ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ПОРШНЕВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Тепловые двигатели, в которых сгорание топлива происходит внутри цилиндра, а преобразование тепловой энергии в механическую работу осуществляется воздействием газов  на поршень, называются двигателями внутреннего сгорания.

Двигатель внутреннего сгорания (рис. 1) состоит из следующих основных частей: цилиндра 5, в котором перемещается поршень 4; всасывающего и выпускного клапанов 2, размещенных на головке цилиндра 1; картера 8; коленчатого вала 7. Мотылевая шейка коленчатого вала шарнирно соединена с нижней головкой шатуна, а поршень посредством поршневого пальца 3 - с верхней головкой.

Рабочим циклом называется совокупность последовательных и периодически повторяющихся процессов в цилиндре двигателя. Отдельный процесс рабочего цикла, совершающийся в цилиндре двигателя за один ход поршня (всасывание, сжатие, рабочий ход, выпуск газов) называется тактом.

Рабочий цикл двигателя внутреннего сгорания может быть осуществлен за два или четыре хода поршня (один или два оборота коленчатого вала). В первом случае двигатель будет называться двухтактным, а во втором - четырехтактным.

Положения коленчатого вала, при которых поршень достигает крайних положений во время его перемещений в цилиндре, называются верхней и нижней мертвыми точками (в. м. т. и н. м. т.).

Длина пути, который проходит поршень при движении от одной мертвой точки к другой, называется ходом поршня. Ход поршня соответствует повороту коленчатого вала на 180°.

Длина хода поршня и число оборотов определяют среднюю скорость поршня С_т, которая характеризует быстроходность двигателя:

где С_т - средняя скорость поршня, м/сек; S- ход поршня, м; п - число оборотов вала, об/сек.

Объем пространства, заключенный между головкой  цилиндра и днищем поршня, при его положении в в. м. т., называется камерой сжатия, или камерой сгорания, а объем, образующийся при движении поршня от в. м. т. до н. м. т.- рабочим объемом цилиндра 

где V_h  - рабочий объем цилиндра; D - диаметр цилиндра; S - ход поршня.

Полным объемом цилиндра является сумма его рабочего объема и объема камеры сгорания:

Отношение полного объема цилиндра к объему камеры сжатия называется степенью сжатия и находится по формуле

ЦИКЛЫ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Принято, что идеальный цикл представляет собою совокупность последовательных процессов, совершаемых рабочим телом - идеальным газом - в цилиндре такой же идеальной машины. Эта условность позволяет устанавливать степень приближения цикла действительной машины, независимо от ее конструктивных особенностей, к идеальной.

Двигатели внутреннего сгорания могут работать по одному из следующих трех циклов: с быстрым, постепенным и смешанным сгоранием.

В первом случае тепло сообщается рабочему телу при постоянном объеме (V=const), во втором - при постоянном давлении (р = const), а смешанный цикл характеризуется подводом тепла к рабочему телу частично при постоянном объеме и переменном давлении, а затем частично при переменном объеме и постоянном давлении.

К характерным особенностям двигателей, работающих со сгоранием при р = const и по смешанному циклу, относятся: высокая степень сжатия (ε = 12 ÷ 20), самовоспламенение топлива в результате высокого сжатия и применение тяжелых сортов топлива.

Все карбюраторные, газовые и газогенераторные двигатели относятся к двигателям быстрого сгорания, так как воспламенение рабочей смеси у них происходит настолько быстро, что поршень не успевает сколько-нибудь существенно переместиться в цилиндре.

РАБОЧИЕ ЦИКЛЫ ДВИГАТЕЛЕЙ

Четырехтактный двигатель низкого сжатия. У четырехтактного двигателя рабочий процесс, как указывалось, происходит за четыре хода поршня, или, что то же, за два оборота коленчатого вала. Чтобы наглядно представить характер протекания процессов в рабочем цилиндре, пользуются индикаторной диаграммой, построенной в координатах давление - объем, характеризующих состояние газа в каждой точке объема цилиндра.

I такт - всасывание. Поршень движется от в. м. т. к н. м. т. Объем над поршнем увеличивается, в результате чего в цилиндре образуется разрежение. Горючая смесь через открытый всасывающий клапан заполняет цилиндр. Давление газов при всасывании ниже атмосферного, что объясняется сопротивлением карбюратора и впускного трубопровода, и составляет 0,8-0,9 бар. Температура смеси в конце такта будет примерно на 20-30° С больше температуры окружающего воздуха.

На индикаторной диаграмме процесс всасывания изображается линией ab (рис. 2).

