Анализ эффективности работы двигателя внутреннего сгорания

77

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

1. Теоретические сведения

1.1 Обратные термодинамические циклы

1.2 Циклы тепловых двигателей и установок

1.3 Коэффициент избытка воздуха, степень сжатия

2. Рабочие процессы в поршневых и комбинированных двигателях

2.1 Классификация двигателей внутреннего сгорания

2.2 Топливо для двигателей. Свойства и физико-химические характеристики. Теплота сгорания топлива

2.3 Двухтактные двигатели

3. Параметры, характеризующие поршневые двигатели

3.1Среднее индикаторное давление и индикаторная мощность

3.2 Коэффициенты полезного действия

3.3 Повышение удельной мощности двигателей

4. Дизельные двигатели

4.1 Особенности и применение

4.2 Смесеобразование в дизелях и типы камер сгорания0

4.3 Топливные системы

4.4 Подвод воздуха и отвод выпускных газов

4.5 Устройство двухтактных и четырехтактных двигателей

5. Расчет горения топлива

5.1 Состав топлива и его характеристики

5.2 Процессы горения топлива

6. Устройство двигателя автомобиля марки ВАЗ-2101

6.1 Основные механизмы и системы двигателя

6.2 Силы и моменты, действующие в двигателе

6.3 Кривошипно-шатунный механизм

6.4 Механизм газораспределения

6.5 Системы смазки и охлаждения

Заключение

Список литературы



ВВЕДЕНИЕ

Двигатель внутреннего сгорания (сокращённо ДВС) -- это тип двигателя, тепловая машина, в которой химическая энергия топлива (обычно применяется жидкое или газообразное углеводородное топливо), сгорающего в рабочей зоне, преобразуется в механическую работу. На данный момент является одним из самых распространенных типов двигателей. В этой работе будет показаны основы строения ДВС, принцип работы на примере ВАЗ-2101.

Актуальность данной темы заключается в том, что двигатели внутреннего сгорания играют важную роль в жизни человечества.

Применение двигателей внутреннего сгорания чрезвычайно разнообразно: их используют в авиации, теплоходы, автомобили, тракторы и тепловозы также используют ДВС. Более мощные двигатели внутреннего сгорания устанавливают на речных и морских судах. Несмотря на то, что двигатели внутреннего сгорания являются весьма несовершенным типом тепловых машин (низкий КПД, громкий шум, токсичные выбросы, меньший ресурс) благодаря своей автономности (необходимое топливо содержит гораздо больше энергии, чем лучшие электрические аккумуляторы) двигатели внутреннего сгорания очень широко распространены, например на транспорте.



1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

1.1 Обратные термодинамические циклы

Обратный термодинамический цикл - это совокупность процессов, в результате которых рабочее тело (пар, газ) возвращается в первоначальное состояние, и при этом за счет затраты работы осуществляется передача теплоты от тел менее нагретых к более нагретым.

Теплота сама по себе не способна переходить от тел, имеющих низкую температуру, к телам более нагретым, что является отражением второго закона термодинамики. Однако при затратах энергии с помощью различного рода холодильников, кондиционеров и тепловых насосов теплота может отниматься от холодных тел и передаваться телам с более высокой температурой. Таким образом, помимо прямых циклов, которые реализуются в целях превращения тепловой энергии в механической энергии в механическую, существует целый класс круговых процессов, назначением которых может являться, в частности перенос теплоты от тел менее нагретых к телам с более высокой температурой. Формально эти циклы отличаются направлением протекания термодинамических процессов - они осуществляются против хода часовой стрелки, а не по ходу, как прямые циклы. Иными словами, по подобным циклам работают различные потребители энергии.

Обратный термодинамический цикл можно рассмотреть на примере воздушной холодильной установки.

В качестве рабочего тела в холодильной установке может использоваться воздух. В этом случае подвод и отвод теплоты осуществляется - в отличии от цикла Карно - не в изотермных процессах, а в процессах изобарных.



Нагретый в результате теплообмена с охлаждаемыми предметами воздух поступает из холодильной камеры 1 (рис. 1) в компрессор 2. Вследствие последующего быстрого сжатия температура воздуха поднимается выше температуры окружающей среды и вытесняемый в теплообменник 3 воздух при постоянном давлении отдает теплоту этой среде или охлаждающей жидкости. При этом температура воздуха понижается, оставаясь, однако в процессе теплообмена всегда выше температуры среды или жидкости. Пройдя через трубки теплообменника, воздух через клапаны попадает в расширительный цилиндр 4 (детендер). Здесь он расширяется, совершая «положительную» работу. Поскольку процесс расширения протекает относительно быстро, температура рабочего тела понижается и охлажденный подобным образом воздух в конце расширения через клапана попадает в холодильную камеру 1. Здесь при постоянном давлении он отбирает теплоту у охлаждаемых предметов, после чего вновь поступает в компрессор.

Холодильный коэффициент цикла воздушной холодильной установки определяется как:



Где T₁ - исходная температура рабочего тела, T₂, T₃, T₄ - температуры компрессора, теплообменника и расширительного цилиндра.

Таким образом, холодильный коэффициент воздушной установки о_k определяется по той же формуле, как и для обратного цикла Карно. Однако эффективность этих двух циклов оказывается различной. Различие в эффективности цикла воздушной холодильной установки и обратного цикла Карно весьма существенно, и отношение о/о_k, в реальном диапазоне температур, как правило, не превосходит 0,3.

Помимо невысокой эффективности существенным недостатком воздушных холодильных установок являются и их большие габариты. Это предопредило поиск решений, позволяющих при увеличении эффективности уменьшить ее размеры. Достичь этого возможно в приближении к обратному циклу Карно, то есть в случае подвода и отвода теплоты в цикле по изотермам.

1.2 Циклы тепловых двигателей и установок

Круговой цикл (процесс) - это такой процесс, при котором газ (т.е. рабочее тело) после ряда изменений возвращается в исходное состояние.

Круговые процессы осуществляются в тепловых двигателях как процессы, периодически повторяющиеся. В системе p-v координат круговые процессы всегда замкнуты.

