Конструкция, расчет и потребительские свойства транспортных машин

КОНСТРУКЦИЯ, РАСЧЕТ И ПОТРЕБИТЕЛЬСКИЕ СВОЙСТВА ТРАНСПОРТНЫХ МАШИН

Уравновешивание одноцилиндрового двигателя, механизм Ланчестера. Порядок уравновешивания многоцилиндрового ДВС.

При уравновешивании 1цилиндровый двигатель заменяется динамически эквивалентной моделью, состоя­щей из 2х масс: возвратно-поступательно движущейся массы т_S, условно сосредоточенной в точке пересечения осей поршневого пальца и цилиндра; вращающейся неуравновешенной массы т_R, условно сосредоточенной в центре шатунной шейки, на расстоя­нии R от оси коленчатого вала. При движении этих масс возникают знакопеременные силы инерции ПДМ первого и второго порядков Р _I и Р_II, действующие вдоль оси цилиндра, и центробежная сила инерции неуравновешенной вращающейся массы Р _R, направленная по радиусу кривошипа и вращающаяся вместе с ним. В 1цилиндровом двигателе не имеется неуравновешенных моментов. Поэтому уравновешивание 1цилиндрового двигателя сводится к уравновешиванию действующих в нем сил Р _I, Р _II и Р _R.

Каждый из радиус-векторов центробежных сил уравновеши­вающих масс должен быть равен 0,5 С I=0,5 тSR cos α.

Сила инерции первого порядка: Р_I=m_SRω²cos α=С _I cos α= С _I cos ωτ, определяется как проекция на ось цилиндра фиктивного радиус-вектора С _I первого порядка, проведенного вдоль радиуса криво­шипа и вращающегося вместе с ним с угловой скоростью ω. Эта сила уравновешивается при помощи двух одинаковых масс, вращающихся в противоположных направлениях с той же ско­ростью и коленчатого вала (равной угловой частоте изменения уравновешиваемой силы Р _I) вокруг осей О ₁и О ₂, параллельных оси коленчатого вала и симметрично расположенных относительно плоскости, проходящей через оси коленчатого вала и цилиндра.

При этом равные друг другу по величине, но противоположно направлен­ные горизонтальные составляющие этих векторов должны взаимно уравновешиваться, а вертикальные составляю­щие складываться и давать результирующую силу, действ-ю вдоль оси цилиндра, равную уравновешиваемой силе Р _I но противополож­но ей направленную. Эти условия вып-ся, если при положе­нии кривошипа в ВМТ уравновешивающие грузы занимают крайнее нижнее положение.

Сила инерции 2го порядка: Р _II =λm_SRω²cos2α= С _II cos2α= С _II cos2ωτ.

определяется как проек­ция на ось цилиндра фик­тивного радиус-вектора С _II второго порядка, который вращается вокруг оси ко­ленчатого вала с угловой скоростью 2 ω, равной уг­ловой частоте изменения силы Р _II, и совпадает с ра­диусом кривошипа в ВМТ. Сила Р_II уравновешивается подобно силе Р. Радиус-векторы центробежных сил урав­новешивающих масс равны каждый в отдельности 0,5 С _I = 0,5λ т_SR cos α, т. е. половине максимальной величины урав­новешиваемой силы. При положениях кривошипа в ВМТ и НМТ Уравновешивающие массы должны занимать нижнее положение. Центробежная сила инерции НВМ P_R=m_RRω² направлена по радиусу кривошипа (не показана) и уравновешивается противовесами П, расположенными на щеках коленчатого вала таким образом, чтобы радиус-вектор суммарной центробежной уравновешивающей силы обоих противовесов дей­ствовал по линии радиуса кривошипа, был равен вектору уравно­вешиваемой силы Р _R, но противоположно ему направлен. Масса противовесов, уравновешивающих силу Р _R, показана на рис. Полное уравновешивание одноцилиндрового двигателя связано со значительным усложнением конструкции и потому применяется при использовании его в качестве экспериментального отсека, когда сильные вибрации недопустимы по условиям проведения опытов.