II такт - сжатие. Поршень движется от н. м. т. к в. м. т. при закрытых всех клапанах. Давление внутри цилиндра повышается до 6-12 бар, а температура смеси достигает 300-400° С.

На индикаторной диаграмме процесс сжатия изображается линией bс.

В карбюраторных двигателях воспламенение горючей смеси происходит при помощи электрической искры; в этом случае высокого сжатия не требуется, так как повышение степени сжатия горючей смеси может даже привести к ее преждевременному воспламенению или самовоспламенению, что вредно отражается на работе двигателя.

III такт - рабочий ход. Горючая смесь в цилиндре, как указывалось, воспламеняется электрической искрой и, сгорая, выделяет большое количество тепла. Сгорание происходит при постоянном объеме.

На индикаторной диаграмме процесс сгорания изобразится линией cz.

В конце сгорания температура газов в цилиндре в зависимости от нагрузки возрастает до 1800° С, а давление - до 40 бар и выше. Под действием давления расширяющихся газов поршень движется к н. м. т. При этом давление газов в цилиндре падает до 4,5 бар, а температура снижается до 1150-1450° С.

На индикаторной диаграмме рабочий ход изображается линией zd.

IV такт - выпуск. После расширения газов поршень движется к в. м. т. Через открытый выпускной клапан из цилиндра удаляются отработавшие газы. В среднем давление газов при выпуске равно 1,2 бар, температура - около 500° С.

На индикаторной диаграмме выпуск характеризуется линией da.

Затем цикл повторяется в том же порядке.

Таким образом, из четырех тактов цикла лишь один является рабочим, а остальные три - вспомогательными.

Двухтактный двигатель. В двухтактном двигателе рабочий цикл совершается за один оборот коленчатого вала. Наполнение цилин­дра горючей смесью, сжатие и сгорание ее, а также расширение и выпуск газов происходят за два хода поршня. При этом выпуск продуктов сгорания и зарядка горючей смесью совершаются лишь на некоторой части рабочего хода поршня. На рис. 3 показана нижняя часть индикаторной диаграммы и схема двухтактного дви­гателя с кривошипо-камерной продувкой.

Во время хода поршня на участке Нп' от н. м. т. к в. м. т. в цилиндре происходит продувка и зарядка цилиндра горючей смесью (или воздухом) и удаление отработавших газов; затем на участке п'b' продолжается выпуск газов, после чего начинается сжатие горючей смеси (у карбюраторных двигателей) или воздуха (у дизелей) с последующим воспламенением горючей смеси. В картере в этот период происходит всасывание горючей смеси или воздуха через клапан 5.

При движении поршня от в. м. т. к н. м. т. в цилиндре вначале происходит сгорание горючей смеси и расширение продуктов сгорания, а затем выпуск отработавших газов (участок bпН) и продувка (участок пН). В картере в этот период осуществляется сжатие и перепуск горючей смеси или воздуха в цилиндр.

При прямоточной продувке продувочный воздух движется только в одном направлении (снизу вверх или сверху вниз) от .впускных к выпускным окнам (или выпускным клапанам).

При клапанно-щелевом распределении отработавшие газы удаляются через один или несколько выпускных клапанов, расположенных в крышке рабочего цилиндра; открытие и закрытие клапанов производится специальным механизмом. Продувочный воздух поступает через расположенные равномерно по всей окружности цилиндра окна, которые открываются при приближении поршня к н. м. т. Продувочный воздух движется снизу вверх от окон к клапанам, вытесняя отработавшие газы.

Прямоточные типы продувок обеспечивают наилучшую очистку и наполнение рабочего цилиндра двигателя.

Индикаторная диаграмма двухтактного дизеля, работающего по смешанному циклу, изображена на рис. 6.

Четырехтактный дизель. К дизелям относятся двигатели высокого сжатия с самовоспламенением топлива.

Рабочий цикл четырехтактного дизеля (рис. 7) осуществляется в такой последовательности:

I такт - всасывание. Поршень движется от в. м. т. к н. м. т. при открытом всасывающем клапане. В цилиндр при этом засасывается  воздух  из  атмосферы. Давление воздуха в конце такта всасывания достигает 0,85-0,90 бар. Температура воздуха в конце такта будет примерно на 20-30° выше температуры окружающей среды.

 

Сгорание топлива у компрессорных дизелей проходит при по­стоянном давлении (рис. 8), у бескомпрессорных дизелей (рис. 9) - по смешанному циклу (при р и V = const).

