Реферат
по физике
Тема:
Четырехтактные двигатели
внутреннего сгорания.
Выполнил:
Ученик 9 «а» класса
Давыдов Святослав
Руководитель:
Учитель физики
Липчанская Екатерина Игоревна
г. Москва
2005 год
План:
1) Вступление.
2) Прогресс ДВС.
3) Разнообразие применения ДВС.
4) Классификация.
5) Принцип действия поршневого ДВС.
6) Внутреннее и внешнее смесеобразование.
7) Рабочий цикл четырехтактного ДВС.
8) Определение основных размеров двигателей.
9) Вывод.
Вступление
Я выбрал этот проект, потому что я с детства интересуюсь автомобилями, и эта тема для меня актуальна. При помощи этого проекта, я смогу больше узнать об автомобильных двигателях.
Прогресс ДВС
Область применения двигателей обширна. Большие объёмы применения приходятся на тракторостроение, ежегодно возрастает применение двигателей в автомобилестроении. В России около 50% локомотивов ж.-д. транспорта составляют тепловозы, т. е. локомотивы с двигателями, в США большинство локомотивов - тепловозы. В речном флоте теплоходы с двигателями и дизельэлектроходы практически вытеснили пароходы. Двигателями оборудуют самоходную военную технику (танки и ракетные установки). Широко применяют двигатели в качестве передвижных и стационарных энергетических установок в районах, удалённых от линий электропередач.
Совершенствование двигателей осуществляется путём повышения удельной мощности, частоты вращения, надёжности и долговечности, расширения ассортимента применяемых топлив (многотопливные двигатели).
Конструкции двигателей многообразны. Так, в России на маневровых тепловозах и судах применяют V-образные 12-цилиндровые двигатели с водяным охлаждением и газотурбинным наддувом. В качестве основных тепловозных двигателей используются вертикальные рядные 2-тактные двигатели с прямоточной продувкой. Наибольших размеров достигают судовые тихоходные двигатели: например, 2-тактный рядный с клапанно-щелевой продувкой фирмы "Бурмейстер ог Вайн" (Дания) имеет диаметр цилиндра 840 мм, ход поршня 1800 мм, массу 885 т, высоту 12,1 м. Судовые двигатели часто делают крейцкопфного типа. Двигатели иногда выполняют без коленчатых валов (свободнопоршневой генератор газа). Реже применяют W-образные и Х-образные двигатели, т. е. вместо 2 блоков цилиндров, как у V-образного, эти двигатели имеют 3 или 4 блока, а также двигатели звёздообразные с расположением цилиндров лучами и даже многозвёздные (блоки звёзд) до 42 цилиндров и более.
Двигатель внутреннего сгорания (ДВС) представляет собой тепловой двигатель, в котором химическая энергия топлива, сгорающего в рабочей полости, преобразуется в механическую работу.
Первый практически пригодный газовый ДВС был сконструирован французским механиком Этьенна Ленуаром (1860г). В 1876 году немецкий изобретатель Н. Отто построил более совершенный 4-тактный газовый ДВС. По сравнению с паромашинной установкой ДВС принципиально более прост, т. к. устранено одно звено энергетического преобразования - парокотельный агрегат. Это усовершенствование обусловило большую компактность ДВС, меньшую массу на единицу мощности, более высокую экономичность, но для него потребовалось топливо лучшего качества (газ, нефть).
Вокруг вопроса о том, кому принадлежит приоритет создания первого теплового двигателя, долго кипели страстные споры. Эти споры продолжаются и сейчас. Каждое изобретение имеет своих авторов, но включает опыт целого ряда предшествующих открытий и разработок. В этом деле были и фундаментальные изобретения. Но, как не известно, кто придумал колесо, так и неизвестно кто придумал поршень.
Если вода в котле паровой машины подогревалась извне, а получавшийся пар толкал поршень, то в двигателе французского изобретателя Ленуара поршень двигала энергия, выделявшаяся непосредственно при сгорании топлива. Это была революционная новинка - двигатель внутреннего сгорания, которому в будущем суждено было вытеснить громоздкие и куда менее эффективные паровые машины. Правда, одноцилиндровый, работавший на смеси светильного газа с воздухом, двигатель Ленуара был еще слабоват. Для его доработки и приведения к современному виду понадобилось еще примерно четверть века. Особая заслуга в этом принадлежит Отто и французу А. Бо де Роша.
