Особенности работы дизельного двигателя

Схема рабочего цикла дизельного двигателя предусматривает самовоспламенение топлива от горячего возду­ха без какого-либо постороннего источника воспламенения.

Поэтой схеме рабочий цилиндр двигателя во время такта впуска заполняется не горючей смесью, а воздухом. Воздух затем под­вергается сжатию и сильно нагревается. В конце процесса сжа­тия в цилиндр, в нагретый воздух, через форсунку при большом давлении впрыскивается топливо. При этом топливо мелко распыливается, испаряется и перемешивается с воздухом, образуя горючую смесь. Процесс сгорания начинается с самовоспламене­ния смеси при высокой температуре, которая достигается в про­цессесжатия воздуха. Все остальные процессы — сгорание, рас­ширение газов и их удаление из камер сгорания — по второй схеме рабочего цикла происходят так же, как и по первой схеме.

Таким образом, характерным отличием второй схемы рабо­чего цикла от первой является самовоспламенение топлива. Двигатели, рабочий цикл у которых протекает по такой схеме, называют дизелями. Процесс образования горючей смеси в ди­зелях происходит внутри цилиндра. Для достижения высоких температур в дизельном двигателе приходится сжимать воздух во много раз больше (в 15—17 раз), чем сжимают топливо-воз-душную смесь в двигателе с принудительным воспламенением (в 7—9 раз). Более высокая степень сжатия в дизеле обеспечи­вает и более высокий коэффициент полезного действия в та­ких двигателях. Для совершения одной и той же работы в дизе­ле расходуется топлива примерно на 25—30 %меньше, чем в двигателе с принудительным зажиганием. Высокая степень сжа­тия в дизеле обусловливает и высокие давления и нагрузки, что требует применения более прочных деталей. При одной и той же мощности материалоемкость дизельного двигателя обычно боль­ше. Тем не менее, дизельные двигатели находят все большее применение в автомобилестроении.

Описанные выше двигатели с принудительным зажиганием и дизели называют четырехтактными: за один оборот колен­чатого вала происходят впуск и сжатие, за следующий обо­рот— расширение и выпуск. Но существуют и двухтактные дви­гатели, у них некоторые процессы совмещены, и весь цикл про­текает за один оборот коленчатого вала. В конце такта расши­рения открывается выпускное окно, куда выводятся отработавшие газы, и затем открывается впускное окно, через которое в цилиндр поступает горючая смесь или воздух (в ди­зеле). Поршень доходит до нижней мертвой точки и начинает подниматься вверх, перекрывает впускное и выпускное окна, и смесь или воздух в цилиндре сжимается. Перед подходом поршня к верхней мертвой точке в камеру сгорания подается искра или с помощью форсунки впрыскивается топливо (в ди­зелях); вновь начинается процесс расширения. Такие двухтакт­ные двигатели устанавливают на мотоциклах, на моторных лод­ках и в других видах техники. Эти двигатели менее экономичны, чем четырехтактные, но они имеют и преимущества.

Роторно-поршневой двигатель. Для роторно-поршневого двигателя топливовоздушная смесь готовится в карбюраторе, поэтому он относится к двигателям с внешним смесеобразованием. В качестве горючего применяется топливо с большим содержанием легких фракций углеводородов — бензин.

Принципиальная схема роторно-поршневого двигателя приведена на рис. 3.

В рабочий цилиндр 1 двигателя, имеющий сложную овальную форму, помещен трехгранный ротор 5, вращающийся на внутреннем эксцентрике 2. Вершины ротора имеют уплотнения со стенками цилиндра 7 и при его вращении безотрывно скользят по ним. Стороны ротора, имеющие выпуклые сфероидальные поверхности, образуют совместно со стенками цилиндра три замкнутые полости, в которых протекает рабочий цикл двигателя. Объем каждой серповидной полости за один оборот эксцентрика ротора изменяется дважды от минимального до максимального. Это свойство рабочих полостей используется для наполнения их рабочим телом в виде топливовоздушной смеси, ее воспламенения, расширения и выпуска продуктов сгорания. В полости, где протекает процесс горения и расширения, располагается свеча зажигания, которая создает электрическую искру в момент максимально сжатия топливовоздушной смеси. Вращение ротора происходит под действием разности давлений на его боковые поверхности со стороны рабочего тела серповидных полостях. В настоящее время роторно-поршневые двигатели не нашли широкого применения на железнодорожном транспорте главным образом из-за их малой мощности, однако в дальнейшем они могут иметь перспективны в автомобилестроении из-за простоты конструкции, малых габаритных размеров и массы.

