Основные понятия и определения

Конструктивные схемы, Устройство двигателей внутреннего сгорания. Индикаторные диаграммы и характер протекания действительных циклов четырехтактных и двухтактных двигателей.

В связи с возвратно - поступательными движениями поршня сгорание топлива происходит последовательными порциями после ряда подготовительных процессов. Совокупность этих процессов в определенной последовательности называется рабочим циклом, который во время работы ДВС периодически повторяется. Достигаемая при сгорании топлива температура PT в цилиндре 2500 . Однако, вследствие кратковременности сгорания и охлаждения, температура наиболее горячих деталей – поршня и выпускных клапанов 500 .

Периодичность процессов в цилиндре и простота охлаждения деталей поршневых ДВС позволяет осуществлять цикл в значительно более широких пределах, чем циклы двигателей других типов. А, так как КПД ТД прямо пропорционален разности температур горячего и холодного источников теплоты, что известно из термодинамики (см. гл. 1), то этим объясняется самый высокий КПД ПДВС по сравнению с КПД других ТД. Рабочий цикл любого ДВС может быть выполнен по одной из двух схем (рисунок 2.5):

по схеме с внешним смесеобразованием;

по схеме с внутренним смесеобразованием.

По первой схеме работают карбюраторные бензиновые, газовые и ДВС с впрыскиванием топлива во впускной трубопровод. По второму – дизели и ДВС с впрыскиванием бензина в цилиндр и воспламенением от искры.

Внешнее смесеобразование Внутреннее смесеобразование

Воздух Топливо Воздух

Смесеобразование Впуск

Впуск

Сжатие Топливо

Сжатие

Воспламенение Смесеобразование

и горение воспламенение

и горение

Расширение Расширение

Выпуск Выпуск

Рисунок 4.1 – Схемы рабочих циклов ДВС.

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

В поршневых двигателях внутреннего сгорания изменение объема газов при преобразовании теплоты в работу осуществляется с помощью кривошипно-шатунного механизма (Рисунок 4.1.1).

4.2. Схема поршневого двигателя внутреннего сгорания:

1 — цилиндр; 2 — поршень; 3 — шатун; 4 — кривошип

Кривошипно-шатунный механизм (к.ш.м.) состоит из неподвижного элемента- остова двигателя 1 и подвижных - поршня 2, шатуна 3 и кривошипа 4.

Поршень—основной силовой элемент к.ш.м., совершающий возвратно-поступательное движение, непосредственно участвующий в преобразовании теплоты в работу путем изменения надпоршневого объема, воспринимающий давление газов и передающий силу этого давления кривошипу.

Кривошип — силовой элемент к.ш.м., совершающий вращательное движение, определяющий закон движения поршня, воспринимающий силу давления газов на поршень и передающий ее потребителю.

Шатун — связующий силовой элемент к.ш.м., совершающий сложное плоскопараллельное движение, участвующий в преобразовании возвратно-поступательного движения поршня во вращательное кривошипа (и наоборот), передающий силу давления газов от поршня к кривошипу.

Кроме основного назначения (преобразования теплоты в работу), кривошипно-шатунный механизм поршневого двигателя служит также для преобразования возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение кривошипа. При работе кривошипно-шатунного механизма его элементы дважды за один оборот кривошипа занимают такие положения, при которых совпадают по направлению продольные оси кривошипа и шатуна и изменяется направление движения поршня. Такие положения к.ш.м. называются мертвыми, а точки, в которых находится при этом поршень,— мертвыми точками. Причем при максимальном удалении поршня от оси кривошипа он находится в верхней мертвой точке (в.м.т.), а при минимальном—в нижней мертвой точке (н.м.т.).

Преобразование теплоты в работу осуществляется в цилиндре — изменяющемся объеме надпоршневого пространства остова двигателя. Поршень движется в цилиндре от в.м.т. до н.м.т. При движении поршня в одном направлении от одной мертвой точки до другой происходит один такт.

Расстояние от оси шатунной шейки кривошипа до оси коренной шейки является радиусом кривошипа R. Длина шатуна L — это расстояние между осями поршневой и кривошипной головок шатуна.