В 1880-х гг. О. С. Костович в России построил первый бензиновый карбюраторный двигатель. В 1897 нем. инженер Р. Дизель, работая над повышением эффективности ДВС, предложил двигатель с воспламенением от сжатия. Усовершенствование этого ДВС на заводе Л. Нобеля в Петербурге ("Русский дизель") в 1898-99 позволило применить в качестве топлива нефть. В результате этого ДВС становится наиболее экономичным стационарным тепловым двигателем. В 1901 в США был разработан первый трактор с ДВС. Дальнейшее развитие автомобильных ДВС позволило братьям О. и У. Райт построить первый самолёт с ДВС, начавший свои полёты в 1903. В том же 1903 русские инженеры установили ДВС на судне "Вандал", создав первый теплоход. В 1924 году по проекту Я. М. Гаккеля в Ленинграде был создан первый удовлетворяющий практическим требованиям поездной тепловоз.
Разнообразие применения ДВС:
1. Отбойный молоток
, механический ручной инструмент ударного действия для отделения от массива некрепких горных пород, разрыхления мёрзлых грунтов, разборки бетонных фундаментов, асфальтовых и бетонных покрытий и т.п.
Исполнительный орган отбойного молотка - пика, долото или лопата в зависимости от вида выполняемых работ и характеристики разрушаемого массива. Боёк, перемещающийся в корпусе отбойного молотка с частотой 1000-1500 ударов в 1 мин, наносит удары по хвостовой части инструмента, энергия этих ударов используется для полезной работы. Отбойные молотки бывают пневматическими, электрическими и бензиновыми (с приводом от бензинового двигатель внутреннего сгорания). Двигатель внутреннего сгорания и топливные баки обычно встроены в корпус молотка. В связи с малыми габаритами и массой при значительной мощности, простоте конструкции и высокой надёжности распространение получили пневматические отбойные молотки. Электрические и бензиновые отбойные молотки отбойные молотки почти не применяются из-за большой массы и малой надёжности.
2. Подъёмный кран
, грузоподъёмная машина циклического действия с возвратно-поступательным движением грузозахватного органа; служит для подъёма и перемещения грузов. Цикл работы подъёмного крана состоит из захвата груза, рабочего хода для перемещения груза и разгрузки, холостого хода для возврата порожнего грузозахватного устройства к месту приёма груза. Движения подъёмного крана могут быть как рабочими, так и установочными для периодического изменения положения крана, стрелы и т.п. Основная характеристика подъёмного крана - грузоподъёмность, под которой понимают наибольшую массу поднимаемого груза, причём в случае сменных грузозахватных устройств их масса включается в общую грузоподъёмность.
Историческая справка.
Простейшие подъёмный краны, как и большинство грузоподъёмных машин, до конца 18 в. изготовлялись из деревянных деталей и имели ручной привод. К началу 19 в. ответственные, быстро изнашивающиеся детали (оси, колёса, захваты) стали делать металлическими. В 20-х гг. 19 в. появились первые цельнометаллические подъёмные краны сначала с ручным, а в 30-е гг. - с механическим приводом.
Первый паровой подъёмный кран создан в Великобритании в 1830, гидравлический - там же в 1847. Двигатель внутреннего сгорания был использован в 1895, а электрический двигатель в 1880-85 почти одновременно в США и Германии. Это были мостовые краны с одномоторным приводом. В 1890 созданы подъёмные краны с многомоторным индивидуальным приводом в США и Германии.
Изготовление подъёмного крана современного типа в России началось в конце 19 в. (Путиловский, Брянский, Краматорский, Николаевский и др. заводы). После Октябрьской революции 1917 г в СССР краностроение превратилось в крупную отрасль тяжёлого машиностроения со специализированными заводами.
3. Автомобильный двигатель.
