Энергетические установки транспортной техники лекция

АКТЮБИНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИМЕНИ К. ЖУБАНОВА
ТЕХНИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ
Кафедра: «Автомобильный транспорт и организация дорожного движения»

КУРС ЛЕКЦИИ
по дисциплине «Энергетические установки транспортной техники» для бакалавров высших учебных заведений, обучающихся по специальности

050713-«Транспорт, транспортная техника и технологии».

Ерманов М. Б. – старший преподаватель кафедры «АТ и ОДД»,

Технического факультета, Актюбинского государственного университета имени К. Жубанова.

Курс лекций по дисциплине «Энергетические установки транспортной техники» для бакалавров высших учебных заведений, обучающихся по специальности 050713-«Транспорт, транспортная техника и технологии».

Актобе: Редакционно-издательский отдел Актюбинского государственного университета имени К. Жубанова, 2013 г. – 155 с.
Курс лекции по дисциплине «Энергетические установки транспортной техники» охватывает теории рабочих процессов ДВС, энергетические и экономические характеристики ДВС, кинематики и динамики, конструкционные особенности механизмов и систем энергетических установок.

Методика изложения материала отдельных разделов максимально адаптирована к современным способам анализа работоспособности, конструкционных особенности, а также термической и динамической нагруженности элементов энергетических установок транспортной техники.

В курсе лекции включены новейшие достижения в конструировании двигателей, используемых в средствах наземного транспорта, их механизмов и систем, а также описаны современные технологии их производства.

Мурзагалиев А. Ж. – к.т.н., доцент, декан технического факультета, Актюбинского государственного университета имени К. Жубанова.

Некрасов В. Г. – к.т.н., доцент Актюбинского государственного университета имени К. Жубанова.

Рассмотрено и одобрено на заседании кафедры «Автомобильный транспорт и организация дорожного движения», Технического факультета, АГУ имени К. Жубанова.
Протокол № ___ от «___»_________ 201_ года.

Согласовано на совете технического факультета, АГУ имени К. Жубанова и рекомендовано к утверждению.
Протокол № ___ от «___»________ 201_ года.

Утверждено на заседании учебно-методического совета Актюбинского государственного университета имени К. Жубанова и рекомендовано к печати.
Протокол № ___ от «___» __________ 201_ года.
СОДЕРЖАНИЕ
Введение……………………………………………………………………………..4

Лекция 2. Топлива и продукты сгорания………………………………………….14

Лекция 3. Рабочий процесс поршневого двигателя внутреннего сгорания…….20

Лекция 4. Процесс смесеобразования, воспламенение и сгорания топлива в двигателях с искровым зажиганием……………………………………………….29

Лекция 5. Процесс смесеобразования и сгорания в дизеле………………………36

Лекция 6. Индикаторные и эффективные показатели…………………………….49

Лекция 7. Характеристики и способы повышения мощности энергетических установок……………………………………………………………………………..60

Лекция 8. Кинематика и динамика шатунно-кривошипного механизма поршневого двигателя………………………………………………………………..75

Лекция 9. Надежность, диагностика и испытание энергетических установок……85

Лекция 10. Кривошипно-шатунный механизм……………………………………. 97

Лекция 11. Механизм газораспределения………………………………………….111

Лекция 12. Смазочная система и система охлаждения……………………………125

Лекция 13. Система питания топливом и воздухом……………………………….131

Лекция 14. Система пуска энергетических установок…………………………….144

Лекция 15. Работа энергетических установок в эксплуатации…………………. 146

ВВЕДЕНИЕ
При подготовке бакалавров транспорта дисциплина «Энергетические установки транспортной техники» (ЭУТТ) служит осно­вой для изучения других предметов специального цикла.

Целью курса «Энергетические установки транспортной техники» (теория и конструкция энергетической установки транспортной техники) является изучение рабочих процессов энергетических установок и особенностей их конст­рукции.

