Шассификация, показатели и характеристики
РАБОТЫ ДВС
Л. Классификация двигателей
Двигатель — энергетическая машина, преобразующая какую-
либо энергию в механическую работу. Основным типом энергети-
ческой установки на транспорте является тепловой двигатель —
сложная техническая система, преобразующая теплоту в механи-
ческую работу.
Для транспортных двигателей характерны: многорежимность,
требующая поддержания высокой эффективности их функциони-
рования при варьировании в широких пределах скоростного и
нагрузочного режимов работы; необходимость сохранять работо-
способность при изменении положения двигателя в пространстве;
высокие требования к габаритным размерам и массе.
Тепловые двигатели классифицируют по следующим признакам:
по способу подвода теплоты к рабочему телу, с помощью кото-
рого теплота преобразуется в механическую работу, — двигатели
внутреннего сгорания (ДВС) и двигатели с внешним подводом
теплоты. В ДВС сжигание топлива, выделение теплоты и преобра-
зование части ее в механическую работу происходит непосред-
ственно в цилиндре двигателя. При этом для получения необходи-
мого количества работы в двигателе автомобиля рабочее тело об-
новляется;
по конструкции расширительной машины, с помощью которой
теплота, выделяющаяся в результате сгорания топлива, преобра-
зуется в механическую работу, — поршневые ДВС с возвратно-
поступательно движущимися поршнями; роторно-поршневые ДВС
с вращающимися поршнями; газотурбинные двигатели; реактив-
ные двигатели.
Вследствие трудностей обеспечения высокой экономичности
роторно-поршневые, газотурбинные и реактивные двигатели не
нашли широкого применения в наземной транспортной технике.
* В основу раздела положены материалы учебника-комплекса, разработанно-
го коллективом кафедры «Теплотехника и автотракторные двигатели» МАДИ
(ГТУ) под руководством члена-корреспондента РАН В.Н.Луканина.
Поршневые ДВС (в дальнейшем — двигатели) классифициру-
ют следующим образом:
по способу воспламенения рабочего тела — двигатели с искро-
вым (принудительным) зажиганием и с воспламенением от сжа-
тия (дизели);
по виду используемого топлива — двигатели, в которых исполь-
зуют жидкое горючее (бензин, дизельное топливо) и газовое;
по способу смесеобразования — двигатели с внешним (вне ци-
линдра) и с внутренним (внутри цилиндра) смесеобразованием;
по виду регулирования мощности — двигатели с количествен-
ным и двигатели с качественным регулированием мощности. При
количественном регулировании мощность изменяется дроссель-
ной заслонкой за счет количества топливовоздушной смеси, по-
ступающей в цилиндр, а при качественном — варьированием ко-
личества впрыскиваемого топлива при неизменном количестве
воздуха;
по принципу организации рабочих процессов — двухтактные и че-
тырехтактные ДВС. Такт — совокупность процессов, протекаю-
щих в цилиндре двигателя при перемещении поршня между верх-
ней и нижней мертвыми точками (ВМТи НМТ). В четырехтактном
ДВС рабочий цикл совершается за два оборота коленчатого вала
(т = 4), а в двухтактном — за один (т = 2). Необходимо отметить,
что понятия «такт» и «процесс» не совпадают.
Двигателям с искровым зажиганием свойственно количествен-
ное регулирование мощности и внешнее смесеобразование. В них
возможно использование бензина и газа Бензиновые двигатели
разделяют на две модификации — двигатели с впрыскиванием топ-
лива через форсунку во впускную систему (обычно на впускной
клапан или в цилиндр) и карбюраторные (топливовоздушная смесь,
поступающая в цилиндры, подготавливается карбюратором).
Карбюраторные двигатели в настоящее время активно вытес-
няются двигателями с впрыскиванием топлива (рис. 1.1). Подача
топлива в этих двигателях осуществляется по сигналу блока управ-
ления, сформированному по информации комплекса датчиков (рас-
хода воздуха, частоты вращения коленчатого вала, положения дрос-
сельной заслонки и т.д.).
