Лекция 2. Двигатели внутреннего сгорания.
Принцип работы, классификация и область применения двигателей внутреннего сгорания. Особенности циклов ДВС.
Технико-экономические показатели и тепловой баланс ДВС.
Поршневым двигателем внутреннего сгорания называется тепловая машина, в рабочем цилиндре которой происходит сжигание топлива и преобразование теплоты в работу.
На рис. 1 представлена принципиальная схема ДВС. Основным элементом любого поршневого двигателя является цилиндр 4 с поршнем 5, соединенным посредством кривошипно-шатунного механизма с внешним потребителем работы. Цилиндр (или блок цилиндров) монтируется на верхней части картера 1 и сверху закрыт крышкой, в которой установлены впускной 2 и выпускной 3 клапаны и электрическая свеча зажигания (в карбюраторном и газовом двигателях) или форсунка (в дизеле). В зарубашечном пространстве цилиндра и его головки циркулирует охлаждающая жидкость. В картере монтируется коленчатый вал, кривошип 7 которого подвижно соединен с шатуном 6. Верхняя головка шатуна сочленена с поршнем, который совершает прямолинейное возвратно-поступательное движение в цилиндре
Рис. 1. Принципиальная схема поршневого ДВС
Кроме основных деталей двигатель имеет ряд вспомогательных механизмов для подачи топлива (топливные насосы, смесительные устройства, фильтры, топливные баки, регулятор), смазки (масляные насосы, фильтры, масляные баки, масленки), охлаждения (водяные насосы, водяные баки, радиаторы) и другие устройства, необходимые для его обслуживания. Вспомогательные механизмы приводятся в движение от коленчатого вала.
Крайние положения поршня называют верхней мертвой точкой (ВМТ) и нижней мертвой точкой (НМТ). Ход поршня от ВМТ до НМТ называют тактом. Объем, описываемый поршнем за один ход, является рабочим объемом цилиндра, Vn = nD2S/4 (D — диаметр цилиндра, S — ход поршня).
Сумму рабочих объемов всех цилиндров двигателя в литрах называют литражом двигателя.
Анализ рабочего цикла в ДВС обычно производят с помощью индикаторной диаграммы, на которой графически изображена зависимость давления в цилиндре от объема, занятого газом, или положения поршня. При работе ДВС индикаторная диаграмма записывается присоединенным к нему специальным прибором — индикатором.
Различают два типа поршневых ДВС - четырехтактные и двухтактные. У четырехтактного двигателя, индикаторная диаграмма которого изображена на рис. 2, а, отдельным процессам соответствуют: 0 -1 - всасывание топливной) смеси (1-й такт); 1-2 — сжатие смеси (2-й такт); 2-3 — сгорание +3-4 — расширение продуктов сгорания +4-5— выхлоп (3-й такт); 5-0 — выталкивание продуктов сгорания, (4-й такт).
Из всех четырех тактов, составляющих цикл, только в третьем получается полезная paбoта, в остальных трех тактах работа затрачивается.
У двухтактного двигателя отдельным процессам соответствуют (рис. 2, б): 0-1 — продувка и введение новой порции смеси + 1-2 — сжатие (1-й такт); 2-3 — сгорание + 3-4 — расширение + 4-0 — выхлоп (2-й такт). В двухтактном двигателе очистку цилиндра от остаточных газов и наполнение его свежим зарядом выполняют продувочным воздухом через шлицы, открываемые поршнем.
Рис. 2. Индикаторная диаграмма четырехтактного (а) и двухтактного (б) двигателей: А — выпускное окно; Б — продувочное окно
Двигатели с «мгновенным сгоранием» топлива (карбюраторные и газовые). Первый газовый двигатель был построен Отто (1876 г.), а первый карбюраторный двигатель был создан моряком русского флота О. С. Костовичем (1879 г.). В цилиндр такого двигателя всасывается готовая горючая смесь, которая в нужный момент поджигается от внешнего источника (электрической искры высокого напряжения, раскаленного шара). Время сгорания готовой смеси очень мало, в связи с чем допустимо считать, что процесс сгорания осуществляется при (почти) постоянном объеме.
Двигатели со сгоранием топлива при (почти) постоянном давлении (компрессорные дизели). Создание такого двигателя связано с именем Р. Дизеля (1898 г.). В цилиндре двигателя сжимается чистый воздух. В конце сжатия в цилиндр впрыскивается топливо, которое в процессе смешения с горячим воздухом воспламеняется и сгорает при р = const. Для распыла топлива, подаваемого в цилиндр, используют воздух, сжатый в компрессоре до давления, в 1,2—2 раза превышающего давление в цилиндре (отсюда и произошло название «компрессорные дизели»). Такие двигатели имеют ряд конструктивных недостатков (наличие компрессора для распыла топлива, сложное устройство форсунок и др.) и в настоящее время не строятся.