Двигатель внутреннего сгорания — основная энергетическая установка современного автомобильного транспорта, главной функцией которой является преобразование химической энергии топлива в механическую работу. Теория энергетической установки транспортной техники изуча­ет рабочие процессы, происходящие в энергетической установке при преобразо­вании энергии топлива в работу с помощью специальных уст­ройств и механизмов, составляющих конструкцию энергетической установки. К энергетической установке предъявляются требования по габаритам, массе и, естественно, по надежности и долговечности.

Современная автомобильная транспортная техника является сложной машиной, создан­ной трудом большого числа работников различных отраслей на­уки и техники многих стран.

Первые автомобили с паровой сило­вой энергетической установкой, появившиеся в XVIII в., были тяжелыми и гро­моздкими. В 1860 г. французский инженер Этьен Ленуар изобрел первый двигатель внутреннего сгорания, работающий на светиль­ном газе. В 1870 г. Э. Ланген и Н. Отто (Германия) построили четы­рехтактные газовые двигатели с принудительным воспламенени­ем смеси, а в 1897 г. немецкий инженер Р. Дизель создал первый стационарный двигатель с воспламенением рабочей смеси от сжа­тия — дизель. В 1883 г. появился автомобиль с двигателем внутрен­него сгорания, построенный К. Бенцем, в 1888 г. — первый мото­цикл Г.Даймлера.

Решающим условием успешного развития любой теории явля­ется ее неразрывная связь с практикой.

Соответствие конструкции требованиям эксплуатации является обязательным условием успешного развития автомобильной тех­ники. Над усовершенствованием конструкции энергетических установок транспортной техники работа­ют большие коллективы научных, учебных институтов и конструк­торских бюро автомобильных заводов, возглавляемые ведущими специалистами отрасли.

Лекция 1: ВВОДНЫЕ СВЕДЕНИЯ.

1. Единство и многообразие энергетических установок транспортной техники .

2. Принципы работы различных энергетических установок.

3. Современное состояние и перспективы развития различных энергетических установок.

1. Единство и многообразие энергетических установок транспортной техники

Двигатель — энергетическая машина, преобразующая какую-либо энергию в механическую работу. Основным типом энергети­ческой установки на транспорте является тепловой двигатель — сложная техническая система, преобразующая теплоту в механи­ческую работу.

Для транспортных двигателей характерны: многорежимность, требующая поддержания высокой эффективности их функциони­рования при варьировании в широких пределах скоростного и нагрузочного режимов работы; необходимость сохранять работо­способность при изменении положения двигателя в пространстве; высокие требования к габаритным размерам и массе.

Тепловые двигатели классифицируют по следующим признакам: по способу подвода теплоты к рабочему телу, с помощью кото­рого теплота преобразуется в механическую работу, — двигатели внутреннего сгорания (ДВС) и двигатели с внешним подводом теплоты. В ДВС сжигание топлива, выделение теплоты и преобра­зование части ее в механическую работу происходит непосред­ственно в цилиндре двигателя. При этом для получения необходи­мого количества работы в двигателе автомобиля рабочее тело об­новляется; по конструкции расширительной машины, с помощью которой теплота, выделяющаяся в результате сгорания топлива, преобра­зуется в механическую работу, — поршневые ДВС с возвратно-поступательно движущимися поршнями; роторно-поршневые ДВС с вращающимися поршнями; газотурбинные двигатели; реактив­ные двигатели.

Вследствие трудностей обеспечения высокой экономичности роторно-поршневые, газотурбинные и реактивные двигатели не нашли широкого применения в наземной транспортной технике.

