Паровые турбины. Газотурбинные установки. Двигатели внутреннего сгорания, страница 36

3.2. Устройство и принцип действия ДВС. Преимущества и недостатки ДВС по сравнению с ПТУ

Тепловые двигатели, в которых сгорание топлива происходит внутри цилиндра, а преобразование тепловой энергии в механическую работу осуществляется воздействием газов на поршень, называются двигателями внутреннего сгорания.

Циклы двигателей внутреннего сгорания принято, что идеальный цикл представляет собой совокупность последовательных процессов, совершаемых рабочим телом – идеальным газом – в цилиндре идеальной машины. Эта условность позволяет устанавливать степень приближения цикла действительной машины, независимо от ее конструктивных особенностей, к идеальной.

Двигатели внутреннего сгорания могут работать по одному из следующих трех идеальных циклов (рис. 3.1):

1) с подводом тепла к рабочему телу при постоянном объеме (V = const);

2) с подводом тепла к рабочему телу при постоянном давлении
(р = const);

 
Рис. 3.1. Идеальные циклы ПДВС:
а – с изохорным подводом теплоты; б – с изобарным 
подводом теплоты; в – со смешанным подводом теплоты. 

3) со смешанным подводом тепла, при котором часть тепла сообщается рабочему телу при постоянном объеме и переменном давлении, а другая – при постоянном давлении и переменном объеме.

Термодинамический КПД цикла ηt, т. е. отношение полезно используемой теплоты к затраченной определяется при помощи следующих уравнений, известных из термодинамики:

– при изохорном подводе теплоты:

              ;                  (3.1)

– при изобарном подводе теплоты:

       ;           (3.2)

– при смешанном подводе теплоты:

.    (3.3)

Уравнение (3.3) является общим, а уравнения (3.1) и (3.2) – частными случаями этого уравнения.

В уравнениях (3.1) – (3.3) обозначены:

ε, k, ρ, λ – степень сжатия, показатель адиабаты, степень предварительного расширения, степень повышения давления.

К характерным особенностям двигателей, работающих со сгоранием при р = const и по смешанному циклу, относятся:  высокая степень сжатия
(ε = 12 – 20), самовоспламенение топлива в результате высокого сжатия и возможность применения тяжелых сортов топлива.

Все карбюраторные, газовые и газогенераторные двигатели относятся к двигателям быстрого сгорания, так как воспламенение рабочей смеси у них происходит настолько быстро, что поршень не успевает сколько-нибудь существенно переместиться в цилиндре.

 
Рис. 3.2. Схема устройства двигателя внутреннего сгорания:
1 – головка цилиндра; 2 – всасывающий и выпускной клапана;  3 – поршневой палец; 4 – поршень; 5 – цилиндр; 6 – шатун; 7 – кривошип коленчатого вала; 8 – картер
Двигатель внутреннего сгорания (рис. 3.2) состоит из следующих основных частей: цилиндра 5, в котором перемещается поршень 4; всасывающего и выпускного клапанов 2, размещенных на головке 1 цилиндра; картера 8; коленчатого вала 7. Мотылевая шейка коленчатого вала  шарнирно  соединена с нижней головкой  шатуна 5, а поршень поршневого пальца 3 – с верхней головкой.

Рабочим циклом называется совокупность последовательных и периодически повторяющихся процессов в цилиндре двигателя. Отдельный процесс рабочего цикла, совершающийся в цилиндре двигателя за один ход поршня (всасывание, сжатие, рабочий ход, выпуск газов), называется тактом.

Рабочий цикл двигателя внутреннего сгорания может быть осуществлен за два или четыре хода поршня (один или два оборота коленчатого вала). В первом случае двигатель будет называться двухтактным, а во втором – четырехтактным.

Положения коленчатого вала, при которых поршень достигает крайних положений во время его перемещений в цилиндре, называются верхней и нижней мертвыми точками (ВМТ и НМТ).

Длина пути, который проходит поршень при движении от одной мертвой точки к другой, называется ходом поршня. Ход поршня соответствует повороту коленчатого вала на 180°.

Длина хода поршня и число оборотов определяют среднюю скорость поршня Сm, которая характеризует быстроходность двигателя, м/с:

                                                             ,                       (3.4)

где S – ход поршня, м; n – число оборотов вала, об/мин.

Объем пространства, заключенный между головкой цилиндра и днищем поршня при его положении в верхней мертвой точки (ВМТ), называется камерой сжатия, или камерой сгорания, а объем, образующийся при движении поршня от ВМТ до нижней мертвой точки (НМТ) – рабочим объемом
цилиндра:

                                                 ,          (3.5)