книги / Теплотехника (курс общей теплотехники)

Из-за наличия в действительном двигателе клапанов, обусловли­ вающих динамическое сопротивление при работе двигателя, зажигания смеси, происходящего до достижения поршнем в.м.т., начала выпуска— до достижения им н.м.т. и вследствие теплопроводности стенок цилинд­

ра двигателя графическое изображение реального цикла отличается от изображения идеального цикла, который строится без учета указан­

ных выше особенностей фактического цикла.

Как указывалось выше, на рассмотренном выше двигателе внут­ реннего сгорания устанавливают карбюратор. В этом карбюраторе (рис. 34-3) топливо из бака через отверстие Я, которое запирает иголь­ чатый клапан 7, поступает в поплавковую камеру 9; по мере ее запол­ нения поплавок 5 всплывает и, поднимая клапан 7, прекращает доступ топлива. При помощи поплавка и игольчатого клапана в поплавковой камере поддерживается постоянный уровень топлива. Поплавковая ка­ мера "через калиброванное отверстие—жиклер 10 сообщается с распы­ лителем 3 и дозирует топливо, вытекающее из поплавковой камеры. Рас­ пылитель 3 помещен в патрубке 2 с диффузором 4. По патрубку 2 под­ водится воздух от воздухоочистителя. Во избежание вытекания топлива из распылителя при неработающем двигателе верхняя кромка распыли­ теля расположена на 1,5—2 мм выше уровня топлива в поплавковой

камере.

Во время такта впуска в патрубке 2 создается разрежение. Вслед­ ствие разности давлений в поплавковой камере (которая через отвер­ стие 6 сообщается с атмосферой) и у верхней кромки распылителя про­ исходит истечение топлива в смесительную камеру //, где оно переме­ шивается с воздухом. Распыливание топлива улучшается при увеличении скорости потока воздуха, проходящего по патрубку. Для увеличения скорости воздуха устанавливают диффузор 4\ устье распылителя выво­ дят в самую узкую часть диффузора —горловину, где скорость движе­ ния воздуха максимальна.

Для изменения количества горючей смеси, поступающей в двига­ тель, служит дроссельная заслонка 12. Воздушной заслонкой 1 пользу­ ются для обогащения смеси при пуске двигателя. Приведенная схема простейшего карбюратора применима только для карбюраторных дви­

гателей, работающих при постоянном режиме (неизменном числе обо­ ротов и величине нагрузки).

417

Отличительные особенности работы четырехтактного дйзеля

Процесс работы четырехтактного дизеля отличается от работы кар­ бюраторного двигателя способом смесеобразования и воспламенения рабочей смеси. Основное от'личие работы дизеля заключается в том, что в его цилиндр при такте впуска засасывается атмосферный воздух, который при такте сжатия сильно сжимается (до 3,5—4,0 Мн/м2). В кон­ це такта сжатия в среду сжатого и раскаленного вследствие высокой степени сжатия (е= 12—18) воздуха с помощью насоса высокого дав-

Таблица 34-1 Сравнительные данные о работе карбюраторного двигателя и четырехтактного дизеля

ления (15,0—20,0 Мн/м2) через форсунку впрыскивается распыленное

топливо. Топливо, смешиваясь с воздухом, воспламеняется под дейст­ вием его высокой температуры и сгорает.

В табл. 34-1 дано сопоставление показателей работы карбюратор­ ногодвигателя и четырехтактного дизеля.

Рабочий процесс двухтактного двигателя

Рабочий процесс двухтактного двигателя осуществляется за два хода поршня или за один оборот коленчатого вала.

Особенность протекания рабочего цикла двухтактного двигателя, отличающая его от четырехтактного, состоит в том, что в нем заполне­ ние цилиндра зарядом (смесью) осуществляется в начале хода сжатия, а очищение цилиндра — в конце хода расширения, т. е. процессы впу­ ска и выпуска рабочего тела не требуют самостоятельных ходов прршня. Процессы впуска и выпуска в четырёхтактном двигателе занимают более 50% продолжительности цикла, а в двухтактном двигателе эти процессы протекают за врем'я, составляющее 25—30% продолжитель­

ности цикла.

