Курс лекции по ЭУТТ.. Вахламов. Лекции по дисциплине Энергетические установки транспортной техники для бакалавров высших учебных заведений, обучающихся по специальности
 Скачать 5.99 Mb.
|
|
АКТЮБИНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ К. ЖУБАНОВА ТЕХНИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ Кафедра: «Автомобильный транспорт и организация дорожного движения»  КУРС ЛЕКЦИИ по дисциплине «Энергетические установки транспортной техники» для бакалавров высших учебных заведений, обучающихся по специальности 050713-«Транспорт, транспортная техника и технологии». Актобе - 2013 Составил: Ерманов М. Б. – старший преподаватель кафедры «АТ и ОДД», Технического факультета, Актюбинского государственного университета имени К. Жубанова. Курс лекций по дисциплине «Энергетические установки транспортной техники» для бакалавров высших учебных заведений, обучающихся по специальности 050713-«Транспорт, транспортная техника и технологии». Актобе: Редакционно-издательский отдел Актюбинского государственного университета имени К. Жубанова, 2013 г. – 155 с. Курс лекции по дисциплине «Энергетические установки транспортной техники» охватывает теории рабочих процессов ДВС, энергетические и экономические характеристики ДВС, кинематики и динамики, конструкционные особенности механизмов и систем энергетических установок. Методика изложения материала отдельных разделов максимально адаптирована к современным способам анализа работоспособности, конструкционных особенности, а также термической и динамической нагруженности элементов энергетических установок транспортной техники. В курсе лекции включены новейшие достижения в конструировании двигателей, используемых в средствах наземного транспорта, их механизмов и систем, а также описаны современные технологии их производства. Рецензенты: Мурзагалиев А. Ж. – к.т.н., доцент, декан технического факультета, Актюбинского государственного университета имени К. Жубанова. Некрасов В. Г. – к.т.н., доцент Актюбинского государственного университета имени К. Жубанова. Рассмотрено и одобрено на заседании кафедры «Автомобильный транспорт и организация дорожного движения», Технического факультета, АГУ имени К. Жубанова. Протокол № ___ от «___»_________ 201_ года. Согласовано на совете технического факультета, АГУ имени К. Жубанова и рекомендовано к утверждению. Протокол № ___ от «___»________ 201_ года. Утверждено на заседании учебно-методического совета Актюбинского государственного университета имени К. Жубанова и рекомендовано к печати. Протокол № ___ от «___» __________ 201_ года. СОДЕРЖАНИЕ Введение……………………………………………………………………………..4 Лекция 1. Вводные сведения……………………………………………………….5 Лекция 2. Топлива и продукты сгорания………………………………………….14 Лекция 3. Рабочий процесс поршневого двигателя внутреннего сгорания…….20 Лекция 4. Процесс смесеобразования, воспламенение и сгорания топлива в двигателях с искровым зажиганием……………………………………………….29 Лекция 5. Процесс смесеобразования и сгорания в дизеле………………………36 Лекция 6. Индикаторные и эффективные показатели…………………………….49 Лекция 7. Характеристики и способы повышения мощности энергетических установок……………………………………………………………………………..60 Лекция 8. Кинематика и динамика шатунно-кривошипного механизма поршневого двигателя………………………………………………………………..75 Лекция 9. Надежность, диагностика и испытание энергетических установок……85 Лекция 10. Кривошипно-шатунный механизм……………………………………...97 Лекция 11. Механизм газораспределения………………………………………….111 Лекция 12. Смазочная система и система охлаждения……………………………125 Лекция 13. Система питания топливом и воздухом……………………………….131 Лекция 14. Система пуска энергетических установок…………………………….144 Лекция 15. Работа энергетических установок в эксплуатации…………………...146 Литература……………………………………………………………………………155 ВВЕДЕНИЕ При подготовке бакалавров транспорта дисциплина «Энергетические установки транспортной техники» (ЭУТТ) служит основой для изучения других предметов специального цикла. Целью курса «Энергетические установки транспортной техники» (теория и конструкция энергетической установки транспортной техники) является изучение рабочих процессов энергетических установок и особенностей их конструкции. Двигатель внутреннего сгорания — основная энергетическая установка современного автомобильного транспорта, главной функцией которой является преобразование химической энергии топлива в механическую работу. Теория энергетической установки транспортной техники изучает рабочие процессы, происходящие в энергетической установке при преобразовании энергии топлива в работу с помощью специальных устройств и механизмов, составляющих конструкцию энергетической установки. К энергетической установке предъявляются требования по габаритам, массе и, естественно, по надежности и долговечности. Современная автомобильная транспортная техника является сложной машиной, созданной трудом большого числа работников различных отраслей науки и техники многих стран. Первые автомобили с паровой силовой энергетической установкой, появившиеся в XVIII в., были тяжелыми и громоздкими. В 1860 г. французский инженер Этьен Ленуар изобрел первый двигатель внутреннего сгорания, работающий на светильном газе. В 1870 г. Э. Ланген и Н. Отто (Германия) построили четырехтактные газовые двигатели с принудительным воспламенением смеси, а в 1897 г. немецкий инженер Р. Дизель создал первый стационарный двигатель с воспламенением рабочей смеси от сжатия — дизель. В 1883 г. появился автомобиль с двигателем внутреннего сгорания, построенный К. Бенцем, в 1888 г. — первый мотоцикл Г.