книги / Теплотехника (курс общей теплотехники)

в предкамере находится ограниченное количество воздуха, топливо, впрыснутое в нее через форсунку в конце процесса сжатия, сгорает толь­

ко на 20—30%. Давление в предкамере при этом повышается до 7,0— 8,0 Мн/м2 и топливо, перемешанное с горящими газами, начинает пе­

ретекать со скоростью 200—300 м/сек в основную камеру, в результате

чего значительно улучшается распыливание и перемешивание топлива с зарядом воздуха в основной камере.

Давление впрыскиваемого топлива в предкамерных дизелях состав­ ляет 8,0—12,5 Мн/м2, расход топлива на 10—20% превышает расход в двигателях с неразделенными камерами.

Камера сгорания дизелей с вихревыми камерами (см. рис. 34-8,в)

.соединяется с вихревой камерой 3' широкой горловиной. Форма вихре­ вой камеры может быть шаровой или цилиндрической; объем ее состав­ ляет около 50% общего объема камеры сгорания. В некоторых случаях вихревую камеру соединяют с пространством, расположенным над пор­

шнем, не одним, а несколькими каналами.

Нижнюю часть сферической вихревой камеры 3' выполняют из жа­ роупорной стали и устанавливают в головке цилиндра с зазором 0,2— 0,3 мм с тем, чтобы ослабить отвод тепла с охлаждающей водой. В ре­ зультате этого повышается температура нижней части камеры 3\ что способствует сокращению задержки воспламенения, облегчает пуск и по­ вышает надежность работы двигателя при малых нагрузках.

Воздух, перетекающий в процессе сжатия из полости цилиндра в вихревую камеру, вследствие тангенциального расположения соедини­ тельного канала приобретает в этой камере интенсивное вращательное движение. Когда вращательное движение воздуха достигает максималь­ ной эффективности, в камеру вводится топливо, которое, воспламеняясь, повышает температуру и давление в ней. При этом начинается перетека­ ние горящих газов в основную камеру сгорания, сопровождающееся интенсивным перемешиванием топлива, не сгоревшего в вихревой каме­ ре, с зарядом воздуха в основной камере. Широкий канал, соединяющий обе полости камеры, позволяет избежать дросселирования воздуха во

время процессов сжатия и горящих газов во время расширения.

В вихрекамерных дизелях давление впрырка топлива при вспрыски­ вании составляет около 15,0 Мн/м2; минимальный коэффициент избытка

воздуха а= 1,25.

У дизелей с вспомогательно-воздушными камерами (двигатели с воздушно-аккумуляторными камерами или акрокамерами) последние разделены на две полости, одна из которых заключена между поршнем и головкой, и другая, составляющая 60—80% от общего объема камеры сгорания и носящая название воздушной камеры, размещена в головке

цилиндра.

Основная масса воздуха в процессе сжатия сосредоточивается в воздушной камере. В конце этого процесса в горловину воздушной ка­ меры вспрыскивается топливо, некоторая часть которого неизбежно по­ падает в воздушную камеру и воспламеняется в ней, благодаря чему давление в воздушной камере повышается. Создающийся перепад дав­ лений между двумя камерами способствует интенсивному выбрасыва­ нию воздуха из воздушной камеры навстречу струе топлива, поступаю­ щего из форсунки. Это способствует улучшению распыливания топлива и его перемешивания с воздухом. По эксплуатационным и экономиче­ ским показателям эти'двигатели можно приравнивать к предкамерным.

427

Питание дизелей

Группа приборов, с помощью которых топливо в мелкораспыленном состоянии вводится в цилиндры под высоким давлением, составляет си­ стему питания дизеля. К системе питания относятся насос высокого дав­ ления, подкачивающая помпа, нагнетательные трубопроводы, фильтры,

отстойники, форсунки и топливный бак.

