Шассификация, показатели и характеристики

РАБОТЫ ДВС

Л. Классификация двигателей

Двигатель — энергетическая машина, преобразующая какую-
либо энергию в механическую работу. Основным типом энергети-
ческой установки на транспорте является тепловой двигатель —
сложная техническая система, преобразующая теплоту в механи-
ческую работу.

Для транспортных двигателей характерны: многорежимность,
требующая поддержания высокой эффективности их функциони-
рования при варьировании в широких пределах скоростного и
нагрузочного режимов работы; необходимость сохранять работо-
способность при изменении положения двигателя в пространстве;
высокие требования к габаритным размерам и массе.

Тепловые двигатели классифицируют по следующим признакам:

по способу подвода теплоты к рабочему телу, с помощью кото-
рого теплота преобразуется в механическую работу, — двигатели
внутреннего сгорания (ДВС) и двигатели с внешним подводом
теплоты. В ДВС сжигание топлива, выделение теплоты и преобра-
зование части ее в механическую работу происходит непосред-
ственно в цилиндре двигателя. При этом для получения необходи-
мого количества работы в двигателе автомобиля рабочее тело об-
новляется;

по конструкции расширительной машины, с помощью которой
теплота, выделяющаяся в результате сгорания топлива, преобра-
зуется в механическую работу, — поршневые ДВС с возвратно-
поступательно движущимися поршнями; роторно-поршневые ДВС
с вращающимися поршнями; газотурбинные двигатели; реактив-
ные двигатели.

Вследствие трудностей обеспечения высокой экономичности
роторно-поршневые, газотурбинные и реактивные двигатели не
нашли широкого применения в наземной транспортной технике.

* В основу раздела положены материалы учебника-комплекса, разработанно-
го коллективом кафедры «Теплотехника и автотракторные двигатели» МАДИ
(ГТУ) под руководством члена-корреспондента РАН В.Н.Луканина.

Поршневые ДВС (в дальнейшем — двигатели) классифициру-
ют следующим образом:

по способу воспламенения рабочего тела — двигатели с искро-
вым (принудительным) зажиганием и с воспламенением от сжа-
тия (дизели);

по виду используемого топлива — двигатели, в которых исполь-
зуют жидкое горючее (бензин, дизельное топливо) и газовое;

по способу смесеобразования — двигатели с внешним (вне ци-
линдра) и с внутренним (внутри цилиндра) смесеобразованием;

по виду регулирования мощности — двигатели с количествен-
ным и двигатели с качественным регулированием мощности. При
количественном регулировании мощность изменяется дроссель-
ной заслонкой за счет количества топливовоздушной смеси, по-
ступающей в цилиндр, а при качественном — варьированием ко-
личества впрыскиваемого топлива при неизменном количестве
воздуха;

по принципу организации рабочих процессов — двухтактные и че-
тырехтактные ДВС. Такт — совокупность процессов, протекаю-
щих в цилиндре двигателя при перемещении поршня между верх-
ней и нижней мертвыми точками (ВМТи НМТ). В четырехтактном
ДВС рабочий цикл совершается за два оборота коленчатого вала
(т = 4), а в двухтактном — за один (т = 2). Необходимо отметить,
что понятия «такт» и «процесс» не совпадают.

Двигателям с искровым зажиганием свойственно количествен-
ное регулирование мощности и внешнее смесеобразование. В них
возможно использование бензина и газа Бензиновые двигатели
разделяют на две модификации — двигатели с впрыскиванием топ-
лива через форсунку во впускную систему (обычно на впускной
клапан или в цилиндр) и карбюраторные (топливовоздушная смесь,
поступающая в цилиндры, подготавливается карбюратором).

Карбюраторные двигатели в настоящее время активно вытес-
няются двигателями с впрыскиванием топлива (рис. 1.1). Подача
топлива в этих двигателях осуществляется по сигналу блока управ-
ления, сформированному по информации комплекса датчиков (рас-
хода воздуха, частоты вращения коленчатого вала, положения дрос-
сельной заслонки и т.д.).

