Классификация двигателей внутреннего сгорания

1. Классификация двигателей внутреннего сгорания

КЛАССИФИКАЦИЯ ДВИГАТЕЛЕЙ
ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
по принципу смесеобразования:
с внешним смесеобразованием
топливо и воздух перемешиваются вне цилиндра,
воспламенение происходит от внешнего источника.
с внутренним смесеобразованием (дизели)
топливо через форсунку впрыскивается в сжатый (и потому нагретый) воздух, где
испаряется и самовоспламеняется
по рабочему циклу:
четырехтактные
рабочий цикл происходит за два оборота коленчатого вала впуск и выпуск через клапаны
двухтактные
рабочий цикл происходит за один оборот коленчатого вала, впуск свежего заряда происходит
через окна в нижней части цилиндра, а выпуск через клапаны в крышке, процесс газообмена
происходит вблизи н.м.т., причем вытеснение выхлопных газов производится предварительно
сжатым воздухом или горючей смесью.

2. Термины и определения

ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ
Внутренняя мертвая точка - то же, что верхняя,
Наружная мертвая точка - то же, что нижняя.
Ход поршня- перемещение поршня между мертвыми точками.
Такт - рабочий процесс, происходящий за один ход поршня.
Объем камеры сгорания Vc - пространство над поршнем в в.м.т.
Полный объем цилиндра Va - пространство над поршнем в н.м.т.
Рабочий объем цилиндра (вытесняемый объем)- разность полного
объема и объема камеры сгорания: Vh=Va- Vc.
Индикаторная диаграмма - графическое изображение изменения
давления в цилиндре за цикл.
Термодинамический КПД цикла - КПД идеального цикла
Индикаторный КПД цикла - КПД действительного цикла

3.

При расчете циклов принимают следующие обозначения:
степень сжатия
Va Vc при этом Tc Ta va vc k 1 ;
степень повышения давления
;
;
pz pc pz pc.
степень предварительного расширения (только для дизеля):
.
v z v z v z v c

4.

pz pc pz pc.
Среднее давление термодинамического (или индикаторного) цикла отношение работы, совершаемой двигателем за цикл к рабочему
объему цилиндра:
для термодинамического цикла
pt Lt / Va Vc
для индикаторного цикла
pi Li / Va V c
то же через удельную работу l = L/G:
pt=lt / (va-vc), pi=li / (va-vc),

5. КПД ИДЕАЛЬНОГО ЦИКЛА ПРИ ВНЕШНЕМ СМЕСЕОБРАЗОВАНИИ

t 1
поскольку
получим
q2
c T Ta
T (T / T 1)
1 v b
1 a b a
q1
cv Tz Tc
Tc (Tz / Tc 1)
Tb/Ta=Tz/Tc
и
e=1-1/ k-1.
Ta / Tc (vc / va ) k 1 1/ k 1

6. КПД идеального цикла при внутреннем смесеобразовании

КПД ИДЕАЛЬНОГО ЦИКЛА ПРИ ВНУТРЕННЕМ
СМЕСЕОБРАЗОВАНИИ
q1=Cv(Tz’-Tc)+Cp(Tz-Tz’).
e 1
q2=Cv(Tb-Ta),
Ta (Tb / Ta 1)
.
Tc (Tz / Tc 1) kTz (Tz / Tz 1)
Tb / Ta = pb / pa =pc / pa pz / pc pb / pz = k ( / )k
e 1
1
k 1
k 1
1 k ( 1)

7. Фазы газораспределения 4-х тактных двигателей

ФАЗЫ ГАЗОРАСПРЕДЕЛЕНИЯ 4-Х ТАКТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
о.вп - угол опережения открытия впускного
клапана
о.в - угол опережения открытия
выпускного клапана
з.в - угол запаздывания закрытия
выпускного клапана
з.вп - угол запаздывания закрытия
впускного клапана
общая продолжительность газообмена:
о.в+360о+ з.в=400 520о

8. Процесс сжатия в действительном цикле

ПРОЦЕСС СЖАТИЯ В ДЕЙСТВИТЕЛЬНОМ ЦИКЛЕ
Баланс энергии: Qac U c U a Lac
Уравнение состояния pV T ( RвGв RпсGо )
RвGвT (1 go Rпс / Rв ).
Обозначим: g0 =Gо./ Gв - относительное количество
остаточного газа
=0.05-0.1 - относительное
gтц=Gтц /Gв - относительное количество
сгоревшего за цикл топлива
Отведенное тепло :
Qac g тц Gв Q рн
c
Работа процесса: Lac a pdv
Уравнение энергии:
количество тепла, отведенное в
стенки цилиндра
G R
1
paVa pcVc ц в 1 g o Rпс Rв Ta Tc
n 1
n 1
gт цQрн (ucв uaв ) go uc п с ua п с
T c Ta
n 1
Rв
1 go R п с R в Tc Ta
n 1
pc pa
n

9.

