Нагнітачі та теплові двигуни. Лекція на тему : Двигуни внутрішнього згоряння

 

Лекція

ТЕМА ЛЕКЦІЇ : Двигуни внутрішнього згоряння

МЕТА ЛЕКЦІЇ : Вивчити принцип роботи ДВЗ

ПЛАН ЛЕКЦІЇ :

1.Принцип роботи та основні елементи двигунів внутрішнього згоряння (ДВЗ)

2. Паливо ДВЗ.

3.Чотирьохтактні та двотактні ДВЗ.

4.Системи сумішоутворення, запалення, змащення та охолодження ДВЗ.

 

     1.Двигун внутрішнього згоряння (ДВЗ) - тепловий двигун, усередині якого відбувається спалювання палива і перетворення частини в теплоти, яка виділилася  в механічну роботу.

    Утворені при згорянні палива високотемпературні гази (рис.1) чинять тиск на поршень 6 і переміщають його. Поступальний рух поршня через шатун 7 передається встановленому в картері колінчастому валу 8 і таким чином перетворюється в обертальний рух.

     У зв'язку зі зворотно-поступальним рухом поршня 6 згоряння палива в  поршневих двигунах відбувається періодично (циклічно) певними порціями, причому згорянню кожної порції передує ряд підготовчих процесів. Свіжий заряд надходить в циліндр через впускний клапан 3, а продукти згоряння видаляються через випускний клапан 4.

    Рис.1 Схема ДВЗ

     Відпрацьовані гази несуть значну кількість теплової енергії, яку доцільно використовувати в газової турбіни з компресором для підвищення тиску на впуску в ДВС. Збільшення наповнення циліндрів двигуна повітрям шляхом підвищення тиску на впуску називають наддувом.

     У стаціонарній теплоенергетиці ДВЗ використовуються на невеликих електростанціях (потужністю в кілька кіловат), а також досить потужних аварійних і пересувних енергоустановках.

     2. В якості палива використовуються лише ті горючі речовини, які легко перемішуються з повітрям, а в процесі згоряння не утворюють твердого зольного залишку. Навіть невелика кількість золи, що залишилася в циліндрі двигуна, може привести до зносу стінок гільз, поршнів і кілець.

    Це ж, у свою чергу, обумовлює зниження моторесурсу двигуна, а також може служити причиною аварії.

   У якості газових палив застосовуються природні і промислові гази. Під промисловими розуміються гази, одержувані при видобутку і переробці нафти, каналізаційні гази, а також гази, одержувані шляхом спеціальної переробки твердих палив (газифікація палив).

   Рідке паливо, що застосовується в двигунах, є, як правило, продуктом переробки нафти. Такими продуктами зазвичай є: бензин, нафта, гас, дизельне паливо, солярове масло.

    Основними компонентами будь-якого палива є вуглець (С), водень (Н), кисень (О). Іноді містяться сірка (S) і азот (N). Вміст сірки і азоту зазвичай невелика. Так що наявністю в паливі цих речовин при виконанні теплових розрахунків ДВЗ зазвичай нехтують. Слід мати на увазі, що зміст двох останніх компонентів обмежується або навіть забороняється стандартами на паливо.

     В теорії двигунів елементарний склад палива – елементарний хімічний склад (ЕХС) - прийнято відображати записом

З + Н + О = 1,

в якій С, Н, О - зміст відповідних компонентів (вуглецю, водню, кисню) в одиниці маси палива.

    Найважливішим показником будь-якого палива є його теплота згоряння (теплотворність). Під теплотою згоряння (теплотворністю) розуміється та кількість теплоти, що виділяється при повному згорянні одиниці його кількості, наприклад, одного кг.

    Розрізняють вищу і нижчу теплотворність палива. При проведенні теплових розрахунків двигунів зазвичай використовують нижчу теплотворність.

    При згорянні палива внаслідок з'єднання водню і кисню утворюються водяні пари. Температура конденсації водяної пари істотно нижче температури робочого тіла в циліндрі. З цієї причини високо нагрітий пар залишає циліндр, і теплота конденсації виявляється втраченою.

    3. Робочі цикли в циліндрі двигуна можуть бути здійснені за чотири або за два такту (ходу поршня). В першому випадку цикл називається чотиритактним, у другому - двотактним.

    Робочий цикл чотиритактного двигуна відбувається за два оберти колінчастого вала (рис.2). У кришці циліндра двигуна розташовані клапани 1 впуску свіжого заряду і клапани 2 випуску продуктів згоряння, форсунки або свічки запалювання та інші пристрої. Клапани утримуються в закритому стані силою пружності пружин і надлишковим тиском в циліндрі. У потрібні моменти відкриваються клапани за допомогою газорозподільного механізму, на який впливають кулачки розподільчого вала. Останній приводиться в рух від колінчастого вала двигуна і має в два рази меншу частоту обертання.

