Введение. История возникновения ДВС.

Содержание.

Введение. История возникновения ДВС. 4

Общие сведения о ДВС и их классификация. 4

Требования предъявляемые к ДВС. 4

Основные понятия и определения. 5

Рабочие процессы четырехтактного ДВС с искровым зажиганием. 6

Принцип действия. 6

Термодинамический цикл ДВС. 6

Действительный цикл ДВС (индикаторная диаграмма рабочего процесса ДВС). 7

Процессы действительного рабочего цикла. 7

Процессы газообмена. 7

Периоды процесса газообмена. 8

Работа насосных ходов. 8

Показатели качества газообмена. 8

Влияние различных факторов на коэффициент наполнения. 9

Процесс сжатия. 11

Процесс сгорания. 12

Особенности процесса горения в ДВС с искровым зажиганием. Скорость распространения пламени. 12

Влияние различных факторов на процесс горения в ДВС с искровым зажиганием. 13

Основные нарушения процесса горения в ДВС с искровым зажиганием. 14

Детонация. 14

Преждевременное зажигание. 16

Последующее воспламенение. 17

Процесс расширения. 17

Влияние различных факторов на показатель политропы. 18

Показатели рабочего цикла. 18

Индикаторные показатели. 19

Среднее индикаторное давление. 19

Индикаторная мощность. 19

Индикаторный КПД. 20

Индикаторный удельный расход топлива. 20

Взаимосвязь между основными параметрами, характеризующие рабочие циклы (формула Стечкина). 20

Влияние различных факторов на индикаторные параметры. 21

Степень сжатия. 21

Форма камеры сгорания. 21

Размеры цилиндра. 22

Род применяемого топлива. 22

Состав смеси. 22

Угол опережения зажигания. 23

Частота оборотов коленвала двигателя. 23

Коэффициент наполнения и плотность свежего заряда. 23

Теоретический цикл ДВС. Скругление индикаторной диаграммы. 24

Эффективные показатели. 24

Механический КПД. 25

Эффективный КПД. 25

Удельный эффективный расход. 25

Литровая удельная эффективная мощность. 26

Формула Стечкина для эффективной мощности и среднего эффективного давления. 26

Факторы, влияющие на эффективные показатели ДВС. 26

Характеристики ДВС. 26

Общие сведения. 26

Основные характеристики ДВС. 27

Скоростные характеристики. 27

Нагрузочная характеристика. 28

Дроссельная характеристика (винтовая). 28

Высотная характеристика. 29

Регулировочные характеристики. 29

Характеристика по составу смеси. 29

Характеристика по углу опережения зажигания. 29

Тепловой расчет и тепловой баланс двигателя легкого топлива (ДВСсИЗ). 31

Исходные данные для расчета. 31

1. Тепловой расчет. 31

Теплота. Определение теплоты сгорания топлива. 31

2. Параметры рабочего тела. 32

2.1. Теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1кг топлива. 32

2.2. Выбор состава смеси. 32

2.3. Количество горючей смеси. 33

2.4. Количество отдельных компонентов продуктов сгорания. 33

2.5. Общее количество продуктов сгорания топлива. 34

3. Параметры окружающей среды и остаточных газов. 34

3.1. Параметры на впуске. 34

3.2. Температура остаточных газов. 34

3.3. Давление остаточных газов. 34

4. Процесс впуска. 34

4.1. Температура подогрева свежего заряда. 34

4.2. Плотность заряда на впуске. 35

4.3. Давление в конце впуска. 35

4.4. Коэффициент остаточных газов. 35

4.5. Температура в конце впуска. 35

4.6. Определение коэффициента наполнения. 36

5. Процесс сжатия. 36

5.1. Давление и температура в конце сжатия. 36

5.2. Средняя мольная теплоемкость. 36

6. Процесс сгорания. 37

6.1. Коэффициент молекулярного изменения горючей смеси. 37

6.2. Количество теплоты потерянное из-за химической неполноты сгорания топлива. 37