Мощность двухтактного двигателя по сравнению с четырехтактным двигателем при одинаковом рабочем объеме увеличивается не в 2 ра­ за, а примерно в 1,6—1,7 раза вследствие повышенного теплового ре­ жима и худшейэкономичности.

В зависимости от способа выпуска из цилиндра отработавших га­ зов и его заполнения рабочей смесью (у бензиновых двигателей), или воздухом (у дизелей) различают двухтактные двигатели с кривошипнокамерной, прямоточно-клапанной и другими видами продувки.

418

Рис. 34-4. Схематическое изображение двухтактного двигателя с кривошипно-камерной продувкой:

а —двухтактный карбюратор двигатель; б —двухтакти

Двухтактный двигатель с кривошипно-камерной продувкой проще четырехтактного. В таком двигателе отсутствуют клапаны, их роль вы­ полняет поршень, перекрывающий при своем движении выпускные и продувочные окна (рис. 34-4). Через эти окна рабочая полостьцилиндра сообщается в определенные моменты времени с впускным и выпускным трубопроводами, а также с кривошипной камерой, которая в данном типе двигателя выполнена герметичной, так как она участвует в рабо­ чем процессе.

В средней части цилиндра двигателя (рис. 34-4) предусмотрены продувочные окна 1 и выпускные 2; продувочные окна сообщаются пе­

репускным каналом 5 с картером4.

Рассмотрим часть процесса в тот момент, когда поршень бывает в в.м.т. и в камере сгорания находится сжатая поршнем горючая смесь, а в кривошипной камере —засосанная через клапан 3 поршнем при его движении к в.м.т. свежая горючая смесь (или воздух у дизеля). Если в этот момент воспламенить сжатую горючую смесь электрической иск­ рой, то давление в цилиндре над порщнем резко возрастет и поршень начнет перемещаться от в.м.т. к н.м.т., совер­

поршень своей верхней кромкой перекроет снача­

419

ла продувочные и затем выпускные окна, после чего начнется сжатие горючей смеси поршнем в цилиндре и возникнет разрежение в полости картера, куда через клапан 3 начнет поступать горючая смесь (или воз­ дух в дизеле). После этого процесс повторяется.

Кривошипно-камерную продувку применяют только в маломощных двигателях.

При прямоточно-клапанной продувке (рис. 34-5) продукты сгорания выпускаются через клапаны <3, а воздух поступает через тангенциально расположенные по отношению к цилиндру продувочные окна 2. Проду­ вочный воздух обычно подается специальным нагнетателем и при этом движется снизу вверх, совершая вращательное движение и способствуя очистке цилиндра. На рисунке позицией 1 обозначен поршень.

К преимуществам двухтактных двигателей по сравнению с четырех­ тактными следует отнести: более равномерную работу, увеличение мощ­ ности при одинаковых размерах цилиндров, а к недостаткам: плохую очистку цилиндров от отработавших газов, ухудшение продувки цилинд­ ров двигателя на малых оборотах коленчатого вала.

Четырехтактные двигатели, работая на более низких тепловых ре­ жимах, более долговечны.

действительные циклы поршневых двигателей ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Теоретически работа двигателей внутреннего сгорания происходит по определенным циклам, рассмотренным выше (см. стр. 69—77).

Из анализа теоретических циклов следует, что тепловая экономич­ ность двигателей, оцениваемая значением термического к.п.д. ц*, в пер-

2

Рис. 34-6. Индикаторные диаграммы действительны циклов четырехтактных двигателей:

а —вигатель с зажиганием от электрической искры; б —дви­ гатель с воспламенением в результате высокого нагрева при сжатии: ас'—линия, отображающая процесс сжатия; с'г —ли­ ния. отображающая процесс горения: гЬ'—линия отображаю­ щая процесс расширения; Ъ'Ъ"г —линия, отображающая процесс выпуска; га —линия, отображающая прецесс впуска; р0—атмо­

сферное давление

вую очередь определяется степенью сжатия е, а также природой рабо­ чего тела; степенью повышения давления Xи степенью предварительно­ горасширения р.

Термический к.п.д. уц тепловых циклов двигателей составляет 0,4—0,5.

