Тепловые машины жд - Двигатели внутреннего сгорания

Раздел восьмой
ДВИГАТЕЛИ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
Глава I
ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

§ 8-1. Классификация двигателей внутреннего сгорания

Для классификации двигателей используются следующие основные признаки:

1. Число ходов (тактов) поршня, образующих один цикл.
2. Способ образования рабочей смеси:

а)   вне цилиндра в специальном приборе — карбюраторе у двигателей бензиновых и керосиновых или в газосмесителе у газовых;
б)   внутри цилиндра с помощью насоса, впрыскивающего топливо через форсунку в цилиндр двигателя (дизели).

1. Степень сжатия — низкого сжатия, если ε = 4-10, высокого сжатия, если ε = 12-18.
2. Быстроходность двигателя, определяемую по средней скорости поршня ст м/с. Обозначая S —ход поршня, м; п — частоту вращения коленчатого вала двигателя в минуту, получим

Считают ст = 3-5 м/с — двигатель тихоходный, ст = 6-8 м/с — повышенной быстроходности, ст=10—12 м/с — быстроходный. Следует учитывать, что при малом ходе поршня, но повышенной частоте вращения двигатель будет только многооборотным, но не быстроходным, так же как и малооборотный двигатель, имеющий большой ход поршня, может быть быстроходным.

1. Размещение цилиндров — вертикальное, горизонтальное, двухрядное, звездообразное и др.
2. Использование двигателя — автомобили и тракторы, тепловозы, суда, стационарные и передвижные электростанции. Однако следует иметь в виду, что в связи с широко применяемой унификацией в двигателестроении разделение двигателей по признаку их использования является весьма условным. Например, на некоторых судах используются двигатели, устанавливаемые также и на тепловозах. Для передвижных электростанций во многих случаях применяют двигатели автотракторного типа.
3. Способ заполнения цилиндра двигателя воздухом. В случае нагнетания воздуха в цилиндр специальной воздуходувкой при давлении несколько выше атмосферного — двигатель с наддувом и без наддува, когда в результате перемещения поршня в цилиндре возникает давление меньше атмосферного и воздух из окружающей среды поступает в цилиндр (всасывание).
4. Охлаждение двигателя: жидкостное (водяное) или воздушное.

