Лекция 10 ч.1

Кафедра сервиса и технической эксплуатации
автомобилей (СТЭА)
Пермяков Владимир Васильевич
профессор кафедры СТЭА
Транспортная энергетика
Часть II
для специальности 190702.65 «Организация и безопасность
движения»
Тема 3. Рабочие процессы двигателей
Лекция №10 Основные понятия
10.1 Требования к двигателям, оценивающие их качество
К автомобильным двигателям предъявляются
требования:
1. Надежность
2. Ограниченная степень токсичности, дымности
отработавших газов, уровень шума.
3. Высокая экономичность.
4. Максимальная литровая мощность.
5. Уменьшенная масса на единицу мощности.
6. Простота конструкции, удобство обслуживания и
низкая стоимость изготовления.
7. Перспективность двигателя.
8. Надежность пуска.
10.1.1 Надежность всех элементов
конструкции в разнообразных
эксплуатационных условиях
Надежность – свойство объекта выполнять
заданные функции, сохраняя свои
эксплуатационные показатели в
установленных пределах при заданных
условиях его эксплуатации, технического
обслуживания и ремонтов в течение
требуемого промежутка времени и требуемой
наработки.
Надежность двигателя зависит от тепловой и
механической напряженности поршневой группы, которая
2
оценивается поршневой мощностью (кВт/м ),
представляющей собой эффективную мощность,
приходящую на единицу площади всех поршней
NП 
Ne
i  FП
, где
число цилиндров.
NП  NЛ  S
Поршневая мощность связана с литровой мощностью
, т.к iFП  iVh / S ,
где s – ход поршня.
Литровая мощность – это мощность снимаемая с единицы
рабочего объема двигателя:
i-
N Л  Ne / iVh  Pe  n / 30 , кВт / л,
где Ре –среднее эффективное давление, МПа;
n –частота вращения коленчатого вала двигателей, мин
- тактность двигателя.

1
По литровой мощности оценивают степень форсированности
двигателя.
Динамическую напряженность двигателя оценивают по
средней скорости поршня (м/с)
CП  S  n / 30
10.1.2 Степень токсичности, дымности
отработавших газов, уровень шума
Качество отработавших газов определяется
нормами EURO III-2000 г., EURO IV-2005 г., которые
для примера приведены в табл. 10.1 для легковых
автомобилей и легких грузовиков.
В России планировалось ввести нормы EURO III с
января 2009года. Нов январе 2009 года ввод был
отложен на два года.
Требования 3-5 отражены в табл. 3, 4, 5, 6
приложения, к учебному пособию В. В. Пермякова
РПКОРАД, 2004г., где приведены параметры
двигателей и выполняемые ими требования.
Требования 6, 7, 8 рассматриваются в лабораторных
работах.
Таблица 10.1
Кат
егор
ия
Класс
Полная
масса
а/м, кг
СО, г/км
бензинов
ые
дизели
СН, г/км
бензинов
ые
NOX, г/км
дизели
СН+NOX, г/км
Твердые
частицы.
г/км
бензин
овые
дизели
бензин
овые
дизели
дизели
EURO III-2000 г.
все
2,3
0,64
0,2
-
0,15
0,5
-
0,56
0,05
I
< 1305
2,3
0,64
0,2
-
0,15
0,5
-
0,56
0,05
II
1305<17
60
4,17
0,8
0,25
-
0,18
0,65
-
0,72
0,07
III
> 1760
5,22
0,95
0,29
-
0,21
0,78
-
0,86
0,1
М*
N1*
EURO IV-2005 г.
все
1,0
0,5
0,1
-
0,08
0,25
-
0,3
0,025
I
<1305
1,0
0,5
0,1
-
0,08
0,25
-
0,3
0,025
II
1305<17
60
1,81
0,63
0,13
-
0,1
0,33
-
0,39
0,04
III
> 1760
2,27
0,74
0,16
-
0,11
0,39
-
0,49
0,06
М*
N1*
* Исключая автомобили, максимальная масса которых превышает 2500 кг.
М – легковые и автобусы
10.2 Классификация двигателей
Классификация двигателей приведена на схеме, взятой из книги Колчина А.И.[1]
Таблица 10.2
Автомобильные и
тракторные двигатели
Паровые
Газо-турбинные
Роторно-поршневые
Электри-ческие
Солнечные
С переменным рабочим
объемом
Реактивные
С переменной степенью
сжатия
Поршневые двигатели внутреннего сгорания
Двигатели с внешним
смесеобразованием и
воспламенением от искры
Газовые
Газо
бало
нные
Газог
енер
атор
ные
Карбюраторные
С
гидромехан
ическим
карбюрато
ром
С
электронны
м
карбюрато
ром
Двигатели с впрыском легкого топлива и
воспламенением от искры
С впрыском топлива во
впускной
трубопровод
Центральн
ый впрыск
над
дроссельно
й
заслонкой
Распредели
тельный
впрыск над
впускными
клапанами
С впрыском топлива в
цилиндр
Непосредст
венный
впрыск в
камеру
сгорания
Двигатели с внутренним смесеобразованием и
самовоспламенением
Дизели с
неразделенными
камерами
С объемнопленочным
смесеобраз
ованием
С
пленочным
смесеобраз
ованием
Дизели с
разделенными
камерами
Вихрека
мерные
Предка
мерные
Дополнительно двигатели классифицируют:
1. По назначению: а) стационарные; б) транспортные.
