Классификация двигателей внутреннего сгорания

Лекция №4

Классификация двигателей внутреннего сгорания.

Двигатели внутреннего сгорания могут быть классифицированы по следующим основным признакам:

1) По роду применяемого топлива: двигатели, работающие на жидком топливе, газовые двигатели и газожидкостные двигатели;

2) По способу смесеобразования: двигатели с внешним и внутренним смесеобразованием.

3) По способу осуществления газообмена: четырехтактные и двухтактные.

4) По способу воспламенения горючей смеси: двигатели с воспламенением от сжатия и двигатели с принудительным зажиганием (от электрической искры).

5) По способу наполнения рабочего цилиндра: двигатели с наддувом или без наддува.

Кроме этого двигатели делятся по конструктивным признакам:

Рекомендуемые материалы

1) По конструкции кривошипно-шатунного механизма: тронковые (высокооборотные и среднеоборотные двигатели) и крейцкопфные (преимущественно тихоходные двигатели большой мощности) двигатели.

2) По расположению и числу рабочих цилиндров.

3) По степени быстроходности: тихоходные (со средней скоростью поршня до 10 м/с) и быстроходные (со средней скоростью поршня выше 10 м/с).

4) По направлению вращения коленчатого вала: двигатели правого и левого вращения, реверсивные (т.е. изменяющие направление вращения вала) и нереверсивные двигатели.

По назначению двигатели делятся на:

1) Стационарные промышленного назначения ( для установок на электростанциях, насосных станциях и т.д.).

2) Наземно-транспортные: тепловодные, автомобильные, тракторные, двигатели дорожных и транспортно-погрузочных машин и т.п.

3) Судовые: главные двигатели (реверсивные и нереверсивные), приводящие в движение винт или электрогенераторы, вспомогательные двигатели для привода ряда вспомогательных механизмов судовой машинной установки.

4) Авиационные

Существуют и другие признаки, по которым можно классифицировать двигатели. Для маркировки приняты следующие условные обозначения: Ч – четырехтактный, Д – двухтактный, ДД – двухтактный двойного действия, Р – реверсивный, С – судовой с реверсивной муфтой, П – с редукторной передачей, К – крейцкопфный, Н – с наддувом.

Цифры обозначают: 1-я цифра – число цилиндров; число над чертой – диаметр цилиндра в см; число под чертой – ход поршня в см; последняя цифра характеризует модернизацию (1-я, 2-я и т.д.).

В условном обозначении тронкового дизеля отсутствует буква К, а в обозначении нереверсивного дизеля – буква Р.

Дизель 64 Н  - шестицилиндровый, четырехтактный, нереверсивный, тронковый, с наддувом, диаметр цилиндра 105 мм., ход поршня 130мм.

Идеальные циклы двигателей без наддува.

Ввиду сложности явлений, происходящих в цилиндре двигателя, оценку влияния отдельных факторов на рабочий процесс целесообразно осуществлять последовательно, рассматривая в цикле главные процессы в простейшей форме. При такой схематизации протекающих в цилиндре двигателя сложных явлений преобразования теплоты в механическую работу рабочие циклы превращаются в идеальные.

Основные условия идеального цикла заключаются в следующем:

1) Рабочим телом в цикле служит идеальный газ, неизменный по массе, химическому составу, теплоемкости, а процесс горения заменяется мгновенным подводом тождественного количества теплоты Q₁ от горячего источника и отдачей теплоты Q₂ холодному источнику.

2) Мгновенный подвод теплоты может осуществляться при постоянном объеме (V = const) либо при постоянном давлении (P = const), либо по смешанному циклу (V = const и P = const).

3) При совершении обратимых процессов превращение теплоты в механическую работу является максимальным, т.е. величина термодинамического К.П.Д. цикла по сравнению с индикаторным К.П.Д. двигателя – максимальная.

4) Все типы циклов в одинаковых условиях сравнимы между собой и есть возможность получить максимально достижимый предел использования теплоты в том или другом цикле, наглядно выявить основные параметры, влияющие на их экономичность и наметить пути дальнейшего совершенствования двигателей.

С точки зрения осуществляемого в рабочем цилиндре термодинамического цикла двигатели могут быть подразделены на 3 основные группы:

1) двигатели, работающие по циклу подводом теплоты при V = const;

2) двигатели, работающие по циклу с подводом теплоты при P = const;

3) двигатели, работающие по смешанному циклу с подводом теплоты при V =const, а потом при P = const.

