Лекция 5

Тема:Рабочий процесс поршневых ДВС

Содержание: Основные понятия и определения. Рабочий цикл четырехтактного двигателя. Рабочий цикл двухтактного двигателя

Работа любого теплового двигателя сопровождается двумя основными процессами:

1. физико-химическим процессом сгорания топлива с выделением тепла.

2. физическим процессом изменения состояния рабочего тела с преобразованием в механическую работу.

Рабочим телом– называется пар получаемый в паровом котле или газ образующийся при сгорании топлива в цилиндре двигателя.

Если энергия раб. тела преобразуется в механическую энергию путем давления на поршень перемещающиеся внутри цилиндра, такой двигатель называется- поршневой тепловой двигатель.

Если энергия раб. тела преобразуется в механическую энергию путем воздействия на лопатки рабочего колеса машины, то такой двигатель называется - тепловой турбиной.

Применяемый в ДВС способ использования химической энергии топлива является наиболее рациональным т.к. позволяет обойтись без промежуточного рабочего тела (пар). Из поршневых ДВС наиболее экономичным является турбопоршневые ДВС с воспламенением от сжатия (дизель).

Дизелемназывается поршневой тепловой двигатель, в котором вводимое в конце сжатия топливо, самовоспламеняется за счет высокой температуры сжатого воздуха.

В поршневых тепловых двигателях преобразование тепловой энергии в механическую сопровождается периодически (циклически) повторяющимися процессами:

А).горения и расширения, за время которого совершается полезная работа перемещения поршня путем воздействия давления газов.

Б) смены заряда путем выпуска газа через выпускные органы и впуска свежего заряда через впускные органы;

С).сжатия воздуха, осуществляемого уменьшением объема надпоршневого пространства.

Основные понятия и определения

Сово­купность последовательных, периодически повторяющихся процессов в цилиндре двигателя называется рабочим циклом двигателя.

Изменения состояния рабочего тела за рабочий цикл называется рабочим процессом двигателя.

Изменение давления в цилиндре в течение рабочего цикла в зависимости от объема изображается индикатор­ной диаграммой рис.2.( а - четырехтактного, б- двухтактного)

Вращательное движение коленчатого вала двигателя осуществляется за счет возвратно-поступательного движения поршня через кривошипно-шатунный механизм (КШМ). Положение КШМ, при котором направление оси шатуна и кривошипа совпадают, называется мертвой точкой.

Мертвым точкам соответствуют крайние положения поршня в цилиндре (φ = 0⁰ п.к.в. и φ = 180⁰ п.к.в.).

Положение КШМ (φ = 0⁰ п.к.в.) при котором расстояние от поршня до оси коленчатого вала достигает максимума называется верхней (внутренней) мертвой точкой (в,м.т.).

Положение КШМ (φ = 180⁰ п.к.в.) при котором расстояние от поршня до оси коленчатого вала достигает минимума называется нижней (наружной) мертвой точкой (н,м.т.).

Тактом называется часть рабочего цикла, осуществляемая при движении поршня от одной крайней точки к другой.

По числу ходов поршня, необходи­мому для осуществления рабочего цикла, поршневые двигатели делятся на два типа:

- четырехтактные двигатели, в которых рабочий цикл совершается за четыре хода поршня или два оборота коленчатого вала т.е.720⁰ п.к.в.;

-двухтактные двигатели, в которых рабочий цикл совершается два хода поршня или один оборот коленчатого вала т.е.360⁰ п.к.в .

Расстояние между в,м.т. и н.м.т. называется ходом поршня-S.

При перемещении поршня между мертвыми точками меняется надпоршневой внутренний объём цилиндра. При этом характерными объёмами являются:

- надпоршневой внутренний объём цилиндра при положении поршня в в.м.т. называется объёмом камеры сжатия-V_C.

- надпоршневой внутренний объём цилиндра между в.м.т. и н.м.т.называется рабочим объёмом цилиндра-V_h.

V_h =

где: D- диаметр цилиндра.

-_. надпоршневой внутренний объём цилиндра при положении поршня в н.м.т.называется полным объёмом цилиндра-V_a.