В случае одноцилиндровых двигателей эксплуатационного на­значения противовесами, устанавливаемыми на щеках вала, уравновешивается лишь центробежная сила инерции НВМ. В от­дельных случаях применяется также частичное уравновешивание силы инерции первого порядка (до 50%) увеличением массы про­тивовесов на щеках вала. Но при этом появляется знакоперемен­ная горизонтальная составляющая, по величине равная уравно­вешенной части Р _I.

Порядок уравновешивания многоцилиндрового ДВС

Типы двигателей внутреннего сгорания, классификация, преимущества и недостатки. Индикаторные диаграммы 4-х и 2-тактных ДВС.

К ДВС относятся поршневые и комбинированные двигатели, газовые турбины и реактивные двигатели.

Классификация ДВС

ДВС могут быть классифицированы по основным признакам:

1. по роду применяемого топлива: жидкое, газовое, газожидкостное;

2. по способу смесеобразования: с внешним и внутренним смесеобразование;

3. по способу осуществления рабочего цикла: двух-, четырех-, шести-, восьмитактные;

4. по способу воспламенения горючей смеси: с воспламенением от сжатия и с принудительным воспламенением;

5. по способу наполнения рабочего цилиндра: двигатели с наддувом и без наддува;

ДВС могут быть классифицированы по конструктивным признакам:

1. по конструкции кривошипно-шатунного механизма: тронковые (высоко- и среднеоборотные двигатели, например, автомобильные) и крейцкопфные (тихоходные двигатели, например, судовые);

2. по расположению и числу рабочих цилиндров;

3. по степени быстроходности: тихоходные (средняя скорость поршня до 10 м/с) и быстроходные (средняя скорость поршня более 10 м/с);

4. по направлению вращения коленчатого вала: двигатели левого и правого вращения, реверсивные и нереверсивные;

ДВС могут быть классифицированы по назначению:

1. стационарные промышленного назначения (для привода электростанций, насосов);

2. наземно-транспортные: тепловозные, автомобильные, тракторные, двигатели дорожно-строительных и транспортно-погрузочных машин;

3. судовые: главные (реверсивные, нереверсивные) и вспомогательные (для привода вспомогательных механизмов судовой силовой установки);

4. авиационные.

Впрыскивание и распыливание

Процесс подачи топлива в дизеле. Характеристи­ки впрыскивания. Для осуществления действительного цикла в конце процесса сжатия (до прихода поршня в ВМТ) топливной системой в камеру сгорания начинает подаваться топливо. Впры­скивание (истечение) топлива в цилиндр происходит из распыли­теля форсунки под действием перепада давлений в канале перед распыливающими отверстиями и в камере сгорания – давления впрыскивания. Проходные (дросселирующие) сечения распыли­теля и давление впрыскивания изменяются в процессе подачи, поэтому будут также переменными скорости истечения и мас­совые (объемные) секундные расходы топлива. Их значения и ха­рактер изменения по времени (градусы поворота коленчатого вала) зависят от конструкции топливной системы, режимов ее работы и свойств топлива.

Для оценки параметров процесса впрыскивания и опре­деления количества топлива, поступившего из распылителя, пользуются дифференциальной и интегральной характеристи­ками впрыскивания.

Рис. 2. Дифференциальная и интегральная характеристика впрыскивания топлива

Дифференциальная харак­теристика впрыскивания пред­ставляет собой зависимость объемной (или массовой) ско­рости подачи топлива из рас­пылителя форсунки от времени или угла поворота кулачкового вала топливного насоса высо­кого давления. При анализе ра­бочего цикла двигателя диффе­ренциальную характеристику впрыскивания строят в зависимо­сти от угла поворота коленчатого вала двигателя (рис. 1, кривая 1).