Цикл с подводом теплоты при V = const

 -степень последующего расширения,

 - степень понижения давления,

Рабочий цикл с подводом теплоты при V = const происходит в двигателях с внешним смесеобразованием (карбюраторных и газовых), т.е. в таких двигателях, в которых к моменту сгорания вся порция топлива в виде горючей смеси уже находится в цилиндре.

Основными показателями любого цикла являются Экономичность, характеризующаяся термодинамическим (термическим) К.П.Д. и эффективность, определяемая удельной работой цикла, т.е. работой, приходящейся на единицу разности между максимальным и минимальным объемами рабочего тела в цикле. Чем больше удельная работа, тем меньше размеры рабочего цилиндра поршневого двигателя потребуются для получения заданной мощности.

Термодинамический К.П.Д. цикла представляет собой отношение количества теплоты, преобразованного в механическую работу, к количеству теплоты, подведенному к рабочему телу.

где Q₁и Q₂ – подведенное и отведенное количество теплоты, ккал/кмоль;

Q₁-Q₂ – использованная теплота или преобразованная в работу, Дж/кмоль

где  - мольная теплоемкость при постоянном объеме, Дж/кмоль*К

Выразим все температуры через начальную T_a, используя известные из термодинамики соотношения между температурами в характерных точках цикла и его параметрами.

;        

;

;

;                              

;

;

;

;

Для идеального цикла  поэтому  при V = const зависит только от Е и возрастает при ее увеличении.

Повышение Е является целесообразным, однако допустимое значение ее в двигателях с искровым зажиганием ограничено до Е=12 из-за возможности преждевременного воспламенения сжигаемой в цилиндре рабочей смеси и появления детонации. Кроме того, повышение  при Е>9 сильно замедляется.

Цикл с подводом теплоты при P = const. В этом случае производится раздельный ввод в цилиндр воздуха и топлива, что устраняет недостатки цикла с подводом тепла при V = const и позволяет повышение Е до относительно высоких значений. Этот цикл является идеальным для компрессорных дизелей, в которых топливо вводится в цилиндр и распыливается там при помощи сжатого воздуха под давлением 50-60 кг/см².

Ввиду сложности обслуживания компрессорные дизели в настоящее время не строятся и представляют только теоретический интерес.

Температуры Т_с, T_z и T_b выразим через T_a

из процесса CZ .

из процесса zb. ;

Из формулы следует, что при увеличении Е – К.П.Д. возрастает, но с увеличением  или при увеличении количества подводимой теплоты по изобаре Q₁, что в реальных условиях аналогично увеличению нагрузки, термодинамический К.П.Д. понизится.

Цикл смешанный с подводом теплоты при V = const  P = const.

Становится очевидным, что если от каждого из упомянутых циклов оставить положительное, то получится новый цикл с комбинированным подводом теплоты, т.е. смешанный цикл.

;

Определим температуры в функции от

=;

 смешанного цикла зависит от трех параметров:  и , причем при увеличении Е и  К.П.Д. цикла возрастает, а при увеличении К.П.Д. падает. Однако следует иметь в виду, что при любых  значениях  увеличение  приводит к возрастанию К.П.Д. в смешанном цикле.

По смешанному циклу обычно рассчитываются все двигатели все двигатели с воспламенением от сжатия с бескомпрессорным распыливанием топлива.

Сравнительный анализ основных термодинамических циклов поршневых двигателей.

Рекомендуем посмотреть лекцию "26 Валютные операции кредитных организаций".

Смешанный цикл является промежуточным циклом с подводом теплоты при V = const и циклом с подводом теплоты при P = const.

Как было показано выше, при одинаковом Е высокий К.П.Д.  получается в цикле с подводом теплоты при .

При одинаковых E и Q₁ в цикле с подводом теплоты при отводится большее количество теплоты, чем в цикле с подводом теплоты при . Следовательно, количество полезно использованной теплоты, а следовательно и К.П.Д.  в цикле при  будет меньше, чем во втором.

При одинаковой Е максимальное давление будет иметь наименьшую величину в цикле с подводом теплоты при P = const и наибольшую в цикле с подводом теплоты при .

Таким образом, увеличение К.П.Д., т.е. экономичности цикла, сопровождается значительным повышением его максимального давления сгорания . Надо иметь в виду, что рост  с увеличением сильно замедляется. Следовательно, и по этой причине значительное повышение  не оправдывается малым возрастанием . Поэтому смешанный цикл является более целесообразным.

При одинаковых , но с разными Е цикл при P = const более экономичен, чем цикл с подводом теплоты при , имеющий меньшую степень сжатия. Термодинам. К.П.Д.  смешанного цикла будет иметь промежуточное значение, определяемое величинами  и .