книги из ГПНТБ / Теория поршневых двигателей внутреннего сгорания Метод. пособие

Условно [10] принята такая градация жесткости работы ДВС:

т|t ДВС тем больше, чем больше действительная степень сжатия ед .

возможно большую величину степени сжатия ел , так как этим самым повышается тепловая экономичность двигателя и дейст­ вительно такова основная тенденция развития ДВС. Однако по­ вышение гд практически ограничено свойствами топлива, усло­ виями механической прочности и экономическими соображениями.

В основном, обычные сорта легкого нефтетоплива пригодны для

Обычные сорта нефтяного топлива сравнительно легко улучша­ ют различными присадками [70] — для повышения стойкости при сгорании, для стабильности при хранении.

Октановое число (ОЧ) легких сортов нефтяного топлива повы­ шают па 5 — 10 единиц присадкой этиловой жидкости (0,5 — 4 мл на 1 кг); следует учесть необходимость осторожности с этилирован­ ными бензинами, так как этиловая жидкость очень ядовита.

Цетановое число (Ц4) тяжелых сортов нефтетоплива повы­ шают на 5—10 единиц (сверх ЦЧ = 40) присадкой (до 3%) про-

* Точные выражения для ги ДВС приведены в глазе II.

20

Таблица 1

При эксплуатации, расчетах и при проектировании ДВС, не­ обходимо определенным образбм ориентироваться в выборе рода и сорта топлива, а подобрав его, необходимо иметь все характери­ стики данного топлива (см. [1; 4; 10; 28; 31] и др.).

Соответственно типу ДВС и сорту топлива надлежит выбрать и обеспечить степень сжатия ед (см. табл. 1).

4. КЛАССИФИКАЦИЯ ПОРШНЕВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Поршневые двигатели внутреннего сгорания выполняются весщ ма разнообразными (рис. 6) и поэтому их различают по следую­ щим основным характерным признакам.

1) По роду рабочего цикла:

— со сгоранием при почти постоянном объеме, V =const — двигатели со сравнительно низким сжатием и принудительным зажиганием (карбюраторные, колоризаторные, газовые);

21

— со сгоранием почти при постоянном давлении р = const — двигатели с высоким сжатием и воздушным (от компрессора) распиливанием — компрессорные дизели*;

22

3)По способу действия:

—простого действия, — в которых рабочий цикл осущест­ вляется только в одной полости рабочего цилиндра;

—двойного действия, в которых рабочий цикл осуществляет­

ся в обеих полостях рабочего цилиндра — над и под поршнем.

4)По способу наполнения рабочего цилиндра свежим зарядом

—без наддува — четырехтактные, у которых заполнение ра­ бочего цилиндра производится непосредственно путем засасывания рабочим поршнем; двухтактные— у которых заполнение произ­ водится продувочным воздухом (пли рабочей смесью) сравнитель­

но небольшого (нормального) давления;

— с наддувом — четырехтактные и двухтактные двигатели, у которых, заполнение рабочего цилиндра производится свежим зарядом с помощью специального нагнетателя под определенным давлением (1,5 — 6 ата).

5)По роду применяемого топлива — легкого жидкого топлива; тяжелого жидкого топлива; газообразного топлива; смешанного топлива (основное топливо — газ,, запальное топливо — жидкое); пылевидного топлива (угольный порошок).

6)По способу смесеобразования:

раторные, газовые, двигатели легкого топлива, с непосредствен­ ным впрыском;

— калоризаторные — с зажиганием от калоризатора (за­ пальника) ;

—газожидкостные;

—с самовоспламенением жидкого топлива от предваритель­

но сжатого (и нагревшегося от этого) воздуха'— дизели.

8)По средней скорости поршня

—по общепринятому в отечественной литературе [10; 11; 54]

делению:

23

9)По назначению:

—главные судовые, вспомогательные судовые, тепловозные, авиационные, тракторные, автомобильные, стационарные и другие..

10)По величине мощности (примерно):

11) По числу цилиндров, конструктивному и архитектурному выполнению:

—Одно, двух, трех и до 36-цилиндрового исполнения;

—тронковые; крейцкопфные; свободнопоршневые; с проти- воположно-движущимися поршнями (ПДП) и различным числом;

коленчатых валов; опозитные и др.;

— с расположением рабочих цилиндров: вертикальные, гори­ зонтальные, У-образные, параллельные, звездообразные и другие;

— нереверсивные — вращение коленчатого вала в одном и.