Рис. 3. Схема роторно-поршневого двигателя:

1 — рабочий цилиндр; 2 — эксцентрик; 3 — выпускной коллектор; 4 — впускной коллектор; 5 — ротор; 6 — свеча зажигания; 7— уплотнение

 

Для анализа поршневых ДВС используют два основных теоретических цикла:

1. Цикл с подводом теплоты при постоянном объеме теоретический для карбюраторных и газовых двигателей.

2. Смешанный цикл с подводом теплоты при постоянном объеме и части теплоты при постоянном давлении теоретический цикл для безкомпрессорных дизелей.

Отвод теплоты у этих циклов осуществляется при постоянном объеме.

 

Пример.Рассчитать к.п.д. двигателя внутреннего сгорания с подводом теплоты при постоянном объеме, термодинамический цикл которого состоит из следующих процессов (см. рис. 3.5): 1-2 - изохорический подвод теплоты при сгорании топлива в цилиндре двигателя; 2-3 - адиабатическое расширение рабочего тела; 3-4 - изохорический отвод теплоты при выбросе отработанного газа в атмосферу; 4-1 - адиабатическое сжатие рабочего тела. Подвод теплоты производится при постоянном объеме , а отвод - при объеме . Считать, что рабочее тело можно рассматривать как идеальный газ с показателем адиабаты, равным .

Рис. 3.5. Термодинамический цикл двигателя внутреннего сгорания

Решение: В соответствии с выражениями (2.55) и (2.61) подведенная и отведенная в изохорических процессах 1-2 и 3-4 теплота может быть определена по формулам:

 

,

 

.

Тогда на основании выражения (3.2) имеем:

 

.

Использование формулы (2.86) для адиабатических процессов 2-3 и 4-1 позволяет получить следующие соотношения:

 

,

 

.

Подстановка полученных из этих формул выражений для температур и в выражение для к.п.д. дает

 

.

Таким образом, к.п.д. двигателя внутреннего сгорания зависит от отношения объемов рабочего тела , которое называется степенью сжатия и является одной из основных характеристик двигателя.

 

Действительные циклы ДВС. Отличие действительных циклов от теоретических.Индикаторные диаграммы

 

Действительные циклы, совершающиеся в цилиндрах реальных двигателей, существенно отличаются от рассмотренных теоретических циклов. В действительном цикле состав иколичество газа не постоянны. После окончания каждого действительного цикла отработавший газ не остается в цилиндре, а удаляется из него, уступая место новому заряду, т.е. действительный цикл по существу является разомкнутым. В действительном цикле процессы сжатия и расширения протекают при наличии теплообмена между газом и стенками цилиндра, т.е. по политропам с переменными показателями. Процесс сгорания, протекающий при переменном объеме и давлении, характеризуется конечными скоростями и заканчивается по линии расширения. Теплоемкость рабочего тела в действительном цикле не остается постоянной. В действительном цикле имеют место тепловые и гидравлические потери при процессах наполнения цилиндра свежим зарядом и его освобождения от отработавших газов. Действительные циклы двигателей изображается в виде индикаторной диаграммы в «p-v» координатах, которые получают экспериментальным путем с помощью специального прибора, называемого индикатором.

Рассмотрим действительный цикл четырехтактного двигателя, состоящий из процессов впуска, сжатия, сгорания, расширения и выпуска, которые совершаются за четыре такта (хода поршня) или за два оборота коленчатого вала. В индикаторной диаграмме процессы сжатия и расширения являются термодинамическими, а впуска и выпуска при которых изменяется масса рабочего тела - механическими.

Индикаторная диаграмма четырехтактных двигателей представлена на рис.3.1.