Рис. 8-1. Схема устройства четырехтактного двигателя

§ 8-2. Принцип работы и индикаторный процесс двигателей внутреннего сгорания

Ранее рассмотренные теоретические циклы двигателей внутреннего сгорания (§ 1-15) предполагают использование обратимых процессов, осуществляемых с 1 кг идеального газа, не претерпевающих химических изменений.
Действительный цикл состоит из необратимых процессов, рабочим телом является реальный газ и его химический состав изменяется в результате сгорания топлива. Поэтому необходимо систематически освобождать цилиндр от отработавших газов и заполнять его топливом и воздухом таким образом, чтобы сгорание топлива было полным.
Перечисленные факторы определяют характер действительного цикла, условия его осуществления, принцип работы и конструктивные особенности двигателей внутреннего сгорания.
Действительный цикл может быть закончен за четыре или два хода поршня. В первом случае двигатели называются четырехтактными, во втором — двухтактными.
Четырехтактный двигатель высокого сжатия — дизель (рис. 8-1) имеет: рабочий цилиндр 1 с охлаждающей рубашкой 2, где циркулирует вода. Внутри цилиндра помещен поршень 3 с поршневым пальцем 4. Для преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное поршень и коленчатый вал 6 соединены шатуном 5. На конце вала укреплен маховик (показан штрихом). В цилиндровой крышке 15 размещены впускной клапан 13, форсунка 12 и выпускной клапан 10. Через клапан 13 внутрь цилиндра поступает воздух. Топливо впрыскивается в цилиндр насосом 16 через форсунку 12.
Открытие клапанов происходит под воздействием коромысел 11, толкателей (штанг) 9, опирающихся на кулачковые шайбы 8, размещенные на распределительном валу 7. Закрытие всасывающего и выпускного клапанов происходит под воздействием пружин 14. Перечисленные детали, управляющие впуском воздуха в цилиндр и удалением из него продуктов сгорания, образуют систему газораспределения, получающую во время работы движение от коленчатого вала двигателя.
Для предохранения цилиндра и цилиндровой крышки от перегрева и уменьшения работы трения двигатель оборудован системой охлаждения и смазки. Кроме того, двигатель имеет регулятор частоты вращения коленчатого вала и устройство для пуска в работу.
Во время работы двигателя процессы идут в следующем порядке.
При перемещении поршня вниз открывается клапан 13 и воздух из окружающей среды поступает внутрь цилиндра. Процесс 0—1 (рис. 8-2), занимающий первый ход поршня, называется тактом впуска. При втором ходе поршня, или такте, воздух сжимается в процессе 1—2. В конце сжатия насос через форсунку впрыскивает мелкораспыленное топливо в цилиндр. Топливо, попадая в среду высоконагретого воздуха, воспламеняется и на участке 2—3 сгорает. Вследствие этого давление газов в цилиндре повышается, вынуждая поршень двигаться вниз. В период сгорания топлива его химическая энергия преобразовывается в тепло, которое в процессе расширения 3—4 переходит в механическую работу перемещения поршня. Поэтому третий ход поршня называется рабочим тактом. В конце расширения открывается выпускной клапан 10 и отработавшие газы устремляются в выпускной коллектор. В это время поршень, пройдя н. м. т., движется вверх, вытесняет продукты сгорания в процессе 4—0 из цилиндра при давлении, несколько превышающем давление атмосферы. Четвертый ход поршня заканчивает цикл четырехтактного двигателя.
В рабочем такте энергия расширяющихся газов передается с помощью шатунно-кривошипного механизма на коленчатый вал, снабженный устройством для съема мощности и маховиком. Маховик аккумулирует часть энергии газов, которая расходуется на вспомогательные процессы, т. е. всасывание, сжатие и выпуск газов.
За один цикл коленчатый вал делает два оборота, а поршень — четыре хода, при этом всасывающий клапан должен быть открыт в продолжение начального хода поршня первого оборота вала, а выпускной — при окончании второго оборота вала. Поэтому число оборотов кулачков распределительного вала, открывающих клапаны, должно быть в 2 раза меньше числа оборотов коленчатого вала.
Это достигается постановкой механизма передачи между коленчатым и распределительным валами с передаточным числом 2:1.
У четырехтактного двигателя рабочих ходов будет в 2 раза меньше числа оборотов вала, это соотношение называется коэффициентом такт- нос т и, в данном случае он равен 2/2.

Рис. 8-2. Графики процесса четырехтактного двигателя

Рис. 8-3. Схема устройства карбюраторного двигателя

В четырехтактном двигателе низкого сжатия (карбюраторном) (рис. 8-3) при пуске специальным устройством вращающийся коленчатый вал 19, находящийся в картере 1, приводит в движение детали системы газораспределения и зажигания рабочей смеси через шестерни 15 и 2, укрепленные на распределительных валиках 14,18. В это же время перемещаются шатун 17 и поршень 20. Развитие индикаторного процесса происходит в следующей последовательности.
При движении поршня 20 вниз кулачок 13, сжимая пружину 11, поднимает толкатель 12 и всасывающий клапан 10. Вследствие разрежения внутри цилиндра 16 воздух из окружающей среды устремляется в патрубок карбюратора 9, смешивается с парами бензина или керосина и по трубе 8 в продолжение первого такта поступает в цилиндр. Во втором такте поршень движется вверх и сжимает горючую смесь. Перед окончанием сжатия в электросвече 7 появляется искра, воспламеняющая смесь. Возросшее давление газов в третьем, рабочем, такте перемещает поршень вниз. В начале четвертого такта кулачок 3 приподнимает толкатель 4 и выпускной клапан 5, через который поршень выталкивает продукты сгорания из цилиндра через трубу 6 в атмосферу. Цилиндр и его крышка охлаждаются водой.