6.3. Теплота сгорания рабочей смеси. 37

6.4. Средняя мольная теплоемкость продуктов сгорания. 37

6.5. Коэффициент использования теплоты. 37

6.6. Определение температуры сгорания. 37

6.7. Максимальное теоретическое давление сгорание. 38

6.8. Степень повышения давления. 38

7. Процесс расширения и выпуска. 38

7.1. Определение среднего показателя политропы расширения. 38

7.3. Проверка температуры остаточных газов. 38

8. Индикаторные показатели ДВС. 38

8.1. Теоретическое среднее индикаторное давление. 38

8.2. Действительное среднее индикаторное давление. 39

8.3. Индикаторный КПД. Удельный индикаторный расход топлива. 39

9. Эффективные показатели двигателя. 39

9.1. Среднее давление механических потерь. 39

9.2. Среднее эффективное давление. 39

9.3. Механический КПД. 39

9.4. Эффективный КПД. Удельный эффективный расход топлива. 40

9.5. Основные параметры цилиндра и двигателя. 40

10. Построение индикаторной диаграммы. 41

10.1. Построение политроп сжатия и расширения расчетным методом. 41

10.2. Определение среднего индикаторного давления графическим путем. 42

10.3. Скругление индикаторной диаграммы. 42

11. Тепловой баланс двигателя. 43

12. Построение внешней скоростной характеристики. 43

Рабочий процесс дизельного двигателя. 44

Принцип работы. 44

Термодинамический цикл Дизеля. 44

Индикаторная диаграмма дизелей. 45

Процессы смесеобразования и горения в дизелях. 45

Фазы горения дизелей. 46

Обеспечение мягкой работы Дизеля. 47

Достоинства и недостатки дизелей. 47

Методы форсирования мощности двигателя. 49

Осуществление двухтактного цикла. 49

Индикаторная диаграмма двухтактного ДВС. 50

Принцип действия двухтактного ДВС. 50

Схема газообмена двухтактных двигателей. 52

Достоинства и недостатки двухтактных двигателей. 52

Наддув двигателей. 52

Инерционный наддув. 53

Наддув с механическим приводом нагнетателя. 53

Определение мощности затрачиваемой на привод компрессора. 54

Газотурбинный наддув. 54

Определение мощности развиваемой газовой турбиной. 55

Комбинированный наддув. 56

Роторно-поршневой двигатель. 57

Свободно-поршневой генератор газа. 59

Требования предъявляемые к ДВС.

Тип ДВС	Надежность	Ресурс	Масса, габарит	Экономичность	Экологичность
Автотранспортные
Авиационные
Ж/Д и водного транспорта
Стационарные

1 – наиболее важное;

5 – наименее важное.

Основные понятия и определения.

1 – впускной клапан;

2 – свеча зажигания;

3 – выпускной клапан;

4 – головка цилиндра;

5 – цилиндр;

6 – поршень;

7 – шатун;

8 – кривошип;

9 – картер.

– угол поворота коленвала;

– радиус кривошипа;

– ход поршня; ;

– рабочий объем цилиндра – объем вытесняемый при ходе поршня ;

; – площадь поршня;

– объем камеры сгорания – объем внутри полости цилиндра при положении поршня в ВМТ.

;

– полный объем цилиндра;

– число цилиндров; – рабочий объем двигателя (измеряется в литрах).

– степень сжатия;

Рабочий цикл ДВС – это ряд периодически повторяющихся процессов (тактов) в цилиндре ДВС, в результате которых происходит преобразование тепловой энергии в механическую.

Рабочее тело – это вещество при помощи которого осуществляется действительный цикл ДВС.

В ДВС рабочим телом является смесь воздуха, топлива, продуктов сгорания (ТВС).

– коэффициент избытка воздуха.

– стехиометрический коэффициент – это теоретическое количество воздуха, необходимое для полного сгорания 1 кг топлива.

; – количество топлива.

– нормальная ТВС;

– бедная ТВС (топливом);

– богатая ТВС (топливом);

означает, что в смеси находится 95% воздуха от теоретически необходимого.

 

Принцип действия.

1 такт: впуск (; ).

Впускной клапан открыт, поршень двигается к НМТ. В цилиндре создается разряжение и свежая ТВС поступает в цилиндр. Свежая смесь смешивается с оставшимися газами и образует рабочую смесь.

2 такт: сжатие (; ).

Клапаны закрыты, поршень движется к ВМТ, сжимая рабочую смесь, повышается давление и температура. В конце сжатия смесь воспламеняется от электрической искры.

3 такт: рабочий ход (; ).

Клапаны закрыты, в результате горения повышается и , смесь расширяется и толкает поршень вниз. Передается усилие на коленвал, заставляя его вращаться и совершать полезную работу.

Такт: выпуск.

Выпускной клапан открыт, поршень движется к ВМТ, выталкивая в атмосферу продукты сгорания из цилиндра.

