§1. Основные определения Двигатель – устройство (паровая машина, турбина, двига- тель внутреннего сгорания и т.п.) для непрерывного преобразо- вания энергии рабочего тела (паров жидкости, газа или смеси га- зов) в механическую энергию. Первичным источником энергии является химическая или ядерная энергия топлива. В паровых машинах, турбинах преобра- зование химической или ядерной энергии в тепловую, которая за- тем сообщается рабочему телу, происходит вне двигателя (в па- рогенераторе, реакторе или камере сгорания). В двигателе внут- реннего сгорания (ДВС) процесс преобразования химической энергии топлива в тепловую осуществляется в рабочей полости двигателя. Если процесс преобразования химической энергии топлива в тепловую происходит вне рабочей полости, то такие двигатели называются двигателями внешнего сгорания. Рабочим телом в ДВС является смесь газов, состав кото- рой в течение рабочего цикла изменяется. Энергия рабочего те- ла, которая сообщается газу при сгорании топлива, преобразуется в механическую в процессе расширения газа в рабочей полости. Рабочая полость представляет собой замкнутый объем, ве- личина которого изменяется с помощью рабочего органа – порш- ня, ротора и т.п. В зависимости от типа рабочего органа и харак- тера его движения двигатели внутреннего сгорания подразделя- ются на несколько групп: поршневые с возвратно-поступатель- ным движением поршня; свободно-поршневые с изменяемым хо- дом поршня; роторные, в которых рабочий орган вращается от- носительно неподвижной оси или относительно оси, движущейся по круговой замкнутой орбите; двигатели с качающимися рабо- чими органами, в которых рабочие органы совершают возвратно- вращательное колебательное движение и др. 12 К рабочей полости примыкают устройства (системы), пред- назначенные для подвода рабочего тела в рабочую полость и для его удаления из рабочей полости. Эти системы называют соот- ветственно впускной и выпускной. Кроме впускной и выпускной систем для обеспечения работоспособности двигатель снабжен и другими системами: системой пуска, системой топливоподачи, системой зажигания, системой охлаждения, системой смазки и т.д. В рабочей полости двигателя и его системах осуществляют в определенном порядке рабочие процессы, которые периоди- чески повторяются. Совокупность процессов, происходящих в течение одного периода, называется рабочим циклом. Рассмотрим принципиальные схемы поршневых ДВС с внешним смесеобразованием и воспламенением топливовоздуш- ной смеси от искры (рис. 1.1, а), внутренним смесеобразованием и воспламенением топлива от сжатия (рис. 1.1, б). Рабочая полость в двигателе образована поверхностями ци- линдра 1, головки цилиндра 2, днища поршня 3. Герметизация за- зора между поршнем и цилиндром осуществлена с помощью поршневых колец, устанавливаемых в канавки на поршне. Пор- шень совершает возвратно-поступательное движение, которое с помощью кривошипно-шатунного механизма (шатуна 4 и криво- шипа 5) преобразуется во вращательное движение кривошипа. Крайнее верхнее положение поршня, соответствующее мини- мальному объему надпоршневой полости, называется верхней мертвой точкой (ВМТ), крайнее нижнее, соответствующее максимальному объему рабочей полости, – нижней мертвой точкой (НМТ), расстояние по оси цилиндра от ВМТ до НМТ – ходом поршня (S). Если ось кривошипа и ось цилиндра распо- ложены в одной плоскости, то ход поршня S = 2R. В дезакси- альном кривошипно-шатунном механизме (ось кривошипа или ось поршневого пальца смещены по отношению к оси цилиндра) S . 2R. Минимальный объем над поршнем (Vc) называется объемом камеры сжатия (камеры сгорания); максимальный объем (Vа) – полным. Разность между максимальным и минимальным объе- мами – рабочим объемом: 13 Va Vc Vh D S 4 . 