Двигателям с воспламенением от сжатия (дизелям) свойственно
качественное регулирование мощности и внутреннее смесеобра-
зование.

Двигатель внутреннего сгорания состоит из механизмов и сис-
тем, имеющих следующее назначение:

кривошипно-шатунный механизм — преобразование индика-
торной работы, получаемой в результате сгорания, в эффектив-
ную работу, отдаваемую потребителю;

газораспределительный механизм — наполнение цилиндров
двигателя свежим зарядом и очистка их от отработавших газов;

Рис. 1 1. Схема двигателя с впрыскиванием бензина во впускную систему: / — подвижные элементы кривошипно-шатунного механизма; 2 — неподвиж- ные элементы кривошипно-шатунного механизма; 3 — свеча зажигания; 4 — форсунка; 5 — дроссельная заслонка, 6 — расходомер; 7 — воздухоочиститель; 8— электронный блок управления, 9— топливный фильтр, 10— топливный насос, 11 — топливный бак

 

система питания топливом — подача топлива, организация
смесеобразования;

смазочная система — обеспечение смазывания трущихся по-
верхностей подвижных деталей двигателя;

система охлаждения — обеспечение требуемого температурно-
го режима работы двигателя;

система питания воздухом — очистка и подача воздуха в ци-
линдры двигателя и снижение шума впуска;

система наддува — организация форсирования двигателя;
система выпуска — глушение шума выпуска и нейтрализация
отработавших газов;

система пуска — обеспечение надежного пуска двигателя в раз-
личных эксплуатационных условиях;

система зажигания — воспламенение рабочей смеси в двигате-
ле с искровым зажиганием.

Рабочие процессы двигателя

Рабочий цикл двигателя формируется из взаимосвязанных про-
цессов, которые зависят от особенностей его организации в соот-
ветствии с использованными принципами функционирования
двигателя. Анализируют рабочий цикл по индикаторной диаграм-
ме, которая представляет собой зависимость давления р в цилин-
дре двигателя от текущего надпоршневого объема К (рис. 1.2)

Рабочие процессы четырехтактного бензинового двигателя. В тер-
модинамике данный цикл моделируется циклом Отто, в котором
полагают, что в процессе при V - const в ВМТ теплота подводится
мгновенно.

Бензиновый двигатель — двигатель с принудительным искровым
зажиганием, внешним смесеобразованием и количественным ре-
гулированием мощности На большей части режимов мощность дви-
гателя регулируется изменением количества подаваемой в цилинд-
ры топливовоздушной смеси при мало меняющемся ее составе.
В зависимости от режима работы двигателя свежий заряд (топливо-
воздушная смесь) может иметь различное относительное содержа-
ние топлива и воздуха. Состав топливовоздушной смеси оценивают
коэффициентом избытка воздуха а — отношением количества воз-
духа G_B, содержащегося в топливовоздушной смеси, к его мини-
мально необходимому количеству для полного сгорания топлива G_r,

Рис. 1.2. Схема двигателя с искровым зажиганием и его индикаторная диаграмма: 1 — поплавковая камера, 2 — диффузор карбюратора; 3 — дроссельная заслонка; 4 — свеча зажигания

 

находящегося в смеси: а = G_B/(G_Tl_Q), где /о = 14,9 кг — количество
ноздуха, необходимое для полного сжигания 1 кг бензина. Если
а - 1, то смесь называется стехиометрической. При а < 1 смесь назы-
вается богатой (топливом), а при а > 1 — бедной (топливом).

Для бензиновых двигателей в зависимости от режима работы а
изменяется в пределах 0,7... 1,3.

Рассмотрим процессы, формирующие индикаторную диаграм-
му четырехтактного двигателя с искровым зажиганием, описав
последовательно такты рабочего цикла двигателя (на рис. 12 p_Q —
атмосферное давление).

Такт впуска осуществляется при повороте кривошипа на угол
о г ф = 0 до ф = 180° Надпоршневое пространство при этом изменя-
ется от объема камеры сгорания V_c (ВМТ) до полного объема
цилиндра V_a (НМТ). Такт на индикаторной диаграмме представ-
лен линией га.