Полезная механическая работа на валу двигателя создается только во время рабочего хода. Остальные 3 такта работу не создают и происходит за счет энергии маховика и работы других цилиндров.

Термодинамический цикл ДВС.

Допущения к идеальному циклу:

1) рабочее тело – идеальный газ с неизменными физическими свойствами;

2) теплоемкость рабочего тела постоянна во всех процессах;

3) подвод и отвод тепла происходит мгновенно при ;

4) процессы газообмена отсутствуют;

5) процессы сжатия и расширения адиабатные.

Термодинамический цикл используется для оценки совершенства действительного цикла двигателя.

Процессы газообмена.

Это процессы впуска и выпуска, а ходы поршня называются насосные ходы.

Фазы газораспределения – это продолжительность и последовательность открытия клапанов. Задаются в виде углового положения кривошипа относительно ВМТ и НМТ.

1) выпускной клапан

– опережения открытия;

;

– запаздывание закрытия;

.

2) впускной клапан

– опережения открытия;

;

– запаздывание закрытия;

.

3) – фаза перекрытия клапанов (открыты оба клапана)

(при наддуве).

Работа насосных ходов.

Это работа, которую необходимо совершить для осуществления процессов газообмена.

(«–»); («+»);

Из атмосферы: ; с наддувом: .

Коэффициент дозарядки.

Это отношение количества смеси в цилиндре в момент закрытия впускного клапана к количеству смеси при нахождении цилиндра в НМТ.

.

Процесс сжатия.

В отличии от идеального цикла, действительный процесс сжатия сопровождается теплопередачей и не является адиабатным.

– кривая сжатия (не адиабата);

– показатель политропы сжатия;

– показатель адиабаты.

Рассмотрим отдельные участки:

– подвод тепла к рабочему телу от стенок цилиндра, т.е. свежая холодная смесь попадает в горячий цилиндр и нагревается.

;

– тепловое равновесие.

;

– подогрев смеси из-за сжатия.

;

При расчетах обычно используют .

Рассмотрим влияние различных факторов на процесс сжатия:

1) – разность температур смеси и двигателя.

;

2) Площадь теплопередающей поверхности

3) Количество свежей смеси в цилиндре

4) Скорость движения смеси (частота оборотов).

(меньше ТВС контактирует с поверхностью).

 

Процесс сгорания.

Горение – само ускоряющаяся химическая реакция, связанная с накоплением теплоты в системе реагирующих веществ.

1 – момент подачи искры;

2 – момент воспламенения;

3 – момент максимального давления в цилиндре;

4 – момент завершения горения.

Фазы процесса горения:

1–2 – фаза воспламенения

2–3 – фаза быстрого распространения пламени

3–4 – фаза догорания

 

Ламинарное горение.

Скорость ламинарного горения – скорость с которой фронт пламени перемещается в направлении перпендикулярном к поверхности свежей ТВС.

– зона ламинарного горения;

– скорость ламинарного горения.

Турбулентное горение.

Турбулентная скорость пламени – скорость, с которой фронт пламени перемещается в турбулезированном потоке.

– зона турбулентного горения;

– нормальные скорости маленьких частиц.

Ламинарное горение не обеспечивает необходимую скорость выделения тепла в двигателе, поэтому требуется турбулезация газового потока.

Уравнение Аррениуса: – скорость химической реакции.

– константа химической реакции, зависящая от состава смеси и рода топлива;

– давление химической реакции;

– порядок химической реакции;

– универсальная газовая постоянная;

– температура химической реакции;

– энергия активации – энергия, необходимая для разрыва внутримолекулярных связей.

Состав смеси.

– верхний концентрационный предел;

– нижний концентрационный предел;

– нормальное горение;

– мощностной состав смеси – максимальная мощность, развиваемая двигателем.

– экономический состав смеси – максимальная экономичность.

Степень сжатия.

 

3) Частота оборотов.

С увеличение частоты оборотов, увеличивается фаза воспламенения, что приводит к позднему развитию процесса сгорания и уменьшению количества тепла выделившегося за цикл. Поэтому при изменении требуется регулирование угла опережения зажигания (УОЗ).

 

Угол опережения зажигания.

Угол опережения зажигания – угол поворота коленвала от момента подачи искры до ВМТ.

Нагрузка.

Под нагрузкой понимают угол поворота дроссельной заслонки – именно ей регулируют нагрузку на двигатель.