Рассмотрим изменение состояния газа в непрерывно работающем тепловом двигателе. Допустим, что газ с начальными параметрами, характеризующимися точкой 1 (рис. 2), вводится в соприкосновение с источником тепла, в результате чего газ расширяется до конечного состояния, характеризуемого точкой 2.

В процессе расширения газ совершает работу, измеряемую площадью 1-1?-2-3-4-1. Если газ сжимать при той же температуре, при которой он расширялся, то работа, затрачиваемая на сжатие, будет равна работе, получаемой при расширении, и в результате такого процесса работа будет равна нулю.

Следовательно, процесс сжатия необходимо вести при меньшей температуре, чем процесс расширения, т.е. при сжатии газ следует охлаждать.

Работа, затраченная на сжатие, изображается площадью 2-2?-1-4-3-2. в результате кругового процесса получается полезная работа, равная разности работ расширения и сжатия, которая изображается площадью 1-1?-1-4-3-2, ограниченной замкнутой кривой обоих процессов.

Для осуществления кругового процесса (цикла) и получения полезной работы необходимо к газу в процессе расширения подвести тепло , а в процессе сжатия отвести от него тепло .

Так как в круговом процессе конечное и начальное состояния газа совпадают, то изменение внутренней энергии газа за цикл равно нулю, т.е. .

На совершение полезной работы в круговом процессе затрачивается количество тепла q=q₁-q₂, где q₁ и q₂ - количество подведенного и отведенного тепла соответственно.

Процесс на рисунке 2 называют прямым, и он направлен по часовой стрелке. Прямые циклы имеют место в тепловых двигателях.

Экономичность цикла оценивается термическим коэффициентом полезного действия (к.п.д.), обозначаемым и равным отношению тепла, превращенного в полезную работу, к подведенному теплу, т.е.

.

где q₁ и q₂ - количество подведенного и отведенного тепла соответственно. Данное уравнение показывает, что к.п.д. не может быть больше или равен единице, т.к. ни q₂ ни q₁ не могут быть равны нулю.

1.3 Коэффициент избытка воздуха, степень сжатия

В зависимости от организации рабочего процесса двигателя соотношение между количествами воздуха и топлива может изменяться. При теоретических расчетах получают необходимое для горения количество воздуха, но на практике подводят большее количество. Отношение действительного количества воздуха (), подводимого в процессе горения, к теоретически необходимому (), называется коэффициентом избытка воздуха

.



Он характеризует качество горючей смеси. При увеличении б смесь делается более бедной. Полным сгоранием топлива называется такое сгорание, при котором все горючие части топлива превращаются в конечные продукты окисления.

Число, показывающее, во сколько раз полный объем цилиндра больше объема камеры сгорания называют степенью сжатия. Степень сжатия можно найти через отношение полного объема цилиндра к объему камеры сгорания и обозначают:

,

где - полный объем цилиндра, - объем камеры сгорания, - рабочий объем.



2. РАБОЧИЕ ПРОЦЕССЫ В ПОРШНЕВЫХ И КОМБИНИРОВАННЫХ ДВИГАТЕЛЯХ

2.1 Классификация двигателей внутреннего сгорания

Двигателем внутреннего сгорания называют поршневой тепловой двигатель, в котором процессы сгорания топлива, выделение теплоты и превращение ее в механическую работу происходят непосредственно в цилиндре двигателя.

ДВС можно разделить на:

· газовые турбины;

· поршневые двигатели;

· реактивные двигатели.

В газовых турбинах сжигание топлива производится в специальной камере сгорания. Газовые турбины, имеющие только вращающиеся детали, могут работать с высоким числом оборотом. Основным недостатком газовых турбин являются невысокая экономичность и работа лопаток в среде газа с высокой температурой.

В поршневом двигателе топливо и воздух, необходимые для сгорания, вводятся в объем цилиндра двигателя. Образующиеся при сгорании газы имеют высокую температуру и создают давление на поршень, перемещая его в цилиндре. Поступательное движение поршня через шатун передается коленчатому валу, установленному в картере, и преобразуется во вращательное движение вала.

В реактивных двигателях мощность увеличивается с повышением скорости движения. Поэтому они распространены в авиации. Недостаток таких двигателей в высокой стоимости.

Наиболее экономичными являются ДВС поршневого типа. Но наличие кривошипно-шатунного механизма, который усложняет конструкцию и ограничивает возможность повышения числа оборотов, является их недостатком.

Двигатели внутреннего сгорания классифицируются по следующим основным признакам:

1. по способу смесеобразования:

а) двигатели с внешним смесеобразованием, когда горючая смесь образуется вне цилиндра. Примером таких двигателей служат газовые и карбюраторные.

б) двигатели с внутренним смесеобразованием, когда горючая смесь образуется непосредственно внутри цилиндра. Например, двигатели на дизеле и двигатели с впрыском легкого топлива в цилиндр.

2. по виду применяемого топлива:

а) двигатели, работающие на легком жидком топливе (бензине, лигроине и керосине);

б) двигатели, работающие на тяжелом жидком топливе (соляровом масле и дизельном топливе);

в) двигатели, работающие на газовом топливе (сжатом и сжиженном газах).

3. по способу воспламенения горючей смеси:

а) двигатели с воспламенением горючей смеси от электрической искры (карбюраторные, газовые и с впрыском легкого топлива);

б) двигатели с воспламенением топлива от сжатия (дизели).

4. по способу осуществления рабочего цикла:

а) четырехтактные. У этих двигателей рабочий цикл совершается за 4 хода поршня или за 2 оборота коленчатого вала;

б) двухтактные. У этих двигателей рабочий цикл в каждом цилиндре совершается за два хода поршня или за один оборот коленчатого вала.

5. по числу и расположению цилиндров:

а) двигатели одно- и многоцилиндровые (двух-, четырех-, шести-, восьмицилиндровые и т.д.)

б) двигатели однорядные (вертикальные и горизонтальные);

в) двигатели двухрядные (V-образные и с противолежащими цилиндрами).

6. по способу охлаждения:

а) двигатели с жидкостным охлаждением;

б) двигатели с воздушным охлаждением.

7. по назначению:

а) двигатели транспортные, устанавливаемые на автомобилях, тракторах, строительных машинах и других транспортных машинах;

б) двигатели стационарные;

в) двигатели специального назначения.