Двигателям с воспламенением от сжатия (дизелям) свойственно
качественное регулирование мощности и внутреннее смесеобра-
зование.
Двигатель внутреннего сгорания состоит из механизмов и сис-
тем, имеющих следующее назначение:
кривошипно-шатунный механизм — преобразование индика-
торной работы, получаемой в результате сгорания, в эффектив-
ную работу, отдаваемую потребителю;
газораспределительный механизм — наполнение цилиндров
двигателя свежим зарядом и очистка их от отработавших газов;
 Рис. 1 1. Схема двигателя с впрыскиванием бензина во впускную систему: / — подвижные элементы кривошипно-шатунного механизма; 2 — неподвиж- ные элементы кривошипно-шатунного механизма; 3 — свеча зажигания; 4 — форсунка; 5 — дроссельная заслонка, 6 — расходомер; 7 — воздухоочиститель; 8— электронный блок управления, 9— топливный фильтр, 10— топливный насос, 11 — топливный бак |
система питания топливом — подача топлива, организация
смесеобразования;
смазочная система — обеспечение смазывания трущихся по-
верхностей подвижных деталей двигателя;
система охлаждения — обеспечение требуемого температурно-
го режима работы двигателя;
система питания воздухом — очистка и подача воздуха в ци-
линдры двигателя и снижение шума впуска;
система наддува — организация форсирования двигателя;
система выпуска — глушение шума выпуска и нейтрализация
отработавших газов;
система пуска — обеспечение надежного пуска двигателя в раз-
личных эксплуатационных условиях;
система зажигания — воспламенение рабочей смеси в двигате-
ле с искровым зажиганием.
Рабочие процессы двигателя
Рабочий цикл двигателя формируется из взаимосвязанных про-
цессов, которые зависят от особенностей его организации в соот-
ветствии с использованными принципами функционирования
двигателя. Анализируют рабочий цикл по индикаторной диаграм-
ме, которая представляет собой зависимость давления р в цилин-
дре двигателя от текущего надпоршневого объема К (рис. 1.2)
Рабочие процессы четырехтактного бензинового двигателя. В тер-
модинамике данный цикл моделируется циклом Отто, в котором
полагают, что в процессе при V - const в ВМТ теплота подводится
мгновенно.
Бензиновый двигатель — двигатель с принудительным искровым
зажиганием, внешним смесеобразованием и количественным ре-
гулированием мощности На большей части режимов мощность дви-
гателя регулируется изменением количества подаваемой в цилинд-
ры топливовоздушной смеси при мало меняющемся ее составе.
В зависимости от режима работы двигателя свежий заряд (топливо-
воздушная смесь) может иметь различное относительное содержа-
ние топлива и воздуха. Состав топливовоздушной смеси оценивают
коэффициентом избытка воздуха а — отношением количества воз-
духа GB, содержащегося в топливовоздушной смеси, к его мини-
мально необходимому количеству для полного сгорания топлива Gr,
 Рис. 1.2. Схема двигателя с искровым зажиганием и его индикаторная диаграмма: 1 — поплавковая камера, 2 — диффузор карбюратора; 3 — дроссельная заслонка; 4 — свеча зажигания |
находящегося в смеси: а = GB/(GTlQ), где /о = 14,9 кг — количество
ноздуха, необходимое для полного сжигания 1 кг бензина. Если
а - 1, то смесь называется стехиометрической. При а < 1 смесь назы-
вается богатой (топливом), а при а > 1 — бедной (топливом).
Для бензиновых двигателей в зависимости от режима работы а
изменяется в пределах 0,7... 1,3.
Рассмотрим процессы, формирующие индикаторную диаграм-
му четырехтактного двигателя с искровым зажиганием, описав
последовательно такты рабочего цикла двигателя (на рис. 12 pQ —
атмосферное давление).