2 . . . , (1.1) где D – диаметр цилиндра. Перемещение поршня от ВМТ (рис. 1.1, а) S = L + R – x , где х – расстояние между осью кривошипа и осью поршнево- го пальца; L – длина шатуна. Из теоремы косинусов L2 = R2 + x2 – 2R x cos. или Рисунок 1.1 – Принципиальные схемы четырёхтактного двигателя внутреннего сгорания без наддува с внешним смесеобразованием и искровым зажиганием (а) и с внутренним смесеобразованием и воспламенением топлива от сжатия (б): 1 – цилиндр; 2 – головка цилиндра; 3 – поршень; 4 – шатун; 5 – кривошип; 6 – впускной канал; 7 – впускной клапан; 8 – выпускной канал; 9 – выпускной клапан; 10 – свеча зажигания (форсунка на рис. 1.1, б); 11 – глушитель; 12 – воздухоочиститель; 13 – карбюратор; 14 – канал подвода топлива; р0, Т0 – давление и температура атмосферного воздуха; S – ход поршня; R – радиус кривошипа; . – угол поворота кривошипа а б 12 13 14 10 11 10 11 1 3 4 5 12 6 6 2 7 9 8 2 7 9 8 1 3 4 5 НМТ НМТ ВМТ ВМТ Т р0, Т0 р0, Т0 S = 2R S = 2R х 14 . .. . . .. . . . . . . . . 2 2 x R cos 1 1 cos , где L . . R . Тогда . . . .. . . .. . . . . . . . . . . S . R 2 R 2 1 1 cos 1 1 cos . (1.2) Перемещение поршня от ВМТ несколько проще определять по приближенной зависимости S . R.1. cos. . . 4 .1. cos 2... . (1.3) Текущее значение объема надпоршневой полости V . Vc . 0,5Vh. . Рабочий объем цилиндра двигателя измеряют в м3, дм3, см3. Сумма рабочих объемов всех цилиндров называется литражом двигателя. Геометрическая степень сжатия – отношение максималь- ного надпоршневого объема к минимальному объему: c h c V V .V . . . (1.4) Действительная степень сжатия – отношение надпоршне- вого объема VV, соответствующего моменту закрытия впускных клапанов, к минимальному объему: c д VV. . V . (1.5) В зависимости от особенностей конструкции, особенностей организации рабочих процессов геометрическая степень сжатия изменяется в пределах от 7 до 24. Действительная степень сжатия на 1–2 единицы меньше геометрической степени сжатия. В двигателях с искровым зажиганием верхний предел сте- пени сжатия (. = 10–11) ограничивается детонационным сгорани- ем топливовоздушной смеси; в двигателях с воспламенением топлива от сжатия нижний предел степени сжатия (. > 13) огра- 15 ничен условиями надежного воспламенения топлива, а верхний – допустимыми механическими нагрузками на детали. Перемещение поршня от ВМТ к НМТ и наоборот называ- ется тактом. Если рабочий цикл совершается за 4 такта (два оборота кривошипа), то такие двигатели называются четырех- тактными, если за два такта (один оборот коленчатого вала) – двухтактными. Протекание процессов в рабочей полости сопро- вождается, в зависимости от такта, изменением давления, темпе- ратуры, состава и массы рабочего тела. Кривые изменения давле- ния в рабочей полости в функции угла поворота кривошипа или в функции объема называются индикаторными диаграммами цик- ла, соответственно в p–. и p–V координатах. В зависимости от определяющего процесса, протекающего в цилиндре четырех- тактного двигателя, такты названы: такт впуска (наполнения); такт сжатия; такт сгорания – расширения; такт выпуска. В двух- тактном двигателе процессы газообмена осуществляются в конце такта расширения и в начале такта сжатия путем подачи воздуха (топливно-воздушной смеси) к продувочным окнам (клапанам) при повышенном давлении, создаваемом нагнетателем. Скорость перемещения поршня С . dS d.. При положении поршня в ВМТ и НМТ скорость поршня равна нулю. Максимального значения скорость поршня достигает при- мерно на средине хода поршня. Средняя скорость перемещения поршня, м/с: 60 30 Сm . 2S n . S n , (1.6) где n – частота вращения коленчатого вала [об/мин]. В зависимости от назначения и типа, особенностей конст- рукции двигателя средняя скорость поршня для режима макси- мальной мощности составляет 7–15 м/с, частота вращения колен- чатого вала 100–10000 об/мин, число цилиндров в одном двига- теле – от одного цилиндра до нескольких десятков. 16 Контрольные вопросы и задания 1. Объясните следующие понятия: . ход поршня; . рабочий объем цилиндра; . литраж двигателя; . геометрическая и действительная степень сжатия; . такт; . цикл; . индикаторная диаграмма. 