2.2 Топливо для двигателей. Свойства и физико-химические характеристики. Теплота сгорания топлива

Действительный рабочий цикл ДВС осуществляется в результате выделения теплоты при химических реакциях сгорания топлива непосредственно в цилиндре двигателя.

В качестве топлива для двигателей используют жидкие нефтепродукты (бензин, дизтоплива, тяжелое дизельное топливо) и горючие газы, основную часть которых составляют углеводороды.

Топливо и воздух на горение в зависимости от физических свойств топлива вводится в цилиндр двигателя совместно или раздельно.

При проектировании нового двигателя обязательно указывается вид топлива. Для характеристики конструктивных особенностей двигатели часто называют по роду используемого топлива (газообразные, бензиновые).

В зависимости от физического состояния и метода получения газообразного топлива различают сжиженный газ (смеси углеводородов, которые при 20 С и давлении 760 мм рт.ст. газообразны, а при понижении температуры или повышении давления превращаются в жидкость), сжатый газ, генераторный газ и т.п. Выбор газа в качестве топлива для ДВС определяется его способностью к воспламенению и скоростью распространения пламени в газо-воздешной смеси.

Жидкое топливо получается в основном в результате переработки нефти. Нефтяное жидкое топливо состоит в основном из углерода 85-87%, водорода 12-15%, кислорода 0-0,5%. Жидкие топлива делят на топлива для карбюраторных двигателей и для двигателей с воспламенением от сжатия (дизеля).

Бензин -- основной вид топлива для карбюраторных двигателей. Сырьем для получения бензина служит нефть, нефтяные газы, бурый и каменный уголь, горючие сланцы.

Октановое числом -- показатель, характеризующий детонационную стойкость топлива (способность топлива противостоять самовоспламенению при сжатии) для двигателей внутреннего сгорания. Число равно содержанию (в процентах по объёму) изооктана(2,2,4-триметилпентана) в его смеси с н-гептаном, при котором эта смесь эквивалентна по детонационной стойкости исследуемому топливу в стандартных условиях испытаний.

Бензин как топливо должен обладать хорошей испаряемостью, стойкостью против детонации, высокой стабильностью (т. е. способностью сохранять первоначальные свойства при длительном хранении), не содержать соединений, вызывающих коррозию металла, и не содержать смолистых отложений, а также воды и механических примесей.

Об испаряемости бензина судят по его фракционному составу.

Фракционный состав характеризуется температурой выкипания 10%; 50%; 90 % топлива и температурой конца выкипания.

Температура выкипания 10% топлива характеризует его пусковые качества: чем ниже эта температура, тем легче можно пустить двигатель.

Температура выкипания 50% топлива характеризует способность его обеспечивать быстрый прогрев двигателя, устойчивость его работы на малой частоте вращения коленчатого вала и приемистость двигателя.

Температура выкипания 90 % топлива и конца выкипания характеризует полноту его испарения.

Температура начала кипения бензина должна быть не ниже 30 °С, для того, чтобы в жаркое время года не образовывались "паровые" пробки в топливопроводах и фильтрах.

Стойкость бензина против детонации оценивается октановым числом, которое присутствует в каждой марке бензина. Так, например, в марке бензина АИ-92 буква А означает, что бензин предназначен для автомобилей, буква И -- что октановое число данного бензина определяют по исследовательскому методу, а цифра 92 -- октановое число. В марке А-76, где нет буквы И -- октановое число 76 определено по моторному методу.

На слух детонация проявляется в звонких металлических стуках при работе двигателя. Кроме того, при детонации в отработавших газах периодически появляется черный дым, двигатель перегревается и его мощность падает.

Чем выше октановое число, тем меньше склонность бензина к детонации, поэтому для повышения октанового числа к бензинам добавляют антидетонатор -- этиловую жидкость. Бензин, в который добавлена этиловая жидкость, называют этилированным. Этиловая жидкость ядовита, поэтому этилированные бензины тоже ядовиты и применение их требует строгого соблюдения правил техники безопасности. Присутствие в бензине кислот и сернистых соединений вызывает коррозию металлов, поэтому содержание их строго ограничивается.

Вода и механические примеси в бензине не допускаются. Вода способствует коррозии топливных баков и тары, а также ускоряет осмоление бензина.

В соответствии с рекомендациями заводов-изготовителей автомобилей применяют марки бензинов:

Дизельные топлива. Это топливо применяется для дизелей.

Основными свойствами дизельного топлива являются температура самовоспламенения, температура застывания и вязкость.

Цетановое число -- характеристика воспламеняемости дизельных топлив, определяющая период задержки воспламенения смеси (промежуток времени от впрыска топлива в цилиндр до начала его горения). Чем выше цетановое число, тем меньше задержка и тем более спокойно и плавно горит топливная смесь.

Температурой самовоспламенения называется температура, до которой необходимо нагреть смесь дизельного топлива с воздухом, чтобы начался процесс ее горения. Эта температура равна примерно 300--350 °С. Самовоспламеняемость дизельного топлива определяют по цетановому числу. Чтобы определить цетановое число, дизельное топливо сравнивают с эталонными топливами, цетановое число которых заранее известно. Цетановое число находится в пределах 40--45 единиц.

Температура застывания дизельного топлива оказывает влияние на работу дизеля: чем она ниже, тем надежнее работает дизель, так как при застывании топливо превращается в желеобразную массу и подача его из топливных баков в цилиндры двигателя становится невозможной. Температура застывания дизельного топлива должна быть на 10--15°С ниже температуры окружающего воздуха в районе его эксплуатации.

Выпускают следующие марки дизельного топлива: Л -- летнее, 3 -- зимнее, А -- арктическое.

Газовое топливо, используемое в газобаллонных автомобилях, может быть как естественного, так и искусственного происхождения и применяться в сжатом или сжиженном виде. К сжатым газам относят природный газ (метан) и промышленные газы. Сжиженными называют такие газы, которые переходят из газообразного в жидкое состояние при нормальной температуре и давлении до 1,6 МПа. К ним относят углеводороды, получаемые при переработке нефти.

Газ как топливо имеет ряд преимуществ: обеспечивает лучшее смесеобразование, позволяет использовать бедные горючие смеси. К недостаткам газового топлива относят меньшую теплоту сгорания горючей смеси. В результате этого мощность двигателя уменьшается на 7...20%.