Интегральная характеристика впрыскивания определяет ко­личество топлива, поступившего из распылителя форсунки с на­чала до любого момента подачи. Если обозначить зависимость дифференциальной характеристики впрыскивания от угла пово­рота , то впрыснутый объем топлива: .

Графически величина V_вп представляет собой заштрихован­ную площадь на рисунке, а интегральная характеристика впры­скивания показана кривой 2. При этом по оси ординат отклады­вают объем V_вп топлива, поступившего из распылителя. В случае на интегральной характеристике впрыскивания получим все количество топлива, поданного в цилиндр дизеля на один цикл V_вп = V которое называют цикловой подачей.

Распыливание топлива. Распыливание струи на мелкие капли резко увеличивает поверхность жидкости. Общее количество капель в результате распыливания достигает , что дает увеличение поверхности приблизительно в 80…270 раз. Последнее обеспечивает быстрое протека процессов тепло- и массообмена между каплями и воздухом в камере сгорания, имеющим высокую температуру.

Распад струи топлива. При истечении струи с еще большими скоростями начинается ее распад с образованием большого количества капель непосредственно вблизи распиливающего отверстия. Такой распад струи называется распыливанием. Граница перехода от одной формы распада к другой зависит от скорости истечения, а также от физических свойств жидкости и начальных возмущений, возникающих в потоке при его движении в распылители.

Смесеобразование

Объемное смесеобразование. Если топливо распыливается в объеме камеры сгорания и лишь небольшая его часть попадает в пристеночный слой, то смесеобразование называют объемным. Оно осуществляется в однополостных (нераздельных) камерах сгорания, имеющих малую глубину и большой диаметр. Такая камера сгорания располагается обычно в поршне, причем оси форсунки, камеры сгорания и цилиндра совпадают. При объемном смесеобразовании прогрев и испарение топлива происходят за счет энтальпии части заряда, охваченной струями топлива.

Комбинация объемного и пристеночного смесеобразования. Такое смесеобразование получается при меньших диаметрах камеры сгорания, когда часть топлива достигает ее стенки и концентрируется в пристеночном слое. Часть этого топлива непосредственно соприкасается со стенкой камеры сгорания. Другая часть капель топлива располагается в пограничном слое заряда. Попадание топлива в пристеночный слой существенно изменяет скорость смесеобразования до начала сгорания из-за низких температур и малой турбулентности заряда в этой зоне, уменьшения скорости испарения топлива и смешения его паров с воздухом. В результате снижается скорость тепловыделения в начале сгорания. После появления пламени скорости испарения и смешения резко возрастают, поэтому подача части топлива в пристеночную зону не затягивает завершения сгорания, если температура стенки в местах попадания на нее струй находится в пределах 200…300^о.

Пристеночное смесеобразование. В ряде конструк­ций камер сгорания почти все топливо направляется в пристеноч­ную зону, т. е. имеет место пристеночное смесеобразование. При таком смесеобразовании камера сгорания может быть располо­жена соосно с цилиндром, а форсунка смещена к ее периферии. Одна или две струи топлива направляются либо под острым углом на стенку камеры сгорания, имеющей сферическую форму, либо вблизи и вдоль стенки камеры сгорания. В обоих случаях заряд приводится в достаточно интенсивное вращательное движение (тангенциальная скорость движения заряда достигает 50...60 м/с), способствующее распространению топливных капель вдоль стенки камеры сгорания.

Фазы сгорания топлива

Первая фаза сгорания, или период задержки воспламене­ния, определяется как интервал времени, или углов поворота коленчатого вала, от начала впрыскивания до момента, когда давление в цилиндре становится в результате выделения теплоты выше давления при сжатии воздуха без впрыскивания топлива.

Период задержки воспламенения при впрыскивании жидкого топлива включает в себя время, необходимое для распада струй на капли, некоторого продвижения капель по объему камеры сгорания, прогрева, частичного испарения и смешения топливных паров с воздухом.

