- •Актюбинский государственный университет
- •Содержание
- •Введение
- •Лекция 1: вводные сведения.
- •1. Единство и многообразие энергетических установок транспортной техники
- •2. Принципы работы различных энергетических установок.
- •3. Современное состояние и перспективы развития различных энергетических установок.
- •Контрольные вопросы.
- •Лекция 2: топлива и продукты сгорания.
- •1. Виды топлив применяемых в теплоэнергетических установках и их краткая характеристика.
- •2. Физико-химические основы процесса сгорания топливо-воздушных смесей в различных теплоэнергетических установках.
- •3. Продукты сгорания и их влияние на окружающую среду. Способы обезвреживания продуктов сгорания.
- •Токсичные вещества, содержащиеся в отработавших газах
- •Контрольные вопросы.
- •Лекция 3: рабочий процесс поршневой энергетической установки транспортной техники
- •1. Основные понятия и определения. Цикл, такты и фазы газораспределения поршневых двс. Индикаторные диаграммы.
- •2. Процессы газообмена. Характеристика и параметры процессов газообмена.
- •3. Влияние различных факторов на процессы газообмена. Развития систем газообмена.
- •4. Процесс сжатия
- •Значения параметров процесса сжатия
- •Лекция 4: процесс смесеобразования, воспламенение и сгорания топлива в двигателях с искровым зажиганием.
- •1. Процесс смесеобразование в двигателях с искровым зажиганием.
- •2. Воспламенение и сгорание топлива.
- •3. Нарушения сгорания.
- •4. Влияние различных факторов на процесс сгорания.
- •1. Впрыскивание и распыливание топлива.
- •2. Смесеобразование в дизеле.
- •3. Процессы сгорания и тепловыделения.
- •4. Процесс расширения
- •Значения параметров процесса расширения
- •Контрольные вопросы.
- •Лекция 6: индикаторные и эффективные показатели
- •1. Индикаторные показатели. Влияние различных факторов на индикаторные показатели двигателя с искровым зажиганием и дизеля.
- •Влияние различных факторов на индикаторные показатели двигателя с искровым зажиганием.
- •Pис. 6.1. Зависимости индикаторного кпд от коэффициента избытка воздуха для двигателя с искровым зажиганием (a) и дизеля (б)
- •Влияние различных факторов на индикаторные показатели дизеля.
- •2. Механические потери в двигателе
- •3. Эффективные показатели двигателя
- •Значения индикаторных и эффективных показателей
- •4. Тепловой баланс двигателя
- •Влияние различных факторов на тепловой баланс двигателя
- •Контрольные вопросы.
- •Лекция 7. Характеристики и способы повышения мощности энергетических установок.
- •1. Характеристики энергетических установок.
- •2. Виды характеристик поршневых двс.
- •3. Способы повышения мощности двигателя
- •Контрольные вопросы
- •1. Кинематические характеристики движения.
- •2. Динамика кривошипно-шатунного механизма
- •3. Влияние конструктивных соотношений кривошипно-шатунного механизма на параметры двигателя
- •Контрольные вопросы.
- •Лекция 9: испытание энергетических установок.
- •1. Цели и виды испытаний.
- •2. Методы и приборы для проведения испытаний энергоустановок.
- •3. Техника безопасности при испытаниях.
- •Контрольные вопросы.
- •Лекция 10: кривошипно-шатунный механизм.
- •1. Классификация и назначение, компоновочные и кинематические схемы, конструкция элементов корпусной и цилиндровой группы.
- •2. Конструкция элементов поршневой группы.
- •3. Конструкция элементов шатунной группы.
- •4. Конструкция коленчатого вала
- •Контрольные вопросы.
- •Лекция 11: механизм газораспределения
- •1. Назначение, основные конструкционные решения и схемы грм.
- •2. Конструкция элементы механизма газораспределения
- •Контрольные вопросы.
- •Лекция №12. Смазочная система и система охлаждения
- •1. Основные функции и работа смазочной системы.
- •2. Основные агрегаты смазочной системы
- •3. Назначение и основные требования системе охлаждения
- •4. Агрегаты системы охлаждения и регулирование температуры охлаждающей жидкости
- •12.2. Схема системы охлаждения
- •Контрольные вопросы.
