Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

книги из ГПНТБ / Теория поршневых двигателей внутреннего сгорания Метод. пособие

.pdf
Скачиваний:
18
Добавлен:
29.10.2023
Размер:
10.17 Mб
Скачать

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РСФСР

' КУЙБЫШЕВСКИЙ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ

Кафедра «ТРАКТОРЫ И АВТОМОБИЛИ»

ТЕОРИЯ

ПОРШНЕВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ

Составлено доцентом Ф. П. ВОЛОШЕНКО

КУЙБЫШЕВ— 1962

Ш . ц Н У

зе .

О/- Y &

АННОТАЦИЯ

В книге изложены общие сведения и основы те­ ории поршневых двигателей внутреннего сгорания (ДВС). Рассматриваются идеальные циклы, тео­ ретические основы рабочих процессов ДВС, воп­

росы экономичности, основы расчета

газообмена

и наддува.

 

 

 

 

Приведены некоторые

сведения

о

комбиниро­

ванных двигателях.

в

качестве методическо­

Книга предназначена

го пособия для студентов

ВУЗов

при

самостоя­

тельной работе с учебниками по двигателям внут­ реннего сгорания.

ПРЕДИСЛОВИЕ

В современном народном хозяйстве наибольшее применение получили тепловые двигатели, построенные на принципе использо­ вания тепловой энергии, получаемой от сжигания различных топлив; это явилось следствием, на данном этапе развития обще­ ства, более легкого осуществления, в смысле универсальности, тепловых двигателей по сравнению с другими двигателями: гид­ равлическими, ветровыми, химическими, электрическими (первич­ ными) и даже ядерными.

По литературным данным [65, 66] распределение мирового про­ изводства первичных источников энергии, по состоянию на 1954 год,

составляло: по

углям — 55%, по нефти — 33%, по природному

газу— 10,5%

по гидроэнергии— 1,7%.

По ряду прогнозов, на ближайший период (до 2000 г.), пре­ обладание тепловых двигателей сохранится [65].

Среди современных тепловых двигателей наиболее экономич­ ными являются поршневые двигатели внутреннего сгорания (ДВС;

т)е— до 45%);

они получили

широкое

применение

в транспорт­

ных силовых

установках: на

судах (до

60%), на

автомобилях и

тракторах (100%); на самолетах (до появления реактивных дви­ гателей — 100%); успешно внедряются на ж.-д. транспорте (теп­ ловозы) и кроме этого применяются во многих других отраслях народного хозяйства — стационарные установки, строительно-до­ рожные машины, лесНое хозяйство и другие.

Универсальности ДВС способствовали также успешные тео­ ретические Кч.гледования многих ученых*, которые в целом приве­ ли к созданию науки «Теории поршневых двигателей внутреннего сгорания»; дальнейшее развитие этой науки продолжается и в наше время — работы Брилинга Н. Р., Болтинского В. Н., Ваншейдта В. А., Глаголева Н. М., Иноземцева Н. В., Ленина И. М., Мелькумова Т. М., Мейрера, Петровского Н. В., Рикардо Г. Р.,

имногих других отечественных и зарубежных ученых.

Всовременной отечественной литературе определились ста­ бильные учебники по ДВС как общего направления —А. С. Орли-

на и др. [1]; Н. Р. Брилинга и др. [2]; Т. М. Мелькунова [3]; так

* См. исторический обзор в книгах [1; 4; 10; 62—64 и др.].

3

и специализированные— В. А. Ваншейдта [10]; Н. В. Петровско­ го [11]; М. М. Масленникова и М. С. Рапипорта [9]; Н. М. Глаго­ лева и др. [8]; имеется много монографий, посвященных решению принципиальных вопросов теории ДВС (см., в конце книги, спи- :ок литературы).

Многообразие принципиальных путей развития ДВС требует соответствующего освещения в лекциях, учебных пособиях, руко­ водствах— с целью способствовать усвоению материала, изложен­ ного в учебниках.