Поршневые ДВС классифициру­ют следующим образом:

по способу воспламенения рабочего тела — двигатели с искро­вым (принудительным) зажиганием и с воспламенением от сжа­тия (дизели);

по виду используемого топлива — двигатели, в которых исполь­зуют жидкое горючее (бензин, дизельное топливо) и газовое;

по способу смесеобразования — двигатели с внешним (вне ци­линдра) и с внутренним (внутри цилиндра) смесеобразованием;

по виду регулирования мощности — двигатели с количествен­ным и двигатели с качественным регулированием мощности. При количественном регулировании мощность изменяется дроссель­ной заслонкой за счет количества топливовоздушной смеси, по­ступающей в цилиндр, а при качественном — варьированием ко­личества впрыскиваемого топлива при неизменном количестве воздуха;

по принципу организации рабочих процессов — двухтактные и че­тырехтактные ДВС. Такт — совокупность процессов, протекаю­щих в цилиндре двигателя при перемещении поршня между верх­ней и нижней мертвыми точками. Необходимо отметить, что понятия «такт» и «процесс» не совпадают.

Двигателям с искровым зажиганием свойственно количествен­ное регулирование мощности и внешнее смесеобразование. В них возможно использование бензина и газа. Бензиновые двигатели разделяют на две модификации — двигатели с впрыскиванием топ­лива через форсунку во впускную систему (обычно на впускной клапан или в цилиндр) и карбюраторные (топливовоздушная смесь, поступающая в цилиндры, подготавливается карбюратором).

Карбюраторные двигатели в настоящее время активно вытес­няются двигателями с впрыскиванием топлива (рис. 1.1).

Рис. 1.1 Схема двигателя с впрыскиванием бензина во впускную систему: 1 — подвижные элементы кривошипно-шатунного механизма; 2 — неподвиж­ные элементы кривошипно-шатунного механизма; 3 — свеча зажигания; 4 — форсунка; 5 — дроссельная заслонка; 6 — расходомер; 7 — воздухоочиститель; 8— электронный блок управления; 9 — топливный фильтр; 10 — топливный насос; 11 — топливный бак
Подача топлива в этих двигателях осуществляется по сигналу блока управ­ления, сформированному по информации комплекса датчиков (рас­хода воздуха, частоты вращения коленчатого вала, положения дрос­сельной заслонки и т.д.).

Двигателям с воспламенением от сжатия (дизелям) свойственно качественное регулирование мощности и внутреннее смесеобра­зование.

ДВС состоит из механизмов и сис­тем, имеющих следующее назначение:

кривошипно-шатунный механизм — преобразование индика­торной работы, получаемой в результате сгорания, в эффектив­ную работу, отдаваемую потребителю;

газораспределительный механизм — наполнение цилиндров двигателя свежим зарядом и очистка их от отработавших газов;

система питания топливом — подача топлива, организация смесеобразования;

смазочная система — обеспечение смазывания трущихся по­верхностей подвижных деталей двигателя;

система охлаждения — обеспечение требуемого температурно­го режима работы двигателя;

система питания воздухом — очистка и подача воздуха в ци­линдры двигателя и снижение шума впуска;

система наддува — организация форсирования двигателя;

система выпуска — глушение шума выпуска и нейтрализация отработавших газов;

система пуска — обеспечение надежного пуска двигателя в раз­личных эксплуатационных условиях;

система зажигания — воспламенение рабочей смеси в двигате­ле с искровым зажиганием.

2. Принципы работы различных энергетических установок.

Рабочий цикл двигателя формируется из взаимосвязанных про­цессов, которые зависят от особенностей его организации в соот­ветствии с использованными принципами функционирования двигателя. Анализируют рабочий цикл по индикаторной диаграм­ме, которая представляет собой зависимость давления р в цилин­дре двигателя от текущего надпоршневого объема V (рис. 1.2).

Рис. 1.2. Схема двигателя с искровым зажиганием и его индикаторная диаграмма: 1 — поплавковая камера; 2 — диффузор карбюратора; 3 — дроссельная заслонка;4 — свеча зажигания
Рабочие процессы четырехтактного бензинового двигателя. В тер­модинамике данный цикл моделируется циклом Отто, в котором полагают, что в процессе при V = соnst в ВМТ теплота подводится мгновенно.

Бензиновый двигатель — двигатель с принудительным искровым зажиганием, внешним смесеобразованием и количественным ре­гулированием мощности.

На большей части режимов мощность дви­гателя регулируется изменением количества подаваемой в цилинд­ры топливовоздушной смеси при мало меняющемся ее составе.