- •Лекция 13. Система питания топливом и воздухом. Система питания двигателя
- •1. Назначение, основные требования и конструктивные особенности системы питания двигателей с искровым зажиганием
- •2. Назначение, основные требования и конструктивные особенности приборов системы питания дизелей
- •3. Требования, предъявляемые к системам очистки воздуха, конструктивные особенности приборов подачи воздуха.
- •Контрольные вопросы
- •Лекция №14. Системы пуска энергетических установок.
- •1. Способы пуска двигателя
- •2. Средства, облегчающие пуск двигателя
- •Контрольные вопросы
- •Лекция 15. Работа энергетических установок в эксплуатации
- •1. Работа энергетических установок в эксплуатации на неустановившихся режимах.
- •2. Технико-экономические показатели работы энергетических установок в эксплуатации.
- •Литература
3. Влияние различных факторов на процессы газообмена. Развития систем газообмена.
Влияние различных факторов на процессы газообмена. При рассмотрении влияния на показатели процессов газообмена различных факторов следует учитывать их взаимозависимость.
Сопротивление на впуске. С увеличением потерь давления на впуске Δра снижаются давление ра, плотность свежего заряда в цилиндре и коэффициент наполнения, а потери на газообмен возрастают.
Потери давления Δра прямо пропорционально зависят от сопротивления впускной системы и квадратично от скорости свежего заряда. В свою очередь, сопротивление впускной системы определяется совокупностью сопротивлений впускного клапана, поворотов, местных сужений и шероховатости поверхности трубопровода и каналов в головке, карбюратора и воздухоочистителя, а также охладителя воздуха при наддуве. Сопротивление системы впуска карбюраторных двигателей выше, чем у двигателей с впрыскиванием бензина и дизелей.
В связи с тем, что давление ра влияет на сильнее ηV, чем рr, суммарное проходное сечение впускных клапанов делают больше, чем выпускных. В двухклапанных двигателях диаметр впускного клапана обычно несколько больше выпускного.
В настоящее время традиционное соотношение количества впускных и выпускных клапанов на один цилиндр 1:1 изменяется в сторону увеличения числа клапанов. С учетом условий компоновки применяют соотношения 2:2; 2:1 и реже 3:1. Это позволяет увеличить суммарное проходное сечение клапанов.
Для организации направленного интенсивного вихревого движения заряда в цилиндре впускным каналам в головке придают специальную винтовую или тангенциальную форму, в них устанавливают дополнительные направляющие пластины или заслонки. При этом сопротивление каналов несколько возрастает.
Дроссельная заслонка изменяет гидравлическое сопротивление впускной системы и обеспечивает количественное регулирование (увеличение) нагрузки путем снижения ηV от 0,75...0,8 до 0,15...0,25. При этом значительно растут насосные потери.
В процессе эксплуатации двигателя необходимо контролировать степень загрязнения воздухоочистителя, зазоры в приводе впускных клапанов и износ кулачков распределительного валика. Нарушение условий эксплуатации приводит к увеличению сопротивления на впуске и уменьшению параметра «время — сечение» впускных клапанов, что вызывает снижение мощности двигателя.
Сопротивление на выпуске складывается из сопротивлений в клапанной щели, выпускного тракта, глушителя, нейтрализатора, турбины турбокомпрессора и трубопроводов.
Рост сопротивления на выпуске приводит к увеличению работы газообмена. Поэтому в эксплуатации следует проверять и регулировать зазоры, степень загрязнения глушителя и нейтрализатора отработавших газов. Температура на выпуске Тr влияет на ηV незначительно.
Режимы работы. Изменение ηV двигателя с искровым зажиганием и дизеля при работе по нагрузочной характеристике (при постоянной частоте вращения) имеет неодинаковый характер (рис. 3.2, а). Это обусловлено принятыми у этих двигателей принципиально различными способами регулирования мощности.
В дизеле мощность увеличивается путем впрыскивания в цилиндры большего количества топлива. В связи с этим растет температура деталей двигателя, что приводит к увеличению подогрева свежего заряда ΔТ и небольшому снижению коэффициента наполнения.
Рис. 3.2. Зависимость коэффициента наполнения ηV от нагрузки (а) и частоты вращения коленчатого вала при полной нагрузке (б):
1 — дизель; 2 — двигатель с искровым зажиганием
При работе двигателей по скоростной характеристике (при полной нагрузке) характер изменения ηV для обоих типов двигателей одинаков (рис. 3.2, б).
В области малых частот вращения из-за запаздывания закрытия впускного клапана происходит обратный выброс заряда из цилиндра во впускную систему.
