При выборе исходных параметров необходимо учитывать размеры цилиндра, число оборотов двигателя, тактность, способ смесеобразо вания, применяемое топливо, степень наддува (если он применяется).
|
Пример 3-1. |
Четырехтактный |
дизель |
стационарного |
типа |
мощностью |
||||||
Ne— |
294 |
кВт = |
400 л. с ; |
п = |
1000 |
об/мин; |
число |
цилиндров i = |
6; |
смесе |
||
образование струйное; наддува |
нет; |
топливо |
дизельное |
(С = |
86%; |
Н = |
13%; |
|||||
•О = |
1%). |
Теплота сгорания QJJ = 42000 к Д ж / к г . |
|
|
|
|
|
|||||
|
Определить |
размеры |
двигателя, |
индикаторный |
и |
эффективный |
к. п. д. и |
|||||
расход топлива и воздуха. |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
В соответствии с быстроходностью и типом двигателя принимаем |
следующие |
||||||||||
исходные |
параметры для расчета: е = 14,5; |
а = 1,8; |
р о = 1,013-105 |
Н/м 2 ; |
Т0= |
|||||||
=288 К.
Теоретически необходимое количество воздуха:
L 0 = |
(1/0,21) (С/12 + Н / 4 — 0/32) |
= (1/0,21) (0,86/12 + 0,13/4— 0,01/32) |
= |
||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
= |
0,495 кмоль/кг; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
aLa |
= |
1,8 |
• 0,495 = |
0,891 |
кмоль/кг; |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
L j = 28,95L0 |
= |
28,95 • 0,495 = |
14,32 |
кг/кг. |
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
Из (3-21) находим: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
М с о |
> = |
С/12 = 0,86/12 = 0,0717 кмоль/кг; |
|
A f H j 0 |
= |
Н/2 = |
0,065 |
кмоль/кг; |
|||||||||||||||||||
М0 |
= |
0,21 |
(<х — |
1) L 0 = |
0,083 кмоль/кг; |
|
M N |
z |
= 0,79zL0 |
= |
0,704 |
кмоль/кг; |
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
М = 0,924 |
кмоль/кг; |
М' = |
26,78 |
кг/кг. |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
Приращение |
количества молей при сгорании |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
Ш |
= M—aLa |
= |
0,924 — 0,891 |
= |
0,033 |
кмоль/кг. |
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
Химический |
коэффициент |
молекулярного изменения |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
H 0 |
= |
M/(aL 0 ) |
= |
1,036. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
В соответствии с рекомендациями для четырехтактного быстроходного ди |
|||||||||||||||||||||||||||
зеля принимаем |
ра= |
0,85 |
бар; |
рг= |
1,1 бар; |
Д Т = |
17 |
К; |
Тт= |
|
750 |
К. |
|
Тогда |
|||||||||||||
|
|
1 = |
[(Т0 |
+ АТ)/Тг][Рг/(еРа |
|
- |
Рг)] |
|
|
|
[(288 |
+ |
17)/750] X |
|
|
|
|
||||||||||
|
|
f |
|
|
X [1,1/(14,5 • 0,85—1,1)] = |
0,04; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
f* = |
fro |
+ |
ТГ)/(1 + |
Т) = |
(1.036 + |
0,04)/(1 + |
0,04) |
= |
1,035; |
|
|
|
|
||||||||||||
Та |
= ( Г 0 + Л Т + т Г г |
) / ( 1 |
+ |
Т ) = |
|
(233 + 17 + |
0,01 |
• 830)/(1 + |
0,01) |
= |
|
323Х; |
|
||||||||||||||
|
е |
|
Ра |
|
Т0 |
|
|
|
14,5 |
|
|
0,85 |
|
|
|
|
288 |
|
|
|
|
|
|
||||
T > V ~ |
е — |
1 ' |
Ро ' |
Та(1 |
+ 7 ) |
~ |
14,5—1 |
' |
1,013 |
' |
|
326 |
(1 + |
0,04) |
= |
0 |
, 7 8 ' |
||||||||||
Принимаем |
значение среднего |
|
показателя |
адиабаты |
сжатия |
kx |
= |
|
п1 |
= |