§ 8-3. Фазы газораспределения. Факторы, определяющие величину фаз

График процессов, происходящих в цилиндре двигателя, записанный специальным прибором (индикатором), называется индикаторной диаграммой двигателя. На индикаторной диаграмме  фиксируется действительный цикл, который в отличие от теоретического имеет процессы всасывания и выпуска газов, протекающие при переменных давлении, количестве и качестве рабочего тела. Процессы сжатия и расширения имеют не адиабатический, а политропический характер.
Положение поршня, если он максимально удален от коленчатого вала, называется при горизонтальном расположении цилиндра внутренней, а при вертикальном — верхней мертвой точкой (в. м. т.). Если же поршень максимально приближен к коленчатому валу, то он находится в наружной или в нижней мертвой точке (н. м. т.).
В теоретическом цикле продолжительность отдельных процессов принимается равной времени перемещения поршня между мертвыми точками. В действительности границы процессов не совпадают с моментом перехода поршня через мертвые точки (см. рис. 8-2). Выпускной клапан открывается в точке а до прихода поршня в н. м. т. Благодаря этому снижается давление газов в процессе выпуска, что уменьшает работу на их выталкивание. Угол поворота коленчатого вала с момента открытия выпускного клапана до н. м. т. называется углом опережения открытия выпускного клапана.
Для более полного удаления продуктов сгорания из цилиндра выпускной клапан закрывается в точке b после перехода поршнем н. м. т. Угол поворота коленчатого вала от в. м. т. до момента закрытия выпускного клапана называется углом запаздывания закрытия выпускного клапана.
Чтобы достигнуть большего наполнения цилиндра свежим зарядом, впускной клапан открывается в точке с до прихода поршня в в. м. т. Предварение открытия клапана, выраженное в градусах угла поворота коленчатого вала от момента открытия клапана до в. м/ т., называется углом опережения открытия впускного клапана. 

Рис. 8-4. Диаграмма газораспределения четырехтактного двигателя

По этой же причине закрытие впускного клапана происходит в точке d после перехода поршнем н. м. т. Угол поворота коленчатого вала от н. м. т. до момента закрытия впускного клапана называется углом запаздывания закрытия впускного клапана.
Для смесеобразования и сгорания топлива в цилиндре двигателя высокого сжатия (дизеля) требуется некоторое время. У двигателей низкого сжатия время необходимо для сгорания смеси, поступившей в цилиндр. Поэтому у дизелей устанавливается угол предварения подачи топлива в цилиндр (точка е), у карбюраторных двигателей — угол опережения зажигания смеси (см. § 8-17).
Величина углов определяется заводом-изготовителем для каждого типа двигателя расчетным и опытным путями. Пользуясь величинами углов, строят круговую диаграмму газораспределения (рис. 8-4).
Продолжительность процессов, как это видно из диаграммы газораспределения, не соответствует 180° поворота коленчатого вала. Длительность процесса впуска, измеряемая в градусах поворота вала, равна α1+180°+α2, процесса выпуска газов соответственно β1 + 180° + β2. Вследствие этого часть процесса — выпуск газов перед его окончанием—совпадает с начальной стадией процесса впуска. В это время клапаны — впускной и выпускной — открыты. Угол поворота вала, равный сумме α1+β1, когда открыты оба клапана, измеренный в градусах, называется углом перекрытия.
В период перекрытия вследствие инерционного движения массы отработавших газов в выпускной патрубок через цилиндр двигателя проходит свежий воздух, который увлекает с собой продукты сгорания. Благодаря продувке в период перекрытия продукты сгорания могут быть полностью удалены из цилиндра.

Рис. 8-5. Схема устройства двухтактного двигателя

Рис. 8-6. Индикаторная диаграмма двухтактного двигателя

Схема устройства двухтактного двигателя с воспламенением от сжатия показана на рис. 8-5. Фазы газораспределения осуществляются поршнем двигателя. Цилиндр имеет выпускные отверстия — окна 1 для удаления продуктов сгорания и продувочные окна 2 для заполнения его свежим воздухом. Топливо впрыскивается в цилиндр насосом 3 через форсунку 4, установленную в крышке цилиндра.
Сжатие воздуха в цилиндре начинается с момента перекрытия верхней кромки выпускных окон 1 поршнем, движущимся вверх. На индикаторной диаграмме двухтактного двигателя (рис. 8-6) начало сжатия воздуха отмечено точкойd. В точнее в цилиндр впрыскивается топливо. В результате его сгорания на участке е — z давление газов в цилиндре повышается иг поршень движется вниз, совершая рабочий ход.
В точке а поршень открывает выпускные окна, через которые отработавшие газы направляются в выпускную трубу.
В процессе а — b вследствие начавшегося выпуска газов давление в цилиндре снижается, поэтому при открытии поршнем продувочных окон в точке b воздух из нагнетателя поступает в цилиндр при давлении немного больше атмосферного. На участке b—с при открытых продувочных и выпускных окнах происходит продувка цилиндра и заполнение его воздухом для следующего цикла, начинающегося в точке d.

