Классификация двигателей внутреннего сгорания и рабочие циклы

                                         1.Введение.

Классификация двигателей внутреннего  сгорания и рабочие  циклы.

     Классификация  и схемы работы двигателей  внутреннего сгорания.

В качестве тепловозных  двигателей применяются поршневые  двигатели, в которых тепловая энергия, выделяющаяся при сгорании топлива, преобразуется в механическую энергию  непосредственно в цилиндре.  Топливо и воздух, необходимые для сгорания, вводятся в объем цилиндра двигателя, ограниченный днищем поршня, крышкой и стенками цилиндра. Образующиеся при сгорании газы, имеющие высокую температуру, создают давление на поршень и перемещают его в цилиндр. Поступательное движение через шатун передается коленчатому валу и преобразуется во вращательное.

   Преобразование  тепловой энергии в механическую сопровождается периодически (циклически) повторяющимися процессами:

а) горения и  расширения, за время которого объем  надпоршневого пространства увеличивается и газами совершается полезная работа:

   
 
 

 

 б) смены заряда путем выпуска газа через выпускные органы и впуска свежего заряда через впускные органы;

в) сжатия воздуха, осуществляемого уменьшением объема надпоршневого пространства.

   Описанные  изменения состояния рабочего  тела, происходящие в цилиндре, носят  название рабочего процесса двигателя. Совокупность периодических повторяющихся процессов называется рабочим циклом двигателя. Изменение давления в цилиндре в течение рабочего цикла в зависимости от объема изображается индикаторной диаграммой (рис. 2).

  Двигатели  классифицируют по числу ходов  поршня, необходимому для осуществления  рабочего цикла, и делят на  два типа: четырехтактные, в которых рабочий цикл совершается за четыре хода поршня; двухтактные, в которых для этой цели требуются два хода поршня.

   Тактом называется часть рабочего цикла, осуществляемая при движении поршня от одной крайней точки к другой. Внутренняя мертвая точка (в.м.т.) соответствует минимальному значению надпоршневого простраства-камере сжатия , наружная мертвая точка (н.м.т.)-максимальному

   Рабочий  объем цилиндра:

                                                    

где D-диаметр цилиндра, мм;

      S-ход поршня при движении от в.м.т. до н.в.т. , мм.

   Отношение  максимального объема над поршнем  (при положении в в.м.т.) называется геометрической степенью сжатия: 

Кроме геометрической степени сжатия, вследствие того что  реально закрытие впускных органов происходит за н.м.т., на ходе сжатия в точке а’ (рис.2, а) введено понятие действительной степени сжатия ,которой называется отношение объема над поршнем, соответствующего закрытию впускных органов, к минимальному (при положении в в.м.т., соответствующем объему камеры сжатия):

g=.

   Рабочий  цикл в четырехтактном двигателе  происходит следующим образом  (см. рис. 2, а).

   Первый такт - впуск - поршень движется от в.м.т. к н.м.т., при этом цилиндр наполняется свежей порцией воздуха. В современных тепловозных дизелях воздух, как правило, подается с давлением, значительно превышающим атмосферное. Предварительное сжатие воздуха осуществляется в компрессоре, приводимом во вращение от газовой турбины, работающей на выпускных газах двигателя, или получающем энергию от коленчатого вала дизеля.

   На индикаторной  диаграмме, представляющей собой  зависимость давления газов в  цилиндре от хода поршня или  объема цилиндра, началу такта  впуска соответствует точка r. При вращении коленчатого вала поршень перемещается к н.м.т., а распределительный вал открывает впускной клапан и сообщает цилиндр с впускной системой.

   За время  такта впуска давление в цилиндре  незначительно - в среднем на 0,01 -0,015 МПа ниже давления во впускной системе . Это обусловлено главным образом газодинамическим сопротивлением впускного клапана. Наибольшее снижение давления происходит в средней части хода поршня при наибольших скоростях воздуха в клапанах. Для уменьшения газодинамических сопротивлений и улучшения наполнения цилиндра свежим зарядом воздуха впускной клапан начинает открываться ранее в.м.т. с некоторым углом опережения впуска; аналогично закрытие впускного клапана осуществляется за н.м.т. с некоторым углом запаздывания закрытия. На диаграмме первому такту соответствует линия r - a. Среднее значение давлений при впуске обозначается .

