Введение
Лекция №1
Введение.
Двигатели внутреннего сгорания (ДВС) принадлежат к наиболее распространенному классу тепловых двигателей, в которых тепловая энергия, выделяющаяся при сгорании топлива, преобразуется в полезную работу. В тепловых двигателях процессы сгорания топлива, выделение теплоты и преобразование ее в механическую энергию происходят непосредственно внутри двигателя.
К двигателям внутреннего сгорания относятся поршневые двигатели, газовые турбины и реактивные двигатели.
Предметом данного курса являются поршневые двигатели внутреннего сгорания.
Топливо и воздух, необходимые для сгорания, вводятся в объем цилиндра двигателя. Образующиеся при сгорании газы, имеющие высокую температуру, создают давление на поршень и перемещают его в цилиндре. Поступательное движение поршня через шатун передается коленчатому валу, установленному в картере, и преобразуется во вращательные движения вала.
|
| 1- колесо турбины газовой 2- компрессор 3- насос 4- камера сгорания 5- направляющий аппарат |
В газовых турбинах сжигание топлива производится в специальной камере сгорания 4. Топливо в нее подается насосом 3 через форсунку. Воздух, необходимый для горения, нагнетается в камеру сгорания с помощью компрессора 2, установленного на одном валу с газовой турбиной 1. Продукты сгорания через направляющий аппарат 5 поступают на лопатки рабочего колеса турбины 1. Газовые турбины, имеющие только вращающиеся детали, могут работать с высоким числом оборотов. Основным недостатком газовых турбин является сравнительно невысокая экономичность и работа лопаток в среде газа с высокой температурой (снижение температуры газов для повышения надежности лопаток, ухудшает экономичность турбины). Газовые турбины широко используются в качестве вспомогательных агрегатов в поршневых и реактивных двигателях, а так же как самостоятельные силовые установки. Применение жаростойких материалов позволяет повысить показатели газовых турбин и расширить область их использования.
|
| 1- бак 2- насос 3- камера сгорания 4- сопло 5- бак |
В жидкостных реактивных двигателях жидкие топливо и окислитель тем или иным способом (например, насосами 2) подаются из баков 1 и 5 под давлением в камеру сгорания 3. Продукты сгорания расширяются в сопле 4 и вытекают в окружающую среду с большой скоростью. Истечение газов из сопла является причиной возникновения реактивной силы (силы тяги) двигателя. Основной недостаток реактивных двигателей – относительно низкая экономичность.
Наиболее экономичными являются поршневые двигатели внутреннего сгорания. Основным недостатком этих двигателей следует считать наличие кривошипно-шатунного механизма, усложняющего конструкцию и ограничивающего возможность повышения частоты вращения.
В настоящее время широкое распространение получили так называемые комбинированные двигатели. Основными преимуществами комбинированного двигателя являются его малые объем и масса, приходящиеся на 1 л.с. и, что не менее важно, высокая экономичность, превосходящая экономичность обычного поршневого двигателя.
Комбинированный двигатель состоит из поршневого двигателя внутреннего сгорания, газовой турбины и компрессора.
|
|
Выпускные газы из поршневого двигателя, которые имеют еще высокие температуру и давление, отдают свою энергию лопаткам рабочего колеса газовой турбины, приводящей в действие компрессор. Компрессор засасывает воздух из атмосферы и под определенным давлением нагнетает его в цилиндры поршневого двигателя.
Увеличение наполнения цилиндров двигателя воздухом путем повышения давления на впуске называют наддувом. При наддуве плотность воздуха повышается и увеличивается количество свежего заряда, заполняющего цилиндр при впуске, по сравнению с зарядом воздуха в том же двигателе без наддува.
Для того чтобы топливо, вводимое в цилиндр, сгорело, требуется определенное количество воздуха (для полного сгорания 1 кг жидкого топлива теоретически необходимо около 15 кг воздуха). Поэтому чем больше воздуха поступит в цилиндр, тем больше топлива можно сжечь в нем, т.е. получить большую мощность.
Комбинированные двигатели по сравнению с двигателями без наддува характеризуются не только более высокой мощностью, но и лучшей экономичностью вследствие использования части энергии выпускных газов.