К физико-химическим характеристикам топлива относят:

- испаряемость - способность переходить в парообразное состояние, характеризуется фракционным составом;

- вязкость влияет на процессы распыливания и топливоподачи;

- детонационная стойкость влияет на нормальное распределение пламени при сгорании. Работа двигателя на детонационном режиме недопустима вследствие перегрева двигателя, падения мощности, прогорания поршней, клапанов. Детонационная стойкость бензина характеризуется октановым числом, т.е. процентным по объему содержанием изооктана в такой смеси с нормальным гептаном, которая по детонационной стойкости равноценна данному топливу. Так, если исследуемое топливо детонирует так же, как смесь, содержащая 70% изооктана и 30% нормального гептана, то октановое число такого топлива = 70;

- склонность к воспламенению. Воспламеняемость дизельных топлив зависит от группового химического состава;

- примеси. Топливо не должно содержать механические примеси, воду, корродирующие вещества;

- температуру кристаллизации.

Одной из наиболее важных технических характеристик топлива является теплота сгорания.

Теплотой сгорания называют количество тепла, которое выделяется при полном сгорании 1 нм³ газообразного топлива. На практике теплоту сгорания топлива определяют методом калориметрирования. В закрытом сосуде сжигают определенное количество топлива. Теплота сгоревшего топлива через стенки сосуда передается воде. Зная это количество воды, окружающей сосуд, теплоемкость сосуда и разность температур воды до и после опыта, определяют теплоту сгорания топлива.

Различают высшую и низшую теплоту сгорания топлива. Теплота сгорания высшая больше, чем теплота сгорания низшая на количество теплоты, которое затрачивается на испарение влаги рабочей массы топлива и влаги, получаемой при сгорании водорода, входящего в состав топлива.

Высшая теплота сгорания определяется по формуле Менлелеева

Q_s^af=81С + 300Н ? 26(О-S),

где С, Н, О, S -- массовая доля элементов в веществе ТГИ, %

Низшая теплота сгорания определяется по формулам (кДж/кг или ккал/кг):

(для твердого вещества)

или

(для жидкого вещества), где:

* 2514 -- теплота парообразования при температуре 0 °C и атмосферном давлении, кДж/кг;

* H^P и W^P -- содержание водорода и водяных паров в рабочем топливе, %;

* 9 -- коэффициент, показывающий, что при сгорании 1 кг водорода в соединении с кислородом образуется 9 кг воды.

Соотношение между теплотой сгорания высшей и низшей в кДж/кг

Для удобства расчетов и сравнения теплоты сгорания различных видов топлива пользуются понятием условное топливо. Теплота сгорания условного топлива составляет 29,3 МДж/кг (7000 ккал/кг).



Для пересчета расходов натурального топлива на условное служит тепловой эквивалент топлива

,

где В_у и В_р -- расходы соответственно условного и рабочего (натурального) топлива; Э -- тепловой эквивалент топлива,

,

Или

Газообразное топливо представляет собой смесь различных газов. Природные газы содержат от 80 до 98% метана. Попутные газы, выходящие на поверхность из нефтяных скважин одновременно с добываемой нефтью, состоят из метана (40--60%) и тяжелых углеводородов (этана, пропана, бутана). Теплота сгорания природного газа , попутного .

Из искусственных газов наибольшее распространение получили генераторный газ , коксовой с и доменный с .

2.3 Двухтактные двигатели

ДВС, в которых рабочий цикл совершается за два хода поршня (один оборот коленчатого вала), называется двухтактными.

В двухтактном двигателе отсутствуют клапаны. Впуск горючей смеси и выпуск отработавших газов двигателей происходят через окна в цилиндре, которые своевременно открываются и закрываются движущимся поршнем.

Первый такт. При движении вверх поршень 2 (рис. 3.а) перекрывает выпускные окна 3 в цилиндре, в результате чего рабочая смесь над поршнем сжимается. Одновременно под поршнем создается разряжение, и из карбюратора 4 через выпускные окна 5 цилиндра горючая смесь засасывается в кривошипную камеру 6.

При подходе поршня к верхней мертвой точке (в.м.т.) в искровой свече зажигания 1 (рис. 3.б) образуется электрическая искра и рабочая смесь в цилиндре воспламеняется. На этом заканчивается первый такт.

Второй такт. Под давлением образовавшихся от сгорания рабочей смеси газов поршень перемещается вниз, совершая рабочий ход, который происходит до тех пор, пока не откроются выпускные клапана и начнется выпуск отработавших газов через выпускную трубу наружу. При движении поршня вниз горючая смесь в кривошипной камере сжимается. В конце второго такта поршень открывает окна продувочного канала 7 и горючая смесь нагнетается из кривошипной камеры в цилиндр, вытесняя из него отработавшие газы (рис. 3.в). происходят продувка и одновременно наполнение цилиндра свежей горючей смесью. При этом горючая смесь частично выходит вместе с отработавшими газами.



Рис.3. Схема работы двухтактного двигателя: а - первый такт; б - конец первого и начало второго такта; в - конец второго такта; 1 - искровая свеча зажигания; 2 - поршень; 3 и 5 - выпускное и впускное окна цилиндра; 4 - карбюратор; 6 - кривошипная камера; 7 - продувочный канал; 8 - цилиндр; 9 - выпускная труба; 10 - картер.

Таким образом, за два хода поршня (два такта) совершается полный рабочий цикл. Однако двухтактные двигатели менее экономичны, чем четырехтактные. При продувке через выпускные окна теряется 30% горючей смеси. Поэтому на тракторах их используют при кратковременной работе для пуска двигателя.