Работа топливоподающей аппаратуры характеризуется следующи­

ми факторами:

большим давлением топлива перед форсунками (12,0—150,0 Мн/м2), для чего требуется высокая точность изготовления деталей топливного

насоса; малым объемом порции топлива, вводимого в цилиндр двигателя.

Подача топлива в один цилиндр на цикл для различных двигателей за­ висит от нагрузки и составляет 10—220ммъ\

малым промежутком времени на впрыскивании топлива, о чем мо­ жно судить по тому, что за это время угол поворота коленчатого вала обычно составляет 15—30° Время впрыскивания для двигателя, делаю­

щего 1800 оборотов в минуту, составляет 0,0015—0,003 сек.

В корпусе топливного насоса объединены отдельные его эле­

менты или секции, каждая из которых предназначена для подачи топли­ ва по стальному цельнотянутому трубопроводу высокого давления к форсунке, обслуживающей только один цилиндр. В некоторых двигате­ лях топливный насос высокого давления и форсунку объединяют в один

агрегат, называемый насос-форсунка.

Насос-форсунку устанавливают непосредственно на головке цилинд­ ра и снабжают индивидуальным приводом; в этом случае надобность в трубопроводах высокого давления отпадает и достигается более точная

дозировка топлива.

В последнее время на многоцилиндровых двигателях начинают при­ менять односекционные топливные насосы высокого давления с распре­ делителями, служащими для поочередного направления топлиба в соот­ ветствующие цилиндры.

Форсунки служат для ввода топлива в цилиндры двигателей в распыленном состоянии. В зависимости от способа смесеобразования к форсунке предъявляются различные требования. К форсункам двига­ телей с неразделенными камерами предъявляются большие требования в отношении тонкости и однородности распыливания, чем к форсункам двигателей с разделенными камерами. Это объясняется тем, что у по­ следних при перетекании горящей смеси из одной камеры в другую про­ исходит дополнительное перемешивание топлива с воздухом. В практике двигателестроения получили распространение форсунки двух основных видов— открытые и закрытые.

Характерная особенность открытых форсунок заключается в том, что при их применении трубопровод высокого давления, по которому топливо подается к форсунке, в течение .работы двигателя не разобща­ ется с полостью цилиндра. В связи с отсутствием подвижных частей та­ кие форсунки просты по конструкции.

Ответственной деталью открытой форсунки является распылитель, имеющий одно или несколько сопловых отверстий.

Необходимое давление распыла в открытых форсунках достигается интенсивной подачей топлива с помощью насоса при наличии опреде­ ленного гидравлического сопротивления отверстия распылителя. Суще­ ственным недостатком открытых форсунок является большое изменение

давления впрыска при изменении числа оборотов коленчатого вала дви­ гателя.

428

Наибольшее распространение получили закрытые форсунки, в кото­ рых топливопровод высокого давления сообщается с полостью цилинд­ ра только в период подачи топлива. В промежутках между подачами, этот топливопровод отделен от полости цилиндра игольчатым клапа­ ном— запорной иглой, размещенной обычно в распылителе этой фор­ сунки.

ЗАЖИГАНИЕ И СГОРАНИЕ РАБОЧЕЙ СМЕСИВ ЦИЛИНДРАХ ДВИГАТЕЛЕЙ Зажигание от электрического искрового разряда

Вдвигателях с внешним смесеобразованием воспламенение топлива осуществляется искровым разрядом. Для этой цели применяют одну из двух систем зажигания: батарейное и от магнето. На автомобильных двигателях обычно применяют батарейное зажигание.

Всистему батарейного зажигания входят следующие элементы: аккумуляторная батарея, свечи, катушка зажигания с первичной и вто­ ричной обмотками, прерыватель, распределитель, динамомашина и кон­

денсатор.

Свеча представляет собой центральный стержень .1 (рис. 34-9), вставленный в фарфоровый или слюдяной изолятор 2, в свою очередь

вставленный в корпус 4 свечи и затянутый гайкой 3. Свеча на резьбе 5 ввинчивается в крышку цилиндра двигателя. Прикрепленные к корпусу 4 свечи отводы 6 загнуты и подведены к центральному стержню 1 с за­

зором 0,2—0,8 мм. Этот зазор представляет собой пространство, через которое проскакивают искры.