2. По рабочему объему цилиндров:
а) особо малый класс – объем до 1,2 л;
б) малые – 1,2 – 1,8 л;
в) средние – 1,8 – 3,5 л;
г) большие – свыше 3,5 л.
3. По роду используемого топлива различают двигатели,
работающие на:
а) легком жидком топливе (бензине и керосине);
б) тяжелом жидком топливе (мазуте, соляровом);
в) газовом топливе;
г) смешанном топливе, основным топливом является газ,
для пуска – жидкое топливо;
д) различных топливах (бензин, керосин, дизельное топливо
и другие) – многотопливные двигатели.
4. По способу преобразования тепловой энергии в механическую:
а) внутреннего сгорания – поршневые и роторно-поршневые. Процесс
превращения тепловой энергии в механическую происходит во
внутрицилиндровом объеме;
б) с внешним подводом теплоты (ВПТ) – это паровые двигатели,
работающие по циклу Ренкина, двигатели, работающие по циклу
Стирлинга; газотурбинные двигатели могут быть отнесены как к ДВС,
так и к ДВПТ;
в) комбинированные, в которых сгорание топлива осуществляется в
поршневом двигателе, являющимся генератором газа, механическая
работа совершается в цилиндре поршневого двигателя и частично – на
лопатках колеса газовой турбины (свободнопоршневые генераторы
газа, турбопоршневые двигатели).
5. По способу воспламенения рабочей смеси различают двигатели:
а) с воспламенением рабочей смеси от электрической искры (с искровым
зажиганием);
б) с воспламенением от сжатия (дизели);
в) с форкамерно-факельным зажиганием;
г) с воспламенением газового топлива от небольшой порции дизельного
топлива, воспламеняющегося от сжатия (газожидкостный процесс.
6. По способу осуществления рабочего цикла:
а) четырехтактные без наддува и с наддувом;
б) двухтактные без наддува и с наддувом.
7. по способу регулирования в связи с изменением нагрузки:
а) с качественным регулированием, когда расход воздуха постоянен, а
расход топлива меняется;
б) с количественным регулированием, когда состав смеси постоянный,
и меняется только ее количество;
в) со смешанным регулированием.
8. По конструкции различают:
а) поршневые двигатели делят на рядные, V-образные, опозитные,
звездообразные; по расположению поршней на однопоршневые, с
противоположно движущимися поршнями и поршнями двойного
действия.
б) ротороно-поршневые двигатели, которые могут быть 3х типов: ротор
(поршень) совершает планетарное движение в корпусе; при
движении ротора между ним и стенками корпуса образуются камеры
переменного объема, в которых совершается цикл; корпус
совершает планетарное движение, а поршень неподвижен; ротор и
поршень совершают вращательное движение – бироторный
двигатель.
9. По способу охлаждения:
а) с жидкостным охлаждением;
б) с воздушным охлаждением.
10.3 Принципы работы поршневых двигателей
10.3.1 Рабочие процессы четырехтактного
двигателя
Рабочий процесс двигателя анализируют по индикаторной диаграмме,
представляющей собой зависимость давления в цилиндре двигателя от
переменного объема надпоршневого пространства. Диаграмма приведена на
рис. 1.1.
Рис. 10.1 Действительные и расчетные индикаторные диаграммы:
а – карбюраторного двигателя; б – дизеля;
 - расчетный цикл;        - реальный цикл
 I такт работы двигателя (впуск) реализуется при повороте кривошипа
о
от 0 до 180 , чему соответствует изменение объема надпоршневого
пространства от
Va  Vc  Vh
Vc (объем камеры сгорания) при   0 (ВМТ) до
(полный объем цилиндра) при
Заполнение цилиндра свежим зарядом (линия
  180

(НМТ).
ra на диаграмме) происходит
из-за разряжения в нем, создаваемого движущимся в сторону НМТ поршнем.