3. ПАРАМЕТРЫ, ХАРАКТЕРИЗУЮЩИЕ ПОРШНЕВЫЕ ДВИГАТЕЛИ

3.1 Среднее индикаторное давление и индикаторная мощность

Индикаторная мощность двигателя, полезная работа, совершаемая газами в цилиндре поршневого двигателя в единицу времени; определяется путём обработки индикаторных диаграмм, полученных при испытании двигателя. Индикаторная мощность данного двигателя различна на разных режимах его работы. Зависимость Индикаторная мощность от частоты вращения называется скоростной характеристикой. Чтобы построить скоростную характеристику Индикаторная мощность, снимают индикаторные диаграммы на различных частотах вращения. Путём планиметрирования площадей полученных диаграмм определяют Индикаторная мощность на данной частоте вращения. Индикаторная мощность частично расходуется на преодоление сил трения внутри двигателя и на приведение в действие вспомогательных механизмов. Индикаторная мощность может быть определена как сумма мощности, получаемой на коленчатом валу (эффективная мощность), и мощности, расходуемой на потери (мощность трения).

Под средним индикаторным давлением понимают такое условное постоянное давление, которое, действуя на поршень в течение одного рабочего хода, совершает работу, равную индикаторной работе газов в цилиндре за рабочий цикл.

Согласно определению среднее индикаторное давление находится как отношение индикаторной работы газов за цикл к единице рабочего объема цилиндра , т.е.

.



При наличии индикаторной диаграммы, снятой в двигателе (рис. 4), среднее индикаторное давление можно определить по высоте прямоугольника, построенного на основании , площадь которого равна полезной площади индикаторной диаграммы, представляющей собой в некотором масштабе индикаторную работу .

Определив с помощью планиметра полезную площадь индикаторной диаграммы в и длину индикаторной диаграммы в , соответствующую рабочему объему цилиндра, находят значение среднего индикаторного давления

,

где - масштаб давления индикаторной диаграммы, .

Среднее индикаторное давление при полной нагрузке у четырехтактных карбюраторных двигателей , у четырехтактных дизелей , а у двухтактных дизелей - .



Индикаторная работа, совершаемая газами в одном цилиндре за один цикл ,

.

где p_i - среднее индикаторное давление газов, н/м²;

V - объем поршня, м².

Так как число рабочих циклов, совершаемых двигателем в секунду, равно 2 , то индикаторная мощность одного цилиндра

,

где - число оборотов коленчатого вала в секунду; - тактность двигателя - число тактов за цикл.

Индикаторная мощность многоцилиндрового двигателя при числе цилиндров :

.

3.2 Коэффициенты полезного действия

Экономичность действительного рабочего цикла двигателя определяется индикаторным к.п.д. и удельным индикаторным расходом топлива . Экономичность работы двигателя в целом оценивается эффективным к.п.д. и удельным расходом топлива .

Индикаторный к.п.д. оценивает степень использования теплоты в действительном цикле с учетом всех тепловых потерь и представляет собой отношение теплоты , эквивалентной полезной индикаторной работе, ко всей затраченной теплоте , т.е.



.

Теплота, затраченная на работу двигателя в течение 1 :

,

где - расход топлива, ; - низшая теплота сгорания топлива, .

Подставляя значения и в равенство (а), получим

.

Эффективный к.п.д. оценивает степень использования теплоты топлива с учетом всех видов потерь как тепловых, так и механических и представляет собой отношение теплоты , эквивалентной полезной эффективной работе, ко всей затраченной теплоте ,т.е.

.

Удельный эффективный расход топлива представляет собой отношение секундного расхода топлива к эффективной мощности , т.е.

или



.

Коэффициент полезного действия (КПД) теплового двигателя может быть определён как отношение полезной механической работы к затрачиваемому количеству теплоты, содержащейся в топливе. Остальная часть энергии выделяется в окружающую среду в виде тепла. КПД тепловой машины равен

,

Где W_тм -- механическая работа, Дж;

Q_з -- затраченное количество теплоты, Дж.

Тепловой двигатель не может иметь КПД больший, чем у цикла Карно, в котором количество теплоты передается от нагревателя с высокой температурой к холодильнику с низкой температурой. КПД идеальной тепловой машины Карно зависит исключительно от разности температур, причём в расчётах используется абсолютная термодинамическая температура. Следовательно, для паровых двигателей необходимы максимально высокая температура T₁ в начале цикла (достигаемая, например, с помощью пароперегрева) и как можно более низкая температура T₂ в конце цикла (например, с помощью конденсатора):

Так как механический к.п.д. равен отношению к , то получим



откуда

,

где - механический к.п.д.

3.3 Повышение удельной мощности двигателей

Увеличение быстроходности (повышение) пропорционально увеличивает удельную мощность до тех пор, пока не снижаются. Дальнейший прирост мощности при повышении частоты вращения идет до такого уровня, пока увеличивается произведение , несмотря на снижение коэффициента наполнения и механического КПД. Проблем, ограничивающих быстроходность современных карбюраторных двигателей из-за увеличения скорости горения, практически нет. При достижении некоторого, специфичного для каждого двигателя, режима (точки перегиба) максимальная мощность начинает снижаться, т. е. повышение числа оборотов не успевает компенсировать рост сопротивлений и ухудшение наполнения цилиндра. Как уже отмечалось, все конструктивные мероприятия, направленные на улучшение теплоиспользования, снижение механических и насосных потерь, увеличение наполнения цилиндра способствуют повышению скоростного режима двигателя, отодвигают точку перегиба внешней скоростной характеристики в сторону высоких чисел оборотов, что позволяет получить более высокие удельные мощности. Увеличению быстроходности двигателя препятствуют факторы предельно допустимой средней скорости и ускорений поршня, обеспечения надежности работы шатунных подшипников, поршневых колец и др. Максимальная частота вращения коленчатых валов современных гоночных двигателей находится в пределах 8000--20 000 об/мин. Однако средняя скорость поршня не превышает 22 м/с. Это достигается за счет уменьшения размерностей отдельного цилиндра и создания многоцилиндровых двигателей. Высокие ускорения поршня нередко вызывают вибрацию поршневых колец, прорыв газов под ними и даже их поломку. Для повышения надежности на гоночных двигателях применяют узкие стальные поршневые кольца. Хорошо подготовленный мотор должен выдерживать работу на скоростном режиме, соответствующем максимальной мощности, в течение нескольких часов без каких-либо повреждений. Диапазон рабочих частот вращения обычно является критерием для оценки внешней скоростной характеристики двтгателя. Границы этого диапазона определяют скорость вращения коленчатого вала при максимальной мощности (n точка перегиба) и минимальная угловая скорость n min, при которой двигатель еще устойчиво работает на полностью открытом дросселе. Рабочий диапазон оборотов коленчатого вала двигателя можно оценить коэффициентом диапазона d: Для большинства современных гоночных двигателей коэффициент диапазона находится в пределах 0,35--0,40. У некоторых высокофорсированных двигателей этот коэффициент снижается до 0,1 , и они по своим качествам приближаются к однорежимным моторам. Многие форсированные ДВС имеют внешние характеристики с крутым перегибом Nm и резким спадом мощности после точки перегиба, кроме того, работают в этом режиме с очень высокими механическими и тепловыми перегрузками. Такие двигатели отличаются малыми моторесурсом и надежностью в эксплуатации. Если кривая мощностной характеристики имеет плавный перегиб и постепенное снижение мощности после точки перегиба, то в определенных случаях целесообразно эксплуатировать двигатель именно в этом диапазоне частот вращения.

