Лекция 1 отп. Лекция 1 Принцип действия и рабочий цикл поршневого двигателя Учебные вопросы
 Скачать 2.39 Mb.
|
|
Дисциплина Силовые агрегаты Лекция 1 Принцип действия и рабочий цикл поршневого двигателя Учебные вопросы:
Рассмотрим поршневой двигатель внутреннего сгорания. Для описания и анализа его работы воспользуемся упрощенной функциональной схемой, представленной на рисунке 1.  Рисунок 1 Упрощенная функциональная схема поршневого двигателя внутреннего сгорания: 1 — цилиндр; 2 — поршень; 3 — шатун; 4 — кривошип Двигатель содержит кривошипно-шатунный механизм (к.ш.м.), состоящий из неподвижного элемента − остова двигателя 1 и подвижных - поршня 2, шатуна 3 и кривошипа 4. Поршень − основной силовой элемент к.ш.м., совершающий возвратно-поступательное движение, непосредственно участвующий в преобразовании теплоты в работу путем изменения надпоршневого объема, воспринимающий давление газов и передающий силу этого давления кривошипу. Кривошип − силовой элемент к.ш.м., совершающий вращательное движение, определяющий закон движения поршня, воспринимающий силу давления газов на поршень и передающий ее потребителю. Шатун — связующий силовой элемент к.ш.м., совершающий сложное плоскопараллельное движение, участвующий в преобразовании возвратно-поступательного движения поршня во вращательное кривошипа (и наоборот), передающий силу давления газов от поршня к кривошипу. Кривошипно-шатунный механизм решает две задачи:
При решении основной задачи поршень совершает возвратно - поступательное движение, и сгорание топлива происходит последовательными порциями после ряда подготовительных процессов. Совокупность этих процессов, происходящих в определенной последовательности, называется рабочим циклом. Во время работы ДВС рабочий цикл периодически повторяется. Рабочий цикл любого ДВС может быть выполнен по одной из двух схем (рисунок 2):
По первой схеме работают карбюраторные бензиновые, газовые и ДВС с впрыскиванием топлива во впускной трубопровод. По второму – дизели и ДВС с впрыскиванием бензина в цилиндр и воспламенением от искры. При внешнем смесеобразованиирабочий цикл осуществляется следующим образом. Топливо и воздух в определенных соотношениях, необходимых для полного сгорания топлива, хорошо перемешиваются вне цилиндра двигателя и образуют горючую смесь. Полученная смесь поступает в цилиндр (впуск), после чего подвергается сжатию. При сжатии смеси в цилиндре создаются условия, необходимые для сгорания топлива. Во время впуска и сжатия смеси в цилиндре происходят дополнительное перемешивание топлива с воздухом и их нагрев.  Рисунок 2 Схемы рабочих циклов ДВС а) Внешнее смесеобразование б) Внутреннее смесеобразование Основные понятия и определения. Прежде чем рассматривать рабочие процессы двигателей, остановимся на основных понятиях и определениях, принятых для двигателей внутреннего сгорания. При работе кривошипно-шатунного механизма его элементы дважды за один оборот кривошипа занимают такие положения, при которых совпадают по направлению продольные оси кривошипа и шатуна и изменяется направление движения поршня. Такие положения к.ш.м. называются мертвыми, а точки, в которых находится при этом поршень − мертвыми точками. Причем при максимальном удалении поршня от оси кривошипа он находится в верхней мертвой точке (в.м.т.), а при минимальном − в нижней мертвой точке (н.м.т.). Преобразование теплоты в работу осуществляется в цилиндре − изменяющемся объеме надпоршневого пространства остова двигателя. Поршень движется в цилиндре от в.м.т. до н.м.т. При движении поршня в одном направлении от одной мертвой точки до другой происходит один такт. Рабочие процессы, совершаемые в течение одного хода поршня (при движении от одной мертвой точки до другой часть рабочего цикла), называют тактом. Расстояние при перемещении поршня из одного крайнего положения в другое называется ходом S поршня и соответствует половине оборота коленчатого вала. При перемещении поршня объем внутренней полости цилиндра меняется. Характерными объемами при этом принимаются следующие:
