1. Види поршневих двигунів
2. Принципове пристрій двигуна внутрішнього згоряння
3. Реальний цикл роботи поршневого двигуна
4. Відмінність реального циклу ДВС від ідеального циклу
5. Ефективність реальних циклів ДВС

Види поршневих двигунів

Всі теплові двигуни поршневого типу класифікуються на дві основні групи - двигуни зовнішнього згоряння і двигуни внутрішнього згоряння. Принципова відмінність між цими групами теплових двигунів розкривається в їх назві - в двигунах зовнішнього згоряння (до таких належать парові двигуни) робоче тіло (вода-пар) отримує тепло поза двигуном, і вже нагрітим надходить в циліндр для перетворення теплоти в корисну роботу.

У двигунах внутрішнього згоряння процес підведення теплоти до робочого тіла здійснюється безпосередньо в циліндрі двигуна. При цьому відбуваються фізико-хімічні перетворення робочого тіла.

Робочим тілом в двигунах внутрішнього згоряння (далі - ДВС) є на початку повітря або суміш повітря з паливом, а в кінці - суміш газів, що утворилася при згорянні палива. Теплота до робочого тіла підводиться від палива, що спалюється всередині циліндрів двигуна, в яких розширюється від нагрівання газ переміщує поршень.
Отримана газом енергія частково витрачається на вчинення механічної роботи, інша частина віддається навколишньому середовищу або витрачається на подолання різних опорів, в першу чергу - сил тертя.

За способом приготування горючої суміші всі ДВС поділяються на дві групи: з зовнішнім і внутрішнім сумішоутворенням.

До двигунів із зовнішнім сумішоутворенням відносяться карбюраторні і газові двигуни . Робоча суміш у них готується в спеціальному пристрої - карбюраторі (при роботі на бензині або гасі) або змішувачі (при роботі на газовому паливі). В цьому випадку в камеру згоряння подається вже готова робоча суміш, яка запалюється примусово від електричної іскри (свічки запалювання).

У двигунах з внутрішнім сумішоутворенням приготування робочої суміші відбувається всередині робочого циліндра, куди повітря і паливо подаються окремо. Спочатку поршень стискає чисте повітря до тиску 3 ... 4 МПа, внаслідок чого його температура в кінці стиснення досягає 600-650 ° С, потім в камеру згоряння через форсунку впорскується рідке паливо (дизельне або моторне), яке запалюється при змішуванні з розпеченим повітрям . За такого циклу працюють дизельні двигуни .

Окремим типом двигунів з внутрішнім сумішоутворенням є інжекторні двигуни , У яких бензин впорскується в циліндр (або в колектор) в процесі такту стиснення, змішується в циліндрі зі стисненим повітрям і запалюється за допомогою свічки запалювання.
Застосування упорскування в бензинових двигунах дозволило в широких межах регулювати сумішоутворення, кількість і якість палива, що подається, час уприскування, багатофазних впорскування, а також використовувати засоби автоматизації та комп'ютеризації, т. Е. Застосовувати багато гідності дизельних двигунів до бензиновим.

За способом здійснення циклу ДВС можуть бути дво- і четирехтактнимі.
У чотиритактному двигуні робочий цикл здійснюється за чотири ходи поршня (такти), тобто за два оберти вала, а в двотактному двигуні - за два ходи (такту) поршня, тобто один оборот колінчастого валу.

***

Принципове пристрій двигуна внутрішнього згоряння

Основними елементами будь-якого поршневого ДВС є циліндр з поршнем, зворотно-поступальний рух якого перетворюється в обертальний рух колінчастого вала за допомогою кривошипно-шатунного механізму. У верхній частині циліндра розміщені впускний і випускний клапани, які приводяться в рух від головного валу двигуна, а також свічка запалювання паливної суміші (або форсунка для розпилення палива).
Крім цього у ДВС є механізм газорозподілу, системи живлення паливом, запалювання, змащення, охолодження і регулювання.

В зворотно-поступальному русі поршня розрізняють два крайніх положення: верхнє і нижнє, в яких поршень змінює напрямок руху на зворотне. Ці положення називаються мертвими точками (ВМТ і НМТ).
Відстань між мертвими точками називають ходом поршня (S), а переміщення поршня з ВМТ в НМТ або навпаки - тактом.
Внутрішній об'єм циліндра в межах ходу поршня називають робочим об'ємом циліндра.
Частина обсягу циліндра, укладену між кришкою і торцем поршня, що знаходиться в ВМТ, називають камерою згоряння.