Для автомобилей могут быть применены тепловые (внутреннего сгорания и паровые) и электрические двигатели. Подавляющее большинство Автомобильных двигателей являются поршневыми двигателями внутреннего сгорания (ПДВС). По рабочему процессу автомобильные ПДВС делятся на четырёх- и двухтактные, а по способу воспламенения горючего - на двигатели с искровым воспламенением (называемые также карбюраторными или бензиновыми) и с самовоспламенением в воздухе высокой температуры, сжимаемом в цилиндрах двигателя (дизели). В цилиндры карбюраторных ПДВС поступает горючая смесь, состоящая из паров бензина и воздуха, приготовляемая в карбюраторе. Существуют также ПДВС, которые не имеют карбюратора и снабжены устройством для непосредственного впрыскивания топлива во впускной трубопровод или в цилиндр двигателя. По характеру протекания рабочего цикла эти двигатели не отличаются от карбюраторных. У дизелей топливо с воздухом смешивается внутри цилиндров, в которые дизельное топливо впрыскивается в распылённом виде через форсунки насосом высокого давления. Автомобильные двигатели различаются по числу и расположению цилиндров (рядные, V-образные и др.), расположению клапанов (верхнее и нижнее), рабочему объёму (литражу) цилиндров, типу охлаждения (жидкостное и воздушное), по назначению и т. п. Для современных легковых, а также малых и средних грузовых автомобилей применяются преимущественно четырёхтактные верхнеклапанные карбюраторные ПДВС с жидкостным охлаждением. Дизели, работающие на более дешёвом, чем бензин, топливе и превосходящие карбюраторные двигатели по топливной экономичности и долговечности (но уступающие им по простоте конструкции и первоначальной стоимости, литровой мощности, пусковым качествам, бездымности работы), используются преимущественно для тяжёлых грузовых автомобилей и многоместных автобусов. Однако по таким важным параметрам, как удельная масса (кг/кВт или кг/л∙с), компактность, бесшумность, современные быстроходные дизели вплотную приблизились к карбюраторным двигателям. В связи с этим благодаря повышению литровой мощности, дизели в последнем десятилетии стали применяться также на лёгких грузовых автомобилях и даже на легковых автомобилях.
Классификация.
Из всех ДВС подробнее рассмотрим поршневые, т.к. они наиболее используемы в современной технике и в нашей жизни вообще.
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.
Выделим классификацию поршневых двигателей внутреннего сгорания (рис.1.1):
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.
Наиболее интересными для нашей работы являются ДВС, работающие на смешанном топливе. 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.
2. 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.
Принцип действия поршневого ДВС:
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
Объем цилиндра, образуемый поршнем при его перемещении между мертвыми точками, называется рабочим объемом цилиндра
Объем надпоршневого пространства при положении поршня в НМТ называют полным объемом цилиндра.
Рис 1.2. Схема поршневого двигателя внутреннего сгорания
Внутреннее и внешнее смесеобразование.
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.
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 ко
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.
| Параметр сравнения |
Внешнее смесеобразование |
Внутреннее смесеобразование |
| Место смесеобразования |
Топливо и воздух перемешиваются вне цилиндра |
Мелко распыленное топлива перемешивается с воздухом в цилиндре |
| Чем наполнен цилиндр |
Готовая горючая смесь |
Топливовоздушная смесь |
| Причина воспламенения смеси |
Электрической искры |
Самовоспламенение топлива вследствие сжатия |
| Плюсы |
Хорошее смесеобразование |
Более высокий КПД |
| Минусы |
Плохая экономичность, усложненная конструкция |
Не полное сгорание топлива |
Сравнение внутреннего и внешнего смесеобразования:
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 впускного отверстия, за 10–30° до ВМТ.