   На початку першого такту (впускання) поршень знаходиться в положенні, близькому до ВМТ (точка r). Камера згоряння заповнена продуктами згоряння. При переміщенні поршня до НМТ розподільний механізм відкриває впускні клапани, над поршневий простір повідомляється з впускний системою і циліндр заповнюється свіжим зарядом (повітрям або горючою сумішшю).

Рис.2 Схема чотирьохтактного двигуна

     При переміщенні поршня до ВМТ проводиться стиснення газу, який надійшов в циліндр - другий такт. Тиск і температура заряду в циліндрі при цьому підвищуються. При деякому переміщенні поршня від НМТ тиск в циліндрі стає однаковим з тиском на впуску. До цього моменту для поліпшення наповнення циліндра свіжим зарядом за рахунок кінетичної енергії стовпа повітря, що рухається по впускному трубопроводу, впускні клапани залишаються відкритими (запізнювання закриття клапанів).

     Після закриття клапанів при подальшому переміщенні поршня до ВМТ тиск і температура при стисненні підвищуються.

     Для кращого використання теплоти, що виділяється при згорянні палива, необхідно, щоб згоряння закінчувалося при положенні поршня, можливо близькому до ВМТ. Так як підготовка палива до згорання і процес згоряння вимагають деякого часу, хоча і дуже незначного, займання робочої суміші від електричної іскри в двигунах із зовнішнім сумішоутворенням або впорскуванням палива в дизелях зазвичай проводиться до моменту приходу поршня в ВМТ, т. е. з деяким випередженням.

    Таким чином, під час другого такту в основному проводиться стиснення заряду.

    Третій такт - згоряння і розширення. Він відбувається при ході поршня від ВМТ до НМТ. Спочатку відбувається інтенсивне згоряння палива і виділення теплоти, внаслідок чого температура і тиск в циліндрі різко підвищуються. Під дією тиску відбувається переміщення поршня до НМТ і розширення газів. Під час розширення гази здійснюють корисну роботу, тому цей такт називають також робочим ходом.

     Під час четвертого такту - випуск здійснюється очищення циліндра від продуктів згоряння. Поршень переміщається від НМТ до ВМТ і витісняє гази через відкриті випускні клапани. Для поліпшення випуску клапани відкриваються трохи раніше, ніж поршень досягає ВМТ.

     Після завершення випуску все такти циклу повторюються. З цих тактів тільки такт згоряння і розширення є робочим, інші три такту здійснюються за рахунок кінетичної енергії обертового колінчастого вала з маховиком 1 і роботи інших циліндрів.

    Двотактний цикл відбувається за один оборот колінчастого вала, т. е. в 2 рази частіше в порівнянні з чотиритактним циклом при однакової частоті обертання колінчастого вала. Це пояснюється тим, що в двотактному двигуні очищення циліндра від продуктів згоряння і наповнення його свіжим зарядом відбуваються тільки при русі поршня поблизу НМТ. При цьому очищення циліндра від продуктів згоряння здійснюється шляхом витіснення їх не поршнем, а попередньо стисненим до певного тиску повітрям або горючою сумішшю. Повітря або суміш попередньо стискаються в спеціальному компресорі.

     Перший такт двотактного двигуна з внутрішнім сумішоутворенням і прямоточною схемою газообміну відповідає ходу поршня від ВМТ до НМТ (рис.3)

Рис.3 Схема двотактного двигуна

   У циліндрі тільки що сталося згоряння і почався процес розширення газів, тобто робочий хід. Трохи раніше моменту приходу поршня до впускного клапану відкриваються випускні клапани 4 в кришці циліндра і продукти згоряння випливають з циліндра і тиск в ньому різко падає. Коли тиск в циліндрі стає приблизно рівним тиску повітря в ресивері 7 поршень 3 відкриває впускний клапан 8. Повітря, попередньо  стиснуте в компресорі 2, витісняє з циліндра продукти згоряння, які там знаходяться; при цьому повітря змішується з продуктами згоряння і разом з ними частково потрапляє в випускний патрубок 6.

     Другий такт відповідає ходу поршня від НМТ до ВМТ. На початку ходу поршня триває процес газообміну. Його кінець визначається моментом закриття впускного клапану 1 і випускних клапанів. З моменту закінчення газообміну починається процес стиснення повітря. При русі поршня поблизу ВМТ в циліндр через форсунку 5 подається паливо. Подача закінчується під час процесу згоряння.

4. Робочий цикл ДВС - сукупність різних процесів, що відбуваються в циліндрі ДВС в певній послідовності. Він може бути здійснений за однією з двох схем.

     За схемою з зовнішнім сумішоутворенням паливо і повітря в співвідношеннях, необхідних для повного згоряння, перемішуються поза циліндра, паливо частково випаровується і з повітрям утворює горючу суміш. Суміш надходить в циліндр (процес впуску), після чого вона піддається стисненню. Під час впуску і стиснення суміші в циліндрі відбувається до випаровування палива і додаткове перемішування його парів з повітрям.