420

При. построении индикаторных диаграмм теоретических циклов яв­ ления, происходящие в цилиндре двигателя, упрощались или вовсе не

принимались во внимание. Действительный рабочий процесс связан со многими сложными физико-химическими явлениями, которые не под­ даются точному учету.

В действительности работу, двигателя оценивают по мощности и удельному расходу топлива, а также по снятым с двигателя индика­ торным диаграммам, дающим представление о некоторых явлениях, происходящих в его цилиндре.

На рис. 34-6 показаны индикаторные диаграммы, характеризую­ щие фактические циклы, происходящие в реальных двигателях. Пло­ щади со знаком плюс соответствуют полезной работе (с учетом потерь тепла через стенки цилиндра), а площади со знаком минус—потерям, происходящим во время насосных ходов.

Отличие действительных циклов от теоретических заключается в следующем. Открытие и закрытие клапанов в цилиндрах двигателя происходят не в мертвых точках, а с некоторым опережением открытия выпускного клапана и запаздыванием закрытия впускного клапана. Процессы впуска рабочего тела и его выпуска осуществляются при из­ меняющихся проходных сечениях клапанов, а не при мгновенном от­ крытии и закрытии их в мертвых точках; рабочая смесь воспламеняется до прихода поршня в в.м.т. и сгорание протекает при изменяющихся объеме и давлении. Кроме того, в процессе расширения топливо частич­ но догорает; работа двигателя протекает с потерями.тепла через охлаж­ даемые водой или воздухом стенки цилиндров и процессы сжатия и рас­ ширения рабочих тел в цилиндре происходят не адиабатно, а политропно при переменных значениях показателей политроп, процессы всасывания и выпуска рабочих тел сопровождаются гидравлическими

потерями.

Рациональный выбор фазы газораспределения, т. е. моментов от­ крытия и закрытия клапанов, выраженных в градусах поворота колен­ чатого вала по отношению к мертвым точкам, необходим для лучше­ го наполнения и очистки цилиндров; для двигателей каждого типа их подбирают экспериментально.

ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ ПО ЭКСПЛУАТАЦИИ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Охлаждение двигателей

При работе двигателей некоторые его детали периодически сопри­ касаются с раскаленными газами, температура которых при сгорании достигает 2000° С и выше. При нагреве поршней цилиндров, клапанов, головок и других деталей могут измениться тепловые зазоры в сопря­ жениях, ухудшиться условия смазки, повыситься износ, а вследствие преждевременных вспышек и детонации топлива —нарушиться рабочий

процесс.

Чтобы предохранить эти детали от чрезмерного нагрева, тепло от нагретых деталей отводят непрерывно при помощи специальных устройств, объединяемых в систему охлаждения, автоматически под­ держивающую температуру деталей и их элементов в допустимых пре­

делах.

Отвод тепла от деталей двигателя в атмосферу осуществляется с помощью охлаждающих агентов, в -качестве которых обычно исполь­ зуют воздух и воду.

421

В транспортных двигателях температура охлаждающей воды в си­ стеме охлаждения должна находиться в пределах 80—85°С, а в стацио­

нарных дизелях большой мощности 40—50°С.

В транспортных двигателях и мелких стационарных установках вода охлаждается в радиаторах. Для указанных двигателей применяют также и воздушное охлаждение. На крупных стационарных установках используют только водяное охлаждение—прямоточное или оборотное (см. стр. 458).

Смазка двигателей

При работе двигателя в его деталях на сопряженных поверхностях, возникает трение. Величина силы трения, возникающей при скольжении, зависит от материалов, из которых изготовлены трущиеся детали, ка­ чества их обработки и условий трения. Трение называется сухим, если между трущимися поверхностями отсутствует смазка. Если поверхности отделены друг от друга слоем смазки, то возникающее при этом трение называется жидкостным. При жидкостном трении повышается долго­ вечность трущихся деталей и Обеспечивается отвод от них тепла. На­ ряду с трением перечисленных видов в реальных условиях работы дви­ гателей часто наблюдается полужидкостное или полусухое трение, из которых первое приближается к жидкостному, а второе — к сухому трению.

Система смазки в двигателях обеспечивает не только подачу масла к трущимся поверхностям, уменьшение потерь на трение, увеличение

долговечности деталей и охлаждение их, но также и удаление с тру­ щихся поверхностей продуктов износа. Слой смазки на поршне и порш­ невых кольцах способствует уплотнению цилиндра.