Рис. 8-7. Цилиндр двухтактного двигателя Д100

Описанная схема очистки цилиндра от продуктов сгорания называется щелевой поперечной продувкой.
У двухтактного двигателя сжатие начинается с момента закрытия выпускных окон, поэтому часть хода поршня, равная высоте выпускных окон, является потерянной для процесса сжатия. Вследствие этого отношение суммарного объема камеры сгорания Vc и объема описываемого поршнем после закрытия выпускных окон, к объему камеры сгорания, т. е. (Vc + Vh): Vc, называется действительной степенью сжатия в отличие от геометрической степени сжатия, равной (Vc + Vh) : Vc.
На рис. 8-7 показана схема цилиндра двухтактного двигателя Д100, устанавливаемого на тепловозах ТЭЗ и электростанциях. В цилиндре двигателя имеются два поршня, двигающихся во время работы в противоположных направлениях. Поршни Соединены шатунами с верхним и нижним коленчатыми валами.

Рис. 8-8. Диаграмма газораспределения двухтактного двигателя 2Д100
При сближении поршней происходит сжатие воздуха, перед окончанием сжатия в цилиндр через две форсунки 2 впрыскивается топливо; в период его горения поршни проходят через в. м. т. и под давлением газов расходятся. Колена верхнего и нижнего валов установлены так, чтобы нижний поршень, управляющий выпуском отработавших газов, при движении несколько опережал верхний. Поэтому выпускные окна 1 открываются несколько раньше продувочных. Верхний поршень перекрывает продувочные окна 3. При открытых окнах 3 воздух из нагнетателя входит в цилиндр и направляется вниз, выталкивая отработавшие газы в выпускной коллектор; одновременно цилиндр заполняется воздухом для следующего цикла.
Такой тип продувки называется прямоточно-щелевым и характеризуется высокой степенью очистки цилиндра от продуктов сгорания.
Полный цикл двухтактного двигателя происходит за один оборот коленчатого вала, т. е. за два хода поршня, из которых один является рабочим (рис. 8-8). Следовательно, число рабочих ходов равно частоте вращения коленчатого вала, поэтому коэффициент тактности двухтактного двигателя равен единице.

§ 8-4. Порядок работы цилиндров многоцилиндрового двигателя

Мощность одного цилиндра многоцилиндрового двигателя называется цилиндровой, мощность всех цилиндров — агрегатной. Современные двигатели строятся с числом цилиндров до 24. Для наибольшей равномерности нагрузки коленчатого вала многоцилиндрового двигателя необходимо, чтобы рабочие такты в цилиндрах повторялись в определенной последовательности, которая называется порядком работы цилиндров.
Порядок работы цилиндров зависит от числа цилиндров двигателя и его тактности, при этом последовательно работающие цилиндры не должны стоять рядом.
Полный цикл у четырехтактного двигателя осуществляется за два оборота вала, т. е. за 720°, у двухтактного — за 360°. Для того чтобы в любой момент вал двигателя принимал некоторое постоянное усилие от воздействия газов на поршень, колена вала необходимо смещать относительно друг друга на угол а, величина которого зависит от числа цилиндров и тактности двигателя и равна цикловой продолжительности поворота вала в градусах, отнесенной к числу цилиндров. Следовательно, для четырехтактного двигателя а = 720° : z, для двухтактного а = 360° : z.
Определим порядок работы цилиндров, расположенных в один ряд четырехтактного четырехцилиндрового двигателя. В этом случае а = 720° : 4 = 180°. Вал имеет конфигурацию (рис. 8-9), при которой поршни 1 и 4 перемещаются в направлении, противоположном движению поршней 2 и 3. Получающееся при этом чередование процессов в цилиндрах показано на рис. 8-9.
В первом цилиндре первый такт — рабочий ход, поршень перемещается вниз. Поршень второго цилиндра движется вверх, при этом из двух возможных процессов сжатие и выпуск примем выпуск. Тогда поршень третьего цилиндра, также перемещающийся вверх, должен осуществлять сжатие. В четвертом цилиндре поршень движется вниз одновременно с поршнем первого цилиндра, производящим рабочий ход, поэтому в четвертом цилиндре должен быть впуск. Чередование процессов в последующих тактах всех цилиндров определяется цикловой последовательностью. На рис. 8-9 видно, что процессы расширения будут проходить в цилиндрах в следующем порядке: 1—3—4—2. Если во втором цилиндре в первом такте принять вместо процесса выпуска сжатие, то порядок работы цилиндров изменится и будет 1 — 2—4—3.
Следовательно, для четырехтактного четырехцилиндрового однорядного двигателя возможны два порядка работы.
У четырехтактного шестицилиндрового дизеля угол смещения колен вала равен 720° : 6= 120°, из возможных в этом случае шести порядков работы выбран 1—3—5—6—4—2.
Двухтактный двигатель Д100 имеет 10 цилиндров, поэтому угол смещения колен вала 360° : 10—36°, порядок работы принят 1—6— 10—2—4—9—5—3—7—8.
Нумерация цилиндров дизель-генераторных установок принимается в направлении к генератору.