2. Какие факторы определяют значения степени сжатия в двигателях с искровым зажиганием? 3. Какие факторы определяют значения степени сжатия в двигателях с воспламенением топлива от сжатия? 4. Как определяется средняя скорость поршня? §2. Термодинамические циклы двигателей внутреннего сгорания Термодинамические циклы ДВС представляют собой упро- щенные теоретические диаграммы круговых процессов преобра- зования теплоты в механическую работу, отражающие основ- ные особенности реальных циклов. В термодинамических циклах ДВС с традиционными схемами организации рабочих процессов в качестве рабочего тела принимается идеальный газ, процесс сгорания в реальных циклах заменен в термодинамических цик- лах подводом теплоты Q1 к рабочему телу, смена рабочего тела в реальных циклах заменена в термодинамических циклах отводом теплоты от рабочего тела Q2 при постоянном объеме, процессы сжатия и расширения рабочего тела предполагаются адиабати- ческими. В ДВС с продолженным расширением смена рабочего тела в реальном цикле может быть заменена отводом теплоты от рабочего тела Q2 при постоянной температуре, постоянном дав- лении или часть теплоты отводится при постоянном объёме, а часть – при постоянном давлении. В зависимости от способа под- вода теплоты Q1 к рабочему телу термодинамические циклы как в традиционных ДВС, так и в ДВС с продолженным расширени- 17 ем могут быть сведены к трем основным видам (рис. 1.2, рис. 1.3): – цикл с подводом теплоты Q1 к рабочему телу при по- стоянном объеме (рис. 1.2, а); – цикл с подводом теплоты Q1 к рабочему телу при по- стоянном давлении (рис. 1.2, б); – цикл со смешанным подводом теплоты Q1 к рабочему телу (часть теплоты Q1. подводится при постоянном объеме, а часть теплоты Q1. – при постоянном давлении: рис. 1.2, в). Термодинамические циклы, представленные на рис. 1.2, реализованы в ДВС с искровым зажиганием топливовоздушной смеси (рис. 1.2, а), в ДВС с воспламенением топлива от сжатия (в компрессорных дизелях – рис. 1.2, б, в дизелях с механической системой топливоподачи – рис. 1.2, в). Термодинамические циклы с продолженным расширением могут быть реализованы как в ДВС с искровым зажиганием (рис. 1.3) так и в ДВС с воспламенением топлива от сжатия. С Рисунок 1.2 – Термодинамические циклы двигателей внутреннего сгорания с подводом теплоты к рабочему телу при V = const (a), p = const (б), со смешанным подводом теплоты Q1 и отводом теплоты Q2 от рабочего тела при V = const (в) а б в V1/V2 = . – степень сжатия; р3/р2 = . – степень повышения давления при сгорании; V3/V4 = . – степень расширения; V3/V2 = . – степень предварительного расширения; V3/V4 = . – степень последующего расширения; V /V = . – степень V4/V3 = .; р3/р2 = .; V5/V4 = .. 18 точки зрения практической реализации несомненный интерес представляют циклы с продолженным расширением и подводом теплоты к рабочему телу при постоянном объеме. Работа газов за цикл и термический коэффициент полезно- го действия (КПД) цикла: L = Q1 – Q2, (1.7) 12 1 1 QQ QL .t . . . . (1.8) Представим работу и термический КПД каждого из циклов через параметры цикла. Цикл с подводом теплоты к рабочему телу при V = const (рис. 1.2, а) включает в себя адиабатический процесс сжатия (1–2), изохорический процесс подвода теплоты к рабочему телу (2–3), адиабатический процесс расширения (3–4), изохорический процесс отвода теплоты (4–1). Количество подведенной теплоты Q1 = МсV (T3 – T2), (1.9) количество отведенной теплоты Q2 = МсV (T4 – T1), (1.10) Рисунок 1.3 – Термодинамические циклы двигателей внутреннего сгорания с подводом теплоты к рабочему телу при V = const и продолженным расширением а б в V1/V2 = .д; V4/V3 = .; Т4 = Т1 р4 = р1 р5 = р1 19 где М – масса рабочего тела в рабочей полости; сV – удельная массовая теплоемкость рабочего тела при постоянном объеме. Определим значения температуры в узловых точках цикла 2, 3, 4 через температуру точки 1 и параметры цикла . и .. Так как процесс 1–2 адиабатический, то к 1 2 2 к 1 1 1 T V . . T V . или к 1 1 к 1 21 2 1 . . . . . .. . . .. . . T VT T V , где к – показатель адиабаты. В изохорическом процессе (2–3) . . . 