Вторая фаза сгорания, или фаза быстрого сгорания, начи­нается с момента, определяемого как момент воспламенения, и продолжается до достижения максимума давления.

Третья фаза сгорания, или фаза быстрого диффузионного сгорания, наиболее ярко выраженная при больших нагрузках и в дизелях с наддувом, начинается в момент достижения мак­симума давления и завершается в момент максимума температу­ры, который всегда достигается позже максимума давления. Это связано с тем, что после завершения второй фазы может проис­ходить интенсивное тепловыделение. В третьей фазе имеет место диффузионное сгорание при интенсивном смешении. Топливо подается в пламя. В зонах с повышенным содержанием топлива происходит интенсивное образование сажи. Период задержки воспламенения впрыскиваемых в пламя порций топлива срав­нительно невелик.

Четвертая фаза сгорания (догорание) продолжается с мо­мента достижения максимальной температуры цикла до оконча­ния тепловыделения. В этой фазе также происходит диффузион­ное сгорание, но при малой скорости смешения, так как основная часть топлива и окислителя уже израсходована. При благоприят­ных условиях происходит достаточно полное выгорание сажи, образовавшейся в течение предыдущих фаз сгорания.

13. Теория смесеобразования в карбюраторных ДВС. Характеристика про­стейшего и желаемого карбюратора.

Под смесеобразованием в двигателе с искровым зажиганием понимают комплекс взаимосвязанных процессов, имеющих место при дозировании топлива и воздуха, распыливании, испарении и перемешивании топлива с воздухом.

Для четырехтактных двигателей с искровым зажиганием применяется, как правило, внешнее смесеобразование, а для двухтактных предпочтительным является внутреннее смесеобразование, позволяющее исключить потери топлива при продувке цилиндров.

Распыливание топлива. Сразу же после выхода струи топлива (или ТВС) из распылителя карбюратора начинается ее распад в результате воздействия сил аэродинамического сопротивления и наличия воздуха в ТВС, причем скорость воздуха существенно выше скорости топлива. Такой способ распыливания называют воздушным или пневматическим, так как для дробления топлива используется кинетическая энергия воздуха. На расстоянии нескольких миллиметров от отверстия распылителя струя распадается на пленки и капли различных диаметров, в дальнейшем капли могут дробиться на более мелкие.

Системы с впрыскиванием осуществляют подачу топлива под давлением, как правило, во впускной трубопровод (центральное впрыскивание) или впускные каналы в головке цилиндров (распределенное впрыскивание).

Процесс распыливания топлива происходит и при прохожде­нии жидкой фазой (пленка, капли) сечения между впускным кла­паном и его седлом, а на частичных нагрузках и в щели, образу­емой прикрытой дроссельной заслонкой.

Испарение топлива. Для обеспечения качественного смесеобразования необходимо прежде всего испарить топливо, так как только при одинаковом агрегатном состоянии (однофаз­ная смесь) диффузионные процессы смешения (паров топлива и воздуха) протекают с наибольшей полнотой. До поступления в цилиндр топливовоздушная смесь является двухфазной, так как топливо в ней находится в газовой и жидкой фазах.

С поверхности капель и пленки топливо испаряется при сравнительно небольших температурах. Капли находятся во впускной системе двигателя примерно в течение 0,002...0,05 с. За это время успевают полностью испариться лишь самые мелкие из них.

Большое значение для испарения пленки имеет теплообмен со стенками впускного трак­та, поэтому при центральном впрыскивании и карбюрации впуск­ной трубопровод обычно обогревается охлаждающей двигатель жидкостью или отработавшими газами.

При распределенном впрыскивании на стенки впускного канала увеличивается время испарения из-за малой скорости движения пленки и доля испарившегося топлива возрастает до 50...70%. Чем выше частота вращения, тем меньше время испаре­ния, а значит, уменьшается и доля испарившегося бензина.