   Підготовлена ​​горюча суміш запалюється в циліндрі зазвичай за допомогою електричної іскри. Внаслідок швидкого згоряння суміші в циліндрі підвищуються температура і тиск, під дією якого відбувається переміщення поршня, обсяг гарячих газів при цьому збільшується. У процесі розширення гази здійснюють корисну роботу. Після розширення відбувається видалення з циліндра продуктів згоряння (випуск) і робочий цикл повторюється.

     Підвищення ступеня стиснення і термодинамічної ефективності циклу можливо при здійсненні робочого циклу за іншою схемою. Відповідно до цієї схеми, циліндр заповнюється повітрям (впуск), який стискається. У процесі стиснення в циліндр насосом високого тиску через форсунку впорскується паливо. При уприскуванні воно дрібно розпорошується і перемішується з повітрям в циліндрі. Цьому також сприяє вихровий рух повітря. Дрібні краплі палива, стикаючись з нагрітим повітрям, випаровуються, утворюючи горючу суміш.

      Таким чином, процес сумішоутворення відбувається тільки всередині циліндра, тому такі двигуни називаються двигунами з внутрішнім сумішоутворенням.

     Займання суміші при роботі цих двигунів відбувається або за допомогою електричної іскри або іншого способу, або в результаті високого стиснення повітря до температури, що перевищує температуру самозаймання суміші (дизелі).

Система охолодження являє собою сукупність агрегатів, пристроїв і механізмів, які забезпечують підтримку температури деталей двигуна, що стикаються з гарячими газами, в допустимих межах. Кількість теплоти, яке повинна відводити система охолодження від деталей двигуна, залежить від потужності, швидкісного і навантажувального режимів.

Для підтримки температури деталей в допустимих межах необхідно безперервно відводити від них теплоту. Однак відведення теплоти не повинно призводити до переохолодження двигуна, тому що при цьому погіршується сумішоутворення, збільшуються втрати теплоти в стінки, зростають втрати на тертя і підвищується інтенсивність зносу.

У ДВЗ знаходять застосування системи повітряного і рідинного охолодження. У системі повітряного охолодження теплота від стінок циліндра і головок передається повітрю, що обдуває двигун, і розсіюється в атмосфері. У системі рідинного охолодження теплота, відведена від двигуна, передається рідини, яка перекачується через двигун, потім від рідини повітрю, після цього теплота розсіюється в навколишньому середовищі.

Обидві системи охолодження здатні забезпечити нормальний тепловий стан двигуна. Так як системи мають різні властивості, при виборі того чи іншого типу системи необхідно враховувати призначення двигуна, умови експлуатації і т. п.

Основною перевагою повітряної системи охолодження є відсутність рідинної системи, водяної сорочки, водяного насоса і радіатора. Таким чином, об'ємно-масові показники системи повітряного охолодження менше, а експлуатаційна надійність вище.

Двигуни повітряного охолодження швидше прогріваються після пуску, що призводить до зниження зносу циліндрів і поршневих кілець.

Однак повітряна система охолодження поступається рідинній.

Перевагами рідинної системи є більш рівномірне охолоджування циліндрів, легкий пуск двигуна  внаслідок менших проміжків між поршнем і циліндром, а також можливість виконання блокової конструкції циліндрів, це сприяє підвищенню жорсткості двигуна. До інших переваг рідинної системи можна віднести зниження рівня шуму в результаті ізолюючої дії водяної сорочки і меншу небезпеку виникнення детонації в карбюраторних двигунах.

До недоліків рідинної системи охолодження слід віднести необхідність використання дефіцитних кольорових матеріалів, велика кількість різних патрубків, шлангів та ущільнень, за якими необхідно встановлювати постійне спостереження при обслуговуванні. Використання рідкого теплоносія також викликає певні експлуатаційні труднощі, що знижують надійність автомобілів при експлуатації в умовах низьких температур або в умовах пустелі.

Система рідинного охолодження знаходить широке застосування для форсованих карбюраторних двигунів і дизелів

     Система змащення забезпечує безперервну подачу масла до всіх деталей механізмів і систем, між якими в процесі роботи виникає інтенсивне тертя. Масло, що подається на тертьові поверхні деталей, зменшує тертя, промиває деталі від продуктів спрацювання, захищає деталі від корозії, ущільнює і частково охолоджує їх.

    Залежно від способу подачі масла на тертьові поверхні деталей існують такі системи змащення: розбризкуванням, під тиском і комбінована.

     На сучасних двигунах застосовується комбінована система змащення, яка забезпечує під тиском змащення корінних і шатунних підшипників колінчастого вала, підшипників розподільного вала, валиків і коромисел клапанів. Циліндри, поршні, розподільні шестерні та інші деталі змащуються розбризкуванням. Штанги, поверхні штовханів і кулачків розподільного вала змащуються самопливом.