Такт впуска осуществляется при повороте кривошипа на угол
о г ф = 0 до ф = 180° Надпоршневое пространство при этом изменя-
ется от объема камеры сгорания Vc (ВМТ) до полного объема
цилиндра Va (НМТ). Такт на индикаторной диаграмме представ-
лен линией га.
В начале такта в объеме камеры сгорания Vc находится часть
продуктов сгорания от предыдущего цикла — остаточные газы.
В результате их смешения со свежим зарядом в цилиндре двигателя
образуется рабочая смесь. При движении поршня к НМТ закрыва-
ется выпускной клапан (в точке Ь"), создается разрежение в ци-
линдре и он заполняется свежим зарядом.
Давление рабочего телара в точке а зависит от гидравлических
потерь во впускном тракте. Эти потери уменьшаются при улучше-
нии качества впускного трубопровода, уменьшении скорости дви-
жения свежего заряда во впускном тракте, а также при увеличе-
нии степени открытия дроссельной заслонки, которые зависят от
скоростного и нагрузочного режимов работы двигателя.
Температура рабочего тела Та в точке а определяется интенсив-
ностью теплообмена между свежим зарядом, поверхностями впус-
кного трубопровода, по которому движется свежий заряд и стен-
ками камеры сгорания, а также его смешиванием с остаточными
газами. В карбюраторных двигателях для улучшения испарения бен-
зина впускной трубопровод специально подогревают.
Такт сжатия происходит при повороте кривошипа на угол от
Ф =180° (НМТ) до ф = 360° (ВМТ). На индикаторной диаграмме
такту сжатия соответствует линия ас.
В конце такта сжатия (в точке с) расчетные параметры рабоче-
го тела рс = рав"1 ; Тс = ТаеЯ|~' определяются их начальными зна-
чениями (ра, Та), а также степенью сжатия е («, — показатель
адиабаты сжатия).
Степенью сжатия называется отношение е = VajVc= (Vf, + Vc)/Vc ,
где Vh — рабочий объем двигателя. Для современных двигателей
е= 7,5. .10.
В действительном цикле закрытие впускного клапана происхо-
дит несколько позже НМТ (точка а") в целях увеличения напол-
нения цилиндра свежим зарядом (дозарядка) за счет энергии его
движения. В момент, обозначенный на диаграмме буквой /, про-
исходит искровой разряд в свече зажигания. В цилиндре начинает-
ся процесс сгорания топливовоздушной смеси, поэтому парамет-
ры рабочего тела будут увеличиваться. Угловой интервал (в граду-
сах поворота коленчатого вала) от момента подачи искры до при-
хода поршня в ВМТ называется углом опережения зажигания Ф0 з-
Такт расширения происходит в процессе сгорания заранее под-
готовленной достаточно однородной рабочей смеси во время дви-
жения поршня от ВМТ (ф = 360°) к НМТ (ф = 540°). В начальный
период такта сгорает основная масса топлива, а при расширении
рабочего тела производится полезная работа. На индикаторной
диаграмме это кривая c'zb
При повороте кривошипа на угол фг= 10. . 15° после ВМТ дав-
ление в цилиндре максимально.
В действительном цикле до прихода поршня в НМТ в точке Ь'
открывается выпускной клапан. Это несколько уменьшает рабо-
ту расширения, но существенно улучшает очистку цилиндра от
отработавших газов.
Такт выпуска осуществляется во время движения поршня от
НМТ (ф = 540°) к ВМТ (ф = 720°), в ходе которого продукты
S
 Рис. 1.3. Схема дизеля и его индикаторная диаграмма: 1 — кривошипно-шатунный механизм; 2 — редуктор, 3 — топливный насос высокого давления, 4 — форсунка; 5 — механизм газораспределения |
сгорания выталкиваются из цилиндра при небольшом избыточ-
ном давлениирг = (1,05 .... 1,2) р0. На индикаторной диаграмме дан-
ному такту соответствует кривая br.
В конце такта выпуска в точке а', когда поршень еще не дошел
до ВМТ, начинает открываться впускной клапан.