1,37; |
||||||||||||||||
следовательно, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
Г с |
= |
7> f t ' - 1 |
= |
326 |
• 1 4 , 5 ° ' 3 7 2 = |
871К; |
|
tc |
= |
598°С. |
|
|
|
|
|
|||||||||
* |
|
|
|
|
Рс = |
Pa*kl= |
|
0,8514,51 > 3 7 |
= |
|
33,6 |
бар. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
Температуру хонца сгорания находим, пользуясь уравнением сгорания,
300
•QzQl |
V e |
(X (1 — 7) aL0 |
|
где c'0= ( c 0 + , ^ ) / ( l |
+ 7 ) . |
+ 8,314XTc + 2270 ( X - n )
у. p
Из таблицы |
теплоемкостей |
находим для воздуха |
при tc= |
598° С, значение |
||||||||||
ср= |
30,42 |
кДж/кмоль - град, |
|
откуда |
^ = ^ — 8 , 3 1 4 |
= |
22,1 |
кДж/кмоль - град |
||||||
Д л я |
остаточных |
газов |
при а |
= |
1,8 и tc= |
598° С; ср"= |
|
31,894 к Д ж / к м о л ь - г р а д ! |
||||||
с "а = |
31,894 — 8,314 |
= |
23,58 кДж/кмоль - град; |
|
следовательно, 4 cv' |
= |
||||||||
= (22,1 + |
0,04-23,58)/(1 + |
0,04) = 22,15 |
кДж/кмоль- |
град. |
|
|
||||||||
В соответствии с рекомендациями |
табл. 3-6 принимаем С = 0,8 и X = |
1,6. |
||||||||||||
Подставляя |
числовые значения в уравнение сгорания, получаем |
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
. t |
|
0,8 • 42000 |
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
С р |
г ~ |
1,035 (1 + |
0,04) 0,891 |
+ |
|
|
|
||
|
22,15 • 598 + |
8,314 • 1,6 |
• 598 + |
2270 (1,6 — 1,035) |
|
|
||||||||
|
+ |
|
|
|
|
, |
„„_ |
|
|
= |
56700 |
к Д ж / к м о л ь . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1,03о |
|
|
|
|
|
|
|
Методом подбора |
находим |
искомое |
значение tz = 1615°С или Tz = 1888К. |
|||||||||||
Далее, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
р = (р.Г2 )/(ХТе ) = (1,035 • 1888)/(1,6 • 871) = 1,4; р г = Х р с = 1,6 • 33,6 = 53,8 бар.
•Степень последующего расширения
5 = е/р = 14,5/1,4 = 10,35.
Приняв п2 = 1,24, найдем давление в конце расширения:
Р ь |
= Р г / 5 " * = |
53,8/10,35''2 4 = 2 , 94 бар. |
Tb |
= Tzlbn*-1 |
= 1888/10,350 '2 4 = 1080К. |
Среднее индикаторное давление
- T f f r h - » ^ ( ' - i ^ ) - d n ( - l i r ) ] -
|
|
33,6 |
|
|
1,6 |
• 1,4 / |
1 |
\ |
|
|
|
14,5—1 |
1 , 6 ( 1 , 4 - 1 ) + , о л |
, ( 1 - i n 5 о , 2 4 |
) - |
||||
|
|
|
1,24—1 V |
10,35 ° |
|
|
|||
|
|
|
|
1 — |
1 |
• 7,38 бар. |
|
|
|
|
|
|
|
14,5й - |
|
|
|||
|
|
|
1,37— 1 V" |
3 7 |
|
|
|
||
Полагая~<рп |
= 0,93, находим |
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
Pi = Pufn = 7,38 • 0,93 = 6,9 |
бар. |
|
|
|||
Среднее эффективное |
давление |
|
|
|
|
|
|||
Ре = Pilu |
= |
6,9 • 0,8 = 5,5 бар = |
5,5 • 105 Н / м 2 , |
принимаем |
|
i j M = 0,8. |
|||
Определяем .основные |
размеры двигателя: |
|
|
|
|
||||
|
|
V,, = |
N. |
• 12 • 107 |
294 • 12 • Ю7 |
10,7 л . |
|
|
|
|
|
— |
= |
|
= |
|
|
||
|
|
11 |
|
peni |
5,5-10& -1000-6 |
|
|
|
|
Задаваясь |
S / D = |
1,2, |
получаем |
|
|
|
|
|
|
301
3 г гг |
з , |
D = Л/ |
= у 10,7/0,785 • 1,2 = 2 , 2 5 дм. |
У0.785S/D
Принимаем |
D = 230 мм; |
S = 260 мм; |
Vh = 10,8 л . |
|
|||||||||
При данных |
размерах скорость |
поршня |
|
|
|
||||||||
|
|
|
Ст = Sn/ЗО = |
0,26 • 1000/30 = |
8,67 м/с. |
||||||||
Индикаторные и эффективные |
показатели двигателя: |