Для забезпечення найбільш повного згоряння палива воно повинно бути добре перемішано з повітрям. Суміш розпорошеного в повітрі палива, призначеного для спалювання, називають робочою сумішшю, а процес приготування робочої суміші - смесеобразованием.

***

Реальний цикл роботи поршневого двигуна

Дослідження роботи реального поршневого двигуна проводять по діаграмі, в якій дається зміна тиску в циліндрі в залежності від положення поршня (обсягу) за весь цикл.
Таку діаграму, зняту за допомогою спеціального приладу - індикатора, називають індикаторної діаграмою (див. Малюнок).

Розглянемо наведені тут дійсні індикаторні діаграми чотиритактних поршневих двигунів (карбюраторного і дизельного), на яких можна виділити кілька характерних ділянок:

• 1-2 - заповнення циліндра повітрям (при внутрішньому сумішоутворення) або робочої сумішшю (при зовнішньому сумішоутворення) при тиску трохи нижче атмосферного через гідродинамічного опору впускних клапанів і всмоктуючого трубопроводу;
• 2-3 - стиснення повітря або робочої суміші;
• 3-4 - період горіння робочої суміші;
• 4-5 - робочий хід поршня (розширення продуктів згоряння), відбувається механічна робота;
• 5-6 - вихлоп відпрацьованих газів, падіння тиску до атмосферного відбувається практично при постійному обсязі (відкривання випускних клапанів);
• 6-1 - звільнення циліндра від продуктів згоряння при відкритих випускних клапанах.

У реальних теплових двигунах перетворення теплоти в роботу пов'язане з протіканням складних необоротних процесів (маються тертя, хімічні реакції в робочому тілі, кінцеві швидкості поршня, теплообмін і ін.). Термодинамічний аналіз такого циклу неможливий.

У зв'язку з цим для виявлення основних факторів, що впливають на ефективність роботи установок, дійсні процеси замінюють оборотними термодинамічними процесами, що допускають застосування для їх аналізу термодинамічних методів. Такі цикли називають теоретичними.

Припущення, що використовуються для теоретичних циклів:

• Цикли замкнуті (в дійсності продукти згоряння видаляються в атмосферу, а на їх місце надходить нове робоче тіло).
• Робоче тіло - ідеальний газ з постійною теплоємністю.
• Підведення теплоти здійснюється від зовнішніх джерел теплоти, а не за рахунок спалювання палива (аналогічно відведення теплоти).
• Механічні втрати (тертя, втрати теплоти) відсутні.
• Процеси 1-2 і 6-1 виключають з розгляду, тому що робота в них практично однакова, тільки має різний знак.

Аналіз циклів теплових двигунів проводиться в два етапи: спочатку аналізується ефективність теоретичного (т. Е. Оборотного або ідеального) циклу, а потім - реальний (необоротний) цикл з урахуванням основних джерел незворотності.

Для ДВС розглядають такі основні ідеальні цикли :

• цикл з підведенням теплоти при постійному обсязі (v = const) - цикл Отто (в деяких джерелах - цикл Бо де Роша);
• цикл з підведенням теплоти при постійному тиску (р = const) - цикл Дизеля;
• цикл із змішаним підведенням теплоти, який зазвичай здійснюється в два етапи -
  спочатку при v = const, а потім при р = const.
  Такий цикл називають циклом Трінклера (Сабате-Трінклера).

Іноді в засобах інформації з'являються відомості про винахід інших циклів ДВС, які, при аналізі, виявляються удосконаленнями або різновидами перерахованих вище циклів.
Так, нещодавно з'явилися відомості про відкриття циклу Ібадуллаева (за прізвищем автора ідеї). Цей винахідник вирішив майже в три рази збільшити ступінь стиснення в двигуні ВАЗ з інжекторної системою харчування, зменшивши конструктивно обсяг камери згоряння. За задумом Ібадуллаева це повинно привести до підвищення потужності і економічності двигуна, що, в общем-то, з точки зору термодинаміки - не новина.

