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

на рис. 36, б. В этом случае моменты сил Рип первого и третьего ци­ линдров относительно точки 0, действующие по часовой стрелке, будут уравновешиваться моментами сил Filn четвертого и второго цилиндров, действующими против часовой стрелки. Исходя из этого валы всех четырехцилиндровых четырехтактных двигателей выполняются всегда по этой схеме. В зависимости от размеров двигателя, требований же­ сткости и износоустойчивости число коренных подшипников для рас­ сматриваемого вала может быть от двух (только концевые) до пяти. Как видно из схемы рис. 36, б, последовательность прохождения порш­ ней через верхние мертвые положения, а следовательно, и последова­ тельность вспышек будут 1—3—4—2 или 1—2—4—3. Оба эти вариан­ та совершенно равноценны и в одинаковой степени применяются в че­ тырехцилиндровых четырехтактных двигателях.

В шестицилиндровом четырехтактном двигателе угол между коле-

720°

нами вала а = —^- = 120°, а для обеспечения лучшей уравновешен­ ности колена вала располагаются по схеме, приведенной на рис. 36, в. Избегая возникновения вспышек последовательно в соседних цилинд­ рах и принимая вращение вала по часовой стрелке, получим порядок

работы 1—5—3—6—2—4.

В четырехцилиндровом двухтактном двигателе угол между коленами

360°

вала а = —^— = 90° и колена расположены по схеме, показанной на рис. 36, г. Легко видеть, что такое расположение колен не обеспечи­ вает уравновешивания моментов, возникающих от сил инерции дви­ жущихся масс. Для их уравновешивания применяется специальная система вращающихся противовесов. Порядок работы цилиндров при вращении вала по часовой стрелке будет 1—3—4—2.

Г л а в а I I I

КРУТЯЩИЙ МОМЕНТ, МОЩНОСТЬ

ИЭКОНОМИЧНОСТЬ ДВИГАТЕЛЕЙ

§22. Крутящий момент

исреднее эффективное давление

Способность двигателя преодолевать сопротивление, создаваемое

60

Нетрудно убедиться в том, что эффективный крутящий момент у каждого данного двигателя пропорционален среднему эффективному давлению. Работа, получаемая на валу от действия каждого цилиндра двигателя за одну минуту, будет L e кп, где к — коэффициент тактности

L e = PeVh и учитывая число цилиндров двигателя z, получаем общую мощность на валу двигателя (эффективная мощность) в л. с.

дг _ peVhKttz

е60-75

Если произведение рабочего объема цилиндра на число цилиндров Vhz = Vh0 выразить в литрах (литраж двигателя), а среднее эффектив­ ное давление — в кгс/см2, то формула получает вид

или окончательно

Следует отметить, что коэффициент тактности к для четырехтакт­ ных двигателей всегда равен 0,5, так как число рабочих циклов в два раза меньше числа оборотов вала. Для двухтактных двигателей к = 1.

Вмеждународной системе единиц измерения СИ, когда ре выражено

вн/ж2 ,

Ме = Сире.

61

Эффективный крутящий момент Ме или пропорциональное ему среднее эффективное давление р е служат критерием н а г р у з о ч н о ­ г о р е ж и м а р а б о т ы д в и г а т е л я , число же оборотов п вала является критерием с к о р о с т н о г о р е ж и м а .

У современных дизелей, применяемых на рефрижераторных по­ ездах и секциях, среднее эффективное давление при номинальной

Решение. Литраж двигателя

Крутящий момент

Ме = 1,59 УЛо кре = 1,59-9,5-0,5-5,45 = 41 кгс-м.

§23. Среднее индикаторное давление

ииндикаторная мощность

неизбежны потери на трение в механизме и затрата работы на привод

цикл. Отношение индикаторной работы к рабочему объему цилиндра называется с р е д н и м и н д и к а т о р н ы м д а в л е н и е м .

В

62

Обозначая масштабы давления т и объема индикаторной диаг­ раммы, имеем L | = \ттх и Vh = ltnx, где / — площадь индикаторной диаграммы; / — длина основания индикаторной диаграммы.

средней высотой индикаторной диаграммы, т. е. высотой прямоуголь­ ника, равновеликого индикаторной диаграмме и имеющего одинако­ вое с ней основание. При вычислении рг по индикаторной диаграмме площадь ее / в мм2 находится планиметрированием, длина основа­ ния / измеряется в миллиметрах.

При вычислении р г без помощи планиметра пользуются следующим приближенным методом.