При включенном выключателе 3 (рис. 34-10) и сомкнутых контак-

429

тах 6 ток от положительного контакта батареи 2 по массе корпуса 1 двигателя при напряжении 6—12 в подходит к первичной обмотке 8 бо­ бины и, пройдя через нее, прерыватель 5 и выключатель 3, возвращается на отрицательный контакт батареи 2. Во вторичной обмотке катушки 9 при этом возникает ток высокого напряжения, который через переклю­ чатель подается на распределитель 10 и через него поочередно на свечи цилиндров. Для того чтобы обеспечить нужную периодичность искровых разрядов на прерывателе 5, вращающемся синхронно с распределителем 10, предусмотрены по числу цилиндров двигателя кулачки, которые при вращении в нужные периоды времени размыкают электрическую цепь. Замыкание вторичной цепи на свечи цилиндров двигателя происходит последовательно в моменты разрывов цепи прерывателя.

Когда двигатель достигает достаточного числа оборотов, питание в системе зажигания переключается с аккумуляторной батареи на дина­ момашину 4, частично используемую и для зарядки аккумуляторной ба­ тареи.

Параллельно с прерывателем в целях уменьшения искрения вклю­ чен конденсатор 7.

Необходимость пользования катушкой зажигания обусловлена тем, что при наличии в цилиндре углекислоты и давления в несколько сотен кн/м2 для появления искры требуется достаточно высокое напряжение тока— порядка 12—13 кв.

Ввиду того, что для воспламенения всего объема рабочей смеси, находящейся в камере сгорания, требуется некоторый промежуток вре­ мени, электрическая искра должна возникать в свече с некоторым опе­ режением момента достижения поршнем в. м.т. Величина опережения зажигания зависит от числа оборотов коленчатого вала и нагрузки дви­ гателя. При повышении скорости вращения вала опережение зажигания

увеличивается автоматически с помощью центробежного регулятора. Если зажигание происходит с запозданием, двигатель не развивает требуемой мощности, перегревается и это сопровождается перерасходом топлива. В случае большого опережения осложняется запуск двигателя

и нарушается его нормальнаяработа.

Величину опережения зажигания измеряют в градусах угла пово­ рота коленчатого вала относительно в. м.т.

Для пуска двигателя в ход служит специальное устройство, назы­

ваемое стартером.

Магнето представляет собой прибор, вырабатывающий ток низкого напряжения, преобразующий его в ток высокого напряжения и распре­ деляющий его по свечам.

Магнето высокого напряжения в основном применяют для зажига­ ния на стационарных двигателях; его устанавливают также на. трактор­ ных пусковых карбюраторных двигателях и на некоторых мотоциклах.

Преимущество зажигания от магнето по сравнению с зажиганием от батарей заключается в более высоком напряжении вторичного тока при больших оборотах вала двигателя.

Слабой стороной магнето является недостаточно высокое напряже­ ние при пуске двигателя.

Процесс сгорания рабочей смеси в цилиндрах карбюраторного двигателя

В теоретическом цикле карбюраторного двигателя смесь сгорает при постоянном объеме (У=сопз1). В действительности осуществить

сгорание при постоянном объеме невозможно.

430

На рис. 34-11 показана частьразвернутой индикаторной диаграммы карбюраторного двигателя, характеризующая процесс сгорания топлива в цилиндре при зажигании топлива от искры; по оси абсцисс отложены

углы поворота коленчатого вала (а), по оси ординат—давление р. Воспламенение рабочей смеси

происходит во время такта сжатия до прихода поршня в в. м.т.