том же направлении;

— реверсивные — вращение в одном и при необходимости — в обратном направлении.

— Правой и левой модели.

5. СРАВНЕНИЕ ПОРШНЕВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Сравнение поршневых двигателей внутреннего сгорания между собою

Четырехтактные и двухтактные двигатели

При одинаковых размерах рабочего цилиндра (D; S ), числе оборотов и числе цилиндров, в двухтактных двигателях могла бы получиться вдвое большая мощность, чем в однотипных четырех­ тактных двигателях; практически это увеличение равно 1,7— 1,8, так как часть мощности 2-тактных двигателей затрачивается на привод продувочного нагнетателя, а часть рабочего хода поршня используется на выхлоп.

При одинаковой мощности ;и числе оборотов двухтактные дви­ гатели легче и меньше по габаритам.

Равномерность крутящего момента у 2-тактных двигателей луч­ ше по сравнению с 4-тактными, так у первых рабочих ход совер­

шается в два раза чаще за каждый цикл, при одинаковой цикло­ вой подаче топлива.

Конструкция 2-тактного двигателя с щелевой продувкой проще конструкции 4-тактного двигателя (исключая ДПДП).

Протекание отдельных рабочих процессов, особенно зарядки,

очистки и отчасти сгорания (у дизелей) происходит лучше у 4-тактных двигателей.

24

Наддув легче осуществить в 4-тактных двигателях.

В соответствии со свойствами двигателей, 2-тактные более рен­ табельны в транспортных установках большой и средней мощности (судовые, тепловозные), а 4-тактные получили распространение п стационарных и небольших транспортных установках (автомобили, тракторы, авиация и др.). Вообще вопрос рентабельности различ­ ных типов ДВС решается в зависимости от ряда соображений (экономичность, габар'итность, вес, стоимость и др).

Дизели — карбюраторные — газовые двигатели

Вследствие, в основном, свойств топлива (воспламеняемость, самовоспламеняемость, протекание сгорания, стоимость и др.) дви­ гатели с самовоспламенением (дизели) работают при большей сте­ пени сжатия, чем карбюраторные или газовые, а этим и опреде­ ляется, что коэффициент полезного действия дизелей выше, чем у остальных ДВС (см. таблицу 2), но карбюраторные двигатели легче и быстрее запускаются. Газовые двигатели занимают про­ межуточное положение и к тому же усложняются наличием газо­ вой аппаратуры (особенно газогенераторные).

Сравнение поршневых двигателей внутреннего сгорания с другими видами тепловых двигателей

Основные преимущества поршневых двигателей внутреннего сгорания (ДВС) по сравнению с другими видами тепловых двига­ телей (паровые машины, паровые турбины, газовые турбины, реак­ тивные двигатели) состоят в нижеследующем.

1.Постоянная готовность силовой установки к действию, так как время на их запуск, сравнительно, значительно меньше (секун­ ды — для прогретого и минуты для холодного двигателя, 5 — 30 ми­ нут— в зависимости от мощности двигателя и температуры окру­ жающей среды).

2.Лучшая маневренность и радиус действия транспорта с ДВС.

25

2. Неуравновешенность и крутильные колебания, свойствен­ ные поршневым двигателям; требуют тщательного учета их^в ДВС,

споследующей разработкой соответствующих мероприятий.

3.Сравнительно высокий шумовой уровень, особенно у быстро­

ходных двигателей (90— ПО децибел).

4. Необходимость: тщательной фильтрации жидкого топлива, соответствующего сорта топлива, иногда —высококачественного и

крупных агрегатов — свыше 10000— 15000 л. с.

Особенности ДВС определили область их применения и агре­ гатные мощности; они наиболее удобны для тракторов, автомоби­ лей, конкурентноспособны на судах, тепловозах, на самолетах ближних линий и в других случаях, где необходимо иметь малога­ баритную, экономичную силовую установку, всегда готовую к ра­ боте.

6. КРАТКАЯ ИСТОРИЧЕСКАЯ СПРАВКА О РАЗВИТИИ ПОРШНЕВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Исторически известные [62] первые попытки создания поршне­ вых двигателей внутреннего сгорания охватывают период 1678 — 1858 гг.; это были проекты пороховых, газовых и двигателей жид­ кого топлива, а также единичные случаи постройки весьма несовер­ шенных двигателей.