двигатели
с принудительным воспламенением жидкого топлива и
охлаждением
жидкостным
воздушным
газовые
дизели
без наддува с неохлаждаемыми поршнями
с наддувом и охлаждаемыми поршнями
n
pc ,МПа
Tc , К
1.36-1.39
1.39-1.42
1.5-3.5
1.2-2.0
550-750
600-800
1.37-1.39
1.2-2.0
650-750
1.35-1.42
1.32-1.37
3.0-5.0
5.5-9.0
800-950
700-1100
Ориентиовочные предельные значения степеней сжатия для
двигателей различных типов
карбюраторные двигатели
6.5 - 11.0
газовые двигатели
6.0 - 10
дизели без наддува
15.0 - 20.0
дизели с наддувом
11.0 - 16.0
октановое число бензина
66 - 72
73 - 76
77 - 80
81 - 90
91 - 100
> 100
5.5 - 6.5
6.6 - 7.0
7.1 - 7.5
7.6 - 8.5
8.6 - 9.5
до 12.5
допустимое

10. Процесс сгорания топлива Основные фазы тепловыделения

ПРОЦЕСС СГОРАНИЯ ТОПЛИВА
ОСНОВНЫЕ ФАЗЫ ТЕПЛОВЫДЕЛЕНИЯ
Двигатели с
принудительным
воспламенением
Двигатели с
воспламенением
от сжатия
(1-2 ) образование начального очага и
развитие турбулентного фронта пламени
(2-3)фаза быстрого сгорания (основная фаза),
заканчивается при достижении
максимального давления в цилиндре;
(3-4) догорание. Этот период занимает
начальную часть процесса расширения,
за конец его условно принимают
момент, когда скорость тепловыделения
сравнивается со скоростью теплоотдачи
в стенки (квазиадиабатическая точка).
(1-2 ), задержка самовоспламенения от начала впрыска
топлива до начала быстрого роста давления;
(2-3) фаза быстрого горения, впрыск топлива
заканчивается;
(3-4) сгорание при почти постоянном (слегка
понижающемся) давлении, в конце фазы температура
газов достигает максимального значения;
(4-5) догорание топлива и продуктов его неполного
окисления из-за малого количества оставшегося
кислорода и плохого перемешивания газа в
цилиндре,иногда получается недожог и в выхлопных
газах появляется сажа.

11. Процесс сгорания топлива Характеристики тепловыделения

ПРОЦЕСС СГОРАНИЯ ТОПЛИВА
ХАРАКТЕРИСТИКИ ТЕПЛОВЫДЕЛЕНИЯ
н
Выделившаяся за цикл теплота Qвыдц Qр gтц Gц
Г
относительная характеристика выделения теплоты
x выд Qвыд( ) Qвыдц
используемое за цикл
количество теплоты
Qисп= Qвыд ц- Qст
относительная характеристика использования
теплоты
Qисп ( ) Qвыдц
е – квазиадиабатическая точка
d / d =0

12. Расчет процесса сгорания (определение pz и Tz)

РАСЧЕТ ПРОЦЕССА СГОРАНИЯ
(ОПРЕДЕЛЕНИЕ PZ И TZ)
количество подведенной теплоты
на участке c-z
qcz z Г Qрн gтц
состав рабочего тела:
в точке «с» Gc=Gв+Gост = Gв (1+go)
Значения z принимают в
пределах:
для бенз. двигателей
0.8-0.9
для газовых двигателей 0.8-0.85
для дизелей
0.65-0.8
в точке «z» Gz=Gв+Gт ц+ Gост = Gв (1+gт ц + go)
Уравнение сохранения энергии для 1 кг воздуха:
z Г Qрн gт ц uz ( п с) (1 g0 gтц ) uс( в) uс( п с) g0 lcz ,
z Г Qрн gтц C v( п с)Tz (1 g0 gтц ) (C v( в) C v( п с) g0 )Tc lcz ,
В двигателях с принудительным воспламенением lcz=0 и неизвестно только Tz..
Для дизелей: Lcz pzVz pzVc pzVz pcVc . lcz R (1 go g ˜љ )Tz (1 go )Tc .
zQ’р g ˜љ Cv (•– )Tz (1 g0 g ˜љ ) (Cv (‰ ) Cv (•– ) g0 )Tc R (1 go g ˜љ )Tz (1 go )Tc
T
Здесь неизвестные : Tz и λ. z T , где
c
1 g0 gтц
1 go
,где ρ=1,15-1,65

