книги из ГПНТБ / Селиверстов В.М. Теплосиловое оборудование подъемно-транспортных машин учебник

§60. Топливо для карбюраторных двигателей

Вкарбюраторных двигателях применяют легкие сорта топлива— бензин, лигроин, керосин.

Средний элементарный состав бензина: 85%СГ, 14,9%Н,„ 0,05%Sr, 0,05%Or+ N r. Низшая теплота сгорания бензина около 43500 кДж/кг. «

При нормальных условиях сгорания бензина скорость распростра­ нения пламени составляет 20—40 м/с. При некоторых условиях, за­

3000 м/с. Детонационное сгорание сопровождается взрывной волной, резким повышением давления и температуры. Оно является причиной потери мощности и поломок деталей двигателей.

Топливо карбюраторных двигателей должно обладать детонацион­ ной стойкостью. Склонность его к детонационному сгоранию оцениваетется о к т а н о в ы м ч и с л о м .

При определении октанового числа испытуемое топливо сравнива­ ют по детонационной стойкости с эталонным топливом, составленным из изооктана С8Н18 и гептана С7Н16. Изооктан почти не склонен к де­ тонации, а гептан сильно детонирует. Смесь этих углеводородов, в за­ висимости от содержания того или иного компонента, будет обладать различной склонностью к детонации.

Октановое число определяют на стандартном одноцилиндровом дви­ гателе с переменной степенью сжатия. На этом двигателе в стандарт­ ных условиях подбирают смесь, имеющую такие же детонационные свойства, как испытуемый бензин или керосин. Процентное содержание в смеси изооктана принимают за характеристику детонационных свойств топлива, и эту величину называют его октановым числом. С по­ вышением последнего возрастает допустимая степень сжатия горючей смеси в двигателе.

Для повышения октанового числа в топливо вводят специальные добавки, называемые а н т и д е т о н а т о р а м и . В качестве ан­ тидетонатора широко применяют тетраэтилсвинец РЬ (С2Н5)4, который очень ядовит, поэтому с этилированными бензинами надо обращаться осторожно. В зависимости от марок этилированные бензины окраши­ вают в различные цвета.

Отечественная промышленность выпускает автомобильные бензи­ ны следующих марок (ГОСТ 2084—67): А-66, А-72, А-76, АИ-93, АИ-98,

а также марки «Экстра» (ВТУ 67—60). Буква А в марке означает, что бензин автомобильный, буква И — что октановое число его определи-, ется не моторным, а исследовательским методом, цифра указывает на минимально допустимое октановое число.

Бензины марок А-66, А-76, АИ-93 и АИ-98 выпускаются как этили­ рованными, так и неэтилированными, а бензин марки А-72 — только неэтилированным. В карбюраторных двигателях с повышенной сте­ пенью сжатия применяются бензины марок АИ-93 и АИ-98 с высоким октановым числом.

107

Лигроин (тракторный) выпускается одной марки (ГОСТ 2109—46) с октановым числом 54. Керосин (тракторный) — двух марок (ГОСТ 1842—52) с октановым числом 40 и 45.

Содержание серы в автомобильных бензинах допускается не более 0,15%, а в керосине — не более 1,0%. Не допускается во всех легких топливах содержание механических примесей и водорастворимых кис­ лот и щелочей. Кислотность бензинов должна быть не более 3 мг КОН на 100 мл бензина.

§61. Топливо для дизелей

Вкачестве топлива для дизелей используют высококипящие фрак­ ции, получаемые прямой перегонкой и каталитическим крекингом нефти.

Для быстроходных двигателей применяют дистиллятные дизель­

ные топлива, состоящие из лигроино-керосино-соляровых фракций, а для тихоходных — более тяжелые сорта топлива, представляющие смесь мазута и керосино-соляровых фракций. Тяжелые сорта топлива содержат несколько меньшее количество водорода по сравнению с бен­ зином и имеют меньшую теплоту сгорания.

Элементарный химический состав всех тяжелых топлив практичес­ ки одинаков: 85%СГ, 13%Нг, 1%Ог + Nr. Теплота сгорания топлива

42000 кДж/кг.