– угол поворота дроссельной заслонки.

 

Детонация.

Детонация – взрывообразное горение смеси, сопровождающееся ударными волнами давления, распространяющимися по объему камеры сгорания. Детонация возникает в результате самовоспламенения удаленных от свечи участков смеси, вследствие интенсивного нагрева и сжатия при распространении фронта пламени.

При детонации:

Отражаясь от стенок камеры сгорания, ударная волна образует вторичные фронты пламени и очаги самовоспламенения. Внешне детонация проявляется в виде глухих стуков при работе двигателя на больших нагрузках.

Последствия работы двигателя с детонацией:

– Перегрев и прогорание отдельных узлов двигателя (клапаны, поршни, прокладки головки, электроды свечей);

– Механические разрушения деталей двигателя вследствие ударных нагрузок;

– Снижение мощности и экономичности работы.

Преждевременное зажигание.

Калильное зажигание – это воспламенение ТВС в процессе сжатия до момента подачи искры от элементов камеры сгорания (выпускные клапана, электроды свечей и частицы нагара).

Последствия работы двигателя с калильным зажиганием:

1) Падение мощности и экономичности в результате больших потерь тепла в стенке цилиндра и затрат работы на сжатие продуктов сгорания;

2) Разрушение деталей из-за высоких тепловых и механических нагрузок.

Главная особенность калильного зажигания: неуправляемый момент воспламенения.

Основным источником калильного зажигания является перегретые электроды свечей. Поэтому свечи необходимо подбирать в соответствии с тепловым режимом двигателя.

Для каждого двигателя тип свечей подбирается индивидуально.

Способность свечи работать на двигателе без калильного зажигания характеризуется параметром калильное число – это величина пропорциональна среднему давлению в цилиндре, при котором при работе двигателя на специальной установке возникает калильное зажигание.

Например: А–17–ДВ

ГОСТ РФ КЧ: 8, 11, 14, 17, 20, 23, 26.

Чем меньше число, тем хуже охлаждение.

Последующее воспламенение.

Последующее воспламенение – это воспламенение ТВС после распространения фронта пламени от взвешенных в рабочем объеме раскаленных частиц нагара.

Последующее воспламенение:

Нормальное воспламенение:

Последствия:

1) Повышение механической нагрузки;

2) Снижение мощности и экономичности вследствие больших тепловых потерь.

 

Процесс расширения.

В процессе расширения (рабочий ход) производится механическая энергия за счет тепловой энергии, выделяющейся при сгорании топлива. В отличии от идеальных циклов, действительный процесс сопровождается теплообменом и не является адиабатным.

– подводимое тепло к рабочему телу;

– отводимое тепло от рабочего тела к стенкам цилиндра.

:

Это начало процесса расширения. Процесс горения не закончился еще.

Точка : тепловое равновесие.

:

Процесс горения прекращается или идет слабо. .

Ввиду трудностей определения переменных значений показателя политропы расширения при расчете параметров цикла используют средний показатель .

;

 

Показатели рабочего цикла.

Индикаторные показатели – это показатели, характеризующие совершенство рабочего цикла по теплоиспользованию, связанные с качеством организации процессов в двигателе.

Эффективные показатели – это показатели, характеризующие дополнительно к индикаторным показателям, степень механического совершенства двигателя.

– индикаторная работа.

Полная полезная работа носит название индикаторная работа.

– эффективная работа;

– работа механических потерь.

Индикаторная работа не может быть полностью передана потребителю. Поскольку часть ее затрачивается на механические потери в двигателе (работа сил трения, привод вспомогательных механизмов, работа газообмена).

 

Индикаторные показатели.

Индикаторная мощность.

Индикаторная мощность – это суммарная работа действительных циклов за единицу времени.

;

– число рабочих циклов, совершаемых двигателем в секунду;

– частота оборотов коленвала;

– число ходов поршня;

– тактность двигателя;

– мощность одного цилиндра;

, где – количество цилиндров.

– литровая мощность

– рабочий объем двигателя.

Для сравнения различных двигателей по мощности используется литровая или удельная мощность – мощность, получаемая с одного литра рабочего объема двигателя (степень форсирования двигателя).

 

Индикаторный КПД.

Индикаторный КПД – отношение тепла, превращенного в индикаторную работу двигателя ко всему затрачиваемому теплу.

– расход;

– теплотворная способность топлива (теплота сгорания).