|
Рис. 1.4. Впуск |
Камера сгорания заполнена продуктами сгорания от предыдущего процесса, давление которых несколько больше атмосферного. На индикаторной диаграмме начальному положению поршня соответствует точка r. При вращении коленчатого вала (в направлении стрелки) шатун перемещает поршень к НМТ, а распределительный механизм полностью открывает впускной клапан и соединяет надпоршневое пространство цилиндра двигателя с впускным трубопроводом. В начальный момент впуска клапан только начинает подниматься и впускное отверстие представляет собой круглую узкую щель высотой в несколько десятых долей миллиметра. Поэтому в этот момент впуска горючая смесь (или воздух) в цилиндр почти не проходит. Однако опережение открытия впускного отверстия необходимо для того, чтобы к моменту начала опускания поршня после прохода им ВМТ оно было бы открыто возможно больше и не затрудняло бы поступления воздуха или смеси в цилиндр. В результате движения поршня к НМТ цилиндр заполняется свежим зарядом (воздухом или горючей смесью). При этом вследствие сопротивления впускной системы и впускных клапанов давление в цилиндре становится на 0.01–0.03 МПа меньше давления во впускном трубопроводе.
|
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 трубопроводе.
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.
На воспламенение и процесс сгорания топлива как при внешнем, так и при внутреннем смесеобразовании требуется некоторое время, хотя и очень незначительное. Для наилучшего использования теплоты, выделяющейся при сгорании, необходимо, чтобы сгорание топлива заканчивалось при положении поршня, возможно близком к ВМТ. Поэтому воспламенение рабочей смеси от электрической искры в двигателях с внешним смесеобразованием и впрыск топлива в цилиндр двигателей с внутренним смесеобразованием обычно производятся до прихода поршня в ВМТ.
|
Рис 1.5. Сжатие |
Давление и температура газов при этом повышаются, и при некотором перемещении поршня от НМТ давление в цилиндре становится одинаковым с давлением впуска (точка т
Таким образом, во время второго такта в цилиндре в основном производится сжатие заряда. Кроме того, в начале такта продолжается зарядка цилиндра, а в конце начинается сгорание топлива. На индикаторной диаграмме второму такту соответствует линия ас.
|
Третий такт – сгорание и расширение.
Третий такт происходит при ходе поршня от ВМТ к НМТ (рис. 1.6). В начале такта интенсивно сгорает топливо, поступившее в цилиндр и подготовленное к этому в конце второго такта.
|
Рис. 1.6. Расширение |
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.
|
Четвертый такт – выпуск.
Во время четвертого такта происходит очистка цилиндра от выпускных газов (рис. 1.7).
Поршень, перемещаясь от НМТ к ВМТ, вытесняет газы из цилиндра через открытый выпускной клапан. В четырехтактных двигателях открывают выпускное отверстие на 40–80° до прихода поршня в НМТ (точка b) и закрывают его через 20-40° после прохода поршнем ВМТ. Таким образом, продолжительность очистки цилиндра от отработавших газов составляет в разных двигателях от 240 до 300° угла поворота коленчатого вала.
Процесс выпуска можно разделить на предварение выпуска, происходящее при опускающемся поршне от момента открытия выпускного отверстия (точка b) до НМТ, т. е. в течение 40–80°, и основной выпуск, происходящий при перемещении поршня от НМТ до закрытия выпускного отверстия, т. е. в течение 200–220° поворота коленчатого вала. Во время предварения выпуска поршень опускается, и удалять из цилиндра отработавшие газы не может. Однако в начале предварения выпуска давление в цилиндре значительно выше, чем в выпускном коллекторе. Поэтому отработавшие газы за счет собственного избыточного давления с критическими скоростями выбрасываются из цилиндра. Истечение газов с такими большими скоростями сопровождается звуковым эффектом, для поглощения которого устанавливают глушители. Критическая скорость истечения отработавших газов при температурах 800 –1200 К составляет 500–600 м/сек. При подходе поршня к НМТ давление и температура газа в цилиндре понижаются и скорость истечения отработавших газов падает. Когда поршень подойдет к НМТ, давление в цилиндре понизится. При этом критическое истечение окончится и начнется основной выпуск. Истечение газов во время основного выпуска происходит с меньшими скоростями, достигающими в конце выпуска 60–160 м/сек. Таким образом, предварение выпуска менее продолжительно, скорости газов очень велики, а основной выпуск примерно в три раза продолжительнее, но газы в это время выводят из цилиндра с меньшими скоростями. Поэтому количества газов, выходящих из цилиндра во время предварения выпуска и основного выпуска, примерно одинаковы.
