, вопрос подготовки высококвалифици­ рованных инженерных кадров по специальности ДВС носит весьма актуальный характер. Важность подготовки кадров повышается еще больше ввиду новых задач, поставленных XXIV съездом КПСС о повышении сроков службы и надежности двига­ телей внутреннего сгорания.

В учебнике излагаются вопросы теории рабочих процессов поршневых и турбопоршневых двигателей, применяющихся в су­ довых и стационарных установках, на тепловозах, автомобилях и тракторах, сельскохозяйственных машинах самого широкого на­ значения и на передвижных энергетических и нефтебуровых уста­ новках.

Кроме этого, большое внимание уделено вопросам совместной работы двигателя с турбонагнетателем и вопросам анализа, а также методам снижения теплонапряженности. Приводятся рекоменда­ ции для оценки характеристик подачи и выгорания топлива в их взаимной связи и для их анализа с помощью широкого применения электронных вычислительных машин. Последнее явилось воз­ можным потому, что в действующих учебных планах втузов под­ готовки инженеров появились курсы вычислительной математики, математических машин и программирования.

Разработку примеров расчета цикла (гл. III, § 5) и расчета процессов газообмена в двухтактных двигателях (гл. IV, § 6) осуществил преподаватель кафедры канд. техн. наук В. В. Ларио­ нов. В гл. XII, § 5 написал С. А. Батурин.

Авторы приносят благодарность сотрудникам кафедры ДВС ЛПИ доцентам Б. А. Харитонову и В. М. Петрову за помощь в подготовке рукописи к изданию.

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

4

п— частота вращения коленчатого вала дви­ гателя;

со — угловая скорость вращения коленчатого вала двигателя;

ст — средняя скорость поршня;

ф— потерянная доля хода поршня;

т— коэффициент тактности двигателя;

5

РАЗДЕЛ ПЕРВЫЙ

ЦИКЛЫ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Г Л А В А I

ИДЕАЛЬНЫЕ И ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ЦИКЛЫ

§1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Вреальном поршневом двигателе внутреннего сгорания преоб­ разование тепловой энергии, выделяющейся при сгорании топлива,

вмеханическую работу происходит через ряд последовательных физико-химических и термодинамических преобразований, со­

ставляющих в совокупности круговой необратимый и незамкну­ тый цикл. Такой цикл принято называть р а б о ч и м , или д е й ­ с т в и т е л ь н ы м ц и к л о м . Однако непосредственное изу­ чение рабочего цикла затруднено сложностью всей совокупности факторов, влияющих на протекание процесса в целом. К таким факторам относятся следующие: режим работы двигателя; со­ став смеси; способ смесеобразования и воспламенения; степень сжатия и многие конструктивные факторы. Кроме того, в поршне­ вых двигателях имеет место одновременное протекание термоди­ намических, газодинамических и теплообменных процессов, крат­ ких по времени и накладывающихся друг на друга, что еще больше усложняет картину явлений в действительном рабочем цикле поршневого двигателя.

Ввиду сложности явлений, происходящих в цилиндре двига­ теля, оценку влияния отдельных факторов на рабочий процесс

должны приниматься во внимание явления и потери энергии, ко­ торые сопутствуют основным процессам и вызываются не термо­ динамическими требованиями, а влиянием на главные процессы действительных реальных условий. При такой схематизации про­ текающих в цилиндре двигателя сложных явлений преобразова-, ния теплоты в механическую работу рабочие циклы превращаются в и д е а л ь н ы е , в которых методом абстракции возможно уложить все процессы в рамки чисто термодинамической задачи.

6

в котором отсутствуют какие-либо потери Энергии, не обусло­ вленные согласно второму закону термодинамики необходи­ мостью отдачи теплоты холодному источнику.

Основные условия идеального цикла заключаются в следую­ щем:

1.Рабочим телом в цикле служит идеальный газ, неизменный по весу, химическому составу, теплоемкости, а процесс горения заменяется мгновенным подводом тождественного количества теплоты <Зг от горячего источника и отдачей теплоты Q2 холодному источнику;

2.Мгновенный подвод теплоты может осуществляться при

3.При совершении обратимых процессов превращение теп­ лоты в механическую работу является максимальным, т. е. вели­ чина термодинамического к. п. д. цикла по сравнению с индика­ торным к. п. д. двигателя — максимальная;

4.Все типы циклов в одинаковых условиях сравнимы между собой и есть возможность получить максимально достижимый предел использования теплоты в том или другом цикле, наглядно

выявить основные параметры, влияющие на их экономичность, и наметить пути дальнейшего совершенствования двигателей.