Образующиеся при этом газы достигают давление в 40-80 бар при температуре до 1800 °С. Поршень, перемещаясь вниз, осу­ществляет  рабочий  ход.

В конце такта расширения давление снижается до 2,5-4,5 бар при температуре  газов - до 600-700° С.

На индикаторных диаграммах рабочий ход изображается ли­ниями czd (рис. 8) и zz¹d (рис. 9).

IV такт - выпуск. Поршень движется от н. м. т. к в. м. т., выталкивая отработавшие газы из цилиндра через открытый вы­пускной клапан. Давление отработавших газов будет порядка 1,1-1,2 бар,   а температура - 400-550° С.

На индикаторных диаграммах выпуск отработавших газов изображается  линией  da.

После этого рабочий цикл повторяется.

В двигателях для лучшей очистки цилиндра от продуктов сго­рания и наиболее полного заполнения его воздухом несколько уве­личивают продолжительность процессов впуска и очистки цилин­дров, в связи с чем открытие всасывающих и выпускных клапанов производится до мертвой точки (с опережением), а закрытие - за мертвой точкой (с запаздыванием). Для большей надежности и эффективности сгорания топлива его воспламенение осуществляется до мертвой точки (с опережением).

Фазы газораспределения, т. е. моменты откры­тия и закрытия всасывающих и выпускных клапанов и моменты подачи топлива, выражаются в градусах поворота коленчатого вала и обычно изображаются в виде круговой диаграммы (рис. 10 и  11).

ОСНОВНЫЕ   ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Главными размерами двигателя внутреннего сгорания являются: диаметр цилиндра D, количество цилиндров i, ход поршня S. Кроме того, к основным данным, характеризующим двигатель, относятся: мощность, число оборотов, удельный расход топлива, а также его габаритные размеры (длина, ширина и высота между крайними точками) и сухой вес (без топлива, масла и воды).

Работа газов. Работа, совершаемая газами в цилиндре двига­теля, называется индикаторной работой. Работа за один цикл равна произведению силы давления газов на площадь поршня и на величину хода поршня:

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

F - площадь поршня, м²;

S -  ход поршня, м,

 или

где V_S  - объем рабочего цилиндра

причем, так как работа эквивалентна площади индикаторной диаграммы, ее можно назвать средней индикаторной работой, а величину p_i - средним индикаторным давлением

т. е. средним индикаторным давлением называется такое условное постоянное давление, которое, перемещая поршень в течение хода расширения, производит работу, равную индикаторной работе цикла.

Работа, полученная на конце коленчатого вала, называется эффективной работой двигателя. Она меньше индикаторной на величину работы, расходуемой двигателем на преодоление сопротивлений:

где L_m работа сопротивлений, называемая обычно работой механических потерь двигателя.

Эффективную работу по аналогии с индикаторной можно выразить в виде

где. р_е - среднее эффективное давление.

Таким образом, среднее эффективное давление представляет собой величину, при умножении которой на рабочий объем цилиндра V_s получают эффективную работу за цикл. Эта величина также является условной, но в отличие от р_e характеризует некоторую среднюю величину давления, пропорциональную полезной работе двигателя.

При неизменных оборотах коленчатого вала величина р_е для данного двигателя зависит от величины, передаваемой на привод мощности. Чем больше передаваемая мощность, тем больше среднее эффективное давление.

Следовательно, р_е определяет степень загруженности данного двигателя. Каждый двигатель может развивать определенное среднее эффективное давление, которому соответствует определенная мощность. В соответствии с наивыгоднейшим р_е заводом устанавливается номинальная мощность двигателя, которая гарантируется для работы на определенных оборотах коленчатого вала.

Мощность двигателя является основной его характеристикой. Выражается она в киловаттах.

Работа, совершаемая газами во всех цилиндрах в единицу времени, называется индикаторной мощностью двигателя, а соответствующая ей мощность, развиваемая двигателем на конце коленчатого вала и отдаваемая силовой передаче (на электрогенератор, приводной ремень, гребной винт) - эффективной, или действительной, мощностью двигателя. При этом

где N_e - эффективная мощность; N_i, - индикаторная мощность; N_m,- мощность механических потерь, затрачиваемая на преодоление сопротивлений.

Если двигатель делает п оборотов в секунду, то индикаторная мощность двигателя, имеющего i цилиндров, будет равна

где D - диаметр цилиндра, м; S- ход поршня, м; n - число оборотов вала в секунду; i- число цилиндров; р_i  - среднее индикаторное давление, н/м^г; z - коэффициент тактности, показывающий, во сколько раз число оборотов вала больше числа циклов за один и тот же промежуток времени.