Процесс горения топлива скла­ дывается из двух периодов: периода горения, характеризуемого неболь­ шим количеством выделяющегося

тепла (на диаграмме отображается пологой кривой (1—2), и периода

интенсивного горения, характери­ зуемого резко увеличивающимся ко­ личеством выделяющегося тепла и повышением давления (кривая дав­ ления 2—3— сгорания топлива кру­ то поднимается вверх). II период называют периодом видимого сго­ рания. Основная часть топлива сго­ рает до достижения максимального

давления (точка <9); по достижении максимума происходит догорание топлива.

Карбюраторные двигатели получили свое название от устройства, служащего для подготовки горючей смеси и называемого карбюратором.

Процесс сгорания топлива в цилиндрах дизеля

На рис. 34-12 показана часть развернутой индикаторной диаграммы быстроходного дизеля, характеризующая процесс сгорания топлива в цилиндре. В этом случае процесс сгорания топлива складывается из трех

сгорания топлива, для которого характерно резкое повышение давления (кривая 2—3), обусловленное большим выделением тепла. Чрезмерное повышение давления в течение этого периода недопустимо, так как оно

431

фигурацию на указанных выше участках. Результат округленна теоре­ тической диаграммы оценивается коэффициентом скругления р=0,92— 0,97, представляющим собой отношение площади Ра скругленной диа­ граммы к площади Рр теоретической. Меньшие значения коэффициента

(&относятся к диаграммам дизелей, а большие—карбюраторных двига­ телей.

По исправленной теоретической диаграмме можно определить мощ­ ность двигателя, необходимую для расчета деталей его на прочность, а также установить ряд других показателей двигателя.

Среднее индикаторное давление рг является основной характеристи­ кой двигателя. Величину р* можно получить, пользуясь индикаторной диаграммой.

Среднее индикаторное давление численно равно работе, совершае­ мой в единице объема цилиндра двигателя, т. е.

Рс= ЦРц н]м\

где Ь(—работа цикла; Ун—объем цилиндра.

Практически при обработке индикаторных диаграмм среднее инди­ каторное давление р* (рис. 34-14) получают как высоту построенного

на основании Ун прямоугольника, площадь которого равновелика полез­ ной площади индикаторной диаграммы (скругленной и уменьшенной на величину, соответствующую потерям насосных ходов).

В этом случае среднее индикаторное давление представляет собой условное постоянное по величине давление, которое, действуя на пор­ шень в течение только одного хода, совершает работу, равную работе га­ зов в цилиндре за весь цикл. Для получения величины р* определяют с помощью планиметра площадь индикаторной диаграммы Ра в мм2 и делят ее на длину I диаграммы, выраженную в мм, и на масштаб дав­ лений т:

здесь Ра=\хРр—ДР, где АР —площадь, соответствующая работе насосных ходов.

Индикаторной мощностью называют работу газов внутри цилинд­ ров двигателя, развиваемую в единицу времени (т. е. за 1секунду).

8— ХОДпоршня, М\ п—скорость вращения, об/мин•

т—тактность двигателя, для двухтактных двигателей равная 2,

433

Эффективная мощность двигателя

Эффективной мощностью называют мощность, развиваемую на ва­

лу двигателя.

Индикаторная мощность Л^-, развиваемая внутри цилиндров двига­ теля, затрачивается на совершение полезной работы, на преодоление трения в самом двигателе и на привод его механизмов. Мощность, за­ трачиваемая на трение и привод вспомогательных механизмов, называ­ ют мощностью механических потерь Мм. Следовательно* на совершение полезной работы используется только часть индикаторной мощности (за вычетом механических потерь), называемая эффективной мощностью Ые двигателя:

Мощность механических потерь может быть определена по выражению

Величина рт зависит от многих разнообразных факторов (вязкости масла, температурного режима двигателя, числа оборотов и др.), поэто­ му определить ее аналитически не представляется возможным; ее опре­ деляют экспериментально.

Однако для проведения предварительных поверочных расчетов мо­ жно пользоваться следующими эмпирическими соотношениями: для кар­ бюраторных двигателей рт= 0,05+0,012 до Мн/м2\ для дизелей рт= =0,08+0,012 до Мн/м2, где до — средняя скорость поршня.