Для смазки двигателей внутреннего сгорания применяют минераль­ ные масла, получаемые из нефти.

Регулирование мощности двигателей и числа оборотов колспчатого вала

Для поддержания постоянства скоростного режима работы двига­ теля необходимо, чтобы развиваемая им эффективная мощность в каж­ дый момент была равна мощности, достаточной для преодоления внеш­ ней нагрузки. При несоблюдении этого условия число оборотов колен­ чатого вала будет увеличиваться при избытке мощности, развиваемой двигателем, и*снижаться при ее недостатке.

Работа двигателя при непрерывно меняющемся скоростном режиме нежелательна, так как это сопровождается повышенным износом его деталей, нарушением технологического процесса и снижением его эко­ номических показателей.

В связи с этим почти все современные двигатели* снабжены регу­ ляторами, которые автоматически поддерживают мощность двигателя в соответствии с величиной внешней нагрузки. Изменение мощности двигателя достигается в результате поворота регулятором дроссельной заслонки на подаче топлива в карбюраторных двигателях и перемеще­ ния рейки топливного насоса в дизелях, изменяющего его подачу.

Для регулирования мощности двигателей с целью поддержания постоянного числа оборотов применяют самые различные регуляторы.

Почти все современные стационарные двигатели, а также двигате­ ли некоторых грузовых автомобилей и тракторов снабжены центробеж­ ными регуляторами, в которых рейка топливного насоса или дроссель­ ная заслонка карбюратора перемещается вследствие отклонения гру­ зов регулятора под действием центробежной силы, величина которой зависит от числа оборотов вала двигателя.

Кроме автомобильных двигателей.

422

Пуск двигателя и пусковые устройства

Одним из основных требований, предъявляемых к двигателям, сле­ дует считать легкость их пуска.- Для пуска в ход двигателя требуется принудительное прокручивание коленчатого вала вручную или с помо­ щью постороннего источника механической или электрической энергии.

Пусковая скорость вращения вала карбюраторного двигателя со­ ставляет 50—100 об!мин, а дизеля —около 200 об/мин. Прокручивание вала с меньшим числом оборотов приводит к росту утечки газов при сжатии, а .также к увеличению теплообмена, в результате чего снижает­ ся возможность получения первых вспышек.

Наибольшее распространение получил пуск двигателя от аккумуля­ торных батарей — электрическим стартером. Учитывая высокие сопро­ тивления прокручивания дизелей, мощность их стартеров предусматри­ вают в 3—4 раза больше, чем для двигателей такого же литража, ра­ ботающих на легком топливе. Напряжение аккумуляторных батарей, предназначенных для питания стартеров дизелей, должно быть 12— 24 в и более, чтобы при сравнительно малых габаритах стартера мощ­ ность его была достаточной. Емкость батареи также должна быть по­ вышена по сравнению с батареями, применяемыми для двигателей лег­

кого топлива.

Для пуска дизелей тракторного типа широко применяют вспомога­ тельные бензиновые двигатели. Для этой цели обычно используют бен­ зиновые двигатели с числом цилиндров не более двух. Пусковой дви­ гатель укрепляют на блоке основного двигателя и включают в работу

только на период пуска дизеля.

При пуске дизелей стартерами, как и при их пуске пусковыми бен­ зиновыми двигателями, в их конструкциях предусматривают дополни­ тельные устройства для подогрева всасываемого воздуха и камер сго­ рания (электрические спирали накаливания, запальные фитили), а так­ же декомпрессоры — приспособления, уменьшающие компрессию и обеспечивающие в результате этого легкость прокручивания вала

дизеля.

В некоторых дизелях для прокручивания коленчатого вала приме­ няют воздух, сжимаемый специальным компрессором, установленным на дизеле. Принцип работы такой системы состоит в том, что сжатый воздух подается компрессором в пусковые баллоны. При пуске дизеля, открывая воздушный вентиль, воздух из баллонов направляют в возду­ хораспределитель, который в соответствии с порядком работы цилинд­ ров распределяет его по пусковым автоматическим клапанам, установ­ ленным в головке цилиндров. Сжатый воздух, попадая в цилиндр ди­ зеля во время такта расширения и воздействуя на поршень, приводит в движение коленчатый вал. В зависимости от конструкции пускового устройства воздух может подаваться в один, два, а иногда и во все ци­

линдры дизеля.

