Принципы устройства и работы двигателей внутреннего сгорания и классификация двигателей

/ Литература / Тепловозы: Основы теории и конструкция / Принципы устройства и работы двигателей внутреннего сгорания и классификация двигателей

В двигателях внутреннего сгорания (д.в.с.) два основных рабочих процесса, входящих в их теоретический термодинамический цикл, а именно: сгорание топлива (подвод теплоты) и преобразование тепловой энергии продуктов сгорания в механическую работу (расширение газов) осуществляются в одном месте - внутри рабочего цилиндра. Именно поэтому машины такого типа называют двигателями внутреннего сгорания - в отличие от паросиловых установок (паровозов, тепловых электростанций), в которых сгорание топлива осуществляется вне двигателей.

Совмещение двух процессов в одном месте способствует сокращению потерь энергии (теплоты) и повышению к.п.д. двигателя.

Общее устройство д.в.с. рассмотрим на примере одного цилиндра четырехтактного дизеля. Двигатель (рис. 4.1, а) состоит из неподвижного цилиндра 3, составляющего вместе с картером 2 и поддоном 1 единую конструкцию, называемую остовом. Сверху цилиндр ограничивается крышкой цилиндра, в днище которой расположены впускной 4 и выпускной 6 клапаны и форсунка 5 для подачи дизельного топлива.

Движущиеся детали дизеля - поршень 7, шатун 8, кривошип 9 и вал 10 - объединены с помощью шарниров (подшипников) и составляют кривошипно-шатунный механизм. При работе двигателя поршень совершает возвратно-поступательное движение вдоль оси цилиндра, которое с помощью кривошипно-шатунного механизма преобразуется во вращение вала 10.

Принцип действия д.в.с. При сгорании топлива в объеме сжатого воздуха между стенками цилиндра 3, крышкой и днищем поршня 7 образуются газы -■ продукты сгорания. Вследствие этого давление в цилиндре резко возрастает, что приводит к перемещению поршня. Таким образом, тепловая энергия продуктов сгорания преобразуется в цилиндре в механическую работу. После расширения газы выпускаются из цилиндра через выпускной клапан 6.

Поршень возвратно перемещается в цилиндре между двумя крайними положениями. Положение поршня при максимальном удалении от вала называется верхней (или внутренней) мертвой точкой (в.м.т.). Наиболее близкое к валу положение поршня называется нижней (или наружной) мертвой точкой (н.м.т.). Величина хода поршня S определяется расстоянием между этими точками и равна длине двух радиусов кривошипа - 2R. Каждому ходу поршня соответствует поворот кривошипа на 180°, т. е. за один оборот вала поршень делает два хода.

Объем, занимаемый газами в цилиндре при положении поршня в в.м.т., называется объемом камеры сжатия и обозначается Vc. Объем между в.м.т. и н.м.т. называется рабочим объемом цилиндра и обозначается W Рабочий объем цилиндра равен произведению площади поперечного сечения цилиндра на ход поршня: Vh = nD2S/A (здесь D - диаметр цилиндра). Полный объем цилиндра Va равен сумме Va и УсОтношение полного объема цилиндра к объему камеры сжатия называется степенью сжатии е.

Поршень в течение каждого хода движется в цилиндре с переменной скоростью, поэтому его движение характеризуют величиной средней скорости ст. Так как за один оборот вала поршень проходит путь 25, а частота вращения вала в минуту обозначается я, то средняя скорость поршня равна ст = 25л/60.

Преобразование внутренней химической энергии топлива в механическую энергию в двигателе осуществляется при помощи газообразного рабочего тела, качество и количество которого в процессе циклически изменяются.

Совокупность изменений рабочего тела в цилиндре двигателя и в смежных с цилиндром системах, служащих для ввода рабочего тела (или составных его частей) и удаления его, называется рабочим процессом двигателя.

Периодически повторяющаяся в цилиндре последовательность частей рабочего процесса (заполнение свежим зарядом, сжатие, горение, расширение и удаление продуктов горения) называется рабочим циклом двигателя. Часть цикла, протекающая между двумя смежными положениями поршня в мертвых точках или соответствующая изменению объема цилиндра между наибольшим и наименьшим значениями, называется тактом. В двигателе с одним поршнем в цилиндре такт происходит за один ход поршня.

В четырехтактном двигателе, изображенном на рис. 4.1, а, цикл протекает за четыре хода поршня. При движении поршня 7 вниз от в.м.т. и открытом клапане 4 цилиндр заполняется воздухом (I такт - наполнение). Далее воздух сжимается движущимся вверх поршнем при закрытых клапанах 4 и 6 (II такт - сжатие).

В конце сжатия форсункой 5 впрыскивается топливо, которое сай) ТоллиВо Продукты сгорания Продукты сгорания В.м.т.

Тепловозы- основы теории Тепловозы- основы теории
Рис. 4.1. Схемы двигателей внутреннего сгорания:

а - четырехтактного дизеля; б - двухтактного дизеля с клапанно-щелевон продувкой мовоспламеняется от высокой температуры воздуха. Поршень под воздействием давления расширяющихся газов движется вниз (III такт - рабочий ход). IV такт является тактом выпуска отработавших газов. Поршень движется вверх, и через открытый клапан 6 газы выталкиваются из цилиндра. Далее начинается новый цикл и т. д.