Наихудшие условия для испарения бензина имеют место на режимах холодного пуска и прогрева, когда температуры топ­лива, поверхностей впускного тракта и воздуха малы.

Характеристика простейшего карбюратора. На рис. 1, а приведена схема простейшего карбюратора, включающая в себя входной патрубок 1, диффузор 2, смесительную камеру 9, дроссельную заслонку 10, поплавковую камеру 4 с поплавком 7, игольчатым клапаном 6, его седлом 5 и отверстием 3, топливный жиклер 8 и трубку распылителя 11. При неработающем двигателе Δh = 4...8 мм (рис. 1, а) для предотвращения вытекания топлива из распылителя при наклонном положении двигателя. Отверстие 3 соединяет поплавковую камеру с входным патрубком 2 и реже непосредственно с атмосферой. Сообщение поплавковой камеры с входным патрубком предотвращает обогащение смеси при повышении сопротивления воздухоочистителя в процессе эксплуатации двигателя. Так как давление в поплавковой камере всегда при работе двигателя больше, чем в диффузоре, то под действием перепада этих давлений топливо фонтанирует из распылителя 11 в поток воздуха.

Количество ТВС, подаваемой в цилиндры двигателя, регулируется дроссельной заслонкой, состав смеси изменяется при этом автоматически.

Рис. 1. Схема (а) b характеристика (6) простейшего карбюратора

 

Зависимость состава смеси от разрежения в диффузоре называют характеристикой карбюратора. Чтобы проанализировать эту характеристику, напишем на основании известных соотноше­ний гидравлики выражение для коэффициента избытка воздуха:

G, и G_T — расходы воздуха через диффузор и топлива через жиклер, кг/с; μ_Д и μ_Ц — коэффициенты расхода диффузора и жиклера (μ = βφ, β — коэффициент сжатия струи, φ — коэффициент скорости); f_Д и f_Ж — проходные сечения диффузоров и жиклера, м²; Δρ_Д — разрежение в диффузоре, Па; Δh — разность между высотой отверстия распылителя и уровнем топлива в поплавковой камере, м; ρ_В и р_Т — плотность воздуха и топлива, кг/м³; g — ускорение свободного падения, м/с².

В формуле произведение (l/l₀) (f_Д/f_Ж) имеет постоянное значение. Что касается √Δρ_Д/(Δρ_Д — Δhρ_Д g) и √(ρ_В/ρ_Т) то они уменьшаются при увеличении Δρ_Д. Коэффициент расхода μ_Д от Δρ_Д зависит слабо. Коэффициент μ_Ж определяется геометрическими размерами отверстия жиклера, а также формой его кромок. Помимо этого на μ_Ж влияют вязкость топлива и его температура. Отношение μ_Д/μ_Ж с ростом Δρ_Д уменьшается.

Таким образом, из анализа изменения соотношений, входящих в уравнение, следует, что ТВС, которую приготавливает простейший карбюратор, обогащается с увеличением разрежения Δρ_Д, т. е. с ростом расхода воздуха (рис. 1, 6).

Наивыгоднейшая характеристика карбюратора. Наибольшая мощность получается при использовании в карбюраторных двигателях обогащенных смесей, т. е. при α_М < 1,0, а наилучшая экономичность — в случае сгорания смесей при α_М > α_Ж.Так как с ростом Δρ_Д при данной частоте вращения эффективность сгорания улучшается, то это приводит к соответствующему увеличению α_М и α_Ж (рис. 2).

Рис. 2. Наивыгоднейшая характеристика карбюратора при составах смеси: 1 - экономичном; 2 – мощностном.

14. Экологические проблемы использования углеводородных топлив в порш­невых ДВС. Токсичность продуктов сгорания. Воздействие токсичных вы­бросов на человека и окружающую среду.

 

КОНСТРУКЦИЯ, РАСЧЕТ И ПОТРЕБИТЕЛЬСКИЕ СВОЙСТВА ТРАНСПОРТНЫХ МАШИН