   Второй такт - сжатие - поршень движется от н.м.т. к в.м.т., т.е. уменьшается объём цилиндра, повышается температура и давление. Сжатие происходит в основном после закрытия впускных клапанов. В начале такта продолжается зарядка цилиндра воздухом, а в конце начинается сгорание топлива. На индикаторной диаграмме второму такту соответствует линия ас.

   Третий  такт - горение и расширение - поршень  движется от в.м.т. к н.м.т. В начале такта интенсивно сгорает топливо, поступившее в цилиндр и воспламенившееся в конце второго такта. Вследствие выделения большого количества теплоты резко повышается температура и давление газов в цилиндре. Под действием давления дальнейшего перемещения поршня и расширения газов совершается полезная работа. Поэтому третий такт называется также рабочим ходом. На индикаторной диаграмме третьему такту соответствует линия czba.

   Четвертый  такт - выпуск - поршень движется  от н.м.т. к в.м.т. и выталкивает отработавшие газы через открытый выпускной клапан. Выпускной клапан, имеющий так же, как и впускной, привод от распределительного вала, открывается до н.м.т. (к концу третьего такта). Это способствует удалению части газа, имеющей высокое давление до н.м.т., и уменьшению сопротивления движению поршня, т.е. уменьшению давления в цилиндре при выталкивании отработавших газов. За время такта выпуска среднее давление в цилиндре превышает давление в выпускной системе .

   Для более  совершенного удаления продуктов  сгорания закрытие выпускного  клапана происходит за в.м.т. с некоторым углом запаздывания закрытия (точка d). В этот период, называемый периодом перекрытия клапанов, открыт и впускной клапан, происходит продувка, способствующая очистке цилиндра от остаточных газов и улучшению наполнения. На диаграмме четвертому такту соответствует линия, на которой среднее давление при выпуске обозначается .

   Рабочий  цикл в двухтактном двигателе происходит в отличие от четырехтактного за два хода поршня. Если четырехтактный двигатель только половину времени, затраченного на цикл, работает как тепловой двигатель (такты сжатия и расширения), а остальное время работает как насос, то двухтактный работает как тепловой двигатель практически все время (рис.2, б).

   В отличие от четырехтактных двигателей в двухтактных очистка цилиндра от продуктов сгорания и наполнение их свежим зарядом (процесс газообмена) происходят только при движении поршня вблизи н.м.т. При этом цилиндр очищается от отработавших газов путем вытеснения их предварительно сжатым воздухом. Воздух сжимается в компрессоре, представляющем собой отдельный агрегат, приводимый частично от коленчатого вала двигателя, частично от газовой турбины, работающей на выпускных газах.

   В процессе  газообмена в двухтактных двигателях  некоторая часть воздуха

  

неизбежно проходит через цилиндр, удаляясь вместе с  отработавшими газами. Схемы газообмена двухтактных двигателей могут быть разделены на петлевые и прямоточные.

   Петлевые  схемы характеризуются поворотом  (петлей) основного потока воздуха  при движении внутри цилиндра. Во многих петлевых схемах  петли образуются движением потока  по контуру цилиндра, поэтому  такие схемы называются иногда  контурными. При петлевых схемах обоими органами газораспределения (впускными и выпускными) управляет поршень. Основное преимущество петлевых схем - сравнительная простота конструкции двигателя, отсутствие клапанов и привода к ним.

   Недостатком  является наличие в цилиндре  зон, в которых остаются отработавшие (остаточные) газы, неизбежные повышенные  утечки продувочного воздуха  из-за закрытия выпускных окон  позже продувочных, а также затруднение организации воздушных потоков, необходимых для улучшения смесеобразования. Увеличенные утечки продувочного воздуха ведут к понижению температуры выпускных газов.

