Принципы действия поршневых двигателей внутреннего сгорания

 

 

Содержание

 

Введение…………………………………………………………………………...3

Принципы действия поршневых двигателей внутреннего сгорания (ДВС)…..4

Основные циклы ДВС…………………………………………………………….6

Заключение……………………………………………………………………….14

Список литературы………………………………………………………………15

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Теплотехника – наука, которая изучает методы получения, преобразования, передачи и использования теплоты, а также принципы действия и конструктивные особенности тепловых машин, аппаратов и устройств. Теплота используется во всех областях деятельности человека. Для установления наиболее рациональных способов его использования, анализа экономичности рабочих процессов тепловых установок и создания новых, наиболее совершенных типов тепловых агрегатов необходима разработка теоретических основ теплотехники.

Различают два принципиально различных направления использования теплоты – энергетическое и технологическое. При энергетическом использовании, теплота преобразуется в механическую работу, с помощью которой в генераторах создается электрическая энергия, удобная для передачи на расстояние. Теплоту при этом получают сжиганием топлива в котельных установках или непосредственно в двигателях внутреннего сгорания.

В докладе будет подробно рассмотрена тема основных циклов работы двигателей внутреннего сгорания.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Принципы действия поршневых двигателей внутреннего сгорания

 

Тепловые двигатели, в которых сгорание топлива происходит внутри цилиндра, а преобразование тепловой энергии в механическую работу осуществляется воздействием газов  на поршень, называются двигателями внутреннего сгорания.

Двигатель внутреннего сгорания (рис. 1) состоит из следующих основных частей: цилиндра - 5, в котором перемещается поршень - 4; всасывающего и выпускного клапанов - 2, размещенных на головке цилиндра - 1; картера - 8; коленчатого вала - 7. Мотылевая шейка коленчатого вала шарнирно соединена с нижней головкой шатуна, а поршень посредством поршневого пальца - 3 - с верхней головкой1.

Рабочим циклом называется совокупность последовательных и периодически повторяющихся процессов в цилиндре двигателя. Отдельный процесс рабочего цикла, совершающийся в цилиндре двигателя за один ход поршня (всасывание, сжатие, рабочий ход, выпуск газов) называется тактом.

 

Рабочий цикл двигателя внутреннего сгорания может быть осуществлен за два или четыре хода поршня (один или два оборота коленчатого вала). В первом случае двигатель будет называться двухтактным, а во втором - четырехтактным.

Положения коленчатого вала, при которых поршень достигает крайних положений во время его перемещений в цилиндре, называются верхней и нижней мертвыми точками (в. м. т. и н. м. т.).

Длина пути, который проходит поршень при движении от одной мертвой точки к другой, называется ходом поршня. Ход поршня соответствует повороту коленчатого вала на 180°.

Длина хода поршня и число оборотов определяют среднюю скорость поршня Ст, которая характеризует быстроходность двигателя:

Ст = 2Sn м/сек, (1)

где Ст - средняя скорость поршня, м/сек; S- ход поршня, м; п - число оборотов вала, об/сек.

Объем пространства, заключенный между головкой  цилиндра и днищем поршня, при его положении в в. м. т., называется камерой сжатия, или камерой сгорания, а объем, образующийся при движении поршня от в. м. т. до н. м. т.- рабочим объемом цилиндра

Vh = (πD2/4)·S = 0.785D2S, (2)

где Vh  - рабочий объем цилиндра; D - диаметр цилиндра; S - ход поршня.

Полным объемом цилиндра является сумма его рабочего объема и объема камеры сгорания:

Va = Vh + Vc. (3)

Отношение полного объема цилиндра к объему камеры сжатия называется степенью сжатия и находится по формуле

ε = Va/Vc = (Vc + Vh)/Vc = 1 + Vh/Vc. (4)

 

2. Основные циклы ДВС

 

Принято, что идеальный цикл представляет собою совокупность последовательных процессов, совершаемых рабочим телом - идеальным газом - в цилиндре такой же идеальной машины. Эта условность позволяет устанавливать степень приближения цикла действительной машины, независимо от ее конструктивных особенностей, к идеальной.

Двигатели внутреннего сгорания могут работать по одному из следующих трех циклов: с быстрым, постепенным и смешанным сгоранием.