Даймлера. Решающим условием успешного развития любой теории является ее неразрывная связь с практикой. Соответствие конструкции требованиям эксплуатации является обязательным условием успешного развития автомобильной техники. Над усовершенствованием конструкции энергетических установок транспортной техники работают большие коллективы научных, учебных институтов и конструкторских бюро автомобильных заводов, возглавляемые ведущими специалистами отрасли. Лекция 1: ВВОДНЫЕ СВЕДЕНИЯ. 1. Единство и многообразие энергетических установок транспортной техники. 2. Принципы работы различных энергетических установок. 3. Современное состояние и перспективы развития различных энергетических установок. 1. Единство и многообразие энергетических установок транспортной техники Двигатель — энергетическая машина, преобразующая какую-либо энергию в механическую работу. Основным типом энергетической установки на транспорте является тепловой двигатель — сложная техническая система, преобразующая теплоту в механическую работу. Для транспортных двигателей характерны: многорежимность, требующая поддержания высокой эффективности их функционирования при варьировании в широких пределах скоростного и нагрузочного режимов работы; необходимость сохранять работоспособность 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 которого теплота преобразуется в механическую работу, — двигатели внутреннего сгорания (ДВС) и двигатели с внешним подводом теплоты. В ДВС сжигание топлива, выделение теплоты и преобразование части ее в механическую работу происходит непосредственно в цилиндре двигателя. При этом для получения необходимого количества работы в двигателе автомобиля рабочее тело обновляется; по конструкции расширительной машины, с помощью которой теплота, выделяющаяся в результате сгорания топлива, преобразуется в механическую работу, — поршневые ДВС с возвратно-поступательно движущимися поршнями; роторно-поршневые ДВС с вращающимися поршнями; газотурбинные двигатели; реактивные двигатели. Вследствие трудностей обеспечения высокой экономичности роторно-поршневые, газотурбинные и реактивные двигатели не нашли широкого применения в наземной транспортной технике. Поршневые ДВС классифицируют следующим образом: по способу воспламенения рабочего тела — двигатели с искровым (принудительным) зажиганием и с воспламенением от сжатия (дизели); по виду используемого топлива — двигатели, в которых используют жидкое горючее (бензин, дизельное топливо) и газовое; по способу смесеобразования — двигатели с внешним (вне цилиндра) и с внутренним (внутри цилиндра) смесеобразованием; по виду регулирования мощности — двигатели с количественным и двигатели с качественным регулированием мощности. При количественном регулировании мощность изменяется дроссельной заслонкой за счет количества топливовоздушной смеси, поступающей в цилиндр, а при качественном — варьированием количества впрыскиваемого топлива при неизменном количестве воздуха; по принципу организации рабочих процессов — двухтактные и четырехтактные ДВС. Такт — совокупность процессов, протекающих в цилиндре двигателя при перемещении поршня между верхней и нижней мертвыми точками. Необходимо отметить, что понятия «такт» и «процесс» не совпадают. Двигателям с искровым зажиганием свойственно количественное регулирование мощности и внешнее смесеобразование. В них возможно использование бензина и газа. Бензиновые двигатели разделяют на две модификации — двигатели с впрыскиванием топлива 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 вытесняются двигателями с впрыскиванием топлива (рис. 1.1).  Рис. 1.1 Схема двигателя с впрыскиванием бензина во впускную систему: 1 — подвижные элементы кривошипно-шатунного механизма; 2 — неподвижные 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 Подача топлива в этих двигателях осуществляется по сигналу блока управления, сформированному по информации комплекса датчиков (расхода воздуха, частоты вращения коленчатого вала, положения дроссельной заслонки и т.д.). Двигателям с воспламенением от сжатия (дизелям) свойственно качественное регулирование мощности и внутреннее смесеобразование. ДВС состоит из механизмов и систем, имеющих следующее назначение: кривошипно-шатунный механизм — преобразование индикаторной работы, получаемой в результате сгорания, в эффективную работу, отдаваемую потребителю; газораспределительный механизм — наполнение цилиндров двигателя свежим зарядом и очистка их от отработавших газов; система питания топливом — подача топлива, организация смесеобразования; смазочная система — обеспечение смазывания трущихся поверхностей подвижных деталей двигателя; система охлаждения — обеспечение требуемого температурного режима работы двигателя; система питания воздухом — очистка и подача воздуха в цилиндры 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 различных эксплуатационных условиях; система зажигания — воспламенение рабочей смеси в двигателе с искровым зажиганием. 