23 23 pp TT , . . . .к.1. T3 T2 T1 или . . к 1. 1. 1 . 3 . 2 . 1. . . Q Mс T T Mс T . V V . Из уравнения адиабатического процесса (3–4) следует: к 1 4 4 к 1 3 3 T V . . T V . , к 1 1 к 1 1 к 1 3 к 1 43 4 3 T T T VT T V . . . . . . . . . .. . . .. . . .. . . , или Q2 . Mс .T4 .T1 . . Mс T1.. .1. V V . Тогда работа газов за цикл и термический КПД цикла: . 1. . 1 1. . 1 . 2 . 1 . . . . L Q Q Mс T к. V , . . к 1. . к 1 1 1 12 1 1 1 1 1 1 . . . . . . . . . . . . . . . Mc T Mc T QQ V V t . (1.11) Удельная работа газов за цикл (работа 1 кг газов) . 1. . 1 1. . . 1 . . . . c T к. Ml L V . (1.12) 20 Таким образом, термический КПД цикла с подводом тепло- ты к рабочему телу при V = const, зависит только от степени сжа- тия и свойств рабочего тела (через значения показателя адиаба- ты) (рис. 1.4, а). Удельная работа газов в цикле, а, соответствен- но, и мощность двигателя возрастают с увеличением степени сжатия и степени повышения давления. Термодинамический цикл с подводом теплоты к рабочему телу при V = const реализо- ван в двигателях искровым зажиганием. Цикл с подводом теплоты при р = const (рис. 1.2, б) включа- ет: адиабатический процесс сжатия (1–2): к 1 2 2 к 1 1 1 TV . . T V . или к 1 2 1 T . T . . ; Рисунок 1.4 – Зависимость термического КПД циклов с подводом теплоты к рабочему телу при V = const (a), при p = const (б) и отводом теплоты от рабочего тела при V = сonst от степени сжатия а б .t .t к = 1,4 к = 1 ,3 . = 1,5 . = 2,5 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,40 0,45 0,50 0,55 0,60 3 6 9 . 14 16 18 . 21 изобарический процесс подвода теплоты: . . . 23 23 VV TT , или к 1 3 2 1 T . T . . .T . . , . . к 1. 1. 1 . 3 . 2 . 1 . . . Q Мс T T Мс T . p p , где ср – удельная массовая теплоемкость рабочего тела при по- стоянном давлении; адиабатический процесс расширения (3–4): к 1 4 4 к 1 3 3 T V . . T V . , к 1 41 3 к 1 43 4 3 . . . .. . . .. . . . . .. . . .. . . VT V VT T V или 1 к 1 к 1 к 11 к 1 3 к 1 4 T T T T к .. . . .. . . . . . .. . . , . . . к 1. Q2 . Мс T4 .T1 . Мс T1 . . V V . Тогда работа газов за цикл и термический КПД цикла: . . . . . .. .1.. ..к .1.. 1 к 1 L Q1 Q2 Mc T1 Мс T p V . к 1 к . 1. . к 1.. ; . 1 . . . . . . Мс T . V . . . . к . 1. 1 1 1 1 1 1 к 1 к к 1 1 к 1 12 . . . . . . . . . . . . . . . . . Мc T . . Мс T QQ p t V . (1.13) Удельная работа газов за цикл . к 1к . 1. . к 1.. . . 1 . . . . . . с T . Ml L V . (1.14) Термический КПД цикла с подводом теплоты к рабочему телу при р = соnst зависит и от степени сжатия и от степени предварительного расширения (рис. 1.4, б). Термодинамический 22 цикл с подводом теплоты к рабочему телу при р = соnst реализо- ван в компрессорных дизелях. В термодинамическом цикле со смешанным подводом теп- лоты к рабочему телу (рис. 1.2, в) часть теплоты (Q1.) подводится к рабочему телу при V = соnst (изохорический процесс 2 – 3), а часть (Q1.) при р = соnst (изобарический процесс 3–4), т.е. Q1 = Q1. + Q1.. Температура рабочего тела в узловых точках цикла (2, 3, 4, 5) определяется так же, как и в предыдущих циклах: к 1 2 1 Т . Т . . ; . . . .к.1. Т3 Т2 Т1 ; . . . .к.1.. Т4 Т3 Т1 ; . . . 1 к 1 к 1 4 к 1 5 3 4 к 1 54 4 5 . . . ... ... .. . . .. . . .. . . . . .. . . .. . . . . . T T V V T VT T V Тогда: Q1 = Q1. + Q1. = MсV (T3 – T2) + Mср (T4 – T3) = = MсVT1.к–1[(.–1) + к.(. – 1)]; Q2 = MсV (T5 – T1) = MсVT1(..к –1); L= Q1 – Q2 = M сV T1{.к–1[(.–1) + к.(. – 1)] – (..к –1)}; .. 1. к . 1.. 1 1 1 к 1 к 12 . . . . . . . .. . . . . . . Q . Q t ; (1.15) . к 1.. 1. к . 1.. . к 1.. . . 1 . . . . . . . . .. . с T . Ml L V . (1.16) Таким образом, удельная работа газов и термический КПД цикла со смешанным подводом теплоты к рабочему телу зависят от степени сжатия, степени повышения давления и степени пред- варительного расширения.