Рабочие процессы четырехтактного дизеля. В термодинамике
данный цикл моделируется циклом Сабатэ—Тринклера, в кото-
ром полагают, что теплота подводится в процессах при V- const в
ВМТ и при р = const после ВМТ.
Дизель — двигатель с воспламенением от сжатия, внутренним
смесеобразованием и качественным регулированием мощности. Она
регулируется путем впрыскивания различного количество топли-
ва в неизменное количество воздушного заряда, что практически
не влияет на общий объем топливовоздушной смеси, но резко
изменяет ее состав (а от 1,3 до 5). В дизеле свежий заряд — воздух.
Для полного сжигания 1 кг дизельного топлива требуется кисло-
род, содержащийся в 14,5 кг воздуха. Чтобы обеспечить надежное
самовоспламенение смеси, степень сжатия в дизелях принимает-
ся большей, чем в двигателях с искровым зажиганием: е = 14... 23.
Проанализируем особенности протекания процессов, форми-
рующих рабочий цикл дизеля (рис. 1.3), и сравним с характером
протекания аналогичных процессов в двигателе с искровым за-
жиганием.
Такт впуска. Гидравлические потери во впускной системе ди-
зеля меньше, чем в двигателе с искровым зажиганием, из-за от-
сутствия дроссельной заслонки. Они не меняются при изменении
нагрузки на двигатель. Нет отвода теплоты от свежего заряда на
доиспарение топлива. Поэтому давление в точке а в дизеле боль-
ше, чем в двигателе с искровым зажиганием.
Так как в дизеле степень сжатия больше, то к свежему заряду
подмешивается относительно меньшее количество отработавших
газов, температура которых меньше, чем у двигателя с искровым
зажиганием. Поэтому температура Та в дизеле несколько ниже.
Такт сжатия. Из-за большей степени сжатия параметры рабо-
чего тела в точке с у дизеля выше, чем в двигателе с искровым
зажиганием.
Топливо впрыскивается в камеру сгорания в конце такта сжа-
тия. Угол поворота коленчатого вала от момента начала впрыски-
вания топлива (точка /) до прихода поршня в ВМТ, называется
углом опережения впрыскивания ср0 вп. Процесс сгорания начинается
до ВМТ, а давление в цилиндре />с' превышает давление сжатия рс.
Такт расширения. В отличие от двигателя с искровым зажигани-
ем в дизеле подготовка топливовоздушной смеси происходит за
существенно меньший интервал времени. Значительная часть топ-
лива впрыскивается в цилиндр непосредственно в процессе сго-
рания. Поэтому в дизеле при положении поршня около ВМТ сго-
рает меньшая доля топлива, чем в бензиновом двигателе. Часть
подаваемого топлива сгорает после ВМТ. Более низкие значения
Г.являются следствием большего значения коэффициента избыт-
ка воздуха в дизеле.
Параметры рабочего тела в конце такта расширения в точке Ъ
ниже, чем в двигателе с искровым зажиганием, из-за более высо-
кой степени сжатия и, следовательно, большей степени расши-
рения продуктов сгорания
Такт выпуска. Параметры рабочего тела в точке г в дизеле так-
же ниже, чем в двигателе с искровым зажиганием, что обуслов-
лено более низкой температурой в конце такта расширения Ть.
1.3. Энергетический баланс и экономико-энергетические
показатели двигателя
Теплота Qr, которая вводится с топливом в цилиндр ДВС за
цикл его работы, расходуется на совершение индикаторной рабо-
ты цикла L, и на тепловые потери Qnm (рис. 1.4):
0Т= Олот)
где QT = qlxHu (здесь qu — цикловая подача топлива; Ни — низшая
теплота сгорания).
В состав Qnm входят потери теплоты в систему охлаждения £?охл,
с отработавшими газами Q0T и от неполного сгорания топлива
QHC, когда а< 1.
