Двигатели внутреннего сгорания

КЛАССИФИКАЦИЯ И ПРИНЦИП РАБОТЫ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Общие сведения и классификация

       Поршневым двигателем внутреннего  сгорания (ДВС) называют такую  тепловую машину, в которой превращение  химической энергии топлива в  тепловую, а затем в механическую энергию, происходит внутри рабочего цилиндра. Превращение теплоты в работу в таких двигателях связано с реализацией целого комплекса сложных физико-химических, газодинамических и термодинамических процессов, которые определяют различие рабочих циклов и конструктивного исполнения

Классификация поршневых двигателей внутреннего  сгорания приведена на рис. 1.1. Исходным признаком классификации принят род топлива, на котором работает двигатель. Газообразным топливом для  ДВС служат природный, сжиженный  и генераторный газы. Жидкое топливо представляет собой продукты переработки нефти: бензин, керосин, дизельное топливо и др. Газожидкостные двигатели работают на смеси газообразного и жидкого топлива, причем основным топливом является газообразное, а жидкое используется как запальное в небольшом количестве. Многотопливные двигатели способны длительно работать на разных топливах в диапазоне от сырой нефти до высокооктанового бензина.

Двигатели внутреннего  сгорания классифицируют также по следующим признакам:

по способу воспламенения рабочей смеси – с принудительным воспламенением и с воспламенением от сжатия;

по способу  осуществления рабочего цикла –  двухтактные и четырехтактные, с  наддувом и без наддува;

       

по способу  смесеобразования – с внешним  смесеобразованием (карбюраторные и газовые) и с внутренним смесеобразованием (дизельные и бензиновые с впрыском топлива в цилиндр);

по способу  охлаждения – с жидкостным и воздушным охлаждением;

по расположению цилиндров – однорядные с вертикальным, наклонным горизонтальным расположением; двухрядные с V-образным и оппозитным расположением.

Преобразование  химической энергии топлива, сжигаемого в цилиндре двигателя, в механическую работу совершается с помощью  газообразного тела – продуктов  сгорания жидкого или газообразного  топлива. Под действием давления газов поршень совершает возвратно-поступательное движение, которое преобразуется во вращательное движение коленчатого вала с помощью кривошипно-шатунного механизма ДВС. Прежде чем рассматривать рабочие процессы, остановимся на основных понятиях и определениях, принятых для двигателей внутреннего сгорания.

За один оборот коленчатого вала поршень дважды будет находиться в крайних положениях, где изменяется направление его  движения (рис 1.2). Эти положения поршня принято называть мертвыми точками, так как усилие, приложенное к поршню в этот момент, не может вызвать вращательного движения коленчатого вала. Положение поршня в цилиндре, при котором расстояние его от оси вала двигателя достигает максимума, называется верхней мертвой точкой (ВМТ). Нижней мертвой точкой (НМТ) называют такое положение поршня в цилиндре, при котором расстояние его от оси вала двигателя достигает минимума

Расстояние по оси цилиндра между мертвыми точками  называют ходом поршня. Каждому ходу поршня соответствует поворот коленчатого вала на 180°.

Перемещение поршня в цилиндре вызывает изменение объема надпоршневого пространства. Объем  внутренней полости цилиндра при  положении поршня в ВМТ называют объемом камеры сгорания Vc.

Объем цилиндра, образуемый поршнем при его перемещении между мертвыми точками, называется рабочим объемом цилиндра Vh.

где D – диаметр  цилиндра, мм;

S – ход поршня, мм;

Объем надпоршневого  пространства при положении поршня в НМТ называют полным объемом  цилиндра Va.

Рис 1.2. Схема  поршневого двигателя внутреннего сгорания

Рабочий объем  двигателя представляет собой произведение рабочего объема цилиндра на число  цилиндров. 

Отношение полного  объема цилиндра Va к объему камеры сгорания Vc называют степенью сжатия.

