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

= 4,64, получим

1—0,216 = 0,784,

4,64

или 78,4% против 23,5% для цикла, рассмотренного в примере. По­ следнее говорит о том, что цикл, рассмотренный в примере предыду­ щего параграфа, термодинамически весьма несовершенен.

§ 13. Теоретический цикл двигателя внутреннего сгорания

Рассмотрим цикл двигателя с самовоспламенением топлива от сжатия (дизель) — цикл со смешанным подводом тепла.

Рабочее тело (воздух), имеющее первоначальный объем V x (рис. 25),

В результате столь сильного сжатия температура воздуха дости­

40

Pi

называется степенью увеличения давления при сгорании. Отношение объема У3 в конце сгорания к объему V2 в начале сго­

рания

^= Р

называется степенью предварительного расширения.

После окончания сгорания (точка 3) газы расширяются адиабатно (процесс 3—4) и поршень перемещается в исходное положение1 . Однако в точке 4 давление и температура газов оказываются значи­ тельно выше исходных, т. е. выше, чем в точке 7.

Для получения цикла, т. е. замкнутого контура, необходимо по­ низить давление и температуру до рг и tu что теоретически достигает­ ся мгновенным охлаждением рабочего тела путем отнятия от него

Сокращая массу газа G и деля числитель и знаменатель дроби на cvm, получаем

и М — 3 не как сгорание топлива, а лишь как подвод к рабочему телу внешнего

тепла без изменения его химического состава (см. § 16).

41

Если, пользуясь формулами основных процессов, выразить темпе­

с ростом степени сжатия е и величины X, т. е. с увеличением максималь­ ного давления в цилиндре. С ростом же величины р к. п. д. умень­ шается, что говорит о невыгодности затяжного подвода тепла, сопро­ вождающегося увеличением объема газов при сгорании.

На рис. 26, а показаны графики термического к. п. д. цикла в за­ висимости от степени сжатия б при различных значениях X, при этом

В карбюраторных и большинстве газовых двигателей предваритель­ ному сжатию подвергается не воздух, а заранее подготовленная взрыв­

самовоспламенения смеси вследствие повышения температуры от сжа­ тия степень сжатия е не превышает 9 (чаще 6—8). Малая степень сжа­ тия является основной причиной более низкой экономичности этих

рис. 27.

42

температуру в типичных точках и термический к п. д. цикла со смешанным под­

т.

откуда

2 — = Г 2 Я =955 К-1,4 = 1 340К,

/ м = 1 340К—273К = 1 067° С.

Для изобарного процесса М—3 по формуле (23)

Деля числитель и знаменатель правой части на V2> получим

к— 1

к— 1

Рис. 27. Цикл с изохорным подво­ дом тепла

43

которые газовые двигатели. В двигателях с внешним смесеобразова­ нием цилиндр заполняется уже готовой смесью топлива с воздухом, образование которой происходит вне цилиндра. К таким двигателям относятся карбюраторные и большинство газовых;

п о с т е п е н и с ж а т и я . К двигателям высокого сжатия отно­ сятся все дизели и газовые двигатели с подачей запального жидкого топлива или сжатого газа в конце сжатия. Степень сжатия е в этих

зажигания — в большинстве случаев электрическая искра. Все двига­ тели, работающие по термодинамическому циклу с изохорным подво­ дом тепла, являются двигателями низкого сжатия;

п о р о д у т о п л и в а , т. е. тяжелого (дизельное и моторное топливо, мазут), легкого жидкого (бензин и керосин) и газового (все

При средней скорости поршня 3—6 м/сек двигатели считаются ти­

число цилиндров не превышает шести, то они в большинстве случаев располагаются вертикально в один ряд. При большем числе цилиндров чаще всего применяется V-образное расположение в -два ряда. При этом каждая пара цилиндров работает на одно общее колено вала. На

Рис. 28. Схемы компоновки многоцилиндровых двигателей

45

рис. 28 показаны схемы различной компоновки многоцилиндровых двигателей: / — рядный вертикальный; 2— V-образный; 3 — W-об- разный; 4 — горизонтальный оппозитный; 5 — горизонтальный Н-образный; 6 — звездообразный. Применяются и другие компоновки.