Появление поршневых двигателей внутреннего сгорания во 2-й половине XIX в. было вызвано развитием промышленности, для которой требовался более совершенный двигатель, чем паровая машина.
Первый двухтактный двигатель Ленуара с золотниковым распределением и посторонним источником зажигания, созданный в 1860 г. работал на светильном газе. Построенный в 1876 г. четырехтактный двигатель расходовал вдвое меньше газа и получил широкое промышленное применение. Помимо светильного газа, в двигателях стали использоваться генераторные, доменные, природные и попутные нефтяные газы.
Производство газовых двигателей в России началось в 1908г. на Коломенском и др. заводах. Стационарные двигатели, работающие на керосине и более тяжелых сортах топлива, появились в ряде стран в период с 1884 по 1890 г. Зажигание в этих двигателях осуществлялось при помощи калоризатора, представляющего собой полый массивный шар, соединенный с камерой сжатия; на раскаленную поверхность этого шара подавалось топливо. Подобные двигатели, которые стали выпускаться с 1890 г. в России имели широкое распространение. В 1899 г. завод Э. Нобеля (Русский дизель) выпустил первый промышленный четырехтактный двигатель с воспламенением от сжатия, который в отличие от двигателя, предложенного Р. Дизелем (1897 г.) работал не на керосине, а на сырой нефти и различных ее погонах. Двигатель расходовал значительно меньше топлива и отличался оригинальностью конструкции. Только с переходом на сырую нефть двигатель с воспламенением от сжатия получил признание как наиболее экономичный двигатель, что и обусловило широкое его распространение в промышленности всех стран.
Развитие отечественного дизелестроения сопровождалось разработкой вопросов теории рабочего процесса и конструкции двигателей. Уже в 1906 г. В.И. Гриневецкий предложил метод теплового расчета рабочего цикла, положенный в основу современной теории процессов поршневых ДВС., развитой в дальнейшем Н.Р. Брилингом, Е.К. Мазингом, Б.С. Стечкиным и др.
Теоретические основы рабочих процессов комбинированных двигателей и первые их конструктивные схемы были разработаны В.И. Гриневецким (1906 г.) и А.Н. Шелестом (1912 г.).
Особенно быстрое развитие отечественное двигателей получило после Великой Октябрьской социалистической революции. За годы первых пятилеток в стране было организованно производство двигателей для различных областей народного хозяйства: автомобилестроения, тракторостроения, авиации, морского и речного флота, железнодорожного транспорта, строительного и дорожного машиностроения и т.п.
Четырехтактные двигатели.
Рабочий цикл в цилиндре поршневого двигателя может быть осуществлен за 2 или 1 оборот коленвала.
Рассмотрим двигатель, рабочий цикл которого осуществляется за 2 оборота вала. Цилиндр такого двигателя закрыт крышкой, в которой располагаются клапаны для впуска свежего заряда и выпуска продуктов сгорания (выпускных газов). Клапаны удерживаются в закрытом состоянии пружинами, а, кроме того, давлением в цилиндре при процессах сжатия, сгорания и расширения. Открытие клапанов в нужные периоды производится с помощью газораспределительного механизма.
Газораспределительный механизм обычно состоит из рычагов, штанг и толкателей, на которые воздействуют кулачки, сидящие на распределительном валу. Распределительный вал приводится в движение от коленвала двигателя и имеет вдвое меньшее число оборотов, чем коленвал. Каждый клапан открывается один раз за два оборота коленвала. Рабочий цикл в поршневом ДВС из следующих процессов: впуска, сжатия, сгорания, расширения и выпуска.
|
| Первый такт - впуск. В начале первого такта поршень находится в положении В.М.Т. Камера сгорания заполнена продуктами сгорания от предыдущего процесса, давление которых несколько выше атмосферного. При вращении коленвала (в направлении стрелки) шатун перемещает поршень к Н.М.Т., а распределительный механизм открывает впускной клапан и сообщает надпоршневое пространство цилиндра двигателя с впускным трубопроводом. С увеличением скорости поршня давление в цилиндре становится на 0,1-0,3 кг/см2 меньше давления во впускном трубопроводе Рк вследствие возрастания смеси или воздуха в клапанах и сопротивления на впуске. Под влиянием разности давлений цилиндр заполняется свежим зарядом (воздухом или горючей смесью). ra – линия впуска. |
Давление во впускном трубопроводе может быть равным атмосферному (в двигателях без наддува) или выше него, в зависимости от степени наддува (Рк = 1,3-2,5 кг/см2) в двигателях с наддувом. В результате наддува повышается плотность воздуха и, следовательно, увеличивается величина свежего заряда, заполняющего цилиндр при такте впуска. Увеличение заряда в цилиндре при впуске повышает работу за цикл и мощность двигателя, однако при этом возрастают давления и температуры цикла.