При перемещении поршня в цилиндре кроме изменения объема рабочего тела изменяются его давление, температура, теплоемкость, внутренняя энергия. Рабочим циклом называют совокупность последовательных процессов, осуществляемых с целью превращения тепловой энергии топлива в механическую. Достижение периодичности рабочих циклов обеспечивается с помощью специальных механизмов и систем двигателя. Рабочий цикл любого поршневого двигателя внутреннего сгорания может быть осуществлен по одной из двух схем, изображенных на рис. 1.3. По схеме, изображенной на рис. 1.3а, рабочий цикл осуществляется следующим образом. Топливо и воздух в определенных соотношениях перемешиваются вне цилиндра двигателя и образуют горючую смесь. Полученная смесь поступает в цилиндр (впуск), после чего она подвергается сжатию. Сжатие смеси, как будет показано ниже, необходимо для увеличения работы за цикл, так как при этом расширяются температурные пределы, в которых протекает рабочий процесс. Предварительное сжатие создает также лучшие условия для сгорания смеси воздуха с топливом. Во время впуска и сжатия смеси в цилиндре происходит дополнительное перемешивание топлива с воздухом. Подготовленная горючая смесь воспламеняется в цилиндре при помощи электрической искры. Вследствие быстрого сгорания смеси в цилиндре резко повышается температура и, следовательно, давление, под воздействием которого происходит перемещение поршня от ВМТ к НМТ. В процессе расширения нагретые до высокой температуры газы совершают полезную работу. Давление, а вместе с ним и температура газов в цилиндре при этом понижаются. После расширения следует очистка цилиндра от продуктов сгорания (выпуск), и рабочий цикл повторяется. Рис. 1.3. Схемы рабочего цикла двигателей а),б). 
 
 

В рассмотренной  схеме подготовка смеси воздуха  с топливом, т. е. процесс смесеобразования, происходит в основном вне цилиндра, и наполнение цилиндра производится готовой горючей смесью, поэтому двигатели, работающие по этой схеме, называются двигателями с внешним смесеобразованием. К числу таких двигателей относятся карбюраторные двигатели, работающие на бензине, газовые двигатели, а также двигатели с впрыском топлива во впускной трубопровод, т. е. двигатели, в которых применяется топливо, легко испаряющееся и хорошо перемешивающееся с воздухом при обычных условиях. Сжатие смеси в цилиндре у двигателей с внешним смесеобразованием должно быть таким, чтобы давление и температура в конце сжатия не достигали значений, при которых могли бы произойти преждевременная вспышка или слишком быстрое (детонационное) сгорание. В зависимости от применяемого топлива, состава смеси, условий теплопередачи в стенки цилиндра и т. д. давление конца сжатия у двигателей с внешним смесеобразованием находится в пределах 1.0–2.0 МПа. Если рабочий цикл двигателя происходит по схеме, описанной выше, то обеспечивается хорошее смесеобразование и использование рабочего объема цилиндра. Однако ограниченность степени сжатия смеси не позволяет улучшить экономичность двигателя, а необходимость в принудительном зажигании усложняет его конструкцию. В случае осуществления рабочего цикла по схеме, показанной на рис. 1.3б, процесс смесеобразования происходит только внутри цилиндра. Рабочий цилиндр в данном случае заполняется не смесью, а воздухом (впуск), который и подвергается сжатию. В конце процесса сжатия в цилиндр через форсунку под большим давлением впрыскивается топливо. При впрыскивании оно мелко распыляется и перемешивается с воздухом в цилиндре. Частицы топлива, соприкасаясь с горячим воздухом, испаряются, образуя топливовоздушную смесь. Воспламенение смеси при работе двигателя по этой схеме происходит в результате разогрева воздуха до температур, превышающих самовоспламенение топлива вследствие сжатия. Впрыск топлива во избежание преждевременной вспышки начинается только в конце такта сжатия. К моменту воспламенения обычно впрыск топлива еще не заканчивается. Топливовоздушная смесь, образующаяся в процессе впрыска, получается неоднородной, вследствие чего полное сгорание топлива возможно лишь при значительном избытке воздуха. В результате более высокой степени сжатия, допустимой при работе двигателя по данной схеме, обеспечивается и более высокий КПД. После сгорания топлива следует процесс расширения и очистка цилиндра от продуктов сгорания (выпуск). Таким образом, в двигателях, работающих по второй схеме, весь процесс смесеобразования и подготовка горючей смеси к сгоранию происходят внутри цилиндра. Такие двигатели называются двигателями с внутренним смесеобразованием. Двигатели, в которых воспламенение топлива происходит в результате высокого сжатия, называются двигателями с воспламенением от сжатия, или дизелями. 
 
 
 

Рабочий цикл четырехтактного  ДВС.

     Двигатель, рабочий цикл которого осуществляется за четыре такта, или за два оборота  коленчатого вала, называется четырехтактным. Рабочий цикл в таком двигателе  происходит следующим образом.

