Назначение и классификация поршневых ДВС, их основные входные и выходные параметры. Безразмерные характеристики цикла ДВС.
Поршневые ДВС нашли самое широкое распространение в качестве источников энергии на автомобильном, железнодорожном и морском транспорте, в сельскохозяйственном и строительном производствах (тракторы, бульдозеры), в системах аварийного энергообеспечения специальных объектов (больницы, линии связи и т.п.) и во многих других областях человеческой деятельности. В последние годы особое распространение получают мини-ТЭЦ на основе газопоршневых ДВС, с помощью которых эффективно решаются задачи энергоснабжения небольших жилых районов или производств. Независимость таких ТЭЦ от централизованных систем (типа РАО ЕЭС) повышают надёжность и устойчивость их функционирования.
Весьма разнообразные по конструктивному выполнению, поршневые ДВС способны обеспечивать очень широкий интервал мощностей, покрывающий потребности от очень малых (двигатель для авиамоделей) до очень больших (двигатель для океанских танкеров).Схема,иллюстрирующая основы устройства двигателяприведена на рис. 4.1.
Как известно, сжигание топлива в ДВС осуществляется непосредственно в рабочем теле. В поршневых ДВС такое сжигание проводится в рабочем цилиндре 1 с движущимся в нём поршнем 6. Образующиеся в результате сгорания дымовые газы толкают поршень, заставляя его совершать полезную работу. Поступательное движение поршня с помощью шатуна 7 и коленчатого вала 9 преобразуется во вращательное, более удобное для использования. Коленчатый вал располагается в картере 8, а цилиндры двигателя – в другой корпусной детали, называемой блоком (или рубашкой) цилиндров 2. В крышке цилиндра 5 находятся впускной 3 и выпускной 4 клапаны с
принудительным кулачковым приводом от специального распределительного вала, кинематически связанного с коленчатым валом машины. Чтобы двигатель работал непрерывно, необходимо периодически удалять из цилиндра продукты сгорания и заполнять его новыми порциями топлива и окислителя (воздуха), что и осуществляется благодаря перемещениям поршня и работе клапанов.
Поршневые ДВС принято классифицировать по различным общим признакам.
1. По способу смесеобразования, зажигания и подвода тепла двигатели
делят на карбюраторные и дизельные.
2. По организации рабочего процесса – на четырёхтактные и двухтактные. В
последних рабочий процесс совершается не за четыре, а за два хода поршня. В свою очередь, двухтактные подразделяются на машины с прямоточной клапанно-щелевой продувкой, с кривошипно-камерной продувкой,
с прямоточной продувкой и противоположно движущимися поршнями и др. 3. По назначению – на стационарные, судовые, тепловозные, автомобильные, автотракторные и др.
4. По числу оборотов – на малооборотные (до 200 об/мин) и высокооборотные.
5. По средней скорости поршня wп = Sn /30 – на тихоходные и быстроходные (wп >9 м/с).
6. По давлению воздуха в начале сжатия – на обычные и с наддувом при помощи приводных воздуходувок.
7. По использованию тепла выхлопных газов – на обычные (без использования), с турбонаддувом и комбинированные. У машин с турбонаддувом выпускные клапаны открываются несколько раньше обычного и дымовые газы с более высоким давлением, чем обычно, направляются в импульсную турбину, которая приводит в действие турбокомпрессор, подающий воздух в цилиндры. Это позволяет сжигать в цилиндре больше топлива, улучшая и КПД, и технические характеристики машины.
8. По числу и расположению цилиндров двигатели бывают: одно-, двух- и многоцилиндровые, рядные, V-образные, Х-образные.
Как это понятно из приведённых описаний циклов, действительные циклы ДВС не являются замкнутыми, а процессы подвода тепла совершаются по достаточно сложным законам, трудно поддающимся инженерному расчёту. Поэтому реальные циклы принято идеализировать путём замены реальных процессов некоторыми условными простыми процессами, обеспечивающими термодинамические расчёты с достаточной для практики точностью. Во-первых, процессы газообмена (всасывание и выталкивание) заменяются условным изохорным процессом, поскольку суммарная работа двух названных процессов практически равна нулю, как и у изохорного процесса. Во-вторых, процесс сгорания топлива заменяется двумя условными процессами: на первой стадии, когда давление в цилиндре растёт очень интенсивно – изохорой, а на второй стадии, когда при движении поршня к НМТ рост давления прекращается и даже начинает медленно уменьшаться – изобарным процессом. Индикаторная диаграмма такого идеализированного цикла для дизельного двигателя со смешанным подводом тепла (так называемый цикл Тринклера) приведена на рис. 4.5. На диаграмме нанесена также линия действительного процесса сгорания, аппроксимируемая отрезками соответствующих прямых.
Рис. 4.5. Индикаторная диаграмма идеализированного цикла поршневого ДВС:
1–2 – процесс политропного сжатия; 2–3 – фаза подвода теплоты при v = const; 3–4 – фаза подвода теплоты при p =const; 4–5 – политропное расширение; 5–1 – изохорный отвод теплоты в окружающую среду.
Для описания и расчётов цикла используют следующ безразмерные характеристики:
− степень сжатия ε = V1/V2=Vh+ Vкс /Vh=1+ Vкс /Vh;
− степень повышения давления: λ = p3/p2;
− степень предварительного расширения: ρ =V4/V3;