§1. Основные определения Двигатель – устройство (паровая машина, турбина, двига- тель внутреннего сгорания и т.п.) для непрерывного преобразо- вания энергии рабочего тела (паров жидкости, газа или смеси га- зов) в механическую энергию. Первичным источником энергии является химическая или ядерная энергия топлива. В паровых машинах, турбинах преобра- зование химической или ядерной энергии в тепловую, которая за- тем сообщается рабочему телу, происходит вне двигателя (в па- рогенераторе, реакторе или камере сгорания). В двигателе внут- реннего сгорания (ДВС) процесс преобразования химической энергии топлива в тепловую осуществляется в рабочей полости двигателя. Если процесс преобразования химической энергии топлива в тепловую происходит вне рабочей полости, то такие двигатели называются двигателями внешнего сгорания. Рабочим телом в ДВС является смесь газов, состав кото- рой в течение рабочего цикла изменяется. Энергия рабочего те- ла, которая сообщается газу при сгорании топлива, преобразуется в механическую в процессе расширения газа в рабочей полости. Рабочая полость представляет собой замкнутый объем, ве- личина которого изменяется с помощью рабочего органа – порш- ня, ротора и т.п. В зависимости от типа рабочего органа и харак- тера его движения двигатели внутреннего сгорания подразделя- ются на несколько групп: поршневые с возвратно-поступатель- ным движением поршня; свободно-поршневые с изменяемым хо- дом поршня; роторные, в которых рабочий орган вращается от- носительно неподвижной оси или относительно оси, движущейся по круговой замкнутой орбите; двигатели с качающимися рабо- чими органами, в которых рабочие органы совершают возвратно- вращательное колебательное движение и др. 12 К рабочей полости примыкают устройства (системы), пред- назначенные для подвода рабочего тела в рабочую полость и для его удаления из рабочей полости. Эти системы называют соот- ветственно впускной и выпускной. Кроме впускной и выпускной систем для обеспечения работоспособности двигатель снабжен и другими системами: системой пуска, системой топливоподачи, системой зажигания, системой охлаждения, системой смазки и т.д. В рабочей полости двигателя и его системах осуществляют в определенном порядке рабочие процессы, которые периоди- чески повторяются. Совокупность процессов, происходящих в течение одного периода, называется рабочим циклом. Рассмотрим принципиальные схемы поршневых ДВС с внешним смесеобразованием и воспламенением топливовоздуш- ной смеси от искры (рис. 1.1, а), внутренним смесеобразованием и воспламенением топлива от сжатия (рис. 1.1, б). Рабочая полость в двигателе образована поверхностями ци- линдра 1, головки цилиндра 2, днища поршня 3. Герметизация за- зора между поршнем и цилиндром осуществлена с помощью поршневых колец, устанавливаемых в канавки на поршне. Пор- шень совершает возвратно-поступательное движение, которое с помощью кривошипно-шатунного механизма (шатуна 4 и криво- шипа 5) преобразуется во вращательное движение кривошипа. Крайнее верхнее положение поршня, соответствующее мини- мальному объему надпоршневой полости, называется верхней мертвой точкой (ВМТ), крайнее нижнее, соответствующее максимальному объему рабочей полости, – нижней мертвой точкой (НМТ), расстояние по оси цилиндра от ВМТ до НМТ – ходом поршня (S). Если ось кривошипа и ось цилиндра распо- ложены в одной плоскости, то ход поршня S = 2R. В дезакси- альном кривошипно-шатунном механизме (ось кривошипа или ось поршневого пальца смещены по отношению к оси цилиндра) S . 2R. Минимальный объем над поршнем (Vc) называется объемом камеры сжатия (камеры сгорания); максимальный объем (Vа) – полным. Разность между максимальным и минимальным объе- мами – рабочим объемом: 13 Va Vc Vh D S 4 . 