     Первый  такт – впуск (рис. 1.4). В начале первого  такта поршень  находится в положении, близком к ВМТ. Впуск начинается с момента открытия впускногоотверстия, за 10–30° до ВМТ.

 

При этом вследствие сопротивления  впускной системы  и впускных клапанов давление в цилиндре становится на 0.01–0.03 МПа меньше давления во впускном трубопроводе. На индикаторной диаграмме  такту впуска соответствует  линия rа. Такт впуска состоит из впуска газов, происходящего при ускорении движения опускающегося поршня, и впуска при замедлении его движения. Впуск при ускорении движения поршня начинается в момент начала опускания поршня и заканчивается в момент достижения поршнем максимальной скорости приблизительно при 80° поворота вала после ВМТ. В начале опускания поршня вследствие малого открытия впускного отверстия в цилиндр проходит мало воздуха или смеси, а поэтому остаточные газы, оставшиеся в камере сгорания от предшествующего цикла, расширяются и давление в цилиндре падает. При опускании поршня горючая смесь или воздух, находившаяся в покое во впускном трубопроводе или двигавшаяся в нем с небольшой скоростью, начинает проходить в цилиндр с постепенно увеличивающейся скоростью, заполняя объем, освобождаемый поршнем. По мере опускания поршня его скорость постепенно увеличивается и достигает максимума при повороте коленчатого вала примерно на 80°. При этом впускное отверстие открывается все больше и больше и горючая смесь (или воздух) в цилиндр проходит в больших количествах.  Впуск при замедленном движении поршня начинается с момента достижения поршнем наибольшей скорости и оканчивается НМТ, когда скорость его равна нулю. По мере уменьшения скорости поршня скорость смеси (или воздуха), проходящей в цилиндр, несколько уменьшается, однако в НМТ она не равна нулю. При замедленном движении поршня горючая смесь (или воздух) поступает в цилиндр за счет увеличения объема цилиндра, освобождаемого поршнем, а также за счет своей силы инерции. При этом давление в цилиндре постепенно повышается и в НМТ может даже превышать давление во впускном трубо- проводе. Давление во впускном трубопроводе может быть близким к атмосферному в двигателях без наддува или выше него в зависимости от степени наддува (0.13–0.45 МПа) в двигателях с наддувом.  Впуск окончится в момент закрытия впускного отверстия (40–60°) после НМТ. Задержка закрытия впускного клапана происходит при постепенно поднимающемся поршне, т.е. уменьшающемся объеме газов в цилиндре. Следовательно, смесь (или воздух) поступает в цилиндр за счет ранее созданного разрежения или инерции потока газа, накопленной в процессе течения струи в цилиндр. При малых числах оборотов вала, например при пуске двигателя, сила инерции газов во впускном трубопроводе почти полностью отсутствует, поэтому во время задержки впуска будет идти обратный выброс смеси (или воздуха), поступившей в цилиндр ранее во время основного впуска. При средних числах оборотов инерция газов больше, поэтому в самом начале подъема поршня происходит дозарядка. Однако по мере подъема поршня давление газов в цилиндре увеличится и начавшаяся дозарядка может перейти в обратный выброс. При больших числах оборотов сила инерции газов во впускном трубопроводе близка к максимуму, поэтому происходит интенсивная дозарядка цилиндра, а обратный выброс не наступает. Второй такт – сжатие. При движении поршня от НМТ к ВМТ (рис. 1.5) производится сжатие поступившего в цилиндр заряда.  Давление и температура газов при этом повышаются, и при некотором перемещении поршня от НМТ давление в цилиндре становится одинаковым с давлением впуска (точка т на индикаторной диаграмме). После закрытия клапана при дальнейшем перемещении поршня давление и температура в цилиндре продолжают повышаться. Значение давления в конце сжатия (точка с) будет зависеть от степени сжатия, герметичности рабочей полости, теплоотдачи в стенки, а также от величины начального давления сжатия.

     

     Вследствие выделения большого количества теплоты температура и давление в цилиндре резко повышаются, несмотря на некоторое увеличение внутри цилиндрового объема (участок сz на индикаторной диаграмме). Под действием давления происходит дальнейшее перемещение поршня к НМТ и расширение газов. Во время расширения газы совершают полезную работу, поэтому третий такт называют также рабочим ходом. На индикаторной диаграмме третьему такту соответствует линия сzb.