13. Процесс расширения

Для участка p=const (дизель): Lz’z=pz’(Vz-Vz’)= pz’Vc(Vz/Vc-1)= pcVc( -1).
н
Суммарная теплота, подведенная в процессе расширения qzb b z гQp g тц
Уравнение сохранения энергии
( b z ) дQрн g тц (1 g 0 g тц ) Cv (•– )Tb Cv (•– )Tz R n 1 * (Tz Tb ) ,
q
qzbzb
Соотношения:
Q
Q gg
bb
zz
ГГ
’н
pp тц
тц
pb pz V z V b , Tb Tz V z V b
n
n 1
где Vb/Vz= для двигателей с принудительным воспламенением и
Vb/Vz= / для дизелей
Среднее значение показателя политропы в высокооборотных дизелях n=1.15-1.25 , у
мало- и сренеоборотных дизелей n=1.2-1.3, у бензиновых двигателей n=1.22-1.28.
По опытным данным b=0.82-0.87 (до 0.92).

14. Процессы газообмена

Допущения:
1.
давление и температура
газа в разных местах
пространства цилиндра
в данный момент
одинаковы.
2.
(более грубое, чем
первое) давления перед
впускным и за выпускным
клапанами являются на
протяжении всего цикла
постоянными.

15. Периоды газообмена.

Свободный выпуск.
От начала открытия выпускного клапана до н.м.т. В начале периода
давление pb=0.3 - 0.8 МПа, скорость истечения равна критичесой и
постепенно уменьшается, принимая значения 720-550 м/с.
Принудительный выпуск.
От нижней до верхней мертвой точки. Скорость истечения определяется
скоростью движения поршня и размерами клапанной щели и составляет
80-250 м/с. Давление газа изменяется мало, температура приблизительно
постоянна.
Продувка (применяется только в комбинированных двигателях).
Здесь давление во впускном трубопроводе выше, чем в выпускном и
свежий заряд выталкивает остатки выхлопных газов. При этом, однако,
теряется и некоторая часть свежего воздуха.
Наполнение.
От верхней до нижней мертвой точки. Средняя за время наполнения
скорость в минимальном сечении составляет 80-200 м/с. Скорость
определяется скоростью движения поршня и размерами клапанной щели.
Существенно влияние волн давления во впускном трубопроводе.
Дозарядка.
В начале такта сжатия давление в цилиндре меньше давления во
впускном трубопроводе, несмотря на уменьшение объема цилиндра.
Воздух (или горючая смесь) продолжают поступать в цилиндр, и процесс
сжатия до закрытия впускного клапана происходит с переменной массой.

16. Работа процессов газообмена.

17. Уравнение первого закона термодинамики для процесса газообмена

сечение впускного клапана
сечение выпускного клапана
внутр. энергия
uвп
uв
скорость
Wвп
Wв
работа проталкивания
dLпр=pвпvвпdGвп
dLпр=-pвvвdGв
изменение энергии системы:
dE=(uвп+w2вп/2+pвпvвп)dGвп-(uв+w2в/2+pвvв)dGв=h*впdGвп- h*вdGв
dQw+ h*впdGвп- h*вdGв=dU+pdV

18. Показатели качества газообмена:

коэффициент наполнения:
V= Gц/Gтеор.=Gц/ кVh
Условия, при которых всасывается теоретическое количество заряда:
скорость поршня бесконечно мала;
теплообмен между стенками цилиндра и свежим зарядом отсутствует;
свежий заряд не смешивается с остаточными газами;
в конце такта выпуска давление остаточных газов равно давлению в
выпускном трубопроводе.
Коэффициент наполнения может быть больше 1 при наличии продувки цилиндра

19.