/ |
|||||||||||
|
|
|
|
Nt = Ne/-n„ |
= |
294/0,8 = 367 кВт; |
|
||||||
щ = |
|
aLap-.T0 |
= |
8,314 |
1,8 |
• 0,495 • 6,9 • 288 |
|||||||
8,314 • „ |
' |
0 |
— |
: |
|
: |
= 0,442; |
||||||
|
|
|
QfrlvPo |
|
|
|
|
42000 • 0,78 • 1,013 |
|
||||
|
|
|
|
rjg |
= |
TjjrjM |
= |
0,442 |
• 0,8 = |
0,354; |
|
||
|
gt |
= |
3600/QPT)^ = |
3600/(42000 • 0,442) = 0,195 |
кг/кВт-ч; |
||||||||
|
ge = |
3600/QPyje = |
3600/(42000 • 0,354) = |
0,242 |
кг/кВт-ч; |
||||||||
|
|
|
CT = geNe |
= |
0,242 • 294 = |
71,2 кг/ч; |
|||||||
|
|
|
[Nx |
= NeliVh |
= 294/6 • 10,8 = |
4,5 кВт/л . |
|||||||
Расход |
воздуха на зарядку |
двигателя |
при 9 |
= |
1,0 |
|
|||||||
GB |
= |
GTa<pLo = |
71,2 • 1,8 • 1 • 14,32 = 1840 кг/ч = |
0,51 кг/с . |
|||||||||
Глава 3-4
УСТРОЙСТВО ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
§ 3-13. Общие принципы в устройстве двигателей внутреннего сгорания
На рис. 3-26, а приводится |
простейшая |
схема |
устройства |
одно |
|
цилиндрового четырехтактного |
карбюраторного |
двигателя, |
а |
на |
|
рис. 3-26, б и в — схемы принципиального |
устройства цилиндра |
и |
|||
головки с топливоподающей системой соответственно газового двига теля и дизеля.
Внутри цилиндра |
2 (см. рис. 3-26, а) находится поршень 18, ко |
|
торый воспринимает |
давление газов и движется возвратно-поступа |
|
тельно. Внутренняя |
поверхность цилиндра — зеркало |
цилиндра —• |
тщательно шлифуется. Кривошипно-шатунный механизм |
превращает |
|
прямолинейное возвратно-поступательное движение поршня во вра щательное. Верхняя головка шатуна 19 поршневым пальцем 5 связана с поршнем, а нижняя головка шатуна соединена с коленчатым ва
лом / . |
Цилиндр |
двигателя крепится |
к станине |
(картеру) |
22, |
которая |
в свою |
очередь |
монтируется к |
фундаментной раме |
26. |
Верхняя |
|
часть поршня (днище) воспринимает давление |
газов, а |
цилиндриче |
||||
ская часть 4 направляет движение поршня внутри цилиндра и назы вается юбкой, или тронком. Кругом цилиндрической поверхности
302
поршня имеются канавки, в которые вставляются поршневые кольца 6. Эти кольца притираются при движении поршня по зеркалу ци линдра и предупреждают просачивание газов из камеры сгорания в картер. В головку (крышку) 16 цилиндра двигателя монтируются впускной 7 и выпускной 17 клапаны. Распределительный (кулачко вый) вал 12 посредством шестеренчатых передач 13 и передаточного валика 14 приводится во вращение от коленчатого вала. За два оборо та коленчатого вала рапределительный вал делает один оборот. При вращении распределительного вала под действием кулачков / / и ко ромысла 10 открываются всасывающий и выпускной клапаны, а за крытие их обеспечивается клапанными пружинами 8.
В карбюраторных двигателях топливо-воздушная смесь подго товляется в карбюраторе 5, а в газовых — в смесителе 29 (см. рис. 3-26, б) и по впускному трубопроводу подается через впускной клапан 7 в цилиндр двигателя. В карбюраторных и газовых двигате лях горючая смесь в камере сгорания воспламеняется от электриче ской искры, которая проскакивает между электродами запальной све чи 9. Ток для искры подводится по проводнику 15 от магнето 21 или от аккумуляторной батареи.