V_a = V_C + V_h

Отношение полного объёма цилиндра- V_a к объёму камеры сжатия -V_C называется геометрической степенью сжатия:

Отношение объёма над поршнем, соответствующим закрытию впускных органов, к объему камеры сжатия - называется действительной степе­нью сжатия- ,

;

где: ψ- потерянная доля хода поршня.

От величины степени сжатия зависит степень использования теплоты сгорания топлива и другие параметры двигателя.

Рабочий цикл четырехтактного двигателя (см. рисунок 6,а)

Рабочий цикл четырехтактного двигателя осуществляется за два оборота коленчатого вала т.е. за 720⁰ .п.к.в, при этом поршень совершает четыре хода (такта).

Первый такт - впуск - поршень движется от в.м.т. к н.м.т., при этом цилиндр наполняется свежей порцией воздуха. На индикаторной диаграмме первому такту соответствует линия г-а.

Второй такт –сжатие- поршень движется от н.м.т. к в.м.т т. е. уменьшается объем цилиндра, повышается температура и давление Сжатие происходит в основном после закрытия впуск­ных клапанов. На диаграмме второму такту соответствует линия а-с.

Рисунок 6. Индикаторные диаграммы двигателей

а - четырехтактного б- двухтактного

Третий такт — горение и расширение — поршень движется от в.м.т. к н.м.т. В начале такта интенсивно сгорает топливо, посту­пившее в цилиндр и воспламенившееся в конце такта сжатия. Вследствие выделения большого количества теплоты резко повы­шается температура и давление газов в цилиндре. Под действием давления дальнейшего перемещения поршня и расширения газов совершается полезная работа. Поэтому третий такт называется также рабочим ходом. На индикаторной диаграмме третьему такту соответствует линия с-z-b.

Четвертый такт — выпуск — поршень движется от н.м.т. к в.м.т. и выталкивает отработавшие газы через открытый выпускной кла­пан. Выпускной клапан, имеющий так же, как и впускной, привод от распределительного вала, отрывается до н.м.т. (к концу третьего такта). Это способствует удалению части газа, имеющей высокое давление до н.м.т , и уменьшению сопротивления движению поршня.

Рабочий цикл двухтактного двигателя (см. рисунок 6,б).

Рабочий цикл двухтактного двигателя осуществляется за один оборот коленчатого вала т.е. за 360⁰ .п.к.в. или за два хода поршня( такта).

Если четырехтактный двигатель только половину времени, затраченного на цикл, рабо­тает как тепловой двигатель (такты сжатия и расширения), а остальное время работает как насос, то двухтактный работает как тепловой двигатель практически все время.

В двухтактномдвигателе очистка цилиндра от продуктов сгорания и наполнение их свежим зарядом (процесс газообмена) происходят только при движении поршня вблизи н.м.т. При этом цилиндр очищается от отработавших газов путем вытеснения их предварительно сжатым воздухом. Воздух сжимается в компрессоре, представляющем собой отдельный агре­гат, приводимый частично от коленчатого вала двигателя, частично от газовой турбины, работающей на выпускных газах.

Контрольные вопросы:

3. Какими основными процессами сопровождается работа любого теплового двигателя?

4. Что является рабочим телом паровой машины, паротурбинной установки, поршневого двигателя, газотурбинного двигателя, роторно- поршневого двигателя?

5. Какой двигатель называется поршневым двигателем, а какой тепловой турбиной.

7. Дайте определение понятиям: рабочий цикл и рабочий процесс двигателя?

8.Какие положения поршня называются:мертвой точкой, ВМТ и НМТ?

10.Что такое ход поршняичему он соответствует?

11. Приведите кинематическую схему и индикаторную диаграмму 4-х и тактного поршневого двигателя. Покажите на них - объём камеры сгорания, рабочий объём и полный объём.

12. Приведите кинематическую схему и индикаторную диаграмму 2-х и тактного поршневого двигателя. Покажите на них - объём камеры сгорания, рабочий объём и полный объём.

13. Дайте определение и приведите формулы: объём камеры сгорания –V_с ; полный объём цилиндра дизеля –V_а ; рабочий объём цилиндра –V_h..

14. Приведите эмпирическую формулу и дайте определение понятию степень сжатия.