Сгорания

Поршневым двигателем внутреннего сгорания (ДВС) называется тепловая машина, в рабочем цилиндре которой происходит сжигание топлива и преобра­зование теплоты в работу.

Достоинства ДВС по сравнению с любым другим тепловым двигателем:

наиболее экономичный;

малая металлоемкость;

надежность;

быстрота запуска;

относи­тельная долговечность.

ДВС делятся по виду установки:

Стационарные двигатели применяются на электростан­циях для привода насосных установок, на нефте- и газоперекачивающих и буро­вых установках, в сельском хозяйстве и т. п. Кроме того, они работают на ме­таллургических заводах, используя в ка­честве топлива доменный и генераторный газы. Мощность существующих стационар­ных двигателей составляет от 20 до 3500 кВт (имеются единичные агрегаты мощностью 20 МВт)

Мобильные двига­тели устанавливаются на передвижных установках.

Рис. 3.1. Принципиальная схема поршневого двигателя внутреннего сгорания

Основным элемен­том любого поршневого двигателя явля­ется цилиндр 4 с поршнем 5, соединен­ным посредством кривошипно-шатунного механизма с внешним потребителем ра­боты. Цилиндр (или блок цилиндров) монтируется на верхней части карте­ра и сверху закрыт крышкой, в которой установлены впускной 2 и выпуск­ной 3 клапаны и электрическая свеча за­жигания (в карбюраторном и газовом двигателях) или форсунка (в дизеле). В зарубашечном пространстве цилиндра и его головки циркулирует охлаждаю­щая жидкость. В, картере монтируется коленчатый вал, кривошип 7 которого подвижно соединен с шатуном 6. Верх­няя головка шатуна сочленена с порш­нем, который совершает прямолинейное возвратно-поступательное движение в цилиндре.

Кроме основных деталей двигатель имеет ряд вспомогательных механизмов для подачи топлива (топливные насо­сы, смесительные устройства, фильтры, топливные баки, регулятор), смазки (масляные насосы, фильтры, масляные баки, масленки), охлаждения (водяные насосы, водяные баки, радиаторы) и другие устройства, необходимые для его обслуживания. Вспомогательные ме­ханизмы приводятся в движение от ко­ленчатого вала.

Крайние положения поршня называ­ют верхней мертвой точкой (ВМТ) и ни­жней мертвой точкой (НМТ). Ход по­ршня от ВМТ до НМТ называют тактом.

Рабочий объем цилинд­ра (V_h) - объем описываемый поршнем за один ход, м³,

V_h=ПD²S/A,

где D - диаметр цилинд­ра, м;

S - ход поршня, м.

Объемом камеры сгорания (V_c) - объем над поршнем, находящим­ся в ВМТ.

Полный объем одного цилинд­ра (V_ц) – сумма рабочего объема цилинд­ра (V_h) и объема камеры сгорания (V_c),

V_ц= V_h+ V_c.

Анализ рабочего цикла в ДВС обыч­но производят с помощью индикаторной диаграммы, на которой графически изо­бражена зависимость давления в цилин­дре от объема, занятого газом, или поло­жения поршня. При работе ДВС индика­торная диаграмма записывается при­соединенным к нему специальным при­бором - индикатором.

Различают два типа поршневых ДВС по числу тактов:

Четырехтактные;

Двухтактные.

Рис. 3.2. Индикаторная диаграмма четырех­тактного (а) и двухтактного (б) двигателей:

А - выпускное окно; Б - продувочное окно

У четырехтактного двигателя от­дельным процессам соответствуют: 0-1 - всасывание топливной смеси (1-й такт); 1-2 - сжатие смеси (2-й такт); 2-3 - сгорание + 3-4 - расширение продуктов сгорания + 4-5 - выхлоп (3-й такт); 5-0 - выталкивание продуктов сгорания (4-й такт).

Из всех четырех тактов, составляю­щих цикл, только в третьем получается полезная работа, в остальных трех так­тах работа затрачивается.

У двухтактного двигателя отдельным процессам соответствуют: 0-1 - продувка и введение новой порции смеси+1-2 - сжатие (1-й такт); 2-3 - сгорание + 3 - 4 - расширение + 4-0 - выхлоп (2-й такт). В двухтактном двига­теле очистку цилиндра от остаточных газов и наполнение его свежим зарядом выполняют продувочным воздухом через шлицы, открываемые поршнем.

Двигатели с «мгновенным сгоранием» топлива(карбюра­торные и газовые). В цилиндр такого двигателя всасывается готовая горючая смесь, которая в нужный момент под­жигается от внешнего источника (элек­трической искры высокого напряжения, раскаленного шара). Время сгорания го­товой смеси очень мало, в связи с чем допустимо считать, что процесс сгорания осуществляется при (почти) постоянном объеме.

Двигатели со сгоранием топлива при (почти) посто­янном давлении (компрессорные дизели). В конце сжатия в цилиндр впрыски­вается топливо, которое в процессе смешения с горячим воздухом воспла­меняется и сгорает при р = const. Для распыла топлива, подаваемого в ци­линдр, используют воздух, сжатый в компрессоре до давления, в 1,2—2 раза превышающего давление в цилиндре (отсюда и произошло название «ком­прессорные дизели»). Такие двигатели имеют ряд конструк­тивных недостатков (наличие компрессо­ра для распыла топлива, сложное устройство форсунок и др.) и в настоя­щее время не строятся.

Двигатели со смешанным сгоранием топлива (бескомпрессорные дизели). В цилинд­ре этого двигателя тоже сжимается чистый воздух, а жидкое топливо, сжа­тое насосом до давлений около 30— 40 МПа, подается в форсунку, через ко­торую оно в мелкораспыленном виде раз­брызгивается в цилиндр в конце такта сжатия. Топливо, попадая в воздух, нагретый в процессе сжатия дотемпературы, пре­вышающей температуру воспламенения, сгорает по мере ввода его в цилиндр сначала (почти) при V= const, а затем при (почти) p = const. Наиболее целесо­образным считается конструирование компрессорных дизелей с ε = 13 - 18, так как дальнейшее повышение степени сжатия незначительно увеличивает . На­пример, при увеличении ε от 13 до 20, повышается на 7 %, а механические на­пряжения деталей возрастают почти в 2 раза.

Все типы двигателей могут выпол­няться как четырехтактными, так и двух­тактными.