В процессе работы цилиндр и головка (крышка) двигателя охлаж даются. На рис. 3-26 показана схема водяного охлаждения. Вода на сосом 25 направляется в водяное пространство рубашки 20 цилиндра двигателя. Для смазки деталей по масляной магистрали 27 масло под водится к соответствующим трущимся поверхностям двигателя мас ляным насосом 23. Из поддона двигателя масло откачивается отсасы вающим масляным насосом 24 и направляется в масляный радиатор для охлаждения. Для обеспечения равномерности хода двигателя на конец коленчатого вала вмонтирован маховик 28. В дизелях (см. рис. 3-26, в) топливо из бака 30 подается топливным насосом 31 по трубопроводу 32 и впрыскивается форсункой 33 в камеру сгорания цилиндра двигателя.
Узлы и агрегаты двигателей внутреннего сгорания. Для обеспе чения нормальной работы и удобства монтажа современные двигатели внутреннего сгорания комплектуются из отдельных систем, узлов и агрегатов, каждый из которых имеет определенное назначение. Основ
ными из них являются следующие: |
1) корпус или |
остов двигателя: |
|||
2) кривошипно-шатунный |
механизм; |
3) |
газораспределительный ме |
||
ханизм; 4) топливоподающая система; |
5) система |
впуска |
воздуха |
||
(или заряда) и выпуска |
отработавших |
газов; 6) |
система |
смазки; |
|
7) система охлаждения; 8) |
система пуска; кроме того, в зависимости |
||||
от типа и назначения двигатели могут иметь еще ряд других узлов (например, система зажигания, система реверса и т. д.).
Корпус двигателя состоит из неподвижных деталей, которые под держивают все движущиеся узлы и агрегаты двигателя. В корпус дви гателя входят фундаментная рама, картер (станина), цилиндры или блок цилиндров, цилиндровые втулки и головки (крышки) цилинд ров.
Кривошипно-шатунный механизм состоит из рабочих поршней, шатунов, коленчатого вала, маховика, штока и крейцкопфа.
зоз
Рис . 3-26. Схемы одноцилиндрового четырехтактного двигателя
В газораспределительный механизм входят распределительные валы, впускные и выпускные клапаны, клапанные пружины и приво ды распределительного механизма.
К. топливоподающей системе относятся топливные насосы, форсун ки, фильтры, топливные баки, карбюраторы и смесители в газовых двигателях.
Система впуска и выпуска состоит из впускных и выпускных пат рубков и трубопроводов, воздушных фильтров, глушителей и проду вочных насосов.
Система смазки объединяет масляные насосы, фильтры, масляные холодильники, масленки и устройства, подводящие масло к местам трения деталей двигателя.
К системе охлаждения относятся водяные насосы, теплообменники (радиаторы) и все устройства и трубопроводы, подводящие охлади тель к охлаждаемым поверхностям.
§3-14. Топливоподающая система и смесеобразование
вдизелях
Топливоподающая система дизелей состоит из топливного бака, фильтра, топливного насоса высокого давления, трубопровода и фор сунки. Кроме того, во многих двигателях устанавливается еще насос низкого давления для подачи топлива в фильтр и затем в насос высо кого давления.
Топливный насос высокого давления обеспечивает подачу топлива давлением порядка 1004-600 бар в определенный момент и в короткий промежуток времени — за 124-30° поворота коленчатого вала. Каж дый рабочий цилиндр дизеля снабжается индивидуальным насосом, причем в многоцилиндровом двигателе насосы могут располагаться отдельно, близко от своей форсунки, или же вместе, в одном блоке. В последнем случае конструкция получается более компактной, но зато удлиняются трубопроводы от насоса к форсунке.
По конструктивному выполнению топливные насосы могут разде ляться на два типа: золотниковые и клапанные. В основном приме няются золотниковые насосы. По способу регулирования количества подаваемого топлива насосы разделяются на три типа: 1) с регулиро ванием изменения конца подачи; 2) с регулированием изменения на чала подачи; 3) с регулированием изменения и начала и конца подачи.
При первом способе регулирования начало подачи топлива неза висимо от числа оборотов остается постоянным, а конец подачи из меняется посредством золотника или клапана. Этот способ наиболее часто применяется.
При втором способе регулирования конец подачи топлива остается постоянным независимо от числа оборотов двигателя, а изменяется начало подачи топлива.
Третий способ регулирования является более универсальным, но из-за сложности конструктивного оформления применяется очень редко.
На рис. 3-27 показан насос золотникового типа двигателя ЯМЗ-236. Привод насоса осуществляется кулачковым валиком 9, который при-
306