Рабочий объем цилиндра равен:  , (1) где  − площадь поперечного сечения цилиндра; D − диаметр цилиндра.Полный объем одного цилиндра равен:  (2)Отношение полного объема цилиндра к объему камеры сгорания называют степенью сжатия:  (3)Степень сжатия показывает, во сколько раз уменьшается объем рабочей смеси при движении поршня от н.м.т. до в.м.т. Сумма рабочих объемов всех цилиндров двигателя, выраженная в литрах, определяет литраж двигателя  : (4)где  − число цилиндров двигателя.Газы, с помощью которых в цилиндре двигателя осуществляется преобразование теплоты в механическую работу, служат рабочим телом. Порция воздуха (или горючей смеси в карбюраторных двигателях), поступающего в цилиндр за один рабочий цикл (в массовых или объемных единицах), называется свежим зарядом. В результате сгорания топлива в цилиндре двигателя образуются новые газообразные или парообразные вещества (соединения) − продукты сгорания, которые после расширения и совершения работы вытесняются из цилиндра поршнем. Однако полное вытеснение продуктов сгорания поршнем невозможно. Продукты сгорания, оставшиеся в цилиндре после выпуска, называют остаточными газами. Наполнение цилиндра свежим зарядом сопровождается смешением его с остаточными газами предыдущего цикла. Смесь свежего заряда с остаточными газами называется рабочей смесью. В реальных поршневых двигателях механическая работа получается в итоге последовательного совершения ряда сложных процессов. Совокупность периодически повторяющихся тепловых, химических и газодинамических процессов, в результате осуществления которых термохимическая энергия топлива преобразуется в механическую работу, называется действительным циклом двигателя. При рассмотрении рабочих процессов в двигателях широко используется график изменения давления р в цилиндре по ходу поршня за цикл от объема цилиндра V (р, V). Его называют индикаторной диаграммой (рис. 3).  Рис. 3. Индикаторная диаграмма четырехтактного двигателя Рабочий цикл в цилиндре двигателя внутреннего сгорания может быть осуществлен за четыре или за два такта. В первом случае цикл называют четырехтактным,а во втором — двухтактным.
Рассмотрим сначала двигатель, рабочий цикл которого осуществляется за четыре такта или за два оборота коленчатого вала. Такой двигатель называют четырехтактным. Рабочий цикл включает процессы : — газообмена − выпуск отработавших газов и впуск свежего заряда; — сжатия; — сгорания; — расширения. Цилиндр такого двигателя закрыт крышкой, в которой расположены 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. Открываются клапаны в нужные моменты с помощью газораспределительного механизма. Рабочий цикл в четырехтактном двигателе происходит следующим образом (рис. 4).  Рисунок 4 Рабочий цикл в четырехтактном двигателе Первый такт − впуск.В начале первого такта поршень находится в положении, близком к ВМТ. Камера сгорания заполнена продуктами сгорания от предыдущего процесса, давление которых несколько больше атмосферного. На индикаторной диаграмме начальному положению поршня соответствует точка r(рис. 4, а). При вращении коленчатого вала (в направлении стрелки) шатун перемещает поршень к НМТ, а распределительный механизм открывает впускной клапан и сообщает надпоршневое пространство цилиндра двигателя с впускным трубопроводом. В результате движения поршня к НМТ цилиндр заполняется свежим зарядом (воздухом или горючей смесью). При этом вследствие сопротивления впускной системы и впускных клапанов давление в цилиндре становится на 0,01...0,03 МПа меньше давления ркперед впускными органами. На индикаторной диаграмме такту впуска соответствует линия r а. Второй такт − сжатие.