Топливо, поступающее в цилиндр дизеля, воспламеняется не сразу, а с некоторым запаздыванием во времени. Период задержки воспламе­ нения зависит от химического состава топлива. Так, алкановые угле­ водороды наиболее склонны к воспламенению, а ароматические трудно воспламенимы.

Показателем, характеризующим склонность топлива к воспламене­ нию, является ц е т а н о в о е ч и с л о . Оно определяется на спе­ циальной моторной установке (ГОСТ 3122—52) сравнением воспла­ меняемости испытуемого образца топлива с воспламеняемостью эта­ лонной смеси, составленной из цетана С1еН34, обладающего легкой воспламеняемостью, и альфаметилнафталина СПН10, плохо воспламе­ няющегося. Процент цетана в указанной смеси, при котором воспла­ меняемость ее такая же, как и у испытуемого топлива, называется цетановым числом последнего.

В автотракторных и быстроходных дизелях применяют следующие четыре марки дизельного топлива (ГОСТ 4749—49):

ДА — арктическое, используемое при температуре воздуха ниже —30° С. Цетановое число 40;

ДЗ — зимнее, используемое при температуре воздуха до —30° С. Цетановое число 40;

ДЛ — летнее, используемое при температуре воздуха не ниже 0° С. Цетановое число 45;

ДС — специальное, предназначенное для дизелей, работающих в закрытых помещениях с повышенной температурой воздуха. Цетано­ вое число 50.

Топливо марок А, 3 и Л имеет условную вязкость при 20° С не более 1,7 ВУ°, топливо марки С повышенной вязкости,

108

Содержание серы в дизельных топливах допускается не более 0,2%, а содержание золы — не выше 0,01 %.

В тихоходных дизелях с частотой вращения менее 500 об/мин приме­ няют моторные топлива марок ДТ и ДМ (ГОСТ 1667—68). Эти топли­ ва характеризуются повышенными вязкостью (до 20° ВУ), коксу­

емостью (до 10%) и температурой застывания. Повышенная вязкость этих марок топлива вызывает необходимость их подогрева до 50— 60° С. 1

Г л а в а XVI

ПРОЦЕССЫ ГОРЕНИЯ ТОПЛИВА

§ 62. Количество воздуха, необходимое для горения топлива

Быстрое химическое соединение горючих элементов топлива с кис­ лородом воздуха, сопровождающееся выделением значительного коли­ чества тепла, называется г о р е н и е м т о п л и в а . Количество воздуха, теоретически необходимое для полного сгорания топлива, рассчитывается исходя из реакций горения.

Полное сгорание углерода происходит по реакции

Из приведенных соотношений следует, что на сгорание 1 кг угле­ рода С требуется 2,67 кг кислорода 0 2.

Если кислорода подается мало или подвод его к топливу организо­ ван плохо, то реакция горения углерода протекает не до конца, при этом в продуктах сгорания будет содержаться окись углерода СО:

С + 0,5О2-> СО.

При неполном сгорании углерода выделяется только около 30% тепла, в связи с чем процесс сгорания топлива необходимо организовать так, чтобы углерод сгорал полностью в С 02. Наличие в продуктах горения газа СО указывает на неполноту сгорания топлива.

Водород топлива сгорает по реакции

2Н 2 + 0 2 -V 2НаО,

2 моля Н 2 + 1 моль 0 2 -V 2 моля Н 20,

4 кг Н 2 + 32 кг 0 2 = 36 НаО.

На сгорание 1 кг водорода требуется 8 кг кислорода.

109

содержаться кислорода в количестве Ор, получим следующую рас­ четную формулу для определения необходимой массы кислорода для полного сгорания 1 кг топлива:

где Cp, Нр, Sp, Ор — содержание в топливе соответственно углерода, водорода, серы и кислорода, %.

Кислород, необходимый для горения, берут из воздуха, состояще­ го по массе из 23% кислорода и 77% азота. Тогда теоретически необхо­

где 1,293 кг/м3 — плотность воздуха при нормальных физических усло­ виях.