Способность продолжительно работать на высоком числе оборотов за перегибом характеристики является важным качеством двигателя в водно-моторном спорте. В режиме движения судна с полным отрывом корпуса от воды действует экранный эффект. Сопротивление выступающих частей и полное сопротивление движению резко снижается. В этом случае дальнейший прирост скорости судна возможен благодаря увеличению частоты вращения коленчатого вала даже при снижении мощности двигателя и уменьшении тяги гребного винта. Одним из трудных вопросов при повышении быстроходности двухтактного двигателя является обеспечение надежной работы нижнего шатунного подшипника, воспринимающего большее перегрузки от давления и центробежных сил, которые нельзя компенсировать облегчением поршня и шатуна. В отличие от четырехтактных ДВС здесь не удается осуществить достаточное охлаждение и смазку прокачкой большого количества масла. Охлаждение и смазка этого напряженного узла производится проходящей через картер топливной смесью. Поэтому шатунные подрипники надежно работают на обогащенных смесях с высокой скрытой теплотой испарения и повышенным содержанием смазочного масла.

5) Форсирование двигателя внутреннего сгорания путем применения топлив с высокой теплотворной способностью (повышение ) практически неосуществимо. Несмотря на большое разнообразие углеводородных топлив с теплотворной способностью, их объемная теплопроизводительность почти одинакова (820--840 ккал/м3 при). Объясняется это тем, что для полного окисления топлива с малой теплотворной способностью требуется меньшее количество воздуха. Как известно, мощность двигателя определяется количеством топливовоздушной смеси, сжигаемой в цилиндрах за единицу времени, и степенью теплоиспользования. Для топлив гоночных двигателей важнейшими качествами являются: а) антидетонационная стойкость; б) испаряемость (летучесть); в) скрытая теплота испарения. При выборе антидетонационных качеств топливной смеси следует учитывать, что необходимое октановое число топлива для любого двигателя -- величина непостоянная. При увеличении частоты вращения коэффициент наполнения и давление конца сжатия снижаются, требуемая антидетонационная стойкость уменьшается. Именно поэтому у быстроходных гоночных Характеристика моторных топлив двигателей не очень высокая требовательность к октановому числу топлива, несмотря на высокие степени сжатия. При обогащении рабочей смеси углеводородные топлива в различной степень повышают свое октановое число. Высокая испаряемость ускоряет процесс смесеобразования, т. е. перемешивание топлива с воздухом, облегчает пуск двигателя, обеспечивает полноту сгорания циклового заряда. Если нет ограничений Правилами или Положением о соревнованиях, в гонках на короткие дистанции (5--15 миль) следует отдать предпочтение спиртовым топливам. Их высокая скрытая теплота парообразования и повышенная масса циклового заряда обеспечивают эффективное охлаждающее действие наиболее нагретых деталей: дна поршня, клапанов и шатунных подшипников, а также снижает температуру горючей смеси в конце хода сжатия перед воспламенением. Охлаждающий эффект можно усилить конструктивно -- максимальным приближением распылителя к впускному окну (клапану). Тогда процесс испарения почти полностью протекает в кривошипно-шатунной камере и цилиндре, отбирая тепло от внутренних наиболее горячих деталей. Отсутствие испарения во впускном патрубке позволяет пропустить дополнительную порцию воздуха, заполняющую объем неиспаренной части топлива. Повышение коэффициента наполнения и плотности заряда при использовании спиртовых топлив называют компрессорным эффектом. Лабораторными исследованиями определено, что без каких-либо конструктивных изменений при переходе с бензина на спиртовое топливо прирост мощности составляет 5-8%. Еще одним достоинством спирта является его способность надежно воспламеняться от электрической искры в широком диапазоне изменений состава топливной смеси. Пределы воспламеняемости спиртовых топлив составляют против для бензина, причем скорость горения спиртовых смесей почти не снижается во всем диапазоне воспламеняемости. Для повышения надежности воспламенения иногда применяют следующий прием. Карбюраторы регулируют на обогащенную смесь. При этом двигатель может устойчиво работать, разбивая обороты, близкие к максимальным. Не полностью сгоревшая часть топлива выбрасывается с отработавшими газами. Такой режим работы обеспечивает значительное снижение тепловой напряженности двигателя, существенное повышение надежности, улучшение антидетонационной стойкости без увеличения октанового числа топлива. Подобная настройка двигателя на бензине невозможна из-за обильного нагарообразования и малой скорости горения богатой бензовоздушной топливной смеси. Таким образом, применение спиртовых топлив несколько усложняет пуск, но повышает максимальную мощность и надежность работы гоночных двигателей. Небольшие добавки бензина и ацетона к спиртовым топливным смесям служат для улучшения пуска двигателя. Современные гоночные моторы оснащаются мощными, надежными, чаще всего электронными, системами зажигания, что позволяет использовать спирты (метанол и этанол) без улучшающих пуск присадок. Значительное увеличение удельной мощности интенсификацией рабочего процесса можно получить, включая в состав топлива азотистые соединения, например нитрометан и нитробензол. Форсирующий эффект этих топлив состоит в том, что появляется возможность окислить дополнительное количество топлива за счет кислорода молекулы NO. Добавляя азотистые присадки к топливу, следует всегда помнить, что сгорание таких смесей идет при повышенных температуре и давлении, а это существенно снижает надежность и моторесурс. Малейший просчет в регулировке может оказаться причиной неудачи. Обеднение смеси вызывает прогар поршней. Избыток нитросоединений может привести к обгоранию клапанов и электродов запальных свечей, поломкам деталей кривошипно-шатунного механизма. После работы на топливе, содержащем нитроприсадки, двигатель требует незамедлительной промывки. В качестве смазок гоночных двигателей внутреннего сгорания наибольшее применение имеют касторовое масло и комбинированные смазки на его основе. Такие масла обладают очень высокими смазывающими качествами, проникают в малейшие зазоры, выдерживают большие давления и температуры, имеют минимальную склонность к нагарообразованию (практически беззольные).