2 . . . , (1.1) где D – диаметр цилиндра. Перемещение поршня от ВМТ (рис. 1.1, а) S = L + R – x , где х – расстояние между осью кривошипа и осью поршнево- го пальца; L – длина шатуна. Из теоремы косинусов L2 = R2 + x2 – 2R x cos. или Рисунок 1.1 – Принципиальные схемы четырёхтактного двигателя внутреннего сгорания без наддува с внешним смесеобразованием и искровым зажиганием (а) и с внутренним смесеобразованием и воспламенением топлива от сжатия (б): 1 – цилиндр; 2 – головка цилиндра; 3 – поршень; 4 – шатун; 5 – кривошип; 6 – впускной канал; 7 – впускной клапан; 8 – выпускной канал; 9 – выпускной клапан; 10 – свеча зажигания (форсунка на рис. 1.1, б); 11 – глушитель; 12 – воздухоочиститель; 13 – карбюратор; 14 – канал подвода топлива; р0, Т0 – давление и температура атмосферного воздуха; S – ход поршня; R – радиус кривошипа; . – угол поворота кривошипа а б 12 13 14 10 11 10 11 1 3 4 5 12 6 6 2 7 9 8 2 7 9 8 1 3 4 5 НМТ НМТ ВМТ ВМТ Т р0, Т0 р0, Т0 S = 2R S = 2R х 14 . .. . . .. . . . . . . . . 2 2 x R cos 1 1 cos , где L . . R . Тогда . . . .. . . .. . . . . . . . . . . S . R 2 R 2 1 1 cos 1 1 cos . (1.2) Перемещение поршня от ВМТ несколько проще определять по приближенной зависимости S . R.1. cos. . . 4 .1. cos 2... . (1.3) Текущее значение объема надпоршневой полости V . Vc . 0,5Vh. . Рабочий объем цилиндра двигателя измеряют в м3, дм3, см3. Сумма рабочих объемов всех цилиндров называется литражом двигателя. Геометрическая степень сжатия – отношение максималь- ного надпоршневого объема к минимальному объему: c h c V V .V . . . (1.4) Действительная степень сжатия – отношение надпоршне- вого объема VV, соответствующего моменту закрытия впускных клапанов, к минимальному объему: c д VV. . V . (1.5) В зависимости от особенностей конструкции, особенностей организации рабочих процессов геометрическая степень сжатия изменяется в пределах от 7 до 24. Действительная степень сжатия на 1–2 единицы меньше геометрической степени сжатия. В двигателях с искровым зажиганием верхний предел сте- пени сжатия (. = 10–11) ограничивается детонационным сгорани- ем топливовоздушной смеси; в двигателях с воспламенением топлива от сжатия нижний предел степени сжатия (. > 13) огра- 15 ничен условиями надежного воспламенения топлива, а верхний – допустимыми механическими нагрузками на детали. Перемещение поршня от ВМТ к НМТ и наоборот называ- ется тактом. Если рабочий цикл совершается за 4 такта (два оборота кривошипа), то такие двигатели называются четырех- тактными, если за два такта (один оборот коленчатого вала) – двухтактными. Протекание процессов в рабочей полости сопро- вождается, в зависимости от такта, изменением давления, темпе- ратуры, состава и массы рабочего тела. Кривые изменения давле- ния в рабочей полости в функции угла поворота кривошипа или в функции объема называются индикаторными диаграммами цик- ла, соответственно в p–. и p–V координатах. В зависимости от определяющего процесса, протекающего в цилиндре четырех- тактного двигателя, такты названы: такт впуска (наполнения); такт сжатия; такт сгорания – расширения; такт выпуска. В двух- тактном двигателе процессы газообмена осуществляются в конце такта расширения и в начале такта сжатия путем подачи воздуха (топливно-воздушной смеси) к продувочным окнам (клапанам) при повышенном давлении, создаваемом нагнетателем. Скорость перемещения поршня С . dS d.. При положении поршня в ВМТ и НМТ скорость поршня равна нулю. Максимального значения скорость поршня достигает при- мерно на средине хода поршня. Средняя скорость перемещения поршня, м/с: 60 30 Сm . 2S n . S n , (1.6) где n – частота вращения коленчатого вала [об/мин]. В зависимости от назначения и типа, особенностей конст- рукции двигателя средняя скорость поршня для режима макси- мальной мощности составляет 7–15 м/с, частота вращения колен- чатого вала 100–10000 об/мин, число цилиндров в одном двига- теле – от одного цилиндра до нескольких десятков. 16 Контрольные вопросы и задания 1. Объясните следующие понятия: . ход поршня; . рабочий объем цилиндра; . литраж двигателя; . геометрическая и действительная степень сжатия; . такт; . цикл; . индикаторная диаграмма. 