Рис. 3.1 Индикаторные диаграммы четырехтактных двигателей: а - карбюраторного; б - дизельного

 

Поршневым двигателем внутреннего сгорания (ДВС) называют такую тепловую машину, в которой превращение химической энергии топлива в тепловую, а затем в механическую энергию, происходит внутри рабочего цилиндра. Превращение теплоты в работу в таких двигателях связано с реализацией целого комплекса сложных физико-химических, газодинамических и термодинамических процессов, которые определяют различие рабочих циклов и конструктивного исполнения.

Классификация поршневых двигателей внутреннего сгорания приведена на рис. 1.1. Исходным признаком классификации принят род топлива, на котором работает двигатель. Газообразным топливом для ДВС служат природный, сжиженный и генераторный газы. Жидкое топливо представляет собой продукты переработки нефти: бензин, керосин, дизельное топливо и др. Газожидкостные двигатели работают на смеси газообразного и жидкого топлива, причем основным топливом является газообразное, а жидкое используется как запальное в небольшом количестве. Многотопливные двигатели способны длительно работать на разных топливах в диапазоне от сырой нефти до высокооктанового бензина.

Двигатели внутреннего сгорания классифицируют также по следующим признакам:

• по способу воспламенения рабочей смеси – с принудительным воспламенением и с воспламенением от сжатия;
• по способу осуществления рабочего цикла – двухтактные и четырехтактные, с наддувом и без наддува;

Рис. 1.1. Классификация двигателей внутреннего сгорания.

• по способу смесеобразования – с внешним смесеобразованием (карбюраторные и газовые) и с внутренним смесеобразованием (дизельные и бензиновые с впрыском топлива в цилиндр);
• по способу охлаждения – с жидкостным и воздушным охлаждением;
• по расположению цилиндров – однорядные с вертикальным, наклонным горизонтальным расположением; двухрядные с V-образным и оппозитным расположением.

Преобразование химической энергии топлива, сжигаемого в цилиндре двигателя, в механическую работу совершается с помощью газообразного тела – продуктов сгорания жидкого или газообразного топлива. Под действием давления газов поршень совершает возвратно-поступательное движение, которое преобразуется во вращательное движение коленчатого вала с помощью кривошипно-шатунного механизма ДВС. Прежде чем рассматривать рабочие процессы, остановимся на основных понятиях и определениях, принятых для двигателей внутреннего сгорания.

За один оборот коленчатого вала поршень дважды будет находиться в крайних положениях, где изменяется направление его движения (рис 1.2). Эти положения поршня принято называть мертвыми точками, так как усилие, приложенное к поршню в этот момент, не может вызвать вращательного движения коленчатого вала. Положение поршня в цилиндре, при котором расстояние его от оси вала двигателя достигает максимума, называется верхней мертвой точкой (ВМТ). Нижней мертвой точкой (НМТ) называют такое положение поршня в цилиндре, при котором расстояние его от оси вала двигателя достигает минимума.

Расстояние по оси цилиндра между мертвыми точками называют ходом поршня. Каждому ходу поршня соответствует поворот коленчатого вала на 180°.

Перемещение поршня в цилиндре вызывает изменение объема надпоршневого пространства. Объем внутренней полости цилиндра при положении поршня в ВМТ называют объемом камеры сгорания V_c.

Объем цилиндра, образуемый поршнем при его перемещении между мертвыми точками, называется рабочим объемом цилиндра V_h.

,

где D – диаметр цилиндра, мм;

S – ход поршня, мм

Объем надпоршневого пространства при положении поршня в НМТ называют полным объемом цилиндра V_a.

.

 

Рис 1.2. Схема поршневого двигателя внутреннего сгорания

Рабочий объем двигателя представляет собой произведение рабочего объема цилиндра на число цилиндров.

Отношение полного объема цилиндра V_a к объему камеры сгорания V_c называют степенью сжатия

.

При перемещении поршня в цилиндре кроме изменения объема рабочего тела изменяются его давление, температура, теплоемкость, внутренняя энергия. Рабочим циклом называют совокупность последовательных процессов, осуществляемых с целью превращения тепловой энергии топлива в механическую.

Достижение периодичности рабочих циклов обеспечивается с помощью специальных механизмов и систем двигателя.

Рабочий цикл любого поршневого двигателя внутреннего сгорания может быть осуществлен по одной из двух схем, изображенных на рис. 1.3.