2. Принципы работы различных энергетических установок. Рабочий цикл двигателя формируется из взаимосвязанных процессов, которые зависят от особенностей его организации в соответствии с использованными принципами функционирования двигателя. Анализируют рабочий цикл по индикаторной диаграмме, которая представляет собой зависимость давления р в цилиндре двигателя от текущего надпоршневого объема V (рис. 1.2).  Рис. 1.2. Схема двигателя с искровым зажиганием и его индикаторная диаграмма: 1 — поплавковая камера; 2 — диффузор карбюратора; 3 — дроссельная заслонка;4 — свеча зажигания Рабочие процессы четырехтактного бензинового двигателя. В термодинамике данный цикл моделируется циклом Отто, в котором полагают, что в процессе при V = соnst в ВМТ теплота подводится мгновенно. Бензиновый двигатель — двигатель с принудительным искровым зажиганием, внешним смесеобразованием и количественным регулированием мощности. На большей части режимов мощность двигателя регулируется изменением количества подаваемой в цилиндры топливовоздушной смеси при мало меняющемся ее составе. В зависимости от режима работы двигателя свежий заряд (топливо-воздушная смесь) может иметь различное относительное содержание топлива и воздуха. Состав топливовоздушной смеси оценивают коэффициентом избытка воздуха α — отношением количества воздуха GB, содержащегося в топливовоздушной смеси, к его минимально необходимому количеству для полного сгорания топлива  , находящегося в смеси:  , где  = 14,9 кг — количество воздуха, необходимое для полного сжигания 1 кг бензина. Если α = 1, то смесь называется стехиометрической. При α < 1 смесь называется богатой (топливом), а при α > 1 — бедной (топливом).Для бензиновых двигателей в зависимости от режима работы α изменяется в пределах 0,7... 1,3. Рассмотрим процессы, формирующие индикаторную диаграмму четырехтактного двигателя с искровым зажиганием, описав последовательно такты рабочего цикла двигателя (на рис. 1.2  — атмосферное давление).Такт впуска осуществляется при повороте кривошипа на угол от φ = 0 до φ= 180°. Надпоршневое пространство при этом изменяется от объема камеры сгорания  (ВМТ) до полного объема цилиндра  (НМТ). Такт на индикаторной диаграмме представлен линией ra.В начале такта в объеме камеры сгорания 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 закрывается выпускной клапан (в точке b"), создается разрежение в цилиндре и он заполняется свежим зарядом.Давление рабочего тела  в точке a зависит от гидравлических потерь во впускном тракте. Эти потери уменьшаются при улучшении качества впускного трубопровода, уменьшении скорости движения свежего заряда во впускном тракте, а также при увеличении степени открытия дроссельной заслонки, которые зависят от скоростного и нагрузочного режимов работы двигателя.Температура рабочего тела  в точке а определяется интенсивностью теплообмена между свежим зарядом, поверхностями впускного трубопровода, по которому движется свежий заряд и стенками камеры сгорания, а также его смешиванием с остаточными газами. В карбюраторных двигателях для улучшения испарения бензина впускной трубопровод специально подогревают.Такт сжатия происходит при повороте кривошипа на угол от φ =180° (НМТ) до φ= 360° (ВМТ). На индикаторной диаграмме такту сжатия соответствует линия ас. В конце такта сжатия (в точке с) расчетные параметры рабочего тела  ;  определяются их начальными значениями (,), а также степенью сжатия е ( — показатель адиабаты сжатия).Степенью сжатия называется отношение  , где  — рабочий объем двигателя. Для современных двигателей ε = 7,5... 10.В действительном цикле закрытие впускного клапана происходит несколько позже НМТ (точка а") в целях увеличения наполнения цилиндра свежим зарядом (дозарядка) за счет энергии его движения. В момент, обозначенный на диаграмме буквой f, происходит искровой разряд в свече зажигания. В цилиндре начинается процесс сгорания топливовоздушной смеси, поэтому параметры рабочего тела будут увеличиваться. Угловой интервал (в градусах поворота коленчатого вала) от момента подачи искры до прихода поршня в ВМТ называется углом опережения зажигания  .Такт расширения происходит в процессе сгорания заранее подготовленной достаточно однородной рабочей смеси во время движения поршня от ВМТ (φ = 360°) к НМТ (φ = 540°). В начальный период такта сгорает основная масса топлива, а при расширении рабочего тела производится полезная работа. На индикаторной диаграмме это кривая  . При повороте кривошипа на угол  = 10... 15° после ВМТ давление в цилиндре максимально.В действительном цикле до прихода поршня в НМТ в точке b' открывается выпускной клапан. Это несколько уменьшает работу расширения, но существенно улучшает очистку цилиндра от отработавших газов. |