Для сравнительной оценки габаритных размеров двигателя и сил инерции неравномерно движущихся деталей к.ш.м. пользуются безразмерным параметром , представляющим отношение радиуса кривошипа к длине шатуна . Расстояние вдоль оси цилиндра между в.м.т. и н.м.т. (путь поршня) называется ходом поршня S. Для центрального к.ш.м.

Объем, освобождаемый поршнем при движении от в.м.т. до н.м.т., называется, рабочим объемом цилиндра.

где —площадь поперечного сечения цилиндра; D — диаметр цилиндра.

Один и тот же рабочий объем цилиндра может быть получен при различном отношении , характеризующем компактность цилиндра. Если , двигатель называют короткоходным. Современные карбюраторные высокооборотные двигатели являются короткоходными.

Сумма рабочих объемов всех цилиндров двигателя, выраженная в литрах, определяет литраж двигателя :

где —число цилиндров двигателя.

Объем цилиндра над поршнем при положении последнего в в.м.т. называется объемом камеры сжатия или объемом камеры сгорания . Объем цилиндра над поршнем при положении последнего в н.м.т. представляет собой полный объем цилиндра

Отношение полного объема цилиндра к объему камеры сжатия называется степенью сжатия:

Степень сжатия показывает, во сколько раз уменьшается объем рабочей смеси при движении поршня от н.м.т. до в.м.т.

Газы, с помощью которых в цилиндре двигателя осуществляется преобразование теплоты в механическую работу, служат рабочим телом. В двигателях внутреннего сгорания в качестве рабочего тела используется воздух, который поступает в цилиндр порциями для каждого рабочего цикла. Порция воздуха (или горючей смеси в карбюраторных двигателях), поступающего в цилиндр за один рабочий цикл (в массовых или объемных единицах), называется свежим зарядом.

В результате сгорания топлива в цилиндре двигателя образуются новые газообразные или парообразные вещества (соединения) — продукты сгорания, которые после расширения и совершения работы вытесняются из цилиндра поршнем. Однако полное вытеснение продуктов сгорания поршнем невозможно. Продукты сгорания, оставшиеся в цилиндре после выпуска, называют остаточными газами.

Наполнение цилиндра свежим зарядом сопровождается смешением его с остаточными газами предыдущего цикла. Смесь свежего заряда с остаточными газами называется рабочей смесью.

Непрерывное преобразование теплоты в механическую работу возможно только путем кругового изменения параметров состояния рабочего тела, т.е. при совершении цикла, в котором работа расширения превышает энергию, затрачиваемую на сжатие.

Теоретически наибольший полезный эффект можно получить при совершении замкнутого обратимого термодинамического цикла, в котором рабочее тело неизменно и отсутствуют всякие тепловые и газодинамические потери, кроме обязательного отвода теплоты холодильником. Такие циклы рассматриваются в курсе технической термодинамики.

В реальных поршневых двигателях механическая работа получается в итоге последовательного совершения ряда сложных процессов.

Совокупность периодически повторяющихся тепловых, химических и газодинамических процессов, в результате осуществления которых термохимическая энергия топлива преобразуется в механическую работу, называется действительным циклом двигателя.

Действительные циклы двигателей графически изображаются или в координатах давление—объем (р, V), или в координатах давление—угол поворота коленчатого вала . Такие графические зависимости давления. от указанных параметров называются индикаторными диаграммами. Если в качестве независимой переменной принимается угол поворота коленчатого вала φ, то диаграмма называется развернутой (Рисунок 4.3), а если независимой переменной является объем рабочей полости цилиндра V, то индикаторная диаграмма носит название свернутой (Рисунок 4.4). При этом в силу свойств зависимости p=f(V} площадь свернутой индикаторной диаграммы, ограниченная линиями сжатия, сгорания и расширения, выражает в определенном масштабе полезную или индикаторную работу действительного цикла.

Наиболее достоверные индикаторные диаграммы получают экспериментально непосредственно на двигателях с помощью специальных приборов—индикаторов давления.

Индикаторную диаграмму можно также построить на основании данных теплового расчета. В этом случае изображаемые диаграммами циклы носят название расчетных, которые вследствие несовершенства методики счета и ряда принятых допущений в большей или меньшей степени отличаются от действительных циклов.

Действительный цикл четырехтактного двигателя совершается за два оборота коленчатого вала и включает процессы(рисунок 4.4):