ОБРАЗОВАНИЕ ГОРЮЧЕЙ СМЕСИ

Для получения горючей смеси, которая бы полностью и быстро сго­ рала, необходимо тонкое распыление топлива и тщательное перемеши­ вание его с воздухом, обеспечивающее его полное сгорание.

В двигателях внутреннего сгорания применяют внешнее и внутрен­ нее смесеобразование.

При внешнем смесеобразовании смесь топлива и воздуха получают в карбюраторах или газосмесителях (карбюраторные и газовые двига-

423

тели). При внутреннем смесеобразовании топливо и воздух смешива­ ются непосредственно в рабочем цилиндре двигателя (дизели и калорйзаторные двигатели); подача жидкого топлива в цилиндр и его распили­ вание при этом осуществляются с помощью насоса и форсунки.

Чем равномернее перемешивается топливо с воздухом в цилиндрах двигателя, тем полнее оно сгорает. Следовательно, чем лучше смесеобра­ зование, тем больше топлива можно ввести в данный объем цилиндра

Питание карбюраторных двигателей

Топливо и воздух, хорошо перемешанные друг с другом, должны содержаться в горючей смеси в строго определенных соотношениях, от которых зависит качество смеси. Качество горючей смеси характери­ зуется коэффициентом избытка воздуха а.

В процессе эксплуатации двигателя коэффициент избытка возду­ ха а изменяется в пределах 0,8—1,15. При большом избытке воздуха (а>1,15) смесь горит медленно, расход топлива увеличивается; при а<0,8 экономические показатели двигателя также ухудшаются в свя­ зи с неполнотой сгорания н уменьшением скорости.сгорания.

10,0 Мн/м2, где смешивается с форсуночным воздухом (только в комп­ рессорном дизеле), и затем в виде топливо-воздушной эмульсии поступа­ ет в сильно сжатый воздух, находящийся в цилиндре дизеля, перемеши­ вается с этим воздухом и воспламеняется. Применение компрессора повышает стоимость дизеля на 20—25%, механические потери и увели­ чивает его массу на 15—20% .

424

щем 1 поршня 4 той или иной конфигурации, поверхностями головки и стенками цилиндра. Для лучшего использования воздушного заряда топливо в камеру сгорания этого типа вводят так, чтобы оно по воз­ можности более равномерно распределялось по ее объему. Форму ка­ меры очень часто приспосабливают к форме струй, выбрасываемых фор­ сункой. Воздух, засасываемый в цилиндры двигателя этого типа, с по­ мощью особых устройств приводится во вращательное (вихревое) движение, что способствует лучшему его перемешиванию с топливом. Двигатели, снабженные такими камерами, получили наименование дви­ гателей с неразделенными камерами.

Ко второй группе относят двигатели, камеры сгорания которых разделены на две (рис. 34-8, б и в) и реже на три полости, сообщаю­ щиеся широкой горловиной с одним или несколькими каналами. Для образования смеси в таких дизелях используется энергия сгорающего топлива в дополнительной камере 3' (поэтому они менее экономичны). Топливо, впрыскиваемое насосом через форсунку 2 в одну из поло­ стей (обычно дополнительную), частично сгорает, повышая в ней тем­ пературу и давление заряда. В результате этого горящие газы перете­ кают из одной полости камеры сгорания в другую 3, интенсивно пере­ мешиваясь с воздухом, находящимся в основной полости камеры сгорания. Двигатели, снабженные подобными камерами, носят название

двигателей с разделенными камерами.

Несмотря на большое разнообразие методов, применяемых для равномерного распределения топлива в камерах сгорания, до настоя­ щего времени еще не удалось получить смесь, которая обеспечила бы полное и своевременное выделение тепла сжигаемого топлива. Поэтому для удовлетворительной работы эксплуатацию дизелей осуществляют

Рис. 34-8. Типы камер сгорания у бескомпрессорных дизелей '(кла­ паны на рис. условно не показаны):

а —неразделенная камера; б —с разделенной камерой (с предкамерой); в—сразделенной камерой (вихревой камерой)

при большом избытке воздуха. В наиболее удачных конструкциях ди­ зелей и при полных нагрузках коэффициент избытка воздуха а состав­ ляет 1,2—1,4.