Основание индикаторной диаграммы делят на десять равных ча­ стей и через точки деления проводят вертикали. Дополнительно к это­ му проводят вертикали АВ и CD, отступая от концов основания диаг-

ченные между верхней и нижней ветвями диаграммы. Среднее инди­ каторное давление подсчитывается по формуле

Во всех приведенных выше формулах масштаб давления т должен иметь размерность н/м2/мм или кгс/см2/мм.

Действительная мощность, развиваемая газом внутри цилиндра, называется внутренней, или индикаторной, мощностью.

Имея в виду, что Vh z = V^, получаем окончательно

Вэтой формуле pt имеет размерность в кгс/см2, V/,0—в л. Эффективная мощность будет

Ne = Ntr\M.

Пример. Площадь индикаторной диаграммы, снятой с одного из цилиндров четырехтактного четырехцилиндрового двигателя, /=340 мм2. Длина основания диаграммы / = 70 мм. 1 мм ее высоты соответствует 1,4 кгс/см2-мм. Определить индикаторную мощность двигателя, если частота вращения вала п = 750 об/мин. Диаметр цилиндров двигателя D = 180 мм, ход поршней S = 220 мм.

63

Решение. Средняя высота индикаторной диаграммы

f340

/г с р = — = — = 4,86 мм.

При более точных испытаниях и регулировках многоцилиндровых двигателей следует снимать индикаторные диаграммы с каждого ци­ линдра в отдельности в целях проверки идентичности их работы.

С учетом возможного различия в действии отдельных цилиндров индикаторная мощность в л. с. может быть найдена более точно по формуле

tfi=w + ( 6 0 )

Практически об идентичности работы цилиндров многоцилиндро­ вого двигателя часто судят по температурам выхлопных газов, которые для отдельных цилиндров не должны значительно различаться. Сле­ дует, однако, заметить, что этот примитивный способ далеко не гаран­ тирует правильного контроля за распределением мощности между цилиндрами двигателя. Только путем индицирования отдельных ци­ линдров с последующим определением средних индикаторных давле­ ний можно выявить фактическую мощность, развиваемую газами в том или другом цилиндре. С этой целью разработаны приборы, поз­ воляющие снимать индикаторные диаграммы с двигателей любых типов и характеристик (циклографы, электропневматические индика­ торы, осциллографы и т. п.). Эти приборы применяются при ремонте и регулировке дизелей.

Ко всему сказанному следует добавить, что среднее индикаторное давление р г , а следовательно, и мощность двигателя изменяются про­ порционально весовому заряду цилиндра воздухом, который в свою очередь изменяется пропорционально давлению и обратно пропор­ ционально абсолютной температуре окружающей среды. Вследствие этого при понижении давления окружающего воздуха и повышении его температуры мощность двигателя падает. В паспортных данных обычно указывается номинальная мощность двигателя при нормальных физических условиях окружающей среды (см. § 1).

64

§24. Сопоставление четырехтактных

идвухтактных двигателей

Двухтактный двигатель при одинаковых среднем эффективном дав­ лении, числе и размерах цилиндров должен развивать удвоенный крутящий момент по сравнению с четырехтактным за счет в два раза большей величины коэффициента тактности к. Следовательно, при одном и том же числе оборотов вала мощность двухтактного двигателя должна быть в два раза больше четырехтактного. В действительности же вследствие использования части хода поршня для продувки ци­ линдра и худшего наполнения его свежим зарядом мощность двух­ тактного двигателя обычно больше мощности четырехтактного только в 1,5—1,7 раза.

Двухтактные двигатели отличаются более равномерным вращением вала и требуют меньшего веса маховика; они имеют более простую конструкцию и меньшую стоимость. Кроме того, эти двигатели легче запускаются сжатым воздухом или сжатыми газами сгорания.

К достоинствам четырехтактных двигателей следует отнести мень­ шую тепловую напряженность рабочих деталей вследствие того, что сгорание происходит только один раз за два оборота вала, лучшую очистку цилиндра от сгоревших газов и лучшее наполнение свежим зарядом воздуха.

В отличие от двухтактного четырехтактный двигатель при внешнем смесеобразовании не имеет утечки горючей смеси через выпускные органы при газообмене, вследствие чего четырехтактный процесс особенно широко применяется в карбюраторных и газовых двигателях.

Дизели выполняются как двухтактными, так и четырехтактными. Большая часть стационарных газовых двигателей и почти все двига­ тели с внешним смесеобразованием для автомобилей и тракторов вы­ полняются четырехтактными.

§ 25. Применение наддува

Мощность двигателя в значительной мере зависит от давления в начале сжатия. В четырехтактных двигателях при всасывании из

с принудительным наполнением цилиндра воздухом повышенного давления, что называется н а д д у в о м .