|
| |
|
| Второй такт – сжатие. При движении поршня к В.М.Т. производится сжатие поступившего в цилиндр заряда, давление и температура которого при этом повышаются. При некотором положении поршня давление в цилиндре становится равным давлению впуска Рк (точка m на индикаторной диаграмме). Для улучшения наполнения цилиндра свежим зарядом впускной клапан продолжает оставаться открытым некоторое время в начале такта (до точки m). Запаздывание закрытия впускного клапана позволяет использовать для дозарядки разрежения в цилиндре, а также кинетическую энергию столба воздуха, движущегося по впускному трубопроводу. После закрытия клапана и при дальнейшем перемещении поршня давление и температура в цилиндре продолжают повышаться. Значение давления в конце сжатия Рс будет зависеть от степени сжатия, герметичности рабочей полости, теплоотдачи в стенки и от величины начального давления сжатия Ра. |
Для наилучшего использования теплоты, выделяющейся при сгорании, необходимо, чтобы сгорание топлива начиналось и заканчивалось при положении поршня, возможно близком к В.М.Т.
|
| Поэтому воспламенение рабочей смеси от электрической искры в двигателях с внешним смесеобразованием или впрыск топлива в цилиндр двигателей с внутренним смесеобразованием обычно производится до прихода поршня в В.М.Т. При втором такте в цилиндре в основном производится сжатие заряда. Кроме того, в начале такта продолжается зарядка цилиндра, а в конце начинается сгорание топлива. На индикаторной диаграмме второму такту соответствует линия ас. Третий такт – сгорание и расширение. Третий такт происходит при ходе поршня от В.М.Т. к Н.М.Т. В начале такта интенсивно сгорает топливо, поступившие в цилиндр и подготовленные к этому в конце второго такта. Вследствие выделения большого количества теплоты температура и давление в цилиндре резко повышаются, несмотря на некоторое увеличение внутрицилиндрового объема (участок cz). |
Под действием давления происходит дальнейшее перемещение поршня и расширение газов. Во время расширения газы совершают полезную работу, поэтому третий такт называют также рабочим ходом. Линия czb – третий такт.
|
| Ещё посмотрите лекцию "16 Структура пород" по этой теме. Четвертый такт – выпуск. Во время 4-го такта происходит очистка цилиндра от выпускных газов. Поршень, перемещаясь от Н.М.Т. к В.М.Т., вытесняет газы из цилиндра через открытый выпускной клапан. Так как давление газов в цилиндре в конце такта расширения бывает еще достаточно высоким, выпускной клапан начинает открываться в тот момент, когда поршень не доходит до Н.М.Т. на 40-600 угла поворота вала. Вследствие этого уменьшается сопротивление движению поршня во время такта выпуска и улучшается очистка цилиндра. 4-й такт – линия br. Этим тактом заканчивается рабочий цикл. При этом только такт сгорания и расширения является рабочим, а остальные 3 такта в данном цилиндре осуществляются за счет кинетической энергии вращающегося коленчатого вала с маховиком и работы других цилиндров. |
Чем полнее будет очищен цилиндр от выпускных газов и чем больше поступит в него свежего заряда, тем больше можно будет получить полезной работы за цикл.
Для повышения степени наполнения цилиндра выпускной клапан закрывается не в конце такта выпуска (в В.М.Т.), а несколько позднее (при повороте коленвала на 5-300 после В.М.Т., т.е. в начале 1-го такта).
По этой же причине и впускной клапан открывается с некоторым опережением (за 10-400 до В.М.Т. в конце 4-го такта). Следовательно, в конце 4-го такта в течение некоторого периода могут быть открыты оба клапана. Такое положение клапанов способствует улучшению наполнения в результате подсасывания в цилиндр свежего заряда вследствие перемещения столба газов в выпускном трубопроводе