Давление p a , в конце такта впуска (точка
a ) определяется
гидравлическими
потерями во впускном тракте, которые зависят от скоростного и нагрузочного
режимов работы двигателя. На режиме номинальной мощности для
бензинового двигателя
для дизельного двигателя
p a  (0,8...0,9) p 0
,
p a  (0,85  0,92) p 0
На температуру T влияют теплообмен свежего заряда с элементами
a
впускной системы и камеры сгорания, а для бензинового двигателя
его охлаждение за счет испарения топлива. Температура свежего
заряда увеличивается при перемешивании его с горячими остаточными
газами, находящимися в цилиндре от предыдущих циклов.
На номинальном режиме в карбюраторном двигателе Ta  320 ...350 К.
В дизельном двигателе Ta  310  340К .
 II такт (сжатие) осуществляется при повороте кривошипа на угол
  180...360 (линия ac на диаграмме).На расчетные значения параметров
рабочего тела в конце сжатия (точка c ) в основном влияютих начальные
значения ( p a , Ta ) и степень сжатия   Va / Vc . При значениях  характерных
для современных карбюраторных двигателей (  6,5  10,5 ), p c  0,9  1,5
МПа и Tc  550  750 К. Для дизельного двигателя   14  23, p c  3,5  6,0
МПа и Tc  700  900 К.
В действительном цикле давление в конце такта сжатия, у бензинового
двигателя, p c  p c , p c  (1,15...1,25) p c из-за повышения давления в
результате начавшегося процесса сгорания (точка f - момент искрового разряда
в свече зажигания). Угловой интервал от момента подачи искры до прихода
поршня в ВМТ называется углом опережения зажигания. Для дизеля p c  p c,
p c  (1,05...1,15) p c . Угол, на который повернется коленчатый вал от момента
начала впрыскивания топлива до прихода поршня в ВМТ, называется углом
опережения впрыска.
В карбюраторном двигателе процесс сгорания
происходит в условиях заранее подготовленной
однородной рабочей смеси, в дизеле подготовка смеси
происходит за короткий интервал времени,
предшествующий сгоранию топлива от начала подачи,
при этом значительная часть топлива впрыскивается в
цилиндр непосредственно в прочесе сгорания. Все это
приводит к тому, что вблизи ВМТ в дизеле сгорает
существенно меньшая, чем в карбюраторном ДВС, часть
всего подаваемого топлива и значительное его количество горит после ВМТ при заметном увеличении объема
надпоршневого пространства. Поэтому при идеализации
действительного цикла дизеля процесс сгорания
имитируется подводом части теплоты к РТ V  const при ,
p  const . В бензиновом двигателе
а другой части – при
принимается, что основная доля теплоты при сгорании
топлива выделяется вблизи ВМТ, т.е. при условии
V  const
.
 III такт (
  360...540) – такт расширения. Во время этого такта работы
двигателя происходят сгорание основной доли поданного в цилиндр топлива,
расширение рабочего тела и осуществляется полезная работа.

Вблизи ВМТ при повороте кривошипа на угол  z  10...15давление
в
цилиндре бензинового двигателя достигает максимума p z  3,5...6,5 МПа и
соответственно возрастает температура рабочего тела до T z  2400 ...2800
К.
Отношение   p z / p c называют степенью повышения давления. Для
современных карбюраторных двигателей   3,6...4,2 . Для дизельного
двигателя p z  6,0...15.0 МПа. T z  1800 ...2300K (т.к. больше  ).
По завершении такта расширения РТ имеет расчетные значения
давления и температуры, соответственно pв  0,35...0,5 МПа, Tв  1400...1700 К
pв  0,2...0,4 МПа, Tв  1000...1200 К для
для бензинового двигателя
и
дизеля. В действительном цикле процесс расширения заканчивается раньше,
чем поршень приходит в НМТ, из-за раннего начала открытия выпускного
клапана.
 IV такт (   540...720 ) – такт выпуска –
осуществляется под некоторым
избыточным давлением p r  (1,05...1,2) p 0 ,
величина которого зависит от
гидравлических потерь в выпускной
системе. Отработавшие газы покидают
цилиндр с Tr  900...1100 К для
бензиновых двигателей и для дизеля
700…900 К.
10.3.2 Рабочие процессы двухтактного
двигателя
Действительный цикл двухтактного
двигателя реализуется за два перемещения
поршня между ВМТ и НМТ, что соответствует
одному обороту коленчатого вала.
Процессы сжатия, сгорания и расширения
в двух- и четырехтактных двигателях
принципиальных отличий не имеют, и
особенности рабочих процессов этих двух
типов двигателей заключается в различных
способах организации газообмена.
Контрольные вопросы:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
На каких тактах в цилиндре двигателя создается
разряжение?
На каких тактах в цилиндре двигателя совершается
полезная работа?
На каких тактах создается в цилиндре двигателя
максимальное давление?
Какова степень сжатия современных двигателей?
Какой параметр называют степенью повышения
давления?
Чем определяется давление pa ?
Каким параметром определяется тепловая и
механическая напряженности?
Какими параметрами нормируется качество
отработавших газов?