Данная книга представляет собою методическое пособие по теории поршневых двигателей внутреннего сгорания, в помощь изучающим эту дисциплину по основным вышеуказанным учеб­ никам.

Учитывая современную тенденцию развития ДВС (наддув, комбинированные двигатели), в нашей книге освещаются, в кратце, также принципиальные направления и теоретические положе­

ния соответствующих типов ДВС

(подробнее — см.

[1; 8;

10; 21;

24—26]).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Кроме того, для общей увязки с дисциплиной «Конструкции

поршневых двигателей внутреннего сгорания»,

в

 

начале

 

книги,

приводятся необходимые общие сведения.

 

 

 

 

 

 

 

 

ОСНОВНЫЕ,

ПРИНЯТЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

 

 

 

 

 

я

 

»

 

 

 

*

л

^

1 ккал

 

 

 

А — термическим эквивалент работы, А =

 

 

 

 

 

 

D — диаметр

рабочего цилиндра;

 

 

 

 

 

 

 

 

Е — механический

эквивалент тепла, Е = 427- гм-:

 

 

 

F — площадь рабочего цилиндра;

 

 

 

ккал

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

G— вес газа,

двигателя;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ьас— работа газа (на

участке «ас» и т. д.);

 

 

 

для сго­

L0\ L0'\

L —теоретически

необходимое количество воздуха

 

рания

1

кг топлива: в кг молях L0,

в кг L0', действи­

 

тельное количество воздуха в кг молях L;

Мс — ра­

 

М — количество кг молей

газов: Мг— остаточных,

 

бочей

смеси до сгорания; АД— свежего

заряда;

Мг

 

продуктов сгорания, Mz— в точке г и т. д.

 

 

 

N — мощность в л. с.: Nt — индикаторная, Ne— эффективная,

 

NK— компрессора, NT — газовой турбины

и т. д.;

 

Р — усилие

в кг;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Q— количество тепла, ккал)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R — газовая

постоянная; для

воздуха R = 29,27-^^;

 

л

j o

 

 

 

газовая

постоянная,

 

 

кгм

*

 

848 — универсальная

---------- тгп- '

 

 

J

г

 

 

 

 

 

 

кг-моль- К

 

 

 

S — ход поршня;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Т°К — температура

газов: Та— в

конце

наполнения,

Тс— в

 

конце сжатия,

Тг— в

конце

видимого

сгорания,

Тъ— в

конце расширения, Тг— в конце выхлопа, Та —в начале открытия продувочных органов, Та— вначале продувки,

Тк — наддува

или продувки,

Т0— окружающей среды;

Тц — средняя

в цилиндре и т.

д.

U — внутренняя энергия, ккал.

У— объем газа. Ус— камеры сжатия (в конце сжатия), У8— рабочий, Ув — потерянный на выхлоп; Va— в конце на­ полнения, Ув — в конце расширения, Vz — в конце види­ мого сгорания, Vd— в момент открытия продувочных

 

 

органов,

Vd' — в начале

продувки и т. д.

 

 

 

 

 

 

а — ускорение поршня,

м/сек2;

 

 

(или

рабочего

объема

ав ; ап — доля

потерянного

хода

поршня

 

 

цилиндра) в процессе -хода

выхлопа

ав или

хода

про­

 

ст;

дувки ап;

 

 

 

 

истинная скорость

поршня;

 

с — средняя

скорость поршня,

 

с •

с (— кыл от?) — средняя

 

мольная

теплоемкость

газов

при

 

v’

Р\кг-моль- А /

 

 

 

 

_

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

v = const или р = const, с' — воздуха

или

двухатомных

 

 

газов, с"— продуктов сгорания,

в точке

z cz; и т. д.;

 

 

/ — площадь сечения в щели, клапана и т. д.