§ 15. Основные конструктивные элементы двигателей

Двигатель внутреннего сгорания представляет собой комплекс

новные функции двигателя — осуществление рабочего цикла и пере­ дачу получаемой при этом механической работы на вращающийся вал. Рабочий механизм состоит из остова, внутри которого помещен ци­ линдр с тщательно шлифованной внутренней поверхностью, закрытый сверху цилиндровой крышкой. В цилиндре движется поршень, кото­ рый устанавливается с достаточным зазором, обеспечивающим ему при нагревании свободное расширение. Чтобы не допустить при этом про­ рыва газов через зазор, имеются разрезные уплотняющие кольца, вставленные в кольцевые канавки (ручьи), проточенные на внешней цилиндрической поверхности поршня. Кольца, упруго прижимаясь к стенке цилиндра, обеспечивают герметичность, не препятствуя порш­ ню расширяться.

Из-за тяжелых температурных условий работы поршня, непосред­ ственно соприкасающегося с горячими газами, двигатели внутреннего сгорания, за редким исключением, бывают п р о с т о г о д е й с т ­ в и я , в которых рабочий процесс совершается только по одну сторону поршня. Это облегчает условия охлаждения поршня и упрощает кон­ струкцию кривошипно-шатунного механизма.

имеет стаканообразную форму, что препятствует перекосу его в ци­ линдре. Внутри поршня в средней части имеются приливы — бобыш­ ки, в отверстия которых вставлен поршневой палец, шарнирно со­ единяющий поршень с шатуном. Противоположная нижняя головка шатуна с помощью подшипника соединена с кривошипной шейкой ко­ ленчатого вала. Коленчатый вал вращается в опорных (коренных) подшипниках, один из которых одновременно является и упорным, препятствуя продольным смещениям вала. Для уменьшения неравно­ мерности вращения, обусловливаемой толчкообразным характером действия газов на поршень и инерционными силами возвратно-посту­ пательно движущихся масс, на конце вала укрепляется маховик. Ко­ ленчатый вал с помощью муфты соединяется с валом агрегата, приво­ димого в действие двигателем (компрессор, генератор и т. п.).

Если R (рис. 29) — расстояние между осями вала и кривошипной шейки, то ход поршня, т. е. расстояние между его наивысшим и наи­ низшим положениями, называемыми мертвыми точками (в. м. т. и

46

с аккумуляторной батареей), механического прерывателя, индукцион­ ной катушки, повышающей напряжение с 6—12 в до 12—15 кв, рас­ пределителя тока высокого напряжения и свечей зажигания. В не­ которых двигателях применяется электрическое зажигание от магнето. В этом случае постоянно действующий источник тока — аккумулятор­

линдров, поршней, цилиндровых крышек, клапанов — и не допускает чрезмерного их нагревания. При водяном охлаждении, наиболее часто применяемом в двигателях, в систему охлаждения входят охлаж­ дающие рубашки в виде полостей в стенках цилиндров и цилиндровых крышек и холодильник (радиатор), где происходит охлаждение воды, нагревающейся в рубашках, и отдача тепла окружающей среде. Ин­ тенсивная циркуляция воды в системе охлаждения достигается с по­ мощью центробежного насоса.