В четырехтактных двигателях для привода воздушного нагнетателя обычно используется энергия уходящих газов. При этом отработавшие газы, имеющие в выпускном коллекторе повышенное давление, на­ правляются в турбину, приводящую в действие центробежную возду­ ходувку. Схема такого (газотурбинного) наддува четырехтактного двигателя показана на рис. 38. Отработавшие газы из цилиндров / двигателя поступают в газовую турбину 2, а из нее отводятся в атмос­ феру. Центробежная воздуходувка 3, приводимая турбиной, засасывает

оказывается недостаточно для привода воздуходувки, особенно при запуске двигателя и малых нагрузках.

С учетом этого в двухтактных двигателях применяются воздухо­ дувки с приводом от вала двигателя или газотурбинная воздуходувка производит только частичное сжатие воздуха (первая ступень), после чего воздух дожимается воздуходувкой, приводимой от вала двигателя (вторая ступень).

§ 26. Тепловой баланс и к. п. д. двигателя

Работа реального двигателя неизбежно сопровождается различ­ ными тепловыми потерями. Если теплоту сгорания топлива Qft рас­ сматривать как тепло, затраченное на действие двигателя, то на осно­ вании закона сохранения энергии можно написать

Qe = Qe "Т" Qoxn ~f~ Qyx ~Ь QXhm ~Ь Qnpo4-

Это равенство называется уравнением теплового баланса двига­

66

Слагаемые теплового баланса могут быть определены при испыта­ нии двигателя.

Для анализа тепловых потерь более удобно выражать их не в аб­

Уравнение теплового баланса в этом случае принимает вид

<7е + Voxл + <7ух + <7хим + <7проЧ = Ю0.

Примерные средние значения отдельных слагаемых теплового ба­ ланса при полной мощности составляют для дизеля (в % ) :

а в тепловых единицах

Израсходованное тепло QT Ql ккал/кг. Таким образом, г|е =

_ 75-360(We 632УУе

~427BQP ~ SQP

Отношение ^г- = bе кг/л.с.-ч представляет собой удельный расход топлива, поэтому окончательно получаем

632

11е =

Отношение эффективного к. п. д. к термическому к. п. д. идеаль­ ного цикла

топлива Ье для различных типов двигателей имеют следующие при­

хода топлива В, удельного расхода топлива Ье и эффективного к. п. д. дизеля в зависимости от мощности N е . Из рассмотрения этих графиков вытекают следующие общие закономерности.

При уменьшении нагрузки, а следовательно, развиваемой двига­

68

Удельный расход топлива bе по мере уменьшения нагрузки сначала несколько уменьшается, а при дальнейшем снижении нагрузки все более и более увеличивается. Эффективная мощность, при которой удельный расход топлива оказывается наименьшим, называется эко­ номической. Чаще всего у дизелей экономическая мощность состав­ ляет 0,8—0,9 полной, т. е. номинальной, мощности N е в .

Эффективный к. п. д. двигателя имеет наибольшее значение при экономической мощности JVe3.

При холостом ходе он всегда равен нулю.

§ 27. Виды топлива для двигателей внутреннего сгорания и процесс горения

Двигатели внутреннего сгорания работают только на жидком и газообразном топливе. Жидкое топливо является продуктом перера­ ботки натуральной нефти. По мере нагревания нефти при атмосфер­ ном давлении из нее последовательно выделяются фракции: бензин, тяжелый бензин, или лигроин, керосин, газойль и соляр. Путем даль­ нейшей обработки и очистки газойля, а также соляра получается д и - з е л ь н о е т о п л и в о .

Мазут, полученный в качестве остатка при прямой перегонке неф­ ти, подвергается дополнительной химической переработке под высо­ ким давлением (крекинг-процесс), в результате чего дополнительно получаются светлые нефтепродукты: крекинг-бензин, крекинг-керо­ син, дизельное топливо.

В качестве топлива для дизелей используются высококипящие фракции прямой перегонки нефти, а также продукты крекинг-процесса.

менее вязкое топливо (дизельное). Для карбюраторных двигателей топ­ ливом служит бензин, обладающий хорошей испаряемостью при обыч­ ных температурах. При низкой степени сжатия применяется также лигроин и керосин.

Жидкое топливо представляет собой смесь различных по своим свойствам химических соединений, в состав которых входит углерод С, водород Н, кислород О и сера S. При наличии влаги Н 2 0 процентное содержание последней по весу обозначается W. Таким образом, в об­ щем случае элементарный состав жидкого топлива, выраженный про­ центным содержанием его элементов по весу, определяется уравнением

C + H + 0 + S + W = 100%.

.69