Рис. 8-9. Схема порядка работы ци линдров четырехтактного двигателя

§ 8-5. Среднее индикаторное давление. Индикаторная и эффективная мощность двигателя

За один цикл газ совершает работу представленную на индикаторной диаграмме (рис. 8-10) площадью, ограниченной линиями сжатия, сгорания и расширения. Площадь, заключенная между линиями всасывания и выпуска, является отрицательной работой, затраченной на преодоление гидродинамических сопротивлений, возникающих во всасывающей и выпускной системах. Работа, поглощаемая гидродинамическими сопротивлениями, называется насосной потерей, уменьшающей полезную работу Li. В ряде случаев насосные потери не учитываются вследствие малой их величины по сравнению с Li.
Чтобы вычислить индикаторную работу за цикл, переменное давление расширяющихся газов на поршень заменяют постоянным средним давлением, которое получается при делении площади диаграммы на ее длину, равную отрезку абсциссы между мертвыми точками. Принимая для ординаты масштаб а, Н/м² на 1 мм, для абсциссы b, м³, получим масштаб площади Fab, Нм или Дж.
Среднее давление, вычисленное с учетом масштабов, называется средним индикаторным давлением рi. Графически среднее индикаторное давление представляет собой ординату прямоугольника, площадь которого равновелика площади индикаторной диаграммы. Следовательно,
(8-1)
Величина а является масштабом пружины индикатора, перемещающей совместно с поршнем индикатора карандаш по вертикали.
Длина диаграммы пропорциональна объему, описываемому поршнем Vh, площадь F эквивалентна индикаторной работе поэтому, заменяя F и I в формуле (8-1), получим:

Мощность, развиваемая газами в цилиндре, называется индикаторной, обозначается Ni и равна

Обозначая
D — диаметр цилиндра, м;
S — ход поршня, м;
п — частота вращения вала двигателя, об/мин;
τ — тактность двигателя (для четырехтактных τ = V2, для двухтактных τ — 1),

Рис. 8-10. Определение среднего индикаторного давления 

Сопоставление полученных формул четырех- и двухтактного двигателей показывает, что мощность двухтактного двигателя должна превышать мощность четырехтактного в 2 раза. В действительности вследствие уменьшения рабочего объема цилиндра двухтактного двигателя на величину, зависящую от длины выпускных окон, его мощность по сравнению с мощностью четырехтактного будет больше только в 1,5— 1,6 раза.
Мощность многоцилиндрового двигателя равна цилиндровой мощности, умноженной на число цилиндров.
Шатунно-кривошипный механизм двигателя передает мощность, развиваемую газами в цилиндре, на коленчатый вал. Мощность на валу двигателя Ne называется эффективной. Вследствие потери энергии на трение в перемещающихся деталях двигателя эффективная мощность меньше индикаторной. Отношение эффективной мощности к индикаторной называется механическим к. п. д. двигателя ηΜ, оценивающим величину потерь на трение. Следовательно,

Если Ne — мощность двигателя, имеющего z цилиндров, тогда:

Отношение массы двигателя G кг к его мощности называется удельной массой двигателя, отсюда
(8-6)
Литровая мощность и удельная масса используются для сравнения и оценки двигателей. Из формулы (8-6) следует, что при одном и том же Vh и z масса двигателя уменьшается с увеличением литровой мощности. Снижение массы тепловозного двигателя особенно желательно, так как наряду с уменьшением металлоемкости и габаритов двигателя уменьшается балластная масса локомотива. Для повышения литровой мощности без изменения размеров цилиндров и их числа увеличивают частоту вращения вала двигателя и среднее эффективное давление. При этом, однако, учитывается, что повышение частоты вращения уменьшает время, приходящееся на один цикл и каждый его элемент. Поэтому, чтобы процесс сгорания не ухудшился, повышаются требования к качеству топлива.
Кроме того, с увеличением частоты вращения средняя скорость поршняповышается, что ускоряет износ двигателя и
сокращает межремонтный период (моторесурс) двигателя.
По указанным причинам высокую частоту вращения не применяют. У большинства отечественных дизелей мощностью больше 750 кВт она не превышает 1000 об/мин.
Средние скорости поршня равны 7,2—10 м/с.