Файл: Нигматулин И.Н. Тепловые двигатели учеб. пособие.pdf

тем, что увеличение частоты цикла двигателя может ухудшить коэф­ фициент наполнения, снизить к.п.д. и повысить температуру выпуск­ ных газов. Последнее получается в результате того, что процесс сгора­ ния топлива в двигателе при особо высоких оборотах сильно ухуд­ шается из-за неполного сгорания, догорания на линии расширения и, следовательно, уменьшения эффективного давления и понижения экономичности машин.

В настоящее время распространены крупные дизели с числом обо­ ротов ПОч-300 в минуту, средние и мелкие —300-1-4000 об/мин, трак­ торные дизели — 12004-2400 об/мин, дизели грузовых автомобилей— 2000-7-4000 об/мин, карбюраторные автомобильные двигатели — обыч­ но 3500-4-8000 об/мин, мотоциклетные — 4500ч-13000 об/мин. Имеются отдельные экземпляры двигателей со значительно большим числом оборотов (например, транспортный дизель — до 5000 об/мин и карбю­ раторный двигатель для гоночного автомобиля — 15000 об/мин). Но для широкого применения подобные двигатели пока еще не изготовля­ ются, потому что при таких режимах трудно обеспечить их удовлетво­ рительную работу, необходимые моторесурсы и экономичность.

Осуществление двухтактного цикла. Вопрос о применении двухили четырехтактных двигателей для различных установок является довольно сложным, и его решение часто ставится в зависимость от опыта конструкторских и исследовательских работ того или иного завода.

Как четырехтактные, так и двухтактные двигатели имеют свои преимущества и недостатки. Четырехтактные двигатели, например, более экономичны. Несколько больший удельный расход топлива в двухтактных двигателях объясняется тем, что некоторая часть проду­ вочного воздуха, на сжатие которого затрачивается определенное ко­ личество энергии в нагнетателе, теряется в процессе очистки и заряд­ ки цилиндров, в то время как в четырехтактных двигателях такого рода потерь почти не бывает. Однако развитие современного машино­ строения показывает, что двухтактные двигатели по экономичности лишь незначительно уступают четырехтактным. Некоторые лучшие экземпляры двухтактных двигателей имеют почти такой же удельный расход топлива и смазочного масла, как и аналогичные четырехтакт­ ные. Основное преимущество двухтактных двигателей в том, что по габаритам и по весу на единицу мощности они имеют несколько луч­ шие показатели, чем четырехтактные двигатели того же класса и той же быстроходности. Это обусловлено тем, что в четырехтактных двигателях процесс очистки и зарядки цилиндров осуществляется

оказывается в 1,4-4-1, 6 раза больше, чем четырехтактного. Следова­ тельно, четырехтактный двигатель для получения той же мощности при указанных выше условиях должен иметь число цилиндров на 40-4-60% больше, чем двухтактный, и соответственно большие вес и габариты. Но в двухтактном двигателе имеется продувочный насос,

240

которого в четырехтактном двигателе нет, что необходимо дополни­ тельно учитывать при сравнении двигателей по весу и габаритам.

При осуществлении рабочего процесса в двухтактных двигателях в отличие от четырехтактных возникает ряд трудностей, которые в основном сводятся к следующим: 1) более высокая тепловая напря­ женность рабочего цилиндра, поршня и поршневых колец вследствиесгорания топлива в цилиндре при каждом обороте коленчатого вала; 2) трудность осуществления хорошего качества процесса выпуска и продувки при разных скоростных режимах; 3) лопаточные и ротор-

для продувки не в той пропорции, как это требуется для рабочих процессов в поршневом двигателе. В связи с этим в условиях эксп­ луатации наземного безрельсового транспорта двухтактные двигатели работают хуже; 4) необходимость нагнетателей и подачи значительнобольшего количества сжатого воздуха, чем это требуется для процесса горения, из-за потери части воздуха через выпускные органы во время продувки; 5) использование энергии выпускных газов в газовой тур­ бине для привода нагнетателя в двухтактных двигателях несколькосложнее, так как при малых нагрузках мощность турбины недоста­ точна для нагнетания необходимого количества воздуха; при этом особенно трудно запустить двигатель; 6) при переходе на двухтактный двигатель двойного действия помимо довольно значительного услож­ нения конструкции получаются очень высокие термические напряже­ ния поршневой группы. Кроме того, организация процесса смесеобра­ зования и сгорания при установке боковых форсунок в нижней рабо­ чей полости цилиндра довольно затруднительна из-за штока, соеди­ няющего шатун с поршнем. Поэтому двухтактные двигатели двойного действия весьма ограниченно распространены (лишь в крупных ти­ хоходных установках).