2. Какие факторы определяют значения степени сжатия в двигателях с искровым зажиганием? 3. Какие факторы определяют значения степени сжатия в двигателях с воспламенением топлива от сжатия? 4. Как определяется средняя скорость поршня? §2. Термодинамические циклы двигателей внутреннего сгорания Термодинамические циклы ДВС представляют собой упро- щенные теоретические диаграммы круговых процессов преобра- зования теплоты в механическую работу, отражающие основ- ные особенности реальных циклов. В термодинамических циклах ДВС с традиционными схемами организации рабочих процессов в качестве рабочего тела принимается идеальный газ, процесс сгорания в реальных циклах заменен в термодинамических цик- лах подводом теплоты Q1 к рабочему телу, смена рабочего тела в реальных циклах заменена в термодинамических циклах отводом теплоты от рабочего тела Q2 при постоянном объеме, процессы сжатия и расширения рабочего тела предполагаются адиабати- ческими. В ДВС с продолженным расширением смена рабочего тела в реальном цикле может быть заменена отводом теплоты от рабочего тела Q2 при постоянной температуре, постоянном дав- лении или часть теплоты отводится при постоянном объёме, а часть – при постоянном давлении. В зависимости от способа под- вода теплоты Q1 к рабочему телу термодинамические циклы как в традиционных ДВС, так и в ДВС с продолженным расширени- 17 ем могут быть сведены к трем основным видам (рис. 1.2, рис. 1.3): – цикл с подводом теплоты Q1 к рабочему телу при по- стоянном объеме (рис. 1.2, а); – цикл с подводом теплоты Q1 к рабочему телу при по- стоянном давлении (рис. 1.2, б); – цикл со смешанным подводом теплоты Q1 к рабочему телу (часть теплоты Q1. подводится при постоянном объеме, а часть теплоты Q1. – при постоянном давлении: рис. 1.2, в). Термодинамические циклы, представленные на рис. 1.2, реализованы в ДВС с искровым зажиганием топливовоздушной смеси (рис. 1.2, а), в ДВС с воспламенением топлива от сжатия (в компрессорных дизелях – рис. 1.2, б, в дизелях с механической системой топливоподачи – рис. 1.2, в). Термодинамические циклы с продолженным расширением могут быть реализованы как в ДВС с искровым зажиганием (рис. 1.3) так и в ДВС с воспламенением топлива от сжатия. С Рисунок 1.2 – Термодинамические циклы двигателей внутреннего сгорания с подводом теплоты к рабочему телу при V = const (a), p = const (б), со смешанным подводом теплоты Q1 и отводом теплоты Q2 от рабочего тела при V = const (в) а б в V1/V2 = . – степень сжатия; р3/р2 = . – степень повышения давления при сгорании; V3/V4 = . – степень расширения; V3/V2 = . – степень предварительного расширения; V3/V4 = . – степень последующего расширения; V /V = . – степень V4/V3 = .; р3/р2 = .; V5/V4 = .. 18 точки зрения практической реализации несомненный интерес представляют циклы с продолженным расширением и подводом теплоты к рабочему телу при постоянном объеме. Работа газов за цикл и термический коэффициент полезно- го действия (КПД) цикла: L = Q1 – Q2, (1.7) 12 1 1 QQ QL .t . . . . (1.8) Представим работу и термический КПД каждого из циклов через параметры цикла. Цикл с подводом теплоты к рабочему телу при V = const (рис. 1.2, а) включает в себя адиабатический процесс сжатия (1–2), изохорический процесс подвода теплоты к рабочему телу (2–3), адиабатический процесс расширения (3–4), изохорический процесс отвода теплоты (4–1). Количество подведенной теплоты Q1 = МсV (T3 – T2), (1.9) количество отведенной теплоты Q2 = МсV (T4 – T1), (1.10) Рисунок 1.3 – Термодинамические циклы двигателей внутреннего сгорания с подводом теплоты к рабочему телу при V = const и продолженным расширением а б в V1/V2 = .д; V4/V3 = .; Т4 = Т1 р4 = р1 р5 = р1 19 где М – масса рабочего тела в рабочей полости; сV – удельная массовая теплоемкость рабочего тела при постоянном объеме. Определим значения температуры в узловых точках цикла 2, 3, 4 через температуру точки 1 и параметры цикла . и .. Так как процесс 1–2 адиабатический, то к 1 2 2 к 1 1 1 T V . . T V . или к 1 1 к 1 21 2 1 . . . . . .. . . .. . . T VT T V , где к – показатель адиабаты. В изохорическом процессе (2–3) . . . 