Очевидно, що цикл Ібадуллаева - адаптований для бензинового двигуна цикл Дизеля (або цикл Сабате-Трінклера), заснований на стисненні повітря в циліндрі з подальшим введенням палива в камеру згоряння. Втім, сам автор пов'язував новоявлений цикл з циклом Отто (Бо де Роша), оскільки цей двигун використовував примусове займання робочої суміші від іскри (не зовсім зрозуміло - навіщо при такій ступені стиснення?).
Використання такого циклу для бензинового двигуна стало можливо лише після широкого застосування систем харчування, що використовують уприскування бензину в попередньо стиснуту поршнем газо-повітряну суміш (інжекторні двигуни). Для карбюраторних двигунів, в яких стискається не повітря, а робоча суміш, ідея Ібадуллаева нездійсненна, оскільки при збільшенні ступеня стиснення більше 12 ... 13 неминучі детонаційні явища.

До слова сказати, сам Р. Дизель, розробляючи свій двигун, вказував на можливість його роботи з використанням різноманітних видів палива, в т. Ч. І бензину. Правда перші ж спроби Дизеля використовувати бензин в якості палива для дизельного двигуна призвели до вибуху, який ледь не коштував життя винахіднику, тому він відмовився від бензину на користь гасу.

Що стосується двигуна Ібадуллаева, то, незважаючи на виготовлений винахідником дослідний зразок "Жигулях" з таким двигуном, ідея не знайшла відгуку у виробників, а фахівці та вчені відмовилися визнати його дітище відкриттям в області теплотехніки.

***

Відмінність реального циклу ДВС від ідеального циклу

Щоб ідеалізувати реальний цикл, вважають, що:

• робоче тіло в циклі - це ідеальний газ з постійними властивостями;
• цикл замкнутий (враховуючи, що роботи в процесах виштовхування і всмоктування практично однакові і лише протилежні за знаком, ці процеси замінюють оборотним ізохорним процесом відведення теплоти, що робить цикл замкнутим);
• незворотний процес згоряння, пов'язаний з хімічними змінами складу газу, замінюється оборотним процесом підведення рівної кількості теплоти ззовні.

Прийняті допущення, здавалося б, вельми далекі від реальної дійсності, дозволяють, тим не менш, отримати розрахункові результати, що збігаються з результатами експериментальних вимірювань основних характеристик циклу.

Розрізняють три типи чотиритактних ДВС:

• швидкого згоряння із зовнішнім запалюванням;
• повільного згорання з самозаймання;
• змішаного типу.

У двигунах першого типу циліндр заповнюється сумішшю бензину з повітрям, приготовленої в карбюраторі (такі двигуни часто називають карбюраторними) - цей такт називається всмоктуванням. Далі впускний клапан закривається, і відбувається стиснення горючої суміші (другий такт).
За допомогою електричної свічки відбувається іскрове запалювання паливоповітряної суміші, яка згорає надзвичайно швидко при майже незмінному положенні поршня, тобто практично при постійному обсязі, рівному обсягу камери згоряння. Потім в результаті розширення продуктів згоряння відбувається робочий хід поршня (третій такт).
Нарешті, відбувається вихлоп - викид продуктів згорання через випускний клапан надлишкового тиску в циліндрі (четвертий такт - випуск). Потім цикл повторюється.

Карбюратор (від фр. "Carbure" r - збагачувати вуглецем) - вузол системи харчування ДВС, призначений для створення суміші рідкого палива з повітрям оптимального складу і регулювання кількості її подачі в циліндри двигуна. Переважна більшість існуючих карбюраторів складається з камери поплавця, що забезпечує стабільний приплив палива, змішувальної камери, фактично представляє собою трубку Вентурі (трубу з горловиною, що включається в розрив трубопроводу), і численних дозуючих систем, що включають в себе паливні та повітряні канали, дозуючі елементи.

На сучасних автомобільних двигунах застосовується інжекторна система уприскування палива. Інжектор - це струменевий насос (від лат. "Injectare" - вкидати). Основна відмінність від карбюраторної системи - подача палива здійснюється шляхом безпосереднього вприскування палива за допомогою форсунок у впускний колектор або в циліндр.