     Наибольшее распространение в тепловозных дизелях получили прямоточные схемы газообмена (рис. 3, а, б). В двигателях 10Д100, 11Д45 с такой схемой газообмена воздух движется в одном направлении вдоль оси цилиндра. При этом поток воздуха, подаваемый через тангенциально направленные продувочные окна, образует так называемый воздушный поршень, который вытесняет продукты сгорания, в малой степени смешиваясь с ними, и оставляет сравнительно небольшие непродутые зоны. Прямоточные схемы газообмена обеспечивают минимальные утечки продувочного воздуха и дозарядку цилиндра из-за возможности закрытия выпускных органов раньше продувочных, наилучшую организацию воздушных потоков, необходимых для улучшения смесеобразования.

   При клапанно-щелевой  схеме газообмена в меньшей  степени реализуются преимущества  прямоточных схем по сравнению  с прямоточно-щелевыми (см. рис. 3, б). Это связано с менее благоприятным для очистки характером потоков газа в цилиндре, чем при расположении окон по противоположным концам цилиндров, а также с наличием непродутых зон в области клапанов. Прямоточно-щелевая схема газообмена, соответствующая, например, дизелю 10Д100 с двумя коленчатыми валами, обеспечивает наиболее качественную продувку цилиндра и создает наилучшие условия для смесеобразования и заполнения цилиндра свежим зарядом.

   С момента  окончания продувки-закрытия с  помощью распределительного вала  клапанов или перекрытия поршнем  окон - начинается процесс сжатия. На индикаторной диаграмме второму такту соответствует линия a’c.

   Двигатели  классифицируются по степени  быстроходности, определяемой средней  скоростью поршня:

                                                           ,

где -частота вращения коленчатого вала дизеля, об/мин.

   Различают  двигатели тихоходные (, средней быстроходности и быстроходные (. В качестве тепловозных двигателей применяются в основном дизели средней быстроходности и реже быстроходные - типа М756, фирм <<Pilstick>> (Франция), <<Maibach>> (ФРГ). Однако эти дизели имеют повышенный удельный эффективный расход топлива и недостаточную долговечность.

   По роду  применяемого топлива двигатели  разделяются на двигатели легкого  жидкого топлива, тяжелого жидкого  топлива, газообразного топлива,  многотопливные, работающие на широком  ассортименте жидких топлив от  легких до тяжелых.

   Классифицируются  двигатели по способу смесеобразования: с внутренним и внешним смесеобразованием. При внутреннем смесеобразовании рабочая смесь образуется внутри рабочего цилиндра в результате распыливания топлива, впрыскиваемого в цилиндр насосом под высоким давлением и перемешивающегося с воздухом в цилиндре. Таким образом, в этих двигателях весь процесс смесеобразования и подготовка горючей смеси к сгоранию происходят внутри цилиндра. Для двигателей с внутренним смесеобразованием могут быть использованы все виды жидкого и газообразного топлива, хотя в подавляющем большинстве они работают на

жидком дизельном  топливе.

   В двигателях  с внешним смесеобразованием  смесь, состоящая из паров жидкого  топлива с воздухом или из  газа с воздухом, образуется вне  рабочего цилиндра. К числу таких  двигателей относятся карбюраторные  двигатели, работающие на бензине,  лигроине, керосине, т.е. двигатели,  в которых применяется топливо,  легко испаряющееся и хорошо  перемешивающееся с воздухом  при обычных условиях.

   Основной элемент системы питания двигателя - карбюратор - служит для образования смеси топлива и воздуха в необходимой пропорции при высокой степени испарения топлива; изменения количества горючей смеси, поступающей в двигатель в соответствии с нагрузкой двигателя; изменения состава смеси в соответствии с режимом работы, а также обеспечения надежного пуска и устойчивой работы двигателя на холостом ходу. В основном на карбюраторных двигателях применяются поплавковые карбюраторы.