Индикаторная работа цикла L,
представляет собой работу, полу-
чаемую за такты расширения (по-
ложительная работа Lp) и сжатия
(отрицательная работа Llx):
A' ~L-'p ^сж | *
На индикаторной диаграмме L,
соответствует площадь, ограни-
ченная линиями расширения и
сжатия В свою очередь индикатор-
ная работа расходуется на полу-
чение эффективной (полезной) ра-
боты Le, отдаваемой потребите-
лю, и на механические (внутрен-
ние) потери LM:
A Le т L4.
 Рис. 1.4. Энергетический баланс двигателя |
В состав LM входят потери на
трение L,p, привод вспомогатель-
ных агрегатов и механизмов LBM (жидкостный и масляный насо-
сы, тоиливоподающая аппаратура дизелей и т.п.) и организацию
процессов газообмена L,0. Последний вид потерь относят к дан-
ной группе условно для сравнения эффективности термодинами-
ческого и действительного циклов ДВС.
Уровень тепловых потерь в двигателе оценивают с помощью
индикаторного КПД, показывающего долю теплоты, преобразо-
ванной в индикаторную работу, относительно всей теплоты, вве-
денной в двигатель за цикл с топливом:
Л, = а/<2т - (<2т - CU)/ft = 1 - йютМ •
Для оценки работоспособности действительного цикла исполь-
)уют удельный показатель — среднее индикаторное давление р.,
представляющий собой индикаторную работу цикла, получаемую
с единицы рабочего объема цилиндра двигателя р, = L,/Vh. Он по-
зволяет сравнивать работоспособность двигателей различного ра-
бочего объема.
Показатель, характеризующий получение индикаторной рабо-
ты за единицу времени, называется индикаторной мощностью N,.
N, - АДЦ,
где /ц = (60/я)0,5т — время выполнения одного рабочего цикла дви-
гателя, п —частота вращения коленчатого вала двигателя, мин"1;
т — коэффициент тактности (т = 2 для двухтактного и т-4для
четырехтактного двигателей).
Так как L, = p,Vh, то для двигателя с числом цилиндров, рав-
ном /, индикаторная мощность, кВт, будет определяться по фор-
муле
N,=д/нГА/(3(к).
Индикаторный крутящий момент двигателя М, = p,iVH/(nx), сле-
довательно, он прямо пропорционален р,.
Экономичность двигателя оценивают с помощью удельного ин-
дикаторного расхода топлива g„ который показывает, какое коли-
чество топлива в цикле расходует двигатель на производство еди-
ницы индикаторной работы: g, = gJL,. Или, если задать часовой
расход топлива GT, кг/ч, и индикаторную мощность N„ кВт, то
g,= (GJ Л/,) 10\ г/(кВт ■ ч).
Уровень механических потерь в ДВС оценивают с помощью ме-
ханического КПД г|м, который характеризует долю эффективной
работы Le, преобразованной из индикаторной:
= LJLi = {Ц - IM)/I,= 1 - LJL,.
Эффективные показатели определяют полезно используемую
мощность и экономичность двигателя.
Совокупность всех потерь в двигателе оценивают эффективным
КПД, который показывает долю теплоты, преобразованной в эф-
фективную работу, относительно всей теплоты, введенной с топ-
ливом в цикле:
тъ=4/ат = Апм/£>т=11|11м-
Среднее эффективное давление ре - Le/Vh; эффективная мощность
Nc = peniVh/(30т); эффективный крутящий момент двигателя
MK = pJVh/( ят).
Удельный эффективный расход топлива позволяет оценить эко-
номичность двигателя. Он показывает, какое количество топлива
расходуется на производство единицы эффективной работы или
какое количество топлива расходуется для получения 1 кВт эффек-
тивной мощности за 1 ч работы: ge = (GT/Ne)103, г/(кВтч). Показа-
тели Т)е и ge связаны между собой зависимостью ge ~ 3600/(г\еНи).
Связь одноименных индикаторных и эффективных показате-
лей с помощью механического КПД имеет вид
Пм =4/Д =Ne/N,=pe/p, = gjge.