В начале такта в объеме камеры сгорания V_c находится часть
продуктов сгорания от предыдущего цикла — остаточные газы.
В результате их смешения со свежим зарядом в цилиндре двигателя
образуется рабочая смесь. При движении поршня к НМТ закрыва-
ется выпускной клапан (в точке Ь"), создается разрежение в ци-
линдре и он заполняется свежим зарядом.

Давление рабочего телар_а в точке а зависит от гидравлических
потерь во впускном тракте. Эти потери уменьшаются при улучше-
нии качества впускного трубопровода, уменьшении скорости дви-
жения свежего заряда во впускном тракте, а также при увеличе-
нии степени открытия дроссельной заслонки, которые зависят от
скоростного и нагрузочного режимов работы двигателя.

Температура рабочего тела Т_а в точке а определяется интенсив-
ностью теплообмена между свежим зарядом, поверхностями впус-
кного трубопровода, по которому движется свежий заряд и стен-
ками камеры сгорания, а также его смешиванием с остаточными
газами. В карбюраторных двигателях для улучшения испарения бен-
зина впускной трубопровод специально подогревают.

Такт сжатия происходит при повороте кривошипа на угол от
Ф =180° (НМТ) до ф = 360° (ВМТ). На индикаторной диаграмме
такту сжатия соответствует линия ас.

В конце такта сжатия (в точке с) расчетные параметры рабоче-
го тела р_с = р_ав"¹; Т_с = Т_ае^Я|~' определяются их начальными зна-
чениями (р_а, Т_а), а также степенью сжатия е («, — показатель
адиабаты сжатия).

Степенью сжатия называется отношение е = V_ajV_c= (V_f, + V_c)/V_c,
где V_h — рабочий объем двигателя. Для современных двигателей
е= 7,5..10.

В действительном цикле закрытие впускного клапана происхо-
дит несколько позже НМТ (точка а") в целях увеличения напол-
нения цилиндра свежим зарядом (дозарядка) за счет энергии его
движения. В момент, обозначенный на диаграмме буквой /, про-
исходит искровой разряд в свече зажигания. В цилиндре начинает-
ся процесс сгорания топливовоздушной смеси, поэтому парамет-
ры рабочего тела будут увеличиваться. Угловой интервал (в граду-
сах поворота коленчатого вала) от момента подачи искры до при-
хода поршня в ВМТ называется углом опережения зажигания Ф₀ з-
Такт расширения происходит в процессе сгорания заранее под-
готовленной достаточно однородной рабочей смеси во время дви-
жения поршня от ВМТ (ф = 360°) к НМТ (ф = 540°). В начальный
период такта сгорает основная масса топлива, а при расширении
рабочего тела производится полезная работа. На индикаторной
диаграмме это кривая c'zb

При повороте кривошипа на угол ф_г= 10.. 15° после ВМТ дав-
ление в цилиндре максимально.

В действительном цикле до прихода поршня в НМТ в точке Ь'
открывается выпускной клапан. Это несколько уменьшает рабо-
ту расширения, но существенно улучшает очистку цилиндра от
отработавших газов.

Такт выпуска осуществляется во время движения поршня от
НМТ (ф = 540°) к ВМТ (ф = 720°), в ходе которого продукты

S

Рис. 1.3. Схема дизеля и его индикаторная диаграмма: 1 — кривошипно-шатунный механизм; 2 — редуктор, 3 — топливный насос высокого давления, 4 — форсунка; 5 — механизм газораспределения

 

сгорания выталкиваются из цилиндра при небольшом избыточ-
ном давлениир_г = (1,05.... 1,2) р₀. На индикаторной диаграмме дан-
ному такту соответствует кривая br.

В конце такта выпуска в точке а', когда поршень еще не дошел
до ВМТ, начинает открываться впускной клапан.