При обратном движении поршня к ВМТ (рис. 4, б) происходит сжатие поступившего в цилиндр заряда. Давление и температура сжимаемого заряда повышаются, и при некотором перемещении поршня от НМТ давление в цилиндре становится равным давлению рквпуска (точка mна индикаторной диаграмме). Для улучшения наполнения цилиндра свежим зарядом впускной клапан некоторое время в начале такта сжатия продолжает оставаться открытым (до точки m). Запаздывание закрытия впускного клапана (30...70 ° угла поворота коленчатого вала) позволяет использовать для дозаряда возникающий в цилиндре вакуум, а также кинетическую энергию столба воздуха, движущегося по впускному трубопроводу. После закрытия клапана при дальнейшем перемещении поршня давление и температура в цилиндре продолжают расти. Давление в конце сжатия (давление рс в точке с) будет зависеть от степени сжатия, герметичности рабочей полости, теплообмена со стенками, а также от начального давления расжатия. На воспламенение и сгорание топлива требуется некоторое время, хотя и очень незначительное. Для наилучшего использования теплоты, выделяющейся при сгорании, необходимо, чтобы сгорание топлива заканчивалось при положении поршня возможно близком к ВМТ. Поэтому воспламенение рабочей смеси от электрической искры в двигателе обычно производится до момента достижения поршнем ВМТ, т. е. с некоторым опережением. Таким образом, во время второго такта в цилиндре в основном производится сжатие заряда. Кроме того, в начале такта продолжается зарядка цилиндра, а в конце начинается горение топлива. На индикаторной диаграмме второму такту соответствует линия ас. Третий такт − сгорание и расширение− происходит при ходе поршня от ВМТ к НМТ (рис. 4,в). В начале такта интенсивно горит топливо, поступившее в цилиндр и подготовленное к этому в конце второго такта. Вследствие выделения большого количества теплоты температура и давление в цилиндре резко повышаются несмотря на некоторое увеличение внутрицилиндрового объема (линия cz). Под действием давления происходит дальнейшее перемещение поршня к НМТ и расширение газов. Во время расширения газы совершают полезную работу, поэтому третий такт называют также рабочим ходом.На индикаторной диаграмме третьему такту соответствует линия czb. Четвертый такт − выпуск.Во время четвертого такта происходит очистка цилиндра от выпускных газов (рис. 4, г). Поршень, перемещаясь от НМТ к ВМТ, вытесняет газы из цилиндра через открытый выпускной клапан. Выпускной клапан начинает открываться в тот момент, когда поршень не доходит до НМТ на 40...60° угла поворота коленчатого вала; давление газов в цилиндре бывает еще достаточно высоким. Вследствие этого уменьшается сопротивление движению поршня во время такта выпуска и улучшается очистка цилиндра. На индикаторной диаграмме четвертому такту соответствует линия bп. Четвертым тактом заканчивается рабочий цикл. При дальнейшем движении поршня в той же последовательности повторяются все процессы цикла. Только такт сгорания и расширения является рабочим, остальные три такта 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, следовательно, можно будет получить полезной работы за цикл. Для улучшения очистки и наполнения цилиндра выпускной клапан закрывается не в конце такта выпуска (в ВМТ), а несколько позднее (при повороте коленчатого вала на 10...50 ° после ВМТ), т. е. в начале первого такта. По этой же причине и впускной клапан открывается с некоторым опережением (за 10...40° до ВМТ, т.е. в конце четвертого такта). Таким образом, в конце четвертого такта в течение некоторого периода могут быть открыты оба клапана. Такое положение называется перекрытием клапанов. Оно способствует улучшению наполнения в результате эжектирующего действия потока газов в выпускном трубопроводе.