По схеме, изображенной на рис. 1.3а, рабочий цикл осуществляется следующим образом. Топливо и воздух в определенных соотношениях перемешиваются вне цилиндра двигателя и образуют горючую смесь. Полученная смесь поступает в цилиндр (впуск), после чего она подвергается сжатию. Сжатие смеси, как будет показано ниже, необходимо для увеличения работы за цикл, так как при этом расширяются температурные пределы, в которых протекает рабочий процесс. Предварительное сжатие создает также лучшие условия для сгорания смеси воздуха с топливом.

Во время впуска и сжатия смеси в цилиндре происходит дополнительное перемешивание топлива с воздухом. Подготовленная горючая смесь воспламеняется в цилиндре при помощи электрической искры. Вследствие быстрого сгорания смеси в цилиндре резко повышается температура и, следовательно, давление, под воздействием которого происходит перемещение поршня от ВМТ к НМТ. В процессе расширения нагретые до высокой температуры газы совершают полезную работу. Давление, а вместе с ним и температура газов в цилиндре при этом понижаются. После расширения следует очистка цилиндра от продуктов сгорания (выпуск), и рабочий цикл повторяется.

а) б)

Рис. 1.3. Схемы рабочего цикла двигателей

В рассмотренной схеме подготовка смеси воздуха с топливом, т. е. процесс смесеобразования, происходит в основном вне цилиндра, и наполнение цилиндра производится готовой горючей смесью, поэтому двигатели, работающие по этой схеме, называются двигателями с внешним смесеобразованием. К числу таких двигателей относятся карбюраторные двигатели, работающие на бензине, газовые двигатели, а также двигатели с впрыском топлива во впускной трубопровод, т. е. двигатели, в которых применяется топливо, легко испаряющееся и хорошо перемешивающееся с воздухом при обычных условиях.

Сжатие смеси в цилиндре у двигателей с внешним смесеобразованием должно быть таким, чтобы давление и температура в конце сжатия не достигали значений, при которых могли бы произойти преждевременная вспышка или слишком быстрое (детонационное) сгорание. В зависимости от применяемого топлива, состава смеси, условий теплопередачи в стенки цилиндра и т. д. давление конца сжатия у двигателей с внешним смесеобразованием находится в пределах 1.0–2.0 МПа.

Если рабочий цикл двигателя происходит по схеме, описанной выше, то обеспечивается хорошее смесеобразование и использование рабочего объема цилиндра. Однако ограниченность степени сжатия смеси не позволяет улучшить экономичность двигателя, а необходимость в принудительном зажигании усложняет его конструкцию.

В случае осуществления рабочего цикла по схеме, показанной на рис. 1.3б, процесс смесеобразования происходит только внутри цилиндра. Рабочий цилиндр в данном случае заполняется не смесью, а воздухом (впуск), который и подвергается сжатию. В конце процесса сжатия в цилиндр через форсунку под большим давлением впрыскивается топливо. При впрыскивании оно мелко распыляется и перемешивается с воздухом в цилиндре. Частицы топлива, соприкасаясь с горячим воздухом, испаряются, образуя топливовоздушную смесь. Воспламенение смеси при работе двигателя по этой схеме происходит в результате разогрева воздуха до температур, превышающих самовоспламенение топлива вследствие сжатия. Впрыск топлива во избежание преждевременной вспышки начинается только в конце такта сжатия. К моменту воспламенения обычно впрыск топлива еще не заканчивается. Топливовоздушная смесь, образующаяся в процессе впрыска, получается неоднородной, вследствие чего полное сгорание топлива возможно лишь при значительном избытке воздуха. В результате более высокой степени сжатия, допустимой при работе двигателя по данной схеме, обеспечивается и более высокий КПД. После сгорания топлива следует процесс расширения и очистка цилиндра от продуктов сгорания (выпуск). Таким образом, в двигателях, работающих по второй схеме, весь процесс смесеобразования и подготовка горючей смеси к сгоранию происходят внутри цилиндра. Такие двигатели называются двигателями с внутренним смесеобразованием. Двигатели, в которых воспламенение топлива происходит в результате высокого сжатия, называются двигателями с воспламенением от сжатия, или дизелями.