С и с т е м а с м а з к и предназначена для осуществления жид­ костного трения деталей двигателя. Это уменьшает потерю мощности на трение и износ деталей. Кроме того, современные системы смазки обеспечивают непрерывный отвод от деталей тепла и продуктов изно­ са. Слой масла на стенках цилиндров препятствует утечке газов из рабочих полостей и обеспечивает герметичность. Система смазки сос­ тоит из масляного резервуара, циркуляционного насоса, фильтров

двигателя и отдельных его систем. Применяются указатели темпера­ туры смазочного масла, топлива и охлаждающей воды, давления масла в системе смазки, числа оборотов вала (тахометр) и др. Номинальный режим работы систем автоматически поддерживается регуляторами давления масла и топлива, температуры охлаждающей воды, момента подачи искры (в двигателях с электрическим зажиганием), скорости вращения вала двигателя и пр. Наличие приборов автоматической за­ щиты повышает надежность работы и уменьшает возможность аварии двигателя.

Наиболее желательны следующие приборы защиты: автомат, вы­ ключающий топливные насосы и останавливающий двигатель при по­ вышении числа оборотов вала до предельной величины; автомат, сни­ мающий нагрузку или останавливающий двигатель при падении дав­ ления масла до установленного значения; автомат, снимающий нагруз­ ку при повышении температуры охлаждающей воды до недопустимой величины.

У с т р о й с т в а п у с к а д в и г а т е л я обеспечивают сооб­ щение валу от постороннего источника энергии первоначальной ско­ рости вращения, достаточной для заполнения цилиндров воздухом или

48

электростартерный пуск (автомобильные карбюраторные двига­ тели и дизели, тепловозные двигатели). Вал двигателя раскручивается электродвигателем от постороннего источника электроэнергии (обыч­ но от аккумуляторной батареи);

пуск с помощью карбюраторного пускового двигателя небольшой мощности. Этот способ применяется в большинстве тракторных дизе­ лей. Предварительно вручную пускают небольшой бензиновый дви­ гатель (пускач), с помощью которого раскручивается вал основного дизеля при выключенном сжатии (это достигается с помощью спе­ циального устройства, не позволяющего закрываться впускным кла­ панам). После прогрева основного дизеля, включения сжатия, топ­ ливных насосов, а также получения регулярных вспышек пусковой двигатель отключается и останавливается;

пуск сжатым воздухом. В рабочие цилиндры двигателя через спе­ циальные пусковые клапаны подаются сжатый воздух или продукты сгорания из пускового баллона. В период раскручивания вала дви­ гатель работает за счет энергии сжатого газа. Для зарядки пускового баллона у двигателя имеется специальный компрессор или баллон заряжается продуктами сгорания, отбираемыми из цилиндров дви­ гателя;

пуск дизеля на бензине. При таком способе пуска дизель имеет пусковой карбюратор, магнето и дополнительную камеру сгорания, при включении которой степень сжатия уменьшается до величины, обеспечивающей легкость пуска двигателя вручную. После пуска и достаточного прогрева двигателя дополнительная камера сгорания отключается специальным клапаном. Затем включается топливный насос и выключается карбюратор. Двигатель начинает работать с са­ мовоспламенением топлива от сжатия.

§ 16. Четырехтактные и двухтактные двигатели

При осуществлении рабочего цикла реального двигателя в цилиндре происходит сгорание топлива, что термодинамически рассматривается как подвод тепла к рабочему телу. Однако при сгорании происходит химическая реакция, которая не позволяет использовать рабочее тело для повторного цикла. Это требует после совершения каждого цикла замены сгоревших газов свежей смесью или воздухом. В зависимости от способа, каким осуществляется эта замена, двигатели бывают че­ тырехтактные или двухтактные. В четырехтактных двигателях сгорев­ шие газы, заполняющие после расширения цилиндр, вытесняются поршнем, после чего в цилиндр засасывается свежий заряд воздуха или смеси. На эти вспомогательные процессы расходуются два допол­ нительных хода поршня, т. е. один оборот коленчатого вала. В двух­ тактных двигателях замена сгоревших газов в цилиндре свежей смесью или воздухом после совершения каждого цикла производится путем продувки цилиндра в период нахождения поршня около нижней мерт­ вой точки. В результате продувки сгоревшие газы вытесняются из цилиндра, и он заполняется воздухом или смесью воздуха с топливом.

49