Из рассмотрения четырехтактного цикла следует, что четырехтактный двигатель только половину времени, затраченного на цикл, работает как тепловой двигатель (такты сжатия и расширения). Вторую половину времени (такты впуска и выпуска) двигатель работает как насос. Более полно время, отводимое на рабочий цикл, используется в двухтактных двигателях, в которых рабочий цикл совершается за два такта (за один оборот коленчатого вала). В отличие от четырехтактных двигателей в двухтактных очистка рабочего цилиндра от продуктов сгорания и наполнение его свежим зарядом, т. е. процессы газообмена, происходят только при движении поршня вблизи НМТ. При этом очистка цилиндра от выпускных газов осуществляется путем вытеснения их не поршнем, а предварительно сжатым до определенного давления воздухом или горючей смесью. Предварительное сжатие воздуха или смеси производится в специальном продувочном насосе или компрессоре, выполненном, в виде отдельного агрегата. В небольших двигателях в качестве продувочного насоса иногда используют внутреннюю полость картера (кривошипная камера) и поршень двигателя. В процессе газообмена в двухтактных двигателях некоторая часть воздуха или горючей смеси неизбежно удаляется из цилиндра вместе с выпускными газами через выпускные органы. Эта утечка воздуха или горючей смеси учитывается при выборе подачи продувочного насоса или компрессора. На рис. 5 показана схема работы двухтактного двигателя с внутренним смесеобразованием и прямоточной клапанно-щелевой схемой газообмена.   Рисунок 5 Схема работы двухтактного двигателя Основными особенностями устройства двигателя этого типа являются: впускные окна 8, расположенные в нижней части цилиндра, высота которых составляет около 10...20 % хода поршня; открытие и закрытие впускных окон производится поршнем при его движении в цилиндре; выпускные клапаны 4, размещенные в крышке цилиндра, с приводом от распределительного вала, частота вращения которого обеспечивает открытие клапанов один раз за один оборот коленчатого вала; продувочный насос 2, нагнетающий воздух под давлением в ресивер 7 для очистки цилиндра от продуктов сгорания и наполнения свежим зарядом. Рабочий цикл в двигателе осуществляется следующим образом. Первый такт соответствует ходу поршня от ВМТ к НМТ (рис. 5, а). В цилиндре только что произошло сгорание (линия cz) и начался процесс расширения газов, т. е. осуществляется рабочий ход. Несколько раньше момента подхода поршня к впускным окнам открываются выпускные клапаны 4в крышке цилиндра, и продукты сгорания начинают вытекать из цилиндра в выпускной патрубок; при этом давление в цилиндре резко падает (линия zn). Впускные окна 8открываются поршнем, когда давление в цилиндре становится примерно равным давлению предварительно сжатого воздуха в ресивере или немного выше его. Воздух, поступая в цилиндр через впускные окна, вытесняет через выпускные клапаны оставшиеся в цилиндре продукты сгорания и заполняет цилиндр (продувка), т.е. осуществляется газообмен (участок па на индикаторной диаграмме). Таким образом, в течение первого такта в цилиндре происходит сгорание топлива, расширение газов, выпуск газов, продувка и наполнение цилиндра. Второй такт соответствует ходу поршня от НМТ к ВМТ (рис. 5, б). В начале хода поршня продолжаются процессы удаления выпускных газов, продувки и наполнения цилиндра свежим зарядом. Конец продувки цилиндра (линия ak) определяется моментом закрытия впускных окон и выпускных клапанов. Последние закрываются или одновременно с впускными окнами или несколько ранее. Давление в цилиндре к концу газообмена в двухтактных двигателях несколько выше атмосферного и зависит от давления воздуха в ресивере. С момента окончания газообмена и полного перекрытия поршнем впускных окон начинается процесс сжатия воздуха. Когда поршень не доходит на 10...30° по углу поворота коленчатого вала до ВМТ (точка с ), в цилиндр через форсунку начинает подаваться топливо. Следовательно, в течение второго такта в цилиндре происходит окончание выпуска, продувка и наполнение цилиндра в начале хода поршня и сжатие при его дальнейшем ходе. Кроме рассмотренной выше прямоточной клапанно-щелевой схемы газообмена в двухтактных двигателях применяют и другие схемы. Из индикаторной диаграммы рабочего цикла двухтактного двигателя (рис. 5,а) видно, что на части хода поршня, когда происходит газообмен, полезная работа очень мала, т. е. практически не совершается. ОбъемVn, соответствующий этой части хода поршня, называется потерянным.