4. ДИЗЕЛЬНЫЕ ДВИГАТЕЛИ

4.1 Особенности и применение

Двигателям, работающим по циклу с подводом теплоты при Р=const, соответствуют стационарные и судовые компрессорные дизельные двигатели с распыливанием жидкого топлива в цилиндре двигателя при помощи сжатого в специальном компрессоре воздуха, которые имеют значения

Автомобиль с дизельным типом двигателя является более экономичным по 2 причинам: дизельное топливо более дешево, чем бензин; у дизельного автомобиля степень сжатия больше степени сжатия бензинового двигателя почти в два раза.

У дизельных двигателей также более высокий КПД (около 40%). Для сравнения КПД бензинового двигателя всего лишь около 30%.

Регулирование рабочей смеси в дизельном ДВС более качественное, чем в бензиновом. Подаваемое в цилиндры количество воздуха не зависит от частоты вращения коленвала и нагрузки.

Расход топлива в первую очередь зависит от сопротивления воздухоочистителя, которое влияет на наполнение цилиндров воздухом, давления начала подъема иглы форсунки, качества распыла топлива форсунками, угла опережения впрыска топлива, от характера подачи топлива топливным насосом высокого давления. Стабильности регулировочных параметров системы подачи топлива, у дизельных двигателей выше, чем у бензиновых.

Дизельный двигатель выдает высокий крутящий момент в широком диапазоне оборотов, что делает автомобиль с дизельным двигателем более «гибким» в движении, чем такой же автомобиль с бензиновым двигателем. Высокий крутящий момент при низких оборотах делает более легким эффективное использование мощности двигателя, это преимущество используется в джипах и грузовых автомобилях.

У дизельных двигателей также имеются недостатки - это большая масса, меньшая литровая мощность, повышенный шум.

Но помимо положительных черт дизельного двигателя он имеет и недостатки: сравнительно большая масса, высокий шуми меньшую литровую мощность, чем в бензиновых ДВС.

Дизельные двигатели применяют:

· стационарные силовые установки;

· в качестве главных и вспомогательных двигателей в судостроении

· на рельсовых (тепловозы, дизелевозы) и безрельсовых (автомобили, автобусы, грузовые автомобили) транспортных средствах;

· самоходных машинах и механизмах.

4.2 Смесеобразование в дизелях и типы камер сгорания

Смесеобразование - процесс приготовления горючей смеси из топлива и воздуха. Топливо через форсунку впрыскивается в цилиндр под высоким давлением, вследствие чего образуется горячая смесь.

На качество смесеобразования влияет не только качество распыливания топлива, но и способ смесеобразования и тип камеры сгорания. Различают дизели с непосредственным впрыском топлива (или дизели с неразделенной камерой сгорания) и дизели с разделенной камерой сгорания.

По типам камер сгорания дизельные ДВС делят на:

1. дизели с неразделенной камерой сгорания (или с непосредственным впрыском топлива);

2. дизели с разделенной камерой сгорания.

Рассмотрим некоторые типичные схемы неразделенных камер сгорания (рис. 1.5). Камеры этого типа получили наиболее широкое применение. Процесс смесеобразования здесь идет в едином объеме,, поэтому к качеству распыливания предъявляют очень высокие требования. Для более полного распыливания топлива применяют только многодырчатые форсунки 4. Хорошее распыливание обеспечивается при высоком давлении впрыска (200-2000 кГ/см2).

Рис. 5. Неразделенные камеры сгорания:

а - днище сложной формы с выступающей центральной частью, б - днище поршня с выступающим краем, в - днище с полусферической выемкой, г - камера в поршне с объемно-пленочным смесеобразованием; / - поршень, 2 - днище поршня, 3 - головка цилиндра, 4 - форсунка

В неразделенных камерах с объемным смесеобразованием стремятся все топливо равномерно распределить в воздушном заряде камеры. Камера сгорания должна иметь такую конфигурацию, чтобы каждая частица топлива успела загореться раньше, чем достигнет стенок цилиндра. У некоторых дизелей для более полного перемешивания топлива используют принудительное завихрение воздуха. У четырехтактных дизелей применяют впускные клапаны со специальным козырьком для завихрения, а у двухтактных - тангенциально направленные продувочные окна. Наиболее часто применяют форму камеры, показанную на рис. 5, а, которая напоминает горящие факелы топлива. Реже используют сковородообразную форму (рис. 5, б) и полусферическую (рис. 5, в). Главные достоинства объемного смесеобразования- простая и симметричная форма камеры, небольшие тепловые потери и хорошие пусковые качества.

В неразделенных камерах с пленочным смесеобразованием камера имеет шарообразную форму и располагается в поршне. Форсунка установлена под очень малым углом к внутренней сферической поверхности камеры и примерно 95% топлива под давлением около 150 кГ/см2 подается в виде тонкой пленки на эту поверхность. Поджигание топлива, испарившегося с поверхности камеры, осуществляется вследствие воспламенения 5% топлива, направленного в центральную часть воздушного заряда. Дизели с пленочным смесеобразованием являются многотопливными, т. е. могут работать на дизельном топливе, газойле-и др.

На рис. 5, г показана неразделенная камера со смешанным (объемно-пленочным) смесеобразованием. Здесь количество топлива, направляемого на стенки, зависит от формы камеры сгорания, расположения форсунок и др. Камеры с объемно-пленочным смесеобразованием характеризуются невысоким давлением сгорания, плавной и мягкой работой.