Учитывая, что в реальных условиях сгорания нельзя добиться со­ вершенного смешения кислорода воздуха с топливом, необходимо под­ водить воздух с некоторым избытком, чем это требуется теоретически.

Отношение количества действительно подаваемого воздуха к тео­

-г- 2,0. Большие значения а в дизелях объясняются худшими условия­ ми смесеобразования.

§ 63. Состав и количество продуктов сгорания

При полном сгорании топлива в состав продуктов горения входят углекислый и сернистый газы, водяной пар, азот и часть кислорода, неиспользованного при горении, а при неполном — еще окись угле­ рода.

ПО

Ч А С Т Ь Ч Е Т В Е Р Т А Я

ДВИГАТЕЛИ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Г л а в а XVII

КЛАССИФИКАЦИЯ, УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП РАБОТЫ ДВИГАТЕЛЕЙ

§ 65. Общие сведения и классификация двигателей

Первый двигатель внутреннего сгорания, работающий на газе, был псстрсен Отто в Германии в 1877 г. Горючая смесь в этом двигателе сбразсЕьшалась Ене цилиндра, а воспламенялась от электрической иск­ ры. Данный двигатель явился прототипом современного газового и карбюраторного.

Двигатель, работающий на легких сортах топлива, в России был спроектирован и построен в 1885 г. И. С. Костовичем. Он предназна­ чался для воздухоплавательных аппаратов.

В 1893 г. Дизелем (Германия) был предложен и в 1897 г. построен двигатель внутреннего сгорания, работающий на керосине с самовос­ пламенением топлива, подаваемого непосредственно в цилиндр через форсунку. Топливо самовоспламенялось за счет высокой температуры воздуха в цилиндре, получаемой в результате его сжатия. Распыливалссь оно в двигателе дизеля сжатым воздухом, создаваемым компрес­ сором с приводом от вала двигателя. Позднее такие двигатели начали называть компрессорными.

Русский ученый Г. В. Тринклер в 1901 г. создал двигатель с вос­ пламенением топлива от сжатия, в котором распыливание его происхо­ дило за счет энергии топлива, сжатого в насосе до высокого давления (бескомпрессорный дизель). Отсутствие в двигателе навешенного комп­ рессора позволило, не ухудшая качества распыливания топлива, повы­ сить его экономичность.

В настоящее время в различных отраслях промышленности приме­ няют исключительно бескомпрессорные двигатели внутреннего сгора­ ния с воспламенением от сжатия, называемые просто дизелями.

Из русских ученых большой вклад в развитие и совершенствование двигателей внутреннего сгорания внесли В. И. Гриневецкий, Е. К. Мазинг, Н. Р. Брилинг, Б. С. Стечкин и др.

Двигатели, применяемые в подъемно-транспортных машинах, мо­ гут быть классифицированы по следующим признакам:

1) по числу тактов за рабочий цикл — на четырех- и двухтактные. В четырехтактных двигателях рабочий цикл совершается за четыре

113

ня Сп = ^ . При средней скорости поршня менее 6,5 м/с двигатели счи­

таются тихоходными, а более 6,5 м/с — быстроходными;

7)по числу цилиндров — на двигатели одноцилиндровые и много­ цилиндровые (двух-, трех-, четырехцилиндровые и т. д.);

8)по расположению цилиндров — на двигатели с однорядным вер­ тикальным, V - и W-образным расположением цилиндров;

9)по конструкции поршня — на двигатели тронковые и крейц­ копфные (рис. 53). Поршень в тронковых двигателях (рис. 53, а) не­

посредственно соединен с шатуном, и его нижняя тронковая часть служит ползуном, передающим давление поршня на стенки цилиндра.

Вкрейцкопфных двигателях (рис. 53, б) поршень посажен на шток /, соединенный со специальным ползуном (крейцкопфом) 2. Последний перемещается по направляющим 3, которые воспринимают боковое давление N.