 

 

 

 

g = 9,81 м/сек2 — земное

ускорение тяжести;

 

 

 

 

 

 

 

g

ц Т с'ч~ или "ы л с ч ) — индикаторный расход топлива;

 

 

 

ge(- э ^ ~ -~ или —

с цА — эффективный расход топлива;

 

 

 

 

 

i — число рабочих цилиндров, клапанов — iK;

 

 

 

 

 

 

к — показатель

адиабатического процесса, для идеальных га­

 

 

зов

к — 1,40;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

п —число оборотов коленчатого вала ДВС об/мин.-,

 

 

пъ

ri2,

пк — показатель

политропы: сжатия m или расширения «»

 

 

газов в рабочем цилиндре, сжатия в нагнетателе пк\

 

р(ата) — давление газов: ра — в конце наполнения,

рс—в

конце

 

 

сжатия,

р2—- в конце видимого

сгорания,

рь— в

конце

 

 

расширения, рг— в

конце

выхлопа,

pd— в

начале от­

 

 

крытия продувочных органов, pd— в начале продувки,

 

 

рк— наддувочного и продувочного воздуха

(смеси),

р0—

 

 

окружающей среды;

рц — среднее в цилиндре;

и т.

д.;

 

 

q — количество

тепла (удельное или в %);

 

 

 

 

 

р[\

р;,

р"\ Р е (^ ) —среднее давление: теоретические индикаторное —

 

 

р [,

индикаторное — р;,

индикаторное,

отнесенное к

пол­

 

 

ному ходу

поршня — р", эффективное — ре\

 

 

 

 

 

 

s — путь поршня;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

t —температура °С;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

v — удельный объем, м3/кг\

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

w — скорость газов, даср — средняя, шв — при выхлопе, wn

 

 

при

продувке, и т.

д.

м/сек;

 

 

 

 

 

 

 

 

5

х — доля топлива,

сгоревшего в

определенный момент,

хг — в точке z

и т. д.;

z = 0,5 — для 4-тактных,

г —- коэффициент

тактности ДВС,

z = l — для

2-тактных, г = 2 — для 2-тактных двигателей

двойного действия;

 

 

а —коэффициент избытка воздуха

при сгорании,

угол

пово­

 

рота кривошипов а°, ап.к.в; коэффициент теплоотдачи,

 

ккал/м2-час-°С (от газов

к стенке — аг ,

от

стенки к

 

воде — ав );

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

{Vi 3 —коэффициент

молекулярного

изменения:

 

(30— теорети­

 

ческий;

 

 

сгорания, Зг— в конце сгорания, (3—

 

{Зг — в конце видимого

 

в конце расширения, угол отклонения шатуна (3°;

 

 

уг—коэффициент остаточных газов;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

у —удельный

вес газов, кг/м3,

топлива;

 

 

 

 

 

 

 

8К;

8 — степень последующего

расширения; толщина;

 

 

 

8Т— относительная

мощность

нагнетателя,

газовой турбины;

е„ ; е... — степень

сжатия,

ед — действительная,

е„ — номинальная

 

(полная, геометрическая),

е — текущая,

енг— в

 

нагнета­

 

теле, ек — общая,

комбинированного двигателя;

 

 

 

 

с — коэффициент скругления диаграммы,

поправочный коэф­

 

фициент;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

rt— коэффициент полезного действия

(к. п. д.),

механический

 

ДВС — 7]мд, механический комбинированного двигателя —

 

т;м ,

термический — г^,

 

относительный — yj0,

индикатор­

 

ный^, эффективный — 7]в,

7]ад — адиабатный

газовой тур­

 

бины; г1адк— адиабатный

нагнетателя;

г|т — эффективный

 

газовой турбины, ^ - —коэффициент наполнения

 

от­

 

несенный к полному ходу поршня); и т. д.;

 

 

 

 

 

6° —угол

опережения

впрыска

или

зажигания,

 

в

 

градусах

 

поворота коленчатого вала (П. К. В.);

 

 

 

 

 

 

 

 

X— степень

повышения давления,

X=

в рабочем цилинд­

 

ре, Хк — наддува;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Х= г/г— отношение радиуса кривошипов

к длине шатуна;

 

 

X— коэффициент теплопроводности, икал/м-час-°С\

при

про

 

р — коэффициент

истечения: при

выхлопе— рв,

 

дувкё — |хп и

т.