Тогда объем, описываемый поршнем при движении от точки b, определяющей момент начала сжатия, до ВМТ и называемый действительным рабочим объемом,V'h=Vh−Vn. Таким образом, действительная степень сжатия:  Из сравнения рабочих циклов четырех- и двухтактных двигателей следует, что при одинаковых размерах цилиндра и частотах вращения мощность двухтактного двигателя значительно больше. Поскольку число рабочих циклов больше в 2 раза, ожидаемый рост мощности двухтактного двигателя выше в 2 раза. В действительности мощность двухтактного двигателя увеличивается приблизительно в 1,5...1,7 раза вследствие потери части рабочего объема, ухудшения очистки и наполнения, а также затрат мощности на приведение в действие продувочного насоса. К преимуществам двухтактных двигателей следует отнести большую равномерность крутящего момента, так как полный рабочий цикл осуществляется при каждом обороте коленчатого вала (а не за два, как в четырехтактных). Существенным недостатком двухтактного процесса по сравнению с четырехтактным является малое время, отводимое на процесс газообмена. Очистка цилиндра от продуктов сгорания и наполнение его свежим зарядом более совершенно происходят в четырехтактных двигателях. Кроме того, в двухтактном двигателе температура поршня, крышки цилиндра и клапанов выше, чем в четырехтактном. 4. Показатели эффективности двигателей. Среднее индикаторное давление и индикаторная мощность. Индикаторная диаграмма двигателя представляет собой рабочий цикл, а площадь, ограниченная ею (в определенном масштабе),− индикаторную работу цикла. На рис. 6 показаны индикаторные диаграммы рабочего цикла двигателей. В четырехтактных двигателях площадь диаграммы, определяющая работу за цикл (рис. 16, а), состоит из площади, соответствующей положительной индикаторной работе, полученной за такты сжатия и расширения, и площади, соответствующей работе газов при осуществлении тактов выпуска и впуска.  Рисунок 6 Индикаторные диаграммы рабочего цикла: а — четырехтактного двигателя, б — двухтактного двигателя; в — выпуска и впуска четырехтактного двигателя; г — выпуска и впуска комбинированного четырехтактного двигателя В поршневых двигателях на очистку и наполнение затрачивается работа, которая будет отрицательной (рис. 6, б). В комбинированных двигателях эта работа может быть как отрицательной, так и положительной (рис. 6, г). Работу газов в период газообмена обычно относят к механическим потерям в двигателе. В двухтактных двигателях вся площадь индикаторной диаграммы определяет полезную индикаторную работу (рис. 6, б). Чем больше индикаторная работа Li, тем лучше использование рабочего объема Vhцилиндра двигателя. Если принять, что на поршень действует некоторое условное постоянное давление рi, совершающее в течение одного хода поршня работу, равную работе Li, газов за цикл, то Li = piVh Это условное давление piпринято называть средним индикаторным давлением.Среднее индикаторное давление численно равно высоте прямоугольника с основанием, равным рабочему объему Vh, и площадью, равной площади индикаторной диаграммы. Так как полезная индикаторная работа при заданных размерах цилиндра пропорциональна давлению рi„ совершенство рабочего процесса можно оценивать по среднему индикаторному давлению. Чем больше давление рi, тем больше работа Liи, следовательно, рабочий объем цилиндра используется лучше. Максимальные значения среднего индикаторного давления в различных двигателях зависят от многих факторов: способа смесеобразования; осуществляемого цикла; коэффициента избытка воздуха; наполнения цилиндра и др. Зная среднее индикаторное давление pt(МПа), рабочий объем цилиндра Vh(л), число цилиндров iи частоту вращения п (об/мин) коленчатого вала, можно определить индикаторную мощность(кВт) двигателя  где τ − тактность двигателя, для четырехтактных двигателей τ = 4, для двухтактных двигателей τ = 2. Произведение iVhпредставляет собой рабочий объем двигателя. С увеличением piи п возрастают индикаторная мощность и степень использования рабочего объема цилиндра. Давление piможно повысить, улучшив наполнение цилиндра путем увеличения давления рк. Увеличение частоты вращения п ограничено ростом износа основных деталей и различными потерями. Поэтому частоту вращения выбирают главным образом в зависимости от размеров и назначения двигателя. Двигатели, которые должны обладать большим Сроком службы, при условии, что их размеры и масса не имеют большого значения, как, например, двигатели, устанавливаемые на электростанциях и крупных судах, выполняют с малой частотой вращения вала. Транспортные двигатели − железнодорожные, тракторные и особенно авиационные и автомобильные − для обеспечения малой массы и компактности конструкции делают быстроходными. |