В первом случае тепло сообщается рабочему телу при постоянном объеме (V=const), во втором - при постоянном давлении (р = const), а смешанный цикл характеризуется подводом тепла к рабочему телу частично при постоянном объеме и переменном давлении, а затем частично при переменном объеме и постоянном давлении.

К характерным особенностям двигателей, работающих со сгоранием при р = const и по смешанному циклу, относятся: высокая степень сжатия (ε = 12 ÷ 20), самовоспламенение топлива в результате высокого сжатия и применение тяжелых сортов топлива.

Все карбюраторные, газовые и газогенераторные двигатели относятся к двигателям быстрого сгорания, так как воспламенение рабочей смеси у них происходит настолько быстро, что поршень не успевает сколько-нибудь существенно переместиться в цилиндре.

Рассмотрим рабочие циклы двигателей2:

1. Четырехтактный двигатель низкого сжатия.

У четырехтактного двигателя рабочий процесс, как указывалось, происходит за четыре хода поршня, или, что то же, за два оборота коленчатого вала. Чтобы наглядно представить характер протекания процессов в рабочем цилиндре, пользуются индикаторной диаграммой, построенной в координатах давление - объем, характеризующих состояние газа в каждой точке объема цилиндра.

I такт - всасывание. Поршень движется от в. м. т. к н. м. т. Объем над поршнем увеличивается, в результате чего в цилиндре образуется разрежение. Горючая смесь через открытый всасывающий клапан заполняет цилиндр. Давление газов при всасывании ниже атмосферного, что объясняется сопротивлением карбюратора и впускного трубопровода, и составляет 0,8-0,9 бар. Температура смеси в конце такта будет примерно на 20-30° С больше температуры окружающего воздуха.

На индикаторной диаграмме процесс всасывания изображается линией ab (рис. 2).

II такт - сжатие. Поршень движется  от н. м. т. к в. м. т. при закрытых  всех клапанах. Давление внутри  цилиндра повышается до 6-12 бар, а  температура смеси достигает 300-400°  С.

На индикаторной диаграмме процесс сжатия изображается линией bс.

В карбюраторных двигателях воспламенение горючей смеси происходит при помощи электрической искры; в этом случае высокого сжатия не требуется, так как повышение степени сжатия горючей смеси может даже привести к ее преждевременному воспламенению или самовоспламенению, что вредно отражается на работе двигателя.

III такт - рабочий ход. Горючая  смесь в цилиндре, как указывалось, воспламеняется электрической искрой  и, сгорая, выделяет большое количество  тепла. Сгорание происходит при  постоянном объеме.

На индикаторной диаграмме процесс сгорания изобразится линией cz.

В конце сгорания температура газов в цилиндре в зависимости от нагрузки возрастает до 1800° С, а давление - до 40 бар и выше. Под действием давления расширяющихся газов поршень движется к н. м. т. При этом давление газов в цилиндре падает до 4,5 бар, а температура снижается до 1150-1450° С.

На индикаторной диаграмме рабочий ход изображается линией zd.

IV такт - выпуск. После расширения  газов поршень движется к в. м. т. Через открытый выпускной  клапан из цилиндра удаляются  отработавшие газы. В среднем  давление газов при выпуске  равно 1,2 бар, температура - около 500°  С.

На индикаторной диаграмме выпуск характеризуется линией da.

Затем цикл повторяется в том же порядке.

Таким образом, из четырех тактов цикла лишь один является рабочим, а остальные три - вспомогательными.

2. Двухтактный двигатель.

В двухтактном двигателе рабочий цикл совершается за один оборот коленчатого вала. Наполнение цилиндра горючей смесью, сжатие и сгорание ее, а также расширение и выпуск газов происходят за два хода поршня. При этом выпуск продуктов сгорания и зарядка горючей смесью совершаются лишь на некоторой части рабочего хода поршня. На рис. 3 показана нижняя часть индикаторной диаграммы и схема двухтактного двигателя с кривошипо-камерной продувкой.

Во время хода поршня на участке Нп' от н. м. т. к в. м. т. в цилиндре происходит продувка и зарядка цилиндра горючей смесью (или воздухом) и удаление отработавших газов; затем на участке п'b' продолжается выпуск газов, после чего начинается сжатие горючей смеси (у карбюраторных двигателей) или воздуха (у дизелей) с последующим воспламенением горючей смеси. В картере в этот период происходит всасывание горючей смеси или воздуха через клапан 5.