Трудность обеспечения надлежащего смесеобразования в дизеле объясняется незначительностью времени, отводимого на его осуществ­ ление. Если в карбюраторном двигателе процесс смесеобразования протекает за период, соответствующий повороту кривошипа примерно на 360°, то в дизеле процессы введения в рабочий цилиндр топлива, пе­

ремешивания его с воздухом и сгорания протекают в течение времени, соответствующего повороту кривошипа на 30—40°.

425

В дизелях в связи с незначительным временем, отводимым на вы­ полнение процесса смесеобразования, быстроходность ограничивается в основном скоростью приготовления смеси, способной быстро и полно­ стью сгорать. Сообразно с этим число оборотов коленчатых валов у ди­ зелей находится в пределах 2000—2500 об/мин.

У дизелей с неразделенными камерами сгорания (рис. 34-8,а) процесс распыливания происходит в основном за счет кине­ тической энергии струи подаваемого топлива; оно впрыскивается в ка­ меру сгорания под большим давлением (25,0—40,0 Мн/м2; а в некоторых случаях это давление может достигать 140,0 Мн/м2). Для равномерного распределения топлива в воздухе иногда применяют многодырчатые форсунки, согласовывая форму камеры сгорания с формой факела топ­

лива.

Вихревое движение воздуха способствует смесеобразованию и в че­ тырехтактных двигателях оно достигается в результате постановки спе­ циальной ширмы — козырька на впускном клапане, а в двухтактных— с помощью тангенциального расположения продувочныхокон.

Соответствующая форма поршня позволяет также создать завихривание воздуха в процессе сжатия в результате вытеснения его в выемку

впоршне.

Кпреимуществам дизелей с неразделенными камерами сгорания

относят высокие экономические показатели при сравнительно невысо­ ких сжатиях (е=15—17) и более легкий пуск, чем у дизелей с разде­ ленными-камерами.

Недостатками их является необходимость применения насосов вы­ сокого давления, обеспечивающих хорошее распыливание топлива, и многодырчатых форсунок, а также жесткая работа двигателя.

В дизелях с разделенными камерами сгорания (рис. 34-8, бив) воспламенение топлива происходит в полости 3', до ко­ торой поршень не доходит. Это ведет к более плавному нарастанию дав­ ления, действующего на поршень, а также к снижению максимального давления в полости цилиндра. *

При использовании разделенных камер наблюдается вихревое дви­ жение воздуха в процессе сжатия и сгорания, в результате чего улуч­ шается процесс смесеобразования; поэтому в таких двигателях снижа­ ют требования, предъявляемые к топливоподающей аппаратуре и сорту топлива. В подобных дизелях можно использовать сравнительно простые однодырчатые форсунки, а впрыск топлива осуществлять при давлении, не превышающем 15,0 Мн/м2.

Дизели с разделенными камерами сгорания характеризуются уве-. личенным удельным расходом топлива. Более низкие экономические по­ казатели таких дизелей по сравнению с дизелями, снабженными одно­ полостными камерами сгорания, можно объяснить безвозвратной потерей энергии, затрачиваемой на перетекание воздуха из основной камеры в дополнительную в процессе сжатия и на обратное перетекание газов в процессе сгорания, а также увеличенной интенсивно охлаждае­ мой поверхностью камеры сгорания (за счет поверхности дополнитель­ ной камеры), через которую теряется некоторое количество тепла.

Тепловые потери сильно сказываются при пуске двигателя; поэтому, чтобы обеспечить, удовлетворительный пуск, степень сжатия у дизелей с разделенными камерами сгорания ‘повышают до 17—22 и снабжают их специальными пусковыми устройствами (свечи накаливания, подо­ грев засасываемого воздуха и т. п.).

У предкамерных дизелей (см. рис. 34-8) объем предкамеры состав­ ляет 25—40% общего объема камеры. Площадь соединительных отвер­ стий равна в среднем 0,3—0,6% площади поршня. В связи с тем, что

426