,

В отличии от термического КПД, индикаторный КПД оценивает степень использования тепла в действительном цикле с учетом всех тепловых потерь (неполное сгорание топлива, потери тепла в стенке цилиндра, догорание топлива в процессе расширения или в конце процесса расширения и т.д.).

– в современных двигателях.

Степень сжатия.

Начиная с темп роста снижается. Поэтому в двигателе с искровым зажиганием из-за необходимости использования высокооктановых топлив, увеличение степени сжатия более 12 не целесообразно.

Форма камеры сгорания.

Форма камеры сгорания определяет величину потерь тепла в стенке в процессе сгорания. С уменьшением отношения , уменьшается . Минимальному отношению соответствует полусферическая камера сгорания.

– коэффициент камеры сгорания

 

 

Размеры цилиндра.

– относительное изменение по сравнению с с .

Род применяемого топлива.

– теплотворность свежей смеси – оценивает влияние рода топлива на индикаторные параметры.

;

Вид топлива	,
Бензин	3,5
Дизтопливо	3,4
Природный газ	3,1
Метанол	3,6
Этанол	3,7

Состав смеси.

При анализе влияния состава смеси на индикаторную мощность используется отношение индикаторного КПД к , поскольку и отдельное рассмотрение влияния этих величин на мощность не имеет смысла. наблюдается при . Не совпадение составов на максимальную мощность и максимальную экономичность объясняется тем, что с обогащением смеси до падает менее сильно, чем возрастает . Поэтому несмотря на падение экономичности, возрастает общее количество превращенного в работу тепла, что приводит к росту мощности. Влияние на учитывается коэффициентом состава смеси: .

Угол опережения зажигания.

Эффективные показатели.

Мощность двигателя, передаваемая от коленвала к потребителю, меньше индикаторной на величину мощности механических потерь.

– часть индикаторной мощности, расходуемая на трение, на вспомогательные агрегаты и работу насосных ходов – механическая мощность.

Величина зависит от следующих факторов: частота оборотов коленвала, смазывающих свойств масла, конструктивного и технологического совершенства двигателя.

По аналогии с вводится понятие среднего эффективного и среднего давления механических потерь.

– среднее эффективное давление – это условное постоянное избыточное давление, действующее на поршень двигателя и создающее работу равной .

– условное постоянное избыточное давление, действующее на поршень со стороны картера и создающее работу, равную работе .

Практически связывают со средней скоростью поршня.

– ход поршня; – частота оборотов; – степень сжатия.

По аналогии с можно записать:

;

В современных ДВС: на номинальном режиме.

Механический КПД.

Механический КПД – это КПД, характеризующий снижение мощности ДВС вследствие механических потерь.

В современных ДВС

Эффективный КПД.

Эффективный КПД – это КПД, характеризующий эффективность преобразования тепла в механическую работу в ходе действительного цикла, а также механические потери, является полным КПД двигателя.

– эффективная работа; – затраченное тепло.

В современных ДВС:

Характеристики ДВС.

Общие сведения.

Характеристика ДВС – это кривая, показывающая зависимость показателей работы двигателя от условий работы этого же двигателя.

Характеристика получаются опытным путем при испытании ДВС, либо расчетным путем по приближенным уравнениям.

Виды характеристик:

1) Основные характеристики – это изменение показателей работы двигателя в зависимости от режимов эксплуатации (нагрузка, частота оборотов коленвала, атмосферные условия на впуске и т.д.);

2) Регулировочные характеристики – показывают изменение показателей работы двигателя в зависимости от регулируемых параметров (, состав смеси, температура охлаждающей жидкости, температура масла и т.д.);

3) Специальные характеристики – это характеристики по шуму, экологичности и т.д.

Скоростные характеристики.

Скоростные характеристики могут быть двух типов:

1) Внешняя скоростная характеристика – это зависимость эффективных показателей ДВС от частоты оборотов коленвала при полностью открытой дроссельной заслонке.

Регулирование n при получении характеристики производится изменением нагрузки на валу двигателя.

Типовые режимы работы ДВС.

– минимальная частота оборотов коленвала, при которой двигатель устойчиво работает с полной нагрузкой.

– частота оборотов коленвала, соответствующая максимальной мощности – номинальная частота.

– частота оборотов коленвала, соответствующая максимальному крутящему моменту.

– частота оборотов коленвала, соответствующая минимальному удельному расходу топлива.