Следовательно, исходя из абстрактно поставленной задачи, с помощью сравнительного анализа можно получить практически ценные выводы. В этом надо видеть смысл исследования идеаль­ ных циклов.

В теории рабочих процессов поршневых и турбопоршневых двигателей внутреннего сгорания в зависимости от принятых исходных условий и целевого назначения исследования кроме идеального цикла рассматриваются также теоретический и рабо­ чий (действительный) циклы.

Теоретический цикл отличается от идеального тем, что в нем рабочим телом являются реальные газы переменного состава по мере сгорания топлива и с переменной теплоемкостью. Прини­ мается допущение, что’ сгорание топлива мгновенное и полное — без потерь (теплоотдача отсутствует).

Как отмечалось выше, рабочий (действительный) цикл совер­ шается в цилиндрах современных реальных двигателей, где сго­ рание топлива происходит по сложным физико-химическим зако­ нам. В течение всего времени протекания цикла имеет место тепло­ обмен с внешней средой. Рабочим телом являются реальные газы переменного состава с переменной теплоемкостью, учитывающие также изменение количества и диссоциацию продуктов сгорания.

Из сравнения этих циклов следует, что теоретический цикл представляет собой следующую после идеального цикла ступень приближения к рабочему (действительному) циклу.

Различные требования, предъявляемые к двигателям внутрен­ него сгорания, привели к созданию самых разнообразных типов

7

этих двигателей. Однако с точки зрения осуществляемого в рабо­ чем цилиндре термодинамического цикла они могут быть под­ разделены на три основные группы:

1) двигатели, работающие по циклу с подводом теплоты при постоянном объеме;

2)двигатели, работающие по циклу с подводом теплоты при постоянном давлении;

3)двигатели, работающие по смешанному циклу с подводом теплоты при постоянном объеме, а потом при постоянном давле­ нии.

В четырехтактном двигателе с наддувом и двухтактных дви­ гателях термодинамический цикл осуществляется как в рабочем цилиндре двигателя, так и в дополнительном агрегате, т. е. в при­ водном нагнетателе или в продувочном насосе. При анализе по­ добных типов двигателей осуществляется совместное рассмотре­

ние цикла.

§ 2. ИДЕАЛЬНЫЕ ЦИКЛЫ ДВИГАТЕЛЕЙ БЕЗ НАДДУВА

Цикл с подводом теплоты при постоянном объеме

(V = const)

Схема идеального цикла при V = const приведена на рис. 1.1. При рассмотрении кругового процесса на оси абсцисс можно представить любой абстрактный объем, но в нашем случае, в це­ лях приближения к реальным условиям, откладывается объем цилиндра двигателя и изменение объема его достигается пере­

8

Идеальный цикл, осуществляемый по схеме на рис. 1.1, яв­ ляется циклом двигателей с искровым (принудительным) зажи­ ганием.

Основными показателями любого цикла являются экономич­ ность, характеризующаяся термодинамическим к. п. д. тр, и эффек­ тивность, определяемая удельной работой цикла, т. е. работой, приходящейся на единицу разности между максимальным и ми­ нимальным объемами рабочего тела в цикле. Чем больше удельная работа, тем меньшие размеры рабочего цилиндра поршневого двигателя потре­ буются для получения задан­ ной мощности.

Термодинамический к. п. д. цикла представляет собой от­ ношение количества теплоты, преобразованного в механиче­ скую работу, к количеству теп­ лоты, подведенному к рабочему телу

ккал/кмоль; Qx— Q2— использованная теплота или преобразо­ ванная в работу, ккал/кмоль.

Для установления характера и степени влияния параметров

где рС)/— молекулярная теплоемкость при постоянном объеме, ккал/кмоль-град.

Тогда после подстановки

Использовав известные из термодинамики соотношения между температурами в характерных точках цикла и его парамет-

9