Рабочие процессы четырехтактного дизеля. В термодинамике
данный цикл моделируется циклом Сабатэ—Тринклера, в кото-
ром полагают, что теплота подводится в процессах при V- const в
ВМТ и при р = const после ВМТ.

Дизель — двигатель с воспламенением от сжатия, внутренним
смесеобразованием и качественным регулированием мощности. Она
регулируется путем впрыскивания различного количество топли-
ва в неизменное количество воздушного заряда, что практически
не влияет на общий объем топливовоздушной смеси, но резко
изменяет ее состав (а от 1,3 до 5). В дизеле свежий заряд — воздух.
Для полного сжигания 1 кг дизельного топлива требуется кисло-
род, содержащийся в 14,5 кг воздуха. Чтобы обеспечить надежное
самовоспламенение смеси, степень сжатия в дизелях принимает-
ся большей, чем в двигателях с искровым зажиганием: е = 14... 23.

Проанализируем особенности протекания процессов, форми-
рующих рабочий цикл дизеля (рис. 1.3), и сравним с характером
протекания аналогичных процессов в двигателе с искровым за-
жиганием.

Такт впуска. Гидравлические потери во впускной системе ди-
зеля меньше, чем в двигателе с искровым зажиганием, из-за от-
сутствия дроссельной заслонки. Они не меняются при изменении
нагрузки на двигатель. Нет отвода теплоты от свежего заряда на
доиспарение топлива. Поэтому давление в точке а в дизеле боль-
ше, чем в двигателе с искровым зажиганием.

Так как в дизеле степень сжатия больше, то к свежему заряду
подмешивается относительно меньшее количество отработавших
газов, температура которых меньше, чем у двигателя с искровым
зажиганием. Поэтому температура Т_а в дизеле несколько ниже.

Такт сжатия. Из-за большей степени сжатия параметры рабо-
чего тела в точке с у дизеля выше, чем в двигателе с искровым
зажиганием.

Топливо впрыскивается в камеру сгорания в конце такта сжа-
тия. Угол поворота коленчатого вала от момента начала впрыски-
вания топлива (точка /) до прихода поршня в ВМТ, называется
углом опережения впрыскивания ср_{0 вп}. Процесс сгорания начинается
до ВМТ, а давление в цилиндре />_с' превышает давление сжатия р_с.

Такт расширения. В отличие от двигателя с искровым зажигани-
ем в дизеле подготовка топливовоздушной смеси происходит за
существенно меньший интервал времени. Значительная часть топ-
лива впрыскивается в цилиндр непосредственно в процессе сго-
рания. Поэтому в дизеле при положении поршня около ВМТ сго-
рает меньшая доля топлива, чем в бензиновом двигателе. Часть
подаваемого топлива сгорает после ВМТ. Более низкие значения
Г.являются следствием большего значения коэффициента избыт-
ка воздуха в дизеле.

Параметры рабочего тела в конце такта расширения в точке Ъ
ниже, чем в двигателе с искровым зажиганием, из-за более высо-
кой степени сжатия и, следовательно, большей степени расши-
рения продуктов сгорания

Такт выпуска. Параметры рабочего тела в точке г в дизеле так-
же ниже, чем в двигателе с искровым зажиганием, что обуслов-
лено более низкой температурой в конце такта расширения Т_ь.

1.3. Энергетический баланс и экономико-энергетические
показатели двигателя

Теплота Q_r, которая вводится с топливом в цилиндр ДВС за
цикл его работы, расходуется на совершение индикаторной рабо-
ты цикла L, и на тепловые потери Q_nm (рис. 1.4):

0Т⁼ Олот)

где Q_T = q_lxH_u (здесь q_u — цикловая подача топлива; Н_и — низшая
теплота сгорания).

В состав Q_nm входят потери теплоты в систему охлаждения £?_охл,
с отработавшими газами Q_0T и от неполного сгорания топлива

Q_HC, когда а< 1.