Расчет коэффициента наполнения:
учитываем, что часть воздуха поступает в цилиндр в процессе
дозарядки . Тогда
Gц= воздGa.
уравнение сохранения энергии для процесса наполнения r-a :
Срвозд(Тк+ T)Gц/ возд=СрсмТаGa- Срп.с.Tо Gо
Gо
pоVc
RпсTо
; Ga
paVa
pk
; Gц V Gтеор V
Vh .
RcмTa
RвоздTk
C
R
p
Tк V a C p п.с. R во з д pr
Tк V c
.
V во з д pс м во з д a
C
R
p
T
T
V
C
R
p
T
T
V
pво з д с м к к
h
p во з д п.с.
к
к
h
R во з д pa
Tк
C p п.с. R во з д pr
1
C p во з д R с м pк T к T 1 C p во з д R п.с. pк
V во з д
во з д
C pс
м
pa
Tк
C p п.с. pr
1
pк T к T 1 C p во з д pк
0.75-0.88 для карбюраторных и
газовых двигателей;
0.82-0.95 для малооборотных
дизелей;
0.75-0.9 для высокообортных
дизелей (большие
значения относятся к
двигателям с наддувом)
g0=0.06 - 0.12 для карбюраторных и
газовых двигателей и
0 - 0.06 для дизелей

20. Индикаторные показатели двигателя. (действительный цикл)

среднее индикаторное давление цикла pi
индикаторная работа
цикла без учета работы
насосных ходов:
удельная
работа
Li р=pi Vh
Li р уд = Li р / Vh
разность работ сжатия и расширения
n 1
Vz
1
1
L ip pV
[1 ]
1 n 1
c c 1
n 1
n 1
Vb
учитывая соотношения
Vc Vh 1 1 ,
pc pa n:
n 1
Vz
pa n
1
1
pip
[1 ]
1 n 1
1
1
n 1
n 1
Vb
pa n
Tb
1 Ta
1
pip
1
1
1
n 1 Tz n 1 Tc
pi= п pip, где
п=0.92-0.97

21.

Индикаторная мощность N piV 2n /
i
i
h
двигателя:
i - число цилиндров,
- тактность,
n - частота вращения, мин-1
N i piV
i
h n / 120.
при τ=4
учитывает все потери, связанные с
осуществлением действительного
цикла.
i=(Li /QpнGт)
Индикаторный КПД:
относительный
КПД цикла
g = i / t
g =0.7-0.9
Удельный индикаторный расход топлива:
i
связь с КПД цикла:
N i 3600
3600
.
Q pнGT 1000 Q pн gi
принимаем Vh – условный объем цилиндра, вмещающий
количество воздуха, необходимого для сгорания 1кг топлива
Li pi
Gв RвTa
,
V pa
i pi
Gв RвTa
V pa Q pн
(г/кВт ч)
gi=GT 1000/Ni
и
gi
Vh
3600 V pa
pi Gв RвTa
.
Gв R вTa
V pa
, тогда

22. Факторы, влияющие на индикаторные показатели

1. степень сжатия
2. коэффициент наполнения V
3. увеличение интенсивности
охлаждения
4. выбор коэффициента
избытка воздуха
1- двигатели с электрическим
зажиганием,
2- дизели
i - сплошные
линии,
pi - штриховые
линии

23. Эффективная мощность и механические потери.

e Rв
Gв
К мощности механических потерь Nм относят:
• мощность N тр, затрачиваемую на трение в цилиндрах, в подшипниках, в
распред. механизме и проч.;
• мощность N д , затрачиваемую на трение движущихся деталей о воздух
(движение шатунов, маховика, дисков );
• мощность Nа ,затрачиваемую на привод вспомогательных агрегатов (
масляный, топливный и водяной насосы, вентилятор системы
охлаждения, эл.генератор и т.д.);
• мощность Nн.х. насосных ходов.
p T
Gв peTа
Q pа
Q pн V pа
Эффективная
i
н
p V
M
а
Rв
мощность: Ne = Ni - Nм
Среднее эффективное давление: pe = pi - pм
Механический КПД
Эффективный КПД
м= Ne / Ni = pe / pi
e Rв
Gв pi M Tа
Q pн V pа
Rв
Gв peTа
Q pн V pа

24. Наддув двигателей

Наддув – увеличение количества свежего заряда, поступившего в
цилиндр, за счет повышения давления при впуске.
с импульсной турбиной
с турбиной постоянного
давления

25.

Выражение для КПД идеального цикла
формально остается таким же, как для
цикла ДВС без турбонаддува
k 1
t 1 k 1
,
o 1 k 1
Сv(Tb-Ta)=Cp(Tf-Ta)
циклы с охлаждением наддувочного воздуха
0 к .
Tf=Tb[1+(k-1)pa /pb]