Рабочие процессы, конструкция и основы расчета энергетических установок и транспортно-технологического оборудования

Вопрос 1. Рабочие процессы 4-хтактных ДВС.

Ответ 1. Двигатель, у которого цикл осуществляется за 4 хода поршня, называется 4-хтактным. Анализ рабочего процесса 4-хтактного ДВС осуществляют по индикаторной диаграмме, представляющей собой зависимость давления газов внутри цилиндра от перемещения поршня, или от изменения объема, или от угла поворота коленчатого вала. Все четыре такта ДВС имеют следующие названия: такт впуска, такт сжатия, такт рабочего хода, такт выпуска.

Такт впуска осуществляется при перемещении поршня от ВМТ к НМТ и сопровождается открытием впускных клапанов. При этом в цилиндре создается разряжение, создаваемое поршнем и осуществляется наполнение цилиндра свежим зарядом. В этом такте давление впуска Р_а=0,08¸0,09 МПа, а температура Т_а=313¸314 К (для бензиновых ДВС) и Т_а=323¸403 К (для дизелей). Такт впуска заканчивается при подходе поршня к НМТ и сопровождается закрытием впускных клапанов.

Такт сжатия происходит при движении поршня от НМТ к ВМТ при закрытых клапанах. В этом такте свежий заряд сжимается, давление увеличивается до Р_с=0,9¸1,5 МПа (для бензиновых ДВС) и Р_с=3,5¸6 МПа (для дизелей), температура Т_с=550¸750 К (для бензиновых ДВС) и Т_с=700¸900 К (для дизелей). Показатели процесса зависят от степени сжатия двигателя (e) равной отношению полного объема цилиндра к объему камеры сгорания. e = 6¸12 для бензиновых ДВС и e = 14¸24 для дизелей. В конце такта сжатия происходит подача искры (для бензиновых ДВС) или впрыск топлива (для дизелей) и начинается процесс сгорания, который сопровождается подъемом давления Р_z=3,5¸6,5 МПа (для бензиновых ДВС) и Р_z=6¸10 МПа (для дизелей) и ростом температуры Т_z=2400¸2800 К (для бензиновых ДВС) и Т_z=1800¸2300 К (для дизелей). Этот процесс характеризуется степенью повышения давления. l=3,6¸4,2 для бензиновых ДВС и l=1,4¸2,2 для дизелей и степенью предварительного расширения r=1,4¸1,8 (для дизелей).

Такт рабочего хода происходит при перемещении поршня от ВМТ к НМТ. Во время этого такта происходит основное сгорание топлива и расширение рабочего тела. В ходе этого такта осуществляется полезная работа. В конце такта давление Р_в=0,35¸0,5 МПа (для бензиновых ДВС) и Р_в=0,2¸0,4 МПа (для дизелей), а температура Т_в=1400¸1700 К (для бензиновых ДВС) и Т_в=1000¸1200 К (для дизелей). Этот такт характеризуется для бензиновых ДВС степенью сжатия, а для дизелей степенью последующего расширения d=9¸11.

Такт выпуска осуществляется при перемещении поршня от НМТ к ВМТ и сопровождается открытием впускных клапанов и понижением давления и температуры до Р_z=0,105¸0,12 МПа, Т_z=900¸1100 К (для бензиновых ДВС) и Р_z=0,105¸0,115 МПа, Т_z=700¸900 К (для дизелей).

Вопрос 2. Рабочие процессы 2-хтактных ДВС.

Ответ 2. Рабочие процессы 2-хтактных ДВС реализуются за 2 хода поршня между верхней и нижней мертвыми точками, что соответствует одному обороту коленчатого вала. Такому характеру работы 2-х тактные ДВС обязаны несколько иной, в отличие от 4-хтактных ДВС, конструкции тактов впуска и выпуска. Двухтактные двигатели, в отличие от 4-хтактных, не имеют впускных и выпускных клапанов. Процессы газообмена в них осуществляются через специальные щелевые каналы (окна).

Первый такт осуществляется в 2-хтактных ДВС при перемещении поршня от НМТ к ВМТ. При этом впуск начинается в тот момент, когда поршень заканчивает рабочий ход и открывает впускное окно при этом топливовоздушная смесь, ранее поступившая в подпоршневую полость, вытесняясь поршнем, поступает в камеру сгорания. При достижении поршнем НМТ начинается процесс наполнения камеры сгорания ДВС топливовоздушной смесью. Выпускное окно при этом перекрывается, а поршень начинает перемещаться от НМТ к ВМТ. При прохождении поршнем примерно ¼ хода поршня процесс наполнения заканчивается и начинается такт сжатия. В такте сжатия оба окна (впускное и выпускное) закрыты, цилиндр герметичен. Топливовоздушная смесь сжимается, что приводит к росту давления и температуры в цилиндре ДВС. Не доходя несколько градусов до ВМТ, в камеру сгорания ДВС подается искра, и начинается процесс сгорания топлива, который сопровождается ростом давления и температуры в цилиндре и интенсивным выделением теплоты.

При достижении ВМТ процесс горения вступает в основную фазу - начинается второй такт. Поршень под действием рабочего тела начинает совершать рабочий ход. В результате чего совершается полезная работа. В конце хода поршня от ВМТ к НМТ одновременно с процессом впуска начинается процесс выпуска отработавших газов, сопровождающийся продувкой камеры сгорания.

Отличительной особенностью 2-хтактных ДВС является то, что в первом такте совершается одновременно наполнение цилиндра и такт сжатия, а во втором такте происходит рабочий ход и процесс выпуска отработавших газов. Такая организация рабочих процессов позволяет увеличить в 2 раза мощность ДВС, однако из-за несовершенства процессов газообмена эти двигатели имеют повышенный расход топлива.

Вопрос 3. Основные эффективные показатели и механические потери ДВС.

Ответ 3. Во время работы ДВС часть его индикаторной мощности затрачивается на преодоление внутренних потерь, которые называются условными механическими потерями. При этом все остальные показатели, снимаемые с коленчатого вала двигателя, называются эффективными.

К эффективным показателям относятся: эффективная мощность (N_e), эффективный к.п.д. (h_е), удельный эффективный расход топлива (g_e), среднее эффективное давление (P_e), часовой расход топлива (G_T), средний эффективный момент (M_e).

Механические потери образуются потерями двигателя на трение, на привод вспомогательных механизмов (компрессора, насосов, генератора) и на насосные потери. К механическим потерям относят: мощность механических потерь (Р_м.п.), механический к.п.д. (h_м).

Средним эффективным давлением называется такое условное постоянное давление, при котором работа снимаемая с коленчатого вала двигателя за весь рабочий цикл равна работе совершенной за 1 ход поршня.

Р_е=Р_i – P_м.п., Мпа,