23 23 pp TT , . . . .к.1. T3 T2 T1 или . . к 1. 1. 1 . 3 . 2 . 1. . . Q Mс T T Mс T . V V . Из уравнения адиабатического процесса (3–4) следует: к 1 4 4 к 1 3 3 T V . . T V . , к 1 1 к 1 1 к 1 3 к 1 43 4 3 T T T VT T V . . . . . . . . . .. . . .. . . .. . . , или Q2 . Mс .T4 .T1 . . Mс T1.. .1. V V . Тогда работа газов за цикл и термический КПД цикла: . 1. . 1 1. . 1 . 2 . 1 . . . . L Q Q Mс T к. V , . . к 1. . к 1 1 1 12 1 1 1 1 1 1 . . . . . . . . . . . . . . . Mc T Mc T QQ V V t . (1.11) Удельная работа газов за цикл (работа 1 кг газов) . 1. . 1 1. . . 1 . . . . c T к. Ml L V . (1.12) 20 Таким образом, термический КПД цикла с подводом тепло- ты к рабочему телу при V = const, зависит только от степени сжа- тия и свойств рабочего тела (через значения показателя адиаба- ты) (рис. 1.4, а). Удельная работа газов в цикле, а, соответствен- но, и мощность двигателя возрастают с увеличением степени сжатия и степени повышения давления. Термодинамический цикл с подводом теплоты к рабочему телу при V = const реализо- ван в двигателях искровым зажиганием. Цикл с подводом теплоты при р = const (рис. 1.2, б) включа- ет: адиабатический процесс сжатия (1–2): к 1 2 2 к 1 1 1 TV . . T V . или к 1 2 1 T . T . . ; Рисунок 1.4 – Зависимость термического КПД циклов с подводом теплоты к рабочему телу при V = const (a), при p = const (б) и отводом теплоты от рабочего тела при V = сonst от степени сжатия а б .t .t к = 1,4 к = 1 ,3 . = 1,5 . = 2,5 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,40 0,45 0,50 0,55 0,60 3 6 9 . 14 16 18 . 21 изобарический процесс подвода теплоты: . . . 23 23 VV TT , или к 1 3 2 1 T . T . . .T . . , . . к 1. 1. 1 . 3 . 2 . 1 . . . Q Мс T T Мс T . p p , где ср – удельная массовая теплоемкость рабочего тела при по- стоянном давлении; адиабатический процесс расширения (3–4): к 1 4 4 к 1 3 3 T V . . T V . , к 1 41 3 к 1 43 4 3 . . . .. . . .. . . . . .. . . .. . . VT V VT T V или 1 к 1 к 1 к 11 к 1 3 к 1 4 T T T T к .. . . .. . . . . . .. . . , . . . к 1. Q2 . Мс T4 .T1 . Мс T1 . . V V . Тогда работа газов за цикл и термический КПД цикла: . . . . . .. .1.. ..к .1.. 1 к 1 L Q1 Q2 Mc T1 Мс T p V . к 1 к . 1. . к 1.. ; . 1 . . . . . . Мс T . V . . . . к . 1. 1 1 1 1 1 1 к 1 к к 1 1 к 1 12 . . . . . . . . . . . . . . . . . Мc T . . Мс T QQ p t V . (1.13) Удельная работа газов за цикл . к 1к . 1. . к 1.. . . 1 . . . . . . с T . Ml L V . (1.14) Термический КПД цикла с подводом теплоты к рабочему телу при р = соnst зависит и от степени сжатия и от степени предварительного расширения (рис. 1.4, б). Термодинамический 22 цикл с подводом теплоты к рабочему телу при р = соnst реализо- ван в компрессорных дизелях. В термодинамическом цикле со смешанным подводом теп- лоты к рабочему телу (рис. 1.2, в) часть теплоты (Q1.) подводится к рабочему телу при V = соnst (изохорический процесс 2 – 3), а часть (Q1.) при р = соnst (изобарический процесс 3–4), т.е. Q1 = Q1. + Q1.. Температура рабочего тела в узловых точках цикла (2, 3, 4, 5) определяется так же, как и в предыдущих циклах: к 1 2 1 Т . Т . . ; . . . .к.1. Т3 Т2 Т1 ; . . . .к.1.. Т4 Т3 Т1 ; . . . 1 к 1 к 1 4 к 1 5 3 4 к 1 54 4 5 . . . ... ... .. . . .. . . .. . . . . .. . . .. . . . . . T T V V T VT T V Тогда: Q1 = Q1. + Q1. = MсV (T3 – T2) + Mср (T4 – T3) = = MсVT1.к–1[(.–1) + к.(. – 1)]; Q2 = MсV (T5 – T1) = MсVT1(..к –1); L= Q1 – Q2 = M сV T1{.к–1[(.–1) + к.(. – 1)] – (..к –1)}; .. 1. к . 1.. 1 1 1 к 1 к 12 . . . . . . . .. . . . . . . Q . Q t ; (1.15) . к 1.. 1. к . 1.. . к 1.. . . 1 . . . . . . . . .. . с T . Ml L V . (1.16) Таким образом, удельная работа газов и термический КПД цикла со смешанным подводом теплоты к рабочему телу зависят от степени сжатия, степени повышения давления и степени пред- варительного расширения.