У двигунах другого типу, званих дизельними, використовується важке нафтове (дизельне) паливо. При цьому замість свічки встановлюють форсунку для подачі розпорошеного палива. На такті всмоктування циліндр такого двигуна заповнюється не горючою сумішшю, а повітрям, який в результаті інтенсивного стиснення нагрівається до високої температури, що істотно перевищує температуру займання палива. В кінці такту стиснення в циліндр починає подаватися паливо, розпилює стисненим повітрям, що поступає від компресора.
Паливо надходить в циліндр і повільно згорає одночасно з переміщенням поршня. В результаті протягом усього часу згоряння палива тиск у циліндрі залишається практично постійним і рівним тиску в кінці такту стиснення. Решта процеси протікають так само, як і в карбюраторних двигунах.

У двигунах третього типу, які називаються Безкомпресорні дизельними двигунами або двигунами Трінклера, такти всмоктування і стиснення відбуваються так само, як в двигунах другого типу, проте дизельне паливо, впорскується в циліндр в кінці стиснення, розпилюється не за рахунок компресорного стиснення до вельми високого тиску в плунжерні паливний насос.
В результаті забезпечується дуже тонке розпилювання палива.
Перша порція його при цьому згоряє дуже швидко, забезпечуючи, так само як і в двигунах першого типу, істотне підвищення тиску при майже незмінному обсязі. Інша частина палива подається в циліндр і згоряє повільно, одночасно з переміщенням поршня, тобто практично при постійному тиску, як і в двигунах другого типу.
Поетапна подача палива в камеру згоряння можлива за допомогою багаторазового впорскування, або використанням роздільної камери згоряння: попередньої, в якій після впорскування починається горіння палива, і головну камеру, в якій відбувається догорання палива (форкамерно двигуни).
Такий тип двигунів характеризується змішаним згоряння палива - спочатку по Ізохор (при постійному обсязі), потім по ізобарі (при постійному тиску).

***

Ефективність реальних циклів ДВС

Економічність реальних поршневих ДВС завжди менше теоретичних, розрахованих по ідеальному циклу, де не враховуються втрати на тертя, гідравлічні опору потоку газів в клапанах, неповнота згоряння палива, зміна складу і теплоємності робочої суміші, неадіабатность процесів стиснення і розширення, насосні втрати і т. Д .
Економічність реальних двигунів оцінюють ступенем перетворення витраченої теплоти палива в ефективну роботу - ефективним ККД:

ηe = АE / QT,

де:
Ae - ефективна робота, яка передається зовнішньому споживачеві (робота на валу двигуна);
QT - теплота, що виділяється при повному згорянні палива в циліндрі.

Ефективний ККД враховує не тільки термодинамічні втрати циклу, які визначаються термічним ККД ηT, а й механічні втрати на тертя, які визначаються механічним ККД ηM, і втрати всередині двигуна, викликані необоротністю процесів і недосконалістю реального двигуна, що визначаються індикаторним ККД ηi.
Індикаторний ККД оцінює величину втрат роботи циклу, викликаних теплообміном між стінками циліндра і робочим тілом, гідравлічними опорами в клапанах, недосконалістю процесу згоряння палива і ін .:

ηi = Аi / АЦ,

де:
Ai - робота циклу реального двигуна, що дорівнює площі дійсної індикаторної діаграми (індикаторна робота);
Aц - робота циклу ідеального двигуна.

У зв'язку з наявністю в двигуні вузлів тертя частина отриманої корисної роботи циклу витрачається на подолання в них сил тертя (механічні втрати). Ось чому робота на вихідному валу двигуна Ae менше індикаторної роботи циклу на величину механічного ККД, що визначається виразом

ηM = АE / Аi.

Слід зазначити, що механічний ККД двигунів, що працюють за циклом Трінклера, вище за інших в зв'язку з відсутністю додаткового компресора, що і зумовило їх широке застосування.
Таким чином, ефективний ККД виражається твором:

ηe = АE / QT = ηT × ηi × ηM

Збільшення ефективного ККД двигуна пов'язано зі збільшенням кожного з ККД, що входять в формулу.

***

Енергетичні та економічні показники роботи ДВС

Завантажити теоретичні питання до екзаменаційних білетів
з навчальної дисципліни "Основи гідравліки і теплотехніки"
(В форматі Word, розмір файлу 68 кБ)

Завантажити робочу програму
з навчальної дисципліни "Основи гідравліки і теплотехніки" (в форматі Word):

Завантажити календарно-тематичний план
з навчальної дисципліни "Основи гідравліки і теплотехніки" (в форматі Word):