Приведенная формула справедлива для четырех- и двухтактных двигателей, причем для двухтактного двигателя простого действия z=1, для двухтактного с противоположно движущимися поршнями z = 0,5, а для четырехтактного z = 2.

Произведение (πD²/4)·S представляет собой величину рабочего объема цилиндра. Поэтому можно записать:

Аналогично выразится и эффективная мощность четырех-и двухтактного двигателей:

где р_е - среднее эффективное давление, н/м².

В двигателях внутреннего сгорания работа совершается за счет тепла, выделяющегося при сгорании топлива. Преобразование его в индикаторную работу неизбежно связано с потерей части тепла. Величина, показывающая, какая доля от всего тепла преобразована в индикаторную работу в цилиндре двигателя, называется индикаторным коэффициентом полезного действия и представляет собою отношение

где В - секундный расход топлива, кг/сек;

Q_H^P- низшая теплота сгорания топлива, кдж/кг.

Значения и. к. п. д. для разных двигателей составляют:

двухтактные дизели                                                            0,35-0,50

четырехтактные дизели                                                      0,42-0,50

карбюраторные двигатели                                                 0,30-0,35

Эффективный к. п. д. η_e представляет собою отношение тепла, превращенного в работу на валу двигателя, ко всему затраченному теплу:

Значение η_e может быть также определено по формуле

Эффективный к. п. д. для различных двигателей имеет следую-щие значения:

дизели тихоходные                                                            0,32-0,39

дизели быстроходные                                                        0,32-0,41

карбюраторные двигатели                                                0,25-0,30

Для определения эффективной мощности надо от величины индикаторной мощности отнять часть мощности, расходуемой на трение в двигателе, что может быть достигнуто умножением на величину механического к. п. д.:

где η_m - механический к. п. д. двигателя.

Аналогично и

Удельный расход топлива. Оценка экономичности двигателя внутреннего сгорания может быть произведена непосредственно по количеству топлива, затрачиваемого на получение полезной ра­боты в единицу времени. Для этого введено понятие секундного расхода топлива на 1 квт g_e, являющегося отношением количества топлива G_e к полезной мощности N_e двигателя:

Чем совершеннее двигатель и чем лучше преобразуется в нем энергия топлива в полезную механическую работу, тем меньше удельный расход топлива.

На величину удельного расхода топлива значительно влияет степень сжатия: чем больше степень сжатия, тем меньше удельный расход топлива. Поэтому у дизелей удельный расход топлива зна­чительно меньше, чем у карбюраторных двигателей, т. е. дизели экономичнее последних.

Тепловой баланс. В полезную эффективную работу обычно превращается лишь 25-41% тепла, получаемого в результате сжигания топлива в двигателе; остальная часть энергии сжигаемого топлива теряется в процессе работы двигателя.

Тепловой баланс характеризует распределение и потери тепла, вносимого в двигатель с топливом.

Количество тепла, распределяющееся по различным составляющим теплового баланса, подсчитывают в джоулях.

Уравнение внешнего теплового баланса имеет следующий вид:

где Q - тепло израсходованного топлива в двигателе;

Q_e - тепло, использованное на полезную эффективную работу двигателя;

Q_в - тепло, унесенное с охлаждающей водой;

Q_{в. г} - тепло, унесенное с выхлопными газами;

Q_н.с - тепло, получаемое при неполном сгорании;

Q_ост - так называемый остаточный член баланса, равный сумме всех неучтенных потерь теплоты. При определении величины теплового баланса в процентах уравнение будет иметь вид:

В данном случае каждое слагаемое в левой части уравнения представляет собой количество тепла в процентах по отношению ко всему теплу Q, т.е.

q_e = (Q_e/Q)·100;

Располагаемое тепло Q практически определяют по низшей теплоте сгорания топлива Q_H^P и секундному расходу топлива G_с  кг/ч:

Тепло, использованное на полезную эффективную работу дизеля за 1 сек

На рис. 12 представлена диаграмма теплового баланса дизеля с наддувом.

Характеристики двигателей. Характеристиками двигателя называются кривые, определяющие зависимость мощности и крутящего момента от показателей числа оборотов вала, нагрузки, рас­хода топлива и т. д.

Характеристики составляются при испытаниях двигателя на стенде и загрузке его тормозом (гидравлическим, электрическим) либо винтом и используются для оценки двигателя при выборе его для силовой установки.