Для оценки механических потерь различных двигателей удобнее пользоваться,не абсолютной их величиной, а относительной— называе­ мой механическим к.п.д., который равен

(34-6)

&так как ЛГе = Л

Механический к.п.д. т|м двигателей составляет 0,65—0,85 для ди­ зельных и для карбюраторных 0,73—0,87. Эффективная мощность мо­

жет быть выражена: М?=Л^т1м и соответственно ре=Ргт]м и поэтому

Общее представление об определении основных размеров цилиндров двигателя

Если установлена необходимая для потребителя эффективная мощ­ ность двигателя, то по ней определяют основные размеры цилиндров

двигателя.

Решая уравнение (34-7) относительно объема Ун, находят рабочий объем одного цилиндра:

Диаметр (й) цилиндра и ход ($) поршня на основе полученного объема Ун можно определить по выражению (34-8), задаваясь отноше­ нием хода поршня к диаметру цилиндра (з/й). При этом следует иметь

434

где Мт — расход топлива, кг/ч, или 1000 Мт/3600 г/сек.

Индикаторный к.п.д. т)* характеризует тепловые потери цикла и представляет собой отношение тепла, превращенного в индикаторную

Индикаторный к.п.д. двигателя тем больше, чем меньше удельный рас­

ход топлива на один килоджоуль работы.

Среднее значение индикаторного к.п.д. т)г для быстроходных дизе­ лей равно 0,4—0,54, для карбюраторных двигателей 0,22—0,30.

Эффективный удельный расход топлива и эффективный к. п. д.

Зная эффективную мощность и часовой расход топлива, можно оп­ ределить эффективный удельный расход топлива (при условии, что Мт выражено в кг/ч):

Принимая во внимание, что Nе = N^^ци кет,

эффективный удельный расходтоплива будет равен

435

Значения эффективных удельных расходов топлива для четырех­ тактных двигателей находятся в следующих пределах: для дизелей #е=224—286 г/кдж, для карбюраторных бензиновых двигателей

=306—374 г/кдж.

Эффективный к.п.д. двигателя, характеризующий степень использо­ вания тепла топлива с учетом всех видов потерь, как тепловых, так и ме­ ханических, может быть, подобно г)*, определен из уравнения

Если в выражение (34-6), т. е. г|м=ЛуЛ/,-, подставить значения Л!е

ииз уравнений (34-10) и (34-14), то получим

Таким образом, эффективный к.п.д. двигателя равен произведению индикаторного на механический к.п.д., первый из которых характеризу­ ет тепловые, второй— механические потери.

Значение эффективного к. п. д. изменяется в зависимости от типа двигателя. Например, для быстроходных дизелей Т1е=0,28—0,36, для карбюраторных т)е=0,20—0,27.

Рабочий цикл двигателя оценивают еще по так называемому отно­ сительному к.п.д. г|о; который представляет собой отношение индика­ торного к. п.д. ктермическому, т. е.

Из этого равенства следует, что повысить значение цс можно раз­ личными способами:

увеличением 11*в результате рационального подбора применительно

ксоответствующим циклам величин е, р и %[см. формулы (7-1), (7-4) и (7-3)]; повышением т|0, т.е. путем приближения действительного цикла

ктеоретическому; увеличением т^м, т. е. улучшая конструкцию двигателя

и точность изготовления деталей, в результате чего уменьшаются меха­ нические потери.

Определение индикаторной, эффективной и литровой мощности двигателя

Основная цель, преследуемая при проектировании двигателей, со­ стоит в создании надежной конструкции, характеризуемой минималь­ но возможными для заданных условий габаритами, высокой экономич­ ностью в расходовании топлива и наиболее высокой эффективной мощ­

ностью.

Индикаторная мощность двигателя зависит от количества внесенно­ го в него тепла топлива и от расхода воздуха, проходящего через дви­ гатель.

436