Еще в 1744 — 47 гг. М. В. Ломоносов впервые изложил в своих работах [68, стр. 113 124] принципиальные положения развития тепловых двигателей, вновь сформулированные и развитые затем рядом ученых: Р. Майером (1842г.), Джоулем (1843), Гельмголь-

26

цем (1897), С. Карно (1824), Г. Гессом (1840) и многими други­ ми [68].

Основные принципиальные положения для создания двигателя внутреннего сгорания были высказаны Сади Карно (в 1824 г.), а затем конкретизированы Бо-де-Рошем (1862 г.), описавшим четы­ рехтактный цикл, осуществляемый и в современных двигателях со сгоранием при V = const [62; 68].

Первыми практически работавшими в промышленности порш­ невыми двигателями внутреннего сгорания были газовые двига­ тели, построенные в 1860 г. французским механиком Ленуаром, но эти ДВС были весьма несовершенными (тр~3% ), так как в них еще не применялся цикл Бо-де-Роша. Двигатели Ленуара распростра­

выпускать 4-тактные газовые двигатели со сгоранием при V = const

были предприняты, начиная с 1878 г. [62], из них практически пер­ выми получили применение газовые 2-тактные двигатели Бен­ ца (1884 г.).

Из двигателей жидкого топлива, цикла Бо-де-Роша, кроме дви­ гателя Костовича, следует отметить еще: автомобильные двигатели Даймлера и Бенца (1884— 1855 гг.); керосиновые калоризаторные двигатели системы Е. А. Яковлева (1889 г.), керосиновые, трактор­ ные, калоризаторные двигатели Я. В. Мамина (1893—1895 гг.) —■ как прототипы подобного типа двигателей.

Затем, как одну из исторических вех развития ДВС, отметим- 1892—1896 гг., связанную с именем немецкого инженера Рудольфа Дизеля. Р. Дизель, на базе идей С. Карно (высокое адиабатиче­ ское сжатие, цикл Карно) и не без учета опыта предшественников, построил в 1896 г., с помощью немецких заводов Ман и Крупп, первый практически выгодный двигатель жидкого топлива (на керосине), со сгоранием при р = const, получив т]е ~ 25% [62].

* Тринклер Г. Д .. Двигателестроение за полустолетие», Водтрансиздат, Л ., 1954 г.

27

Предшественниками Р. Дизеля в той или иной мере были: американцы Брайтон (1876 г.), Капитан (1891), русский инженер

B. П. Аршаулов (1894 г.) и другие.

Однако конструкция принципиально хорошего двигателя Р. Дизеля оказалась настолько несовершенной, что эти двигатели, несмотря на широкую рекламу и увлечение постройкой их всеми ведущими заводами, были признаны непригодными к дальнейшему производству, сняты с такового, а самому Р. Дизелю грозил крах.

В это время русская техническая общественность выступила в защиту двигателей тяжелого топлива со сгоранием при р = const и с согласия Р. Дизеля конструкция намеченного им двигателя была в России коренным образом переработана с переводом его на нефть. Таким образом русской технической общественностью был создан в 1899 г. первый в мире надежный двигатель тяжелого

двигатели, с впрыском тяжелого нефтяного топлива и пневмати­ ческим распыливанием, получили широкое применение в ряде от­ раслей промышленности того времени, строились всеми заводами мира и были известны под наименованием «русский двигатель», затем их стали называть «двигатель Дизеля», «дизель»; в СССР

подобного типа ДВС называют еще «двигатели с самовоспламене­ нием» [1].

Дальнейшим этапом развития двигателей с самовоспламенени­ ем (дизелей) явилось создание бескомпрессорных дизелей различ­

Параллельно с практическим осуществлением ДВС развивались теоретические исследования, способствовавшие успешному разви­ тию этих двигателей. В развитии теории ДВС много сделали и де­ лается отечественными специалистами.

Профессор МВТУ Василий Игнатьевич Гриневецкий разрабо­ тал в 1907 г. метод теплового расчета рабочего процесса поршне­ вых двигателей внутреннего сгорания [64], развитый и дополненный затем профессорами МВТУ Е. К. Мазингом, Н. Р. Бриллингом, ака­ демиком Б. С. Стечкиным и другими учеными; этот метод расчета,

известный как «классический метод расчета двигателей внутреннего сгорания по Гриневецкому — Мазингу», принят и в наше время как исходный при расчетах ДВС [63].

другие разработали теорию и методику расчета процесса газооб­ мена двухтактных ДВС.

Разработаны методы расчета деталей ДВС на прочность, расче­

ты динамики, процессов сгорания, смесеобразования, топливоподачи и другие (см. [53; 54]).

28