Несколько иначе протекает рабочий цикл двухтактного дизеля (рис. 4.1,6). Устройство этого двигателя отличается от предыдущего тем, что в крышке цилиндра есть только выпускные клапаны 6, а в стенках цилиндра 3 - впускные окна 11, через которые в цилиндр может поступать свежий воздух. Эти окна открываются самим поршнем при его движении в цилиндре.

При движении поршня вверх из крайнего нижнего положения сначала в цилиндр под некоторым избыточным давлением от нагнетателя поступает воздух через окна 11, затем в цилиндре происходит процесс сжатия воздуха. Давление и температура воздуха в цилиндре растут (I такт).

В конце такта форсункой 5 впрыскивается топливо, которое самовоспламеняется вследствие высокой температуры воздуха и сгорает. Давление газов в цилиндре резко повышается. Под давлением газов поршень из верхнего положения перемещается в нижнее, совершая полезную механическую работу (II такт-рабочий). В конце такта сначала открываются выпускные клапаны 6. Отработавшие газы выходят из цилиндра в выпускной коллектор. Давление их в цилиндре падает. При дальнейшем продвижении вниз поршень откроет продувочные окна 11 и свежий воздух начнет поступать в цилиндр двигателя. Происходят продувка и наполнение цилиндра воздухом. Таким образом, у двухтактного двигателя рабочий цикл совершается за два хода поршня, или за один оборот вала.

Классификация д.в.с. Двигатели внутреннего сгорания могут быть классифицированы по следующим основным признакам.

По числу тактов рабочего цикла различают двигатели четырех- и двухтактные.

По роду применяемого топлива бывают двигатели: легкого жидкого топлива (бензин), тяжелого жидкого топлива (дизельное топливо) и газовые.

По способу смесеобразования, т. е. процесса приготовления горючей смеси, различают двигатели:

с внутренним смесеобразованием, в которых рабочая смесь образуется внутри рабочего цилиндра в результате распыливания топлива форсункой - дизели;

с внешним смесеобразованием, в которых горючая смесь, состоящая из паров жидкого легкого топлива с воздухом или из газа с воздухом, образуется вне рабочего цилиндра - карбюраторные и газовые двигатели.

По способу воспламенения рабочей смеси: с самовоспламенением топлива (дизели), в которых впрыскиваемое в камеру сгорания жидкое топливо воспламеняется вследствие высокой температуры воздуха в конце сжатия; с принудительным зажиганием, в которых воспламенение горючей смеси происходит в резуль тате зажигания ее от постороннего источника (электрической искры),- карбюраторные и газовые двигатели.

По роду рабочего цикла по аналогии с идеальными циклами различают двигатели: с подводом теплоты при постоянном объеме (V - = const) -двигатели, имеющие сравнительно низкую степень сжатия (e = 5-j-7) и принудительное зажигание топлива (карбюраторные и газовые) ; с подводом теплоты при постоянном давлении (р = const) - двигатели, имеющие более высокую степень сжатия (е = 1214), с воздушным распыливанием и самовоспламенением топлива - компрессорные дизели (в настоящее время

3 Зак. 44 3

такие двигатели не применяют); со смешанным подводом теплоты - частью при постоянном объеме, а потом при постоянном давлении - двигатели с высокой степенью сжатия (е=12-М8)-бескомпрессорные дизели, К этому типу дизелей относятся современные тепловозные д.в.с. Таким образом, тепловозные д.в.с. - это бескомпрессорные дизели с самовоспламенением топлива и внутренним смесеобразованием, работающие на дизельном топливе по смешанному циклу.

По расположению рабочих цилиндров различают двигатели вертикальные, горизонтальные; одно- и двухрядные; с параллельно расположенными цилиндрами и У-образные; двигатели с расходящимися поршнями (с двумя и более коленчатыми валами).

По способу охлаждения цилиндров бывают двигатели с водяным и воздушным охлаждением.

Дизельные двигатели, кроме того, классифицируются по способу наполнения рабочего цилиндра. Используют двигатели без наддува, у которых всасывание воздуха осуществляется непосредственно поршнем (четырехтактные) или заполнение цилиндра происходит продувочным воздухом с давлением, необходимым лишь для осуществления процесса смены заряда (двухтактные), и двигатели с наддувом, у которых воздух подается в цилиндр под давлением специального нагнетателя.

Современные тепловозные двигатели представляют собой многоцилиндровые, двух- или четырехтактные дизели средней быстроходности, с водяным охлаждением и, как правило, с наддувом воздуха. Иногда применяются и быстроходные четырехтактные дизели.

Согласно стандарту каждый двигатель характеризуется условным обозначением, включающим в себя (в последовательном порядке) число цилиндров; буквы, характеризующие тип двигателя (Ч - четырехтактный, Д - двухтактный, Н - с наддувом); 66

численные значения диаметра цилиндра и хода поршня (в сантиметрах в виде дроби). Заводы-изготовители, кроме того, обычно присваивают свои условные заводские обозначения (ПД1, 1 ОД 100, М756 и т. д.). Дизель 10Д100 обозначается 10ДН20,7/2Х25,4, дизель 6Д70- 6ЧН24/27, дизел ь 5Д49- 16ЧН26/26.

⇐ | Теплопередача и теплообменники | | Тепловозы: Основы теории и конструкция | | Рабочие процессы дизелей | ⇒