Двигатели со смешанным сгоранием топлива (бескомпрессорные дизели). В цилиндре этого двигателя тоже сжимается чистый воздух, а жидкое топливо, сжатое насосом до давлений около 30— 40 МПа, подается в форсунку, через которую оно в мелкораспыленном виде разбрызгивается в цилиндр в конце такта сжатия. Топливо, попадая в воздух, нагретый в процессе сжатия до температуры, превышающей температуру воспламенения, сгорает по мере ввода его в цилиндр сначала (почти) при V=const, а затем при (почти) р = const.
Все типы двигателей могут выполняться как четырехтактными, так и двухтактными.
Оценкой совершенства осуществляемого в тепловом двигателе процесса служат его индикаторные показатели, а суммарной оценкой, учитывающей и механическое совершенство конструкции двигателя, - эффективные показатели. Распределение теплоты, подведенной к двигателю с топливом, на полезно использованное и потери дает тепловой баланс двигателя, который называется внешним тепловым балансом. В общем виде можно записать:
Поршневые насосы
Работа объёмных насосов основана на всасывании и вытеснении жидкости твёрдыми телами (поршнями, пластинами, зубцами), движущимися в рабочих полостях. Схема поршневого насоса приведена на рис. 1. Цилиндр 1 сопряжен с клапанной коробкой 2, в гнёздах которой расположены всасывающий и нагнетательный клапаны 3 и 4. Поршень 5, движущийся в цилиндре возвратно-поступательно, производит попеременно всасывание из трубы 6 и нагнетание в трубу 7.
Недостатки:
- скорость поршня ограничена действием инерционных сил, поэтому соединение их высокооборотным электродвигателем затруднено.
- обладает неравномерностью подачи.
1 – цилиндр; 2 – клапанная коробка; 3 – всасывающий клапан; 4 –нагнетательный клапан; 5 – поршень; 6, 7 – трубы. | |
Рис. 1. Схема устройства поршневого насоса |
Индикаторная диаграмма показывает, как изменяется давление в цилиндре в течение двух ходов поршня. На рис. 2 представлены теоретическая и действительная индикаторные диаграммы поршневого насоса.
Рис. 2. Теоретическая (слева) и действительная (справа) индикаторная диаграмма поршневого насоса
При движении поршня вправо полость цилиндра со стороны клапанной коробки увеличивается и заполняется жидкостью, поступающей из приёмной трубы через открытый всасывающий клапан. Давление в клапанной коробке ниже атмосферного, что объясняется гидравлическим сопротивлением всасывающего тракта. 4-1 – это линия всасывания. В точке 1 поршень меняет свое направление на обратное и всасывающий клапан автоматически закрывается; в клапанной коробке происходит резкое увеличение давления (процесс 1-2). В момент, когда давление станет равным р2, откроется напорный клапан. При равномерном движении поршня от точки 2 влево происходит подача жидкости при постоянном давлении. В крайнем левом положении поршень снова меняет направление движения, при этом давление в клапанной коробке резко падает по линии 3-4, напорный клапан закрывается и открывается всасывающий клапан.
Действительная индикаторная диаграмма отличается от теоретической в основном наличием колебаний давления в начале всасывания и подачи, которые объясняются влиянием инерции клапанов их прилипанием к седлам а также инерции жидкости. Диаграммы снимают из насосов с помощью индикаторов и используют для расчета внутренней (индикаторной) мощности поршневого насоса и анализа возможных неисправностей.
Давление, взятое по индикаторной диаграмме,называется среднее индикаторное давление.
Действительная мощность, подводимая от двигателя к валу насоса, больше внутренней, так как часть её идет на преодоление механического трения. Механический КПД поршневого насоса:
.
Внутренняя мощность, потребляемая насосом, больше полезной мощности , потому что часть мощности затрачивается в цилиндре насоса на преодоление гидравлических сопротивлений, а также на восполнение потерь, вызываемых утечками через неплотности и клапаны.
Внутренним или индикаторным КПД поршневого насоса называют отношение
.
Подача поршневого насоса определяется размерами рабочего цилиндра, числом ходов поршня или частотой вращения вала насоса и количеством цилиндров. Если поршень насоса работает лишь одной стороной (насос одностороннего действия), то подача:
, где S – ход поршня, D –внутренний диаметр цилиндра.
Для насоса двустороннего действия подача равна:
, где d – диаметр штока.
Если насос имеет несколько цилиндров, поршни которых приводятся в движение от общего коленчатого вала (многопоршневой насос), то его подача получается умножением подачи одного поршня на их число.
В большинстве конструкций поршневых насосов осуществляется неравномерное движение поршней при помощи кривошипно-шатунных механизмов. Поэтому, если не предусмотреть специальных мер, жидкость будет двигаться во всасывающем и напорном трубопроводах тоже неравномерно. Существует несколько способов уменьшения неравномерности подачи:
1. применение многопоршневых насосов с параллельным соединением цилиндров, поршни которых приводятся в движение от общего коленчатого вала;
2. применение воздушных колпаков на всасывающей и напорной трубах близ клапанной коробки насоса.