- •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. Современное состояние и перспективы развития различных энергетических установок.
Мощность двигателя можно повышать экстенсивно, увеличивая рабочий объем цилиндра или число цилиндровi, однако при этом возрастают габаритные размеры и масса двигателя.
Мероприятия по интенсивному повышению мощности оценивают литровой мощностью , которая представляет собой отношение номинальной эффективной мощностик рабочему объему двигателя:
—мощность, получаемая с единицы рабочего объема. При заданной номинальной мощности большая литровая мощность обеспечивает снижение рабочего объема и, следовательно, уменьшение габаритных размеров и массы двигателя.
Комплекс технических мероприятий, направленных на повышение литровой мощности, называют форсированием двигателя.
Из определения , следует, что принципиально возможно форсировать ДВС тремя способами: увеличением номинальной частоты вращенияили среднего эффективного давления, переходом с четырехтактного рабочего процесса на двухтактный.
Увеличение путем повышения номинальной частоты вращенияшироко применяется в двигателях с искровым зажиганием. В дизелях такое повышение затруднено из-за сравнительно большой массы подвижных элементов кривошипно-шатунного механизма, больших механических нагрузок, трудностей с организацией процессов смесеобразования и сгорания при малом времени, отводимом на их реализацию. Кроме того, при повышении частоты вращения возрастают внутренние потери и ухудшается экономичность двигателя.
Номинальная частота вращения современных двигателей с искровым зажиганием достигает 6500 мин-1, дизелей грузовых автомобилей — 2600 мин-1, а дизелей легковых автомобилей — 5500 мин-1. Это предопределяет большую литровую мощность двигателей с искровым зажиганием (в 2...3 раза по сравнению с дизелями без наддува).
Теоретически переход с четырехтактного рабочего цикла на двухтактный должен повысить литровую мощность в два раза. Однако реально увеличивается в 1,5... 1,7 раза. Это связано с тем, что часть рабочего объема двигателя используется на организацию процессов газообмена (в нижней части цилиндра расположены окна для газообмена), снижается качество очистки и наполнения цилиндров, часть горючей смеси теряется в период их продувки, а также требуются дополнительные затраты энергии на привод продувочного насоса. Поэтому у двухтактных двигателей экономические показатели хуже, чем у четырехтактных.
Кроме того, двухтактный двигатель имеет большую тепловую напряженность элементов, формирующих камеру сгорания, из-за того, что количество теплоты, подводимой в единицу времени, в нем в два раза больше, чем у четырехтактного.
Форсирование двигателей возможно по среднему эффективному давлению . Для этого необходимо увеличить цикловую подачу топлива и количество воздуха, подаваемого в цилиндр под давлением за счет повышения его плотности. Такой способ повышенияназываетсянаддувом.
Различают четыре основные типы наддува: динамический (резонансный), наддув от приводного компрессора, газотурбинный и комбинированный.
Наддув с механическим приводом компрессора от коленчатого вала (рис. 1.4, а) позволяет хорошо согласовать работу компрессора с тяговыми характеристиками двигателя. Он обычно используется для кратковременного повышения мощности ДВС за счет невысокой степени наддува. Однако применение такого наддува вызывает существенное снижение экономичности двигателя, что обусловлено затратами энергии на привод компрессора.
Рис. 1.4. Схемы наддува двигателя: а — с приводным компрессором; б — с газотурбинным наддувом; 1 — компрессор; 2 — турбина
Газотурбинный наддув (рис. 1.4, б) получил наиболее широкое распространение в современных двигателях. Для привода центробежного компрессора 1 используется часть энергии отработавших газов, поступающих на лопатки газовой турбины 2. Агрегат, объединяющий газовую турбину и компрессор, называют турбокомпрессором.
При газотурбинном наддуве возможны два способа использования энергии отработавших газов: при постоянном давлении перед турбиной — отработавшие газы поступают в ресивер, а затем при постоянном давлении подаются на турбину; импульсный наддув — отработавшие газы подаются непосредственно на турбину. В этом случае используется не только потенциальная, но и кинетическая энергия газов.
Импульсный наддув наиболее эффективен при малых значениях давления наддува (<0,15 МПа), когда энергия импульса оказывается значительно больше среднего значения давления. При больших значенияхэффект от применения импульсного наддува уменьшается, а при>0,4 МПа— практически отсутствует.
При газотурбинном наддуве механическая связь агрегата наддува с коленчатым валом двигателя отсутствует, поэтому могут существенно ухудшиться тяговые характеристики и приемистость двигателя из-за инерционности турбинного колеса. В связи со снижением энергии отработавших газов на малых нагрузках в начале разгона может не обеспечиваться подача в цилиндр требуемого количества свежего заряда.
Эти недостатки могут быть устранены путем использования комбинированного наддува — последовательной комбинации наддува с приводным компрессором и газотурбинного наддува.
Динамический (резонансный) наддув предполагает использование колебательных явлений в системе впуска и выпуска, возникающих в результате циклического повторения процессов газообмена в цилиндре. Принцип его заключается в создании зоны сжатия свежего заряда перед впускным клапаном до момента его закрытия, что обеспечивает увеличение массы поступающего в цилиндр заряда. Кроме того, в выпускном трубопроводе во время перекрытия клапанов за закрывающимся выпускным клапаном создается зона разрежения отработавших газов, что позволяет улучшить очистку цилиндра и полнее заполнить его свежим зарядом.
Конструктивно данная «настройка» системы осуществляется путем изменения длины и площади проходного сечения впускных и выпускных каналов. В ряде конструкций длина впускного трубопровода изменяется в зависимости от режима работы двигателя.
Динамический наддув позволяет увеличить мощность двигателя на 5... 10 %.
Применение газотурбинного наддува обеспечивает увеличение мощности двигателя на 20...50%.
По мере повышения степени наддува увеличивается механическая и тепловая напряженность элементов, формирующих камеры сгорания, что предъявляет повышенные требования к их конструкции и материалам, к эффективности системы охлаждения и качеству используемого масла. Для повышения степени наддува и снижения высокой тепловой напряженности лопаток турбины в системе наддува организуют охлаждение наддувочного воздуха.
В двигателях с искровым зажиганием применение наддува требует принятия специальных мер по предотвращению нарушения процесса сгорания, называемого детонацией: некоторого снижения степени сжатия, интенсификации охлаждения деталей камеры сгорания.