Индикаторная работа цикла L,
представляет собой работу, полу-
чаемую за такты расширения (по-
ложительная работа L_p) и сжатия
(отрицательная работа L_lx):

A' ~^L-'p ^сж | *

На индикаторной диаграмме L,
соответствует площадь, ограни-
ченная линиями расширения и
сжатия В свою очередь индикатор-
ная работа расходуется на полу-
чение эффективной (полезной) ра-
боты L_e, отдаваемой потребите-
лю, и на механические (внутрен-
ние) потери L_M:

A L_e т L₄.

Рис. 1.4. Энергетический баланс двигателя

В состав L_M входят потери на
трение L,_p, привод вспомогатель-
ных агрегатов и механизмов L_BM (жидкостный и масляный насо-
сы, тоиливоподающая аппаратура дизелей и т.п.) и организацию
процессов газообмена L,₀. Последний вид потерь относят к дан-
ной группе условно для сравнения эффективности термодинами-
ческого и действительного циклов ДВС.

Уровень тепловых потерь в двигателе оценивают с помощью
индикаторного КПД, показывающего долю теплоты, преобразо-
ванной в индикаторную работу, относительно всей теплоты, вве-
денной в двигатель за цикл с топливом:

Л, = а/<2т - (<2т - CU)/ft = 1 - йютМ •

Для оценки работоспособности действительного цикла исполь-
)уют удельный показатель — среднее индикаторное давление р.,
представляющий собой индикаторную работу цикла, получаемую
с единицы рабочего объема цилиндра двигателя р, = L,/V_h. Он по-
зволяет сравнивать работоспособность двигателей различного ра-
бочего объема.

Показатель, характеризующий получение индикаторной рабо-
ты за единицу времени, называется индикаторной мощностью N,.

N, - АД_Ц,

где /ц = (60/я)0,5т — время выполнения одного рабочего цикла дви-
гателя, п —частота вращения коленчатого вала двигателя, мин"¹;
т — коэффициент тактности (т = 2 для двухтактного и т-4для
четырехтактного двигателей).

Так как L, = p,V_h, то для двигателя с числом цилиндров, рав-
ном /, индикаторная мощность, кВт, будет определяться по фор-
муле

N, =д/нГ_А/(3(к).

Индикаторный крутящий момент двигателя М, = p,iV_H/(nx), сле-
довательно, он прямо пропорционален р,.

Экономичность двигателя оценивают с помощью удельного ин-
дикаторного расхода топлива g„ который показывает, какое коли-
чество топлива в цикле расходует двигатель на производство еди-
ницы индикаторной работы: g, = gJL,. Или, если задать часовой
расход топлива G_T, кг/ч, и индикаторную мощность N„ кВт, то
g,= (GJ Л/,) 10\ г/(кВт ■ ч).

Уровень механических потерь в ДВС оценивают с помощью ме-
ханического КПД г|_м, который характеризует долю эффективной
работы L_e, преобразованной из индикаторной:

= LJLi = {Ц - I_M)/I,= 1 - LJL,.

Эффективные показатели определяют полезно используемую
мощность и экономичность двигателя.

Совокупность всех потерь в двигателе оценивают эффективным
КПД, который показывает долю теплоты, преобразованной в эф-
фективную работу, относительно всей теплоты, введенной с топ-
ливом в цикле:

тъ=4/а_т = Ап_м/£>_т=11|11м-

Среднее эффективное давление р_е - L_e/V_h; эффективная мощность
N_c = p_eniV_h/(30т); эффективный крутящий момент двигателя
M_K = pJV_h/(ят).

Удельный эффективный расход топлива позволяет оценить эко-
номичность двигателя. Он показывает, какое количество топлива
расходуется на производство единицы эффективной работы или
какое количество топлива расходуется для получения 1 кВт эффек-
тивной мощности за 1 ч работы: g_e = (G_T/N_e)10³, г/(кВтч). Показа-
тели Т)_е и g_e связаны между собой зависимостью g_e ~ 3600/(г\_еН_и).

Связь одноименных индикаторных и эффективных показате-
лей с помощью механического КПД имеет вид

Пм =4/Д =N_e/N,=p_e/p, = gjg_e.