д.,

молекулярный

вес

газа,

топлива

 

(р-т);

 

 

использования

тепла

в

конце

 

видимого

сг; £— коэффициент

 

 

сгорания — lz,

в конце сгорания — \

и т. д.;

 

 

 

г = 3,14 —отношение длины

окружности

к

ее диаметру;

 

 

 

р;

р' — степень

предварительного

расширения — р,

степень за­

 

медления сгорания — р';

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

т — время, сек;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

<pK; (fa —коэффициент избытка продувочного воздуха — ®к , про­

дувки — tfa;

; % —функция от отношения давлений: при выхлопе— 6Б , при

продувке — бп; ш — угловая скорость.

Глава I

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

1. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ПОРШНЕВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Поршневым двигателем

внутреннего сгорания

(двигателем

ДВС)

называют «Тепловой

двигатель, в котором топливо сжи­

гается

непосредственно внутри рабочего цилиндра.

(Иначе —

двигатель, в котором химическая энергия топлива,

сгорающего

внутри рабочего цилиндра, преобразуется в механическую энер­

гию») [60].

В отечественной литературе [54] иногда применяют сокращен­ ное обозначение — ДВС вместо полного термина «Поршневой дви­ гатель внутреннего сгорания; в нашем дальнейшем изложении мы будем также применять это обозначение.

При весьма большом разнообразии ДВС, принцип действия их остается неизменным и схематизированно может быть описан следующим образом (рис. 1).

В каждом рабочем цилиндре данного двигателя, принципиаль­ но, независимо от других рабочих цилиндров, периодически со­ вершаетсяодин и тот же рабочий цикл. Этот цикл состоит из

следующих основных рабочих процессов (если их

условно

раз­

граничить): наполнение цилиндра свежим

зарядом

(воздухом

пли рабочей смесью — da на рис. 1); сжатие рабочей

смеси до

определенного давления— ас; сгорание

рабочей

смеси

(или

впрыск топлива

и его сгорание

cyz) ;

расширение

(«рабочий

ход) продуктов

сгорания — гв;

выхлоп

(очистка

рабочего

ци­

линдра от продуктов сгорания) — вег.

Вышеописанный рабочий цикл осуществляется в современных ДВС либо за четыре такта (хода) — четырехтактные ДВС (рис. 1), либо за два такта (хода) — двухтактные ДВС (рис. 2).

Отличием 2-тактных ДВС от 4-тактных является иное практи­

ческое осуществление

процесса заряда (наполнения) и процесса

выхлопа — процессов

газообмена,

Рис. 1. Схема 4-тактного двигателя с самовоспламенением и его расчетный цикл — р т— f (V).

1—камера сгорания; 2—цилиндр; 3—поршень; 4—шатун; 5—кривошип; б—блок-станина; 7—фундаментальная рама; 5—впускной клапан; 9—выхлопной клапан; ^ —форсунка, получающая топливо от топливного насоса.

а—начало сжатия; с—конец сжатия:

у—конец сгорания при V=const; г—конец сгорания

при p=const;

Ь—конец расширения;

£-^ачало выталкивания газов; г—конец выталкива­

ния газов; d—начало впу'ска свежего заряда.

1-й такт: da—наполнение;

II-й такт: ос—

. сжатие; Ш-й

такт (рабочий): cyz—сгорание;

yb—расширение; IV-й такт:

her—выхлоп.

 

(be—свободный выхлоп;

ег—вытйлкивание).

 

9