|
Рис. 1.7. Выпуск |
По мере уменьшения частоты вращения двигателя уменьшаются все давления цикла, а, следовательно, и давления в момент открытия выпускного отверстия. Поэтому при средних частотах вращения сокращается, а при некоторых режимах (при малых оборотах) совершенно пропадает истечение газов с критическими скоростями, характерными для предварения выпуска. Температура газов в трубопроводе по углу поворота кривошипа меняется от максимальной в начале выпуска до минимальной в конце. Предварение открытия выпускного отверстия несколько уменьшает полезную площадь индикаторной диаграммы. Однако более позднее открытие этого отверстия вызовет задержку газов с высоким давлением в цилиндре и на их удаление при перемещении поршня придется затратить дополнительную работу. Небольшая задержка закрытия выпускного отверстия создает возможность использования инерции выпускных газов, ранее вышедших из цилиндра, для лучшей очистки цилиндра от сгоревших газов. Несмотря на это, часть продуктов сгорания неизбежно остается в головке цилиндра, переходя от каждого данного цикла к последующему в виде остаточных газов. На индикаторной диаграмме четвертому такту соответствует линия zb.
|
Четвертым тактом заканчивается рабочий цикл. При дальнейшем движении поршня в той же последовательности повторяются все процессы цикла.
Только такт сгорания и расширения является рабочим, остальные три такта осуществляются за счет кинетической энергии вращающегося коленчатого вала с маховиком и работы других цилиндров.
Чем полнее будет очищен цилиндр от выпускных газов и чем больше поступит в него свежего заряда, тем больше, следовательно, можно будет получить полезной работы за цикл. Для улучшения очистки и наполнения цилиндра выпускной клапан закрывается не в конце такта выпуска (ВМТ), а несколько позднее (при повороте коленчатого вала на 5–30° после ВМТ), т. е. в начале первого такта. По этой же причине и впускной клапан открывается с некоторым опережением (за 10–30° до ВМТ, т. е. в конце четвертого такта). Таким образом, в конце четвертого такта в течение некоторого периода могут быть открыты оба клапана. Такое положение клапанов называется перекрытием клапанов.
Оно способствует улучшению наполнения.
Из рассмотрения четырехтактного цикла работы следует, что четырехтактный двигатель только половину времени, затраченного на цикл, работает как тепловой двигатель (такты сжатия и расширения). Вторую половину времени (такты впуска и выпуска) двигатель работает как воздушный насос.
Определение основных размеров двигателей.
Основными конструктивными размерами ДВС, определяющими его габариты, массу, стоимость, срок службы и другие показатели, являются диаметр цилиндра и ход поршня.
Такой способ определения основных размеров двигателя базируется на обоснованном выборе величины отношения хода поршня к диаметру цилиндра, числа цилиндров и частоты вращения коленчатого вала двигателя. При выборе отношения y необходимо учитывать, что снижение y имеет преимущества и недостатки.
Преимущества:
Позволяет обеспечить умеренную скорость поршня при высоких оборотах и несколько повысить механический КПД.
Снижает износ цилиндро-поршневой группы.
Повышает коэффициент наполнения.
Повышает индикаторный КПД.
Понижает высоту и вес двигателя.
Недостатки:
Ухудшается форма камеры сгорания.
Увеличиваются усилия на поршень.
Увеличивается габаритная длина двигателя.
Для современных ДВС значение y = 0.8–1.3
Повышение частоты вращения коленчатого вала позволяет при прочих равных условиях уменьшить рабочий объем двигателя, следовательно, его габариты и массу. Однако при этом возрастают средняя скорость поршня и силы инерции движущихся масс двигателя, снижается механический КПД и экономичность, возрастают требования к топливоподающей аппаратуре дизелей.
Вывод:
В результате проделанной работы я многое для себя узнал о двигателях внутреннего сгорания, и о том, какие они бывают, и чем отличаются. Так же собрал и разъяснил материал на эту тему, тем самым создав что то вроде пособия для ознакомления.