114

К преимуществам тронкового двигателя относятся меньшие его высота и вес подвижных деталей, что особенно важно для быстроходных двигателей. Недостатком их является сильный эллиптический износ цилиндра. В подъемно-транспортных машинах исключительно при­ меняют двигатели тронкового типа;

10) по наличию устройства, изменяющего направление вращения коленчатого вала, — на двигатели реверсивные и нереверсивные; 11) по назначению — на двигатели автомобильные, тракторные, тепловозные, судовые, стационарные и т. д. Специально для подъемно­

транспортных машин ДВС не выпускают.

По ГОСТ 4393—48 каждому типу двигателя присваивается условное обозначение. Входящие в него буквы означают: Ч — четырехтактный, Д — двухтактный, Р — реверсивный (отсутствие буквы Р указывает на то, что двигатель нереверсивный), С — судовой с реверсивной муфтой, П — с редукторной передачей, II '— с наддувом.

Цифры, стоящие перед буквами, указывают, число цилиндров, а после них — диаметр цилиндра в числителе и ход поршня — в знаме­ нателе в сантиметрах. Например, марка двигателя 6ЧРП 25/34 рас­ шифровывается так: шестицилиндровый четырехтактный реверсивный с редукторной передачей с диаметром цилиндра 25 см и ходом поршня

34 см.

§ 66. Четырехтактный карбюраторный двигатель

Устройство четырехтактного карбюраторного двигателя дано на рис. 54. Основными элементами его являются картер 1, цилиндр 7 и цилиндровая крышка 8. Эти детали жестко соединены между собой и образуют остов двигателя. В цилиндре перемещается поршень 9, со­ единенный шарнирно поршневым пальцем 11 с шатуном 3. В нижней части шатун соединен с кривошипом коленчатого вала 16. Кривошип­

но-шатунный механизм преобразует возвратно-поступательное движе­ ние поршня во вращательное движение коленчатого вала. Горючая смесь, приготовленная в карбюраторе 13, через впускной клапан 12

поступает в цилиндр двигателя. Воспламеняется она от электрической свечи 10, получающей ток высокого напряжения от индукционной ка­ тушки через прерыватель 14.

Продукты сгорания удаляются из цилиндра через выпускной кла­ пан 6. Впускной и выпускной клапаны открываются в требуемые мо­ менты времени под воздействием кулачков распределительного вала 4, а закрываются под действием пружин 5. Распределительный вал и пре­

рыватель системы зажигания получают вращение от коленчатого вала двигателя через шестерни 15. При сгорании топлива в цилиндре соз­

дается высокое давление газов. Поэтому во избежание прорыва их в картер поршень в цилиндре уплотняется компрессионными кольца­ ми 17, устанавливаемыми в канавки на боковой поверхности поршня.

Кольца прижимаются к цилиндру под воздействием сил упругости и давления газов р.

На конце вала двигателя установлен маховик 2, служащий для

уменьшения неравномерности вращения коленчатого вала, а в четырех-

115

тактных двигателях с числом цилиндров менее четырех также для

вывода поршня из мертвых точек.

Крайние положения поршня в цилиндре называются верхней мерт­ вой точкой (в. м. т.) и нижней мертвой точкой (н. м. т.).

Рис. 54. Схема четырехтактного карбюраторного двигателя

Объем, описываемый поршнем в цилиндре при движении от верх­ ней к нижней мертвой точке, называется р а б о ч и м о б ъ е м о м Vh. Рабочий объем всех цилиндров двигателя в литрах определяется

по формуле

'4

где D — диаметр цилиндра, м;

5 — ход поршня, м; і — число цилиндров двигателя.

Объем цилиндра над поршнем при нахождении его в в. м. т. на­

Рабочий процесс любого двигателя, в том числе и четырехтактного карбюраторного, наиболее удобно рассматривать в индикаторной ди­ аграмме. По ее оси абсцисс откладывают объемы, занимаемые рабочим телом, а по оси ординат — давления газов в цилиндре при различных положениях поршня (рис. 55). Горизонтальная линия, нанесенная на диаграмме, соответствует атмосферному давлению.

Первый такт — впуск горючей смеси (линия га). Он начинается

с движения поршня от в. м. т. к н. м. т. при открытом впускном клапа­ не. В начале такта объем камеры сжатия Ѵс заполнен остаточными га-

116