По мере роста частоты вращения обратный выброс снижается, а затем растет дозарядка. Также уменьшается подогрев заряда ΔТ. Все это способствует увеличению ηV . После достижения максимума ηV снижается в силу того, что с ростом частоты вращения увеличивается скорость заряда во впускной системе и, следовательно, потери давления на впуске Δра .
Атмосферные условия. Повышение атмосферного давления р0 практически не влияет на значение ηV. Увеличение температуры Т0 вызывает рост ηV, однако при этом существенно снижается плотность воздуха ρB. Поэтому массовое наполнение цилиндра и мощность может и не увеличиваться.
Наддув. При наддуве в четырехтактном ДВС воздух или топливовоздушная смесь нагнетается в цилиндр компрессором, а не под воздействием разрежения, как в двигателе без наддува. При установке во впускной системе охладителя наддувочного воздуха после компрессора ее сопротивление возрастает, но при этом растет массовое наполнение цилиндра.
Основные тенденции развития систем газообмена. Системы газообмена автомобильных двигателей совершенствуются в следующих направлениях:
▪ переход от традиционных двухклапанных конструкций к многоклапанным (трех-, четырех- и пятиклапанным);
▪ широкое применение наддува в дизелях и постепенное внедрение его в двигателях с искровым зажиганием;
▪ установка нейтрализаторов в целях соответствия отработавших газов требованиям по токсичности; это приводит к некоторому росту гидравлического сопротивления выпускной системы (также ее сопротивление увеличивается при использовании турбокомпрессора);
▪ использование в механизмах газораспределения устройств для управления фазами газораспределения изменения высоты и закона подъема клапанов.
В настоящее время появились механизмы газораспределения, позволяющие управлять процессом газообмена, изменяя фазы газораспределения и закон подъема клапана в зависимости от режима работы двигателя. Данные технические решения позволяют улучшить энергетические, экономические и экологические показатели двигателей.
При высокой частоте вращения позднее закрытие впускного клапана используют при динамическом наддуве для увеличения крутящего момента двигателя. На малой частоте вращения раннее закрытие впускного клапана уменьшает обратный выброс и увеличивает наполнение цилиндра и, следовательно, крутящий момент. Применяя переменные фазы газораспределения для разных частот вращения коленчатого вала, можно увеличить крутящий момент на низких частотах до 10 %, а на высоких — до 5 %.
Изменяя начало впуска, можно уменьшить образование в цилиндре оксидов азота до 40 % и углеводородов до 10 %. В ряде случаев увеличение опережения открытия впускного клапана приводит к росту поступления отработавших газов во впускную систему, что обеспечит уменьшение образования оксидов азота.
Количественное регулирование нагрузки путем изменения параметра «время — сечение» впускного клапана позволяет отказаться от дроссельной заслонки. Уменьшение нагрузки обеспечивается ранним закрытием впускного клапана на такте впуска. При этом уменьшаются насосные потери на газообмен, а экономичность на малых нагрузках улучшается до 20 %.
Уменьшение действительной степени сжатия путем позднего закрытия впускного клапана позволяет избежать детонации при наддуве в двигателях с искровым зажиганием.
Возможны варианты, когда на большой нагрузке при высокой частоте вращения работают все впускные клапаны, а на малых отключается один из них.
Управление процессами газообмена возможно с помощью электромеханической системы, которая позволяет отключать отдельные цилиндры при работе двигателя на малых и средних нагрузках, что обеспечивает существенную экономию топлива.
С ростом частоты вращения коленчатого вала, кроме расширения фаз газораспределения, целесообразно для интенсификации динамического наддува настраивать впускную систему путем уменьшения длины впускного тракта. При определенном сочетании фаз газораспределения и длины впускного тракта можно повысить значения ηV до 1,05... 1,08.
На рис. 3.3, а приведена схема системы впуска, позволяющая изменять длину впускного тракта с помощью заслонки 4 в зависимости от скоростного режима работы. При работе на малых и средних частотах вращения коленчатого вала заслонка открывает длинный канал, а на высоких — короткий. На рис 3.3, б показано, как при этом изменяется ηV.
Рис. 3.3. Система управления наполнением при динамическом наддуве:
а — принципиальная схема управления; б — изменение коэффициента наполнения для различных состояний системы; 1 — воздухоочиститель; 2 — резонатор; 3 — впускной клапан; 4 — заслонка