При движении поршня от в. м. т. к н. м. т. в цилиндре вначале происходит сгорание горючей смеси и расширение продуктов сгорания, а затем выпуск отработавших газов (участок bпН) и продувка (участок пН). В картере в этот период осуществляется сжатие и перепуск горючей смеси или воздуха в цилиндр.

Для обеспечения своевременного поступления в цилиндр горючей смеси и выхода отработавших газов в двухтактных двигателях применяются два типа  газораспределительных  механизмов: контурный (петлевой) с щелевым распределением (рис. 4) и прямоточный  с клапанно-щелевым распределением, или прямоточно-щелевой (рис. 5).

 

К контурным относятся газораспределительные механизмы, у которых выпуск отработавших газов и поступление в рабочий цилиндр воздуха осуществляется через окна (щели), открываемые и закрываемые самим рабочим поршнем. При этом поступающий через впускные окна воздух движется по заданному контуру, вытесняя отработавшие газы через выпускные окна.

При прямоточной продувке продувочный воздух движется только в одном направлении (снизу вверх или сверху вниз) от .впускных к выпускным окнам (или выпускным клапанам).

При клапанно-щелевом распределении отработавшие газы удаляются через один или несколько выпускных клапанов, расположенных в крышке рабочего цилиндра; открытие и закрытие клапанов производится специальным механизмом. Продувочный воздух поступает через расположенные равномерно по всей окружности цилиндра окна, которые открываются при приближении поршня к н. м. т. Продувочный воздух движется снизу вверх от окон к клапанам, вытесняя отработавшие газы.

Прямоточные типы продувок обеспечивают наилучшую очистку и наполнение рабочего цилиндра двигателя.

Индикаторная диаграмма двухтактного дизеля, работающего по смешанному циклу, изображена на рис. 6.

 3. Четырехтактный дизель.

К дизелям относятся двигатели высокого сжатия с самовоспламенением топлива.

Рабочий цикл четырехтактного дизеля (рис. 7) осуществляется в такой последовательности:

I такт - всасывание. Поршень движется от в. м. т. к н. м. т. при открытом всасывающем клапане. В цилиндр при этом засасывается  воздух  из  атмосферы. Давление воздуха в конце такта всасывания достигает 0,85-0,90 бар. Температура воздуха в конце такта будет примерно на 20-30° выше температуры окружающей среды.

На индикаторных диаграммах (рис. 8 и 9) процесс всасывания изображается линией аb.

II такт - сжатие. Поршень движется  от н. м. т. к в. м. т. при закрытых  клапанах рабочего цилиндра. Воздух  сжимается до давления 28-40 бар, причем температура его повышается до 550-600° С, т. е. до температуры самовоспламенения тяжелого жидкого топлива.

На индикаторных диаграммах сжатие изображается линией bс.

III такт - рабочий ход (сгорание  и расширение). У в. м. т. в  цилиндр  впрыскивается топливо под давлением 110-250 бар и выше. Распыленное в среде сжатого воздуха топливо самовоспламеняется и сгорает. 

Сгорание топлива у компрессорных дизелей проходит при постоянном давлении (рис. 8), у бескомпрессорных дизелей (рис. 9) - по смешанному циклу (при р и V = const).

 

Образующиеся при этом газы достигают давление в 40-80 бар при температуре до 1800 °С. Поршень, перемещаясь вниз, осуществляет  рабочий  ход.

В конце такта расширения давление снижается до 2,5-4,5 бар при температуре  газов - до 600-700° С.

На индикаторных диаграммах рабочий ход изображается линиями czd (рис. 8) и zz1d (рис. 9).

IV такт - выпуск. Поршень движется  от н. м. т. к в. м. т., выталкивая  отработавшие газы из цилиндра  через открытый выпускной клапан. Давление отработавших газов будет порядка 1,1-1,2 бар,   а температура - 400-550° С.

На индикаторных диаграммах выпуск отработавших газов изображается  линией  da.

После этого рабочий цикл повторяется.

В двигателях для лучшей очистки цилиндра от продуктов сгорания и наиболее полного заполнения его воздухом несколько увеличивают продолжительность процессов впуска и очистки цилиндров, в связи с чем открытие всасывающих и выпускных клапанов производится до мертвой точки (с опережением), а закрытие - за мертвой точкой (с запаздыванием). Для большей надежности и эффективности сгорания топлива его воспламенение осуществляется до мертвой точки (с опережением).