Разделенную камеру сгорания имеют предкамерные дизели. У этих дизелей камера сгорания состоит из основной камеры и предкамеры, сообщающееся с основной камерой одним или несколькими каналами. Предкамера чаще всего имеет цилиндрическую форму, а форсунка располагается по оси камеры и имеет однодырчатый распылитель. Процесс смесеобразования происходит следующим образом. При ходе сжатия давление в цилиндре возрастает и воздух с большой скоростью через соединительные каналы входит в предкамеру, где. происходит интенсивное вихреобразование. Благодаря этому топливо, впрыскиваемое за 10-20° до в.м.т. в предкамеру, хорошо перемешивается с воздухом и воспламеняется.

В предкамере топливо сгорает частично из-за недостатка кислорода. Остальная часть топлива в связи с резким повышением давления при сгорании выбрасывается с большой скоростью через соединительные каналы в главную камеру. При этом основная часть топлива также распыливается, перемешивается с воздухом, находящимся в главной камере, и догорает.

Неразделенные камеры (рис. 6) ограничены днищем поршня 1 и поверхностями стенок и головки 5 цилиндра 2. В этот объем форсункой 4 впрыскивается топливо, чаще всего в виде нескольких струй, через отверстия достаточно малого диаметра (0,2--0,4 мм). Форму камеры приспосабливают в известной мере к форме струи топлива, чтобы лучше использовать воздушный заряд в цилиндре.

В большинстве дизелей с неразделенными камерами сгорания конструкция впускной системы обеспечивает создание вращательного движения воздуха в цилиндре, которое в некоторой степени сохраняется до конца сжатия, способствуя качественному смесеобразованию и сгоранию. В рассматриваемых дизелях скорость движения воздуха у стенки камеры не превышает 30--35 м/с.

Рис. 6. Неразделенная камера сгорания дизеля:

1 -- поршень, 2 -- цилиндр, 3 -- камера сгорания, 4 -- форсунка, 5 -- головка цилиндра

Недостаток дизелей с неразделенными камерами -- необходимость в высоком давлении впрыска -- до 20 МПа, что предъявляет повышенные требования к топливной аппаратуре. Кроме того, дизель весьма чувствителен к сорту топлива: использование тяжелого топлива оказывается невозможным. Качество смесеобразования ухудшается при понижении нагрузок и частоты вращения коленчатого вала двигателя.

Разделенные камеры сгорания состоят из двух частей: основной камеры, расположенной над поршнем, и дополнительной, помещенной чаще всего в головке цилиндра. Основная и дополнительная камеры соединены между собой одним или несколькими каналами. Наибольшее распространение получили следующие два типа разделенных камер сгорания: вихревые камеры и предкамеры.

При форкамерном процессе топливо впрыскивается в специальную предварительную камеру, связанную с цилиндром несколькими небольшими каналами или отверстиями, ударяется об ее стенки и перемешивается с воздухом. Воспламенившись, смесь поступает в основную камеру сгорания, где и сгорает полностью. Сечение каналов подбирается так, чтобы при ходе поршня вверх (сжатие) и вниз (расширение) между цилиндром и форкамерой возникал большой перепад давления, вызывающий течение газов через отверстия с большой скоростью.

Во время вихрекамерного процесса сгорание также начинается в специальной отдельной камере, только выполненной в виде полого шара. В период такта сжатия воздух по соединительному каналу поступает в предкамеру и интенсивно закручивается (образует вихрь) в ней. Впрыснутое в определенный момент топливо хорошо перемешивается с воздухом.

Таким образом, при разделенной камере сгорания происходит как бы двухступенчатое сгорание топлива. Это снижает нагрузку на поршневую группу, а также делает звук работы двигателя более мягким. Недостатком дизельных двигателей с разделенной камерой сгорания являются: увеличение расхода топлива вследствие потерь из-за увеличенной поверхности камеры сгорания, больших потерь на перетекание воздушного заряда в дополнительную камеру и горящей смеси обратно в цилиндр. Кроме того, ухудшаются пусковые качества.

Дизельные двигатели с неразделенной камерой называют также дизелями с непосредственным впрыском. Топливо впрыскивается непосредственно в цилиндр, камера сгорания выполнена в днище поршня. До недавнего времени непосредственный впрыск использовался на низкооборотистых дизелях большого объема (проще говоря, на грузовиках). Хотя такие двигатели экономичнее моторов с разделенными камерами сгорания, их применение на небольших дизелях сдерживалось трудностями организации процесса сгорания, а также повышенными шумом и вибрацией, особенно в режиме разгона.

Сейчас благодаря повсеместному внедрению электронного управления процессом дозирования топлива удалось оптимизировать процесс сгорания топливной смеси в дизеле с неразделенной камерой сгорания и существенно снизить шумность. Новые дизельные двигатели разрабатываются только с непосредственным впрыском.

4.3 Топливные системы

Система питания дизелей топливом включает топливный бак, фильтры, топливоподкачивающий насос, насос высокого давления, форсунки, трубопроводы и соединительную арматуру.

Топливные фильтры являются ответственным элементом системы питания дизелей, так как качество очистки топлива оказывает большое влияние на надежность работы топливного насоса и форсунок. Зазоры в прецизионных парах топливной аппаратуры находятся в пределах 15--25-1СН. Поэтому и размеры механических примесей в топливе после очистки не должны превышать указанных значений. Очистку топлива производят в фильтрах грубой и тонкой очистки. В двигателе А-01Л применяют трехступенчатую очистку, являющуюся контрольной очисткой в фильтре ТФ-3.

Топливоподкачивающий насос может быть поршневым, шестеренчатым и коловратным. Поршневые насосы получили наибольшее распространение, так как могут создавать разрежение, обеспечивающее подсос топлива из емкости, расположенной на 1,5--2 м ниже насоса. Поршень движется вверх под действием роликового толкателя, приводимого в движение от кулачка, вниз --под действием сжатых пружин. Топливоподкачивающий насос создает давление в топливопроводе низкого давления в пределах 0,15--0,2 МПа и должен иметь производительность, примерно в 5 раз превышающую максимальную потребность двигателя в топливе. Объясняется такой большой резерв производительности тем, что для выделения пузырьков воздуха из топлива оно должно непрерывно циркулировать во впускной полости насоса высокого давления.