В отношении применения двух- и четырехтактных двигателей мож­ но сделать следующие выводы: 1) двухтактные двигатели с воспламе­ нением от сжатия являются перспективными для судовых и стацио­ нарных установок большой мощности; 2) применение двухтактных двигателей для средств наземного транспорта встречает ряд труднос­ тей, ограничивающих их распространение; 3) довольно перспектив­ ными являются крупные двухтактные газовые двигатели с внутрен­ ним смесеобразованием, где продувка осуществляется чистым возду­ хом и горючий газ подается под небольшим давлением в цилиндр дви­ гателя в конце продувки и в начале сжатия; 4) перспективы двух­ тактных карбюраторных двигателей ограничены применением их в- виде малолитражных двигателей с кривошипно-камерной продувкой (в основном мотоциклетных и лодочных).

Применение наддува. Значительное увеличение литровой мощ­ ности двигателей внутреннего сгорания можно осуществить, приме­ нив наддув, т. е. увеличив вес заряда воздуха подачей его в цилиндр двигателя под значительным давлением.

Для обеспечения высокой экономичности необходимо повысить давления и температуры, которые удобно получать в цилиндре порш-

241

•невой машины: поршневую машину легче приспособить и освоить для работы при высоких давлениях и температурах, чем турбомашины. Однако в качестве такой поршневой машины из всего многообразия двигателей внутреннего сгорания принимаются в основном для этих

нее выгодна для использования в поршневых машинах (для этого требуются большие объемы ци­ линдров, причем соответственно увеличиваются потери на трение). Эту часть процесса сжатия и рас­ ширения при малых давлениях выгоднее осуществлять в лопаточ­ ных машинах (центробежных, осе­ вых компрессорах и газовых тур­ бинах), которые более эффективны для работы с большими объемами газа при относительно низких давлениях и температурах. Повы­ шение давления и температуры выпускных газов, обусловленное работой поршневого двигателя с высоким наддувом, не является препятствием для применения турбины, так как по условию прочности лопаток современные газовые турбины могут надежно работать при температуре 1100 К.

Применение наддува и дальней­ шее увеличение давления надду­ вочного воздуха в двигателях все шире распространяется. Это видно хотя бы из того, что за последние годы из всего мирового выпуска двухтактных судовых двигателей

более половины — с наддувом В особенности большой интерес представляет турбопоршневой двигатель (рис.3-8), где цилиндры

поршневого двигателя наддуваются воздухом, получаемым от лопа­ точной машины, а энергия выпускных газов после поршневого двига­ теля используется в газовой турбине.

242

Турбопоршневые двигатели имеют большие перспективы для при­ менения на различных судах морского флота, на тепловозах и других транспортных машинах. По габаритам они получаются более компакт­ ными, а их вес на единицу мощности гораздо меньше, чем у обычных двигателей внутреннего сгорания.

§ 3-4. Термодинамические циклы двигателей внутреннего сгорания

Д Л Я оценки степени совершенства процессов, составляющих раз­ личные термодинамические схемы, а также степени совершенства действительных процессов, протекающих в двигателе, рассматривают сначала термодинамические циклы, где исключены все потери, кроме неизбежной отдачи тепла холодильнику, без которой невозможно превращение теплоты в механическую работу. Термодинамические циклы, представляя упрощенную тепловую схему, облегчают теоре­ тическое исследование различных теплосиловых установок и дают возможность сопоставлять экономичность циклов тепловых двигате­ лей.

При рассмотрении термодинамических циклов двигателей внутрен­

цессом подвода тепла извне и, следовательно, не учитываются потери,

3. Количество рабочего тела при протекании цикла не изменяется. Поэтому не учитываются потери, возникающие при наполнении ци­

оборотов и ряда специфических явлений, характерных для различных типов реальных двигателей. Однако изучение термодинамических циклов дает возможность установить относительное влияние особен-

243

тюстей вида кругового процесса, степени сжатия, степени повышения давления, степени предварительного расширения, степени промежу­ точного охлаждения и других факторов на основные показатели дви­ гателя.

В результате исследования термодинамических циклов выявляет­ ся возможность максимального повышения экономичности теплового двигателя, устанавливаются наиболее выгодные схемы превращения теплоты в механическую работу и определяются желательные направ­ ления развития тепловых двигателей.

Для современных двигателей внутреннего сгорания наибольший интерес представляют смешанный, изохронный и обобщенный комби­ нированный термодинамические циклы. Эти три цикла в основном -охватывают термодинамические схемы всех современных двигателей внутреннего сгорания. По смешанному циклу рассчитываются дизели, по изохронному — все двигатели с искровым зажиганием, а по ком­ бинированному — турбопоршневые двигатели.

Смешанный цикл. На рис. 3-9 приведены р—V - и Т—s-диа­ граммы смешанного термодинамического цикла. Линиями обозначе­

Цх при постоянном давлении; z—b — адиабатное расширение в цилинд­

244