Различают характеристики: скоростные,  нагрузочные и  регулировочные. На последних мы не будем останавливаться, поскольку они различны для разных типов двигателей и не имеет практического смысла останавливаться на этом достаточно подробно.

Скоростные характеристики определяют зависимость мощности или крутящего момента от числа оборотов двигателя. Различают внешние и винтовые скоростные характеристики.

Внешние характеристики двигателя - это кривые зависимости максимальной мощности или крутящего момента от числа оборотов двигателя при наибольшей подаче топлива. Так как внеш­няя характеристика относится к работе двигателя при максимально допустимой подаче топлива, то она дает значения наибольших мощностей, которые можно получить от двигателя на разных числах оборотов.

Построив зависимость мощности трения от числа оборотов и взяв разность между индикаторной мощностью и мощностью трения при различных числах оборотов, можно получить кривую изменения N_e по числу оборотов.

Эффективная мощность всегда имеет максимальное значение при числе оборотов меньшем, чем то, при котором получается максимальное значение индикаторной мощности. Этот сдвиг максимальных мощностей объясняется уменьшением η_m по числу оборотов.

Увеличивая число оборотов, можно получить такой режим двигателя, при котором мощность трения окажется равной индикаторной мощности, а эффективная мощность будет равна нулю. Однако работа двигателя при числе оборотов, большем расчетного n, соответствующего максимальному значению эффективной мощности, конечно, нецелесообразна.

Зависимость р_е от числа оборотов n можно получить по формуле

Винтовыми характеристиками двигателей называются кривые зависимости мощности или крутящего момента от числа оборотов двигателя, работающего на гребной винт.

Мощность, поглощаемая винтом, изменяется пропорционально кубу числа оборотов, т. е.

Мощность двигателя, нагруженного винтом, при каждом числе оборотов равна мощности, поглощаемой винтом, поэтому

Таким образом, эффективная мощность двигателя по винтовой характеристике изменяется так же, как и мощность, поглощаемая винтом, т. е. пропорциональна кубу числа оборотов. Так как эффективная мощность двигателя по внешней характеристике меняется по другому закону, то двигатель, нагруженный винтом, при изменении числа оборотов должен регулироваться изменением положения дросселя в карбюраторных двигателях или подачей топливного насоса в двигателях с самовоспламенением.

Для двигателя при данном винте число оборотов n_max является максимально возможным. Этому числу оборотов соответствует максимальная мощность двигателя N_max. При числе оборотов n > n_max двигатель работать не может, так как при этом эффективная мощность двигателя (по внешней характеристике) растет медленнее, чем мощность, поглощаемая винтом (по винтовой характеристике).

При числе оборотов n < n_max мощность, поглощаемая винтом, оказывается меньше чем эффективная мощность двигателя при полностью открытом дросселе или полной подаче насоса. Поэтому при таких числах оборотов работа двигателя возможна только при соответствующем дросселировании или уменьшении подачи топлива.

Нагрузочные характеристики двигателя определяют связь между какими-либо параметрами, оценивающими работу двигателя, и параметрами нагрузки, например между секундным расходом топлива с эффективной мощностью или средним эффективным давлением при постоянном числе оборотов. Обычно нагрузочные характеристики выражают зависимость расхода топлива или температуры отработавших газов от эффективной мощности двигателя.

Изменение мощности двигателя при постоянном числе оборотов достигается дросселированием свежей смеси или изменением подачи топлива насосом.

Практический смысл нагрузочной характеристики заключается в том, что она дает возможность отыскать максимальные режимы работы двигателя на данном числе оборотов.

В процессе снятия характеристики при n=const переход от одной опытной точки к другой, т. е. изменение нагрузки двигателя, можно получить либо подбором для каждого режима соответствующего винта, либо торможением двигателя с помощью тормоза, допускающего работу при разных числах оборотов и разных мощностях (балансирное динамо, гидротормоз).

Эффективная мощность, развиваемая двигателем, в начале N_e = 0, при этом двигатель работает вхолостую, и мощность, развиваемая в цилиндре, расходуется на преодоление вредных сопро­тивлений, т. е. в этот момент N_e = N_Т.

Так как мощность трения по нагрузочной характеристике (n=const) может считаться постоянной, то индикаторная мощность N_i возрастает с увеличением нагрузки по прямой, параллельной N_e и отстоящей от прямой N_e на одну и ту же величину мощности трения N_Т.

Постоянство мощности трения по нагрузочной характеристике приводит к увеличению механического к. п. д. с нагрузкой.

Действительно,