В зависимости от режима работы двигателя свежий заряд (топливо-воздушная смесь) может иметь различное относительное содержа­ние топлива и воздуха. Состав топливовоздушной смеси оценивают коэффициентом избытка воздуха α — отношением количества воз­духа G_B, содержащегося в топливовоздушной смеси, к его мини­мально необходимому количеству для полного сгорания топлива , находящегося в смеси: , где = 14,9 кг — количество воздуха, необходимое для полного сжигания 1 кг бензина. Если α = 1, то смесь называется стехиометрической. При α 1 — бедной (топливом).

Для бензиновых двигателей в зависимости от режима работы α изменяется в пределах 0,7. 1,3.

Рассмотрим процессы, формирующие индикаторную диаграм­му четырехтактного двигателя с искровым зажиганием, описав последовательно такты рабочего цикла двигателя (на рис. 1.2 — атмосферное давление).

Такт впуска осуществляется при повороте кривошипа на угол от φ = 0 до φ= 180°. Надпоршневое пространство при этом изменя­ется от объема камеры сгорания (ВМТ) до полного объема цилиндра (НМТ). Такт на индикаторной диаграмме представ­лен линией ra.

В начале такта в объеме камеры сгорания находится часть продуктов сгорания от предыдущего цикла — остаточные газы. В результате их смешения со свежим зарядом в цилиндре двигателя образуется рабочая смесь. При движении поршня к НМТ закрыва­ется выпускной клапан (в точке b»), создается разрежение в ци­линдре и он заполняется свежим зарядом.

Давление рабочего тела в точке a зависит от гидравлических потерь во впускном тракте. Эти потери уменьшаются при улучше­нии качества впускного трубопровода, уменьшении скорости дви­жения свежего заряда во впускном тракте, а также при увеличе­нии степени открытия дроссельной заслонки, которые зависят от скоростного и нагрузочного режимов работы двигателя.

Температура рабочего тела в точке а определяется интенсив­ностью теплообмена между свежим зарядом, поверхностями впус­кного трубопровода, по которому движется свежий заряд и стен­ками камеры сгорания, а также его смешиванием с остаточными газами. В карбюраторных двигателях для улучшения испарения бен­зина впускной трубопровод специально подогревают.

Такт сжатия происходит при повороте кривошипа на угол от φ =180° (НМТ) до φ= 360° (ВМТ). На индикаторной диаграмме такту сжатия соответствует линия ас. В конце такта сжатия (в точке с) расчетные параметры рабоче­го тела ; определяются их начальными зна­чениями (,), а также степенью сжатия е ( — показатель адиабаты сжатия).

Степенью сжатия называется отношение , где — рабочий объем двигателя. Для современных двигателей ε = 7,5. 10.

В действительном цикле закрытие впускного клапана происхо­дит несколько позже НМТ (точка а») в целях увеличения напол­нения цилиндра свежим зарядом (дозарядка) за счет энергии его движения. В момент, обозначенный на диаграмме буквой f, про­исходит искровой разряд в свече зажигания. В цилиндре начинает­ся процесс сгорания топливовоздушной смеси, поэтому парамет­ры рабочего тела будут увеличиваться. Угловой интервал (в граду­сах поворота коленчатого вала) от момента подачи искры до при­хода поршня в ВМТ называется углом опережения зажигания .

Такт расширения происходит в процессе сгорания заранее под­готовленной достаточно однородной рабочей смеси во время дви­жения поршня от ВМТ (φ = 360°) к НМТ (φ = 540°). В начальный период такта сгорает основная масса топлива, а при расширении рабочего тела производится полезная работа. На индикаторной диаграмме это кривая _. При повороте кривошипа на угол = 10. 15° после ВМТ дав­ление в цилиндре максимально.

В действительном цикле до прихода поршня в НМТ в точке b’ открывается выпускной клапан. Это несколько уменьшает рабо­ту расширения, но существенно улучшает очистку цилиндра от отработавших газов.

источник