Рабочий цикл двухтактного двигателя осуществляется за два такта (за один оборот коленчатого вала). Процессы выпуска и наполнения цилиндра воздухом происходят только на части хода поршня (130-150° поворота коленчатого вала), а потому они значительно отличаются от таких же процессов в четырехтактных двигателях.
Процессы очистки цилиндра (выпуска) и продувки (наполнения) весьма сложны и зависят и от типа двигателя, и от самого устройства органов продувки и выпуска. В судовых двухтактных дизелях нашли применение различные устройства органов продувки и выпуска, т. е. различные системы продувок.
На рис. 8 изображена схема устройства двухтактного дизеля тронкового типа с прямоточно-клапанной продувкой.
В нижней части боковой поверхности рабочего цилиндра расположены продувочные окна, а в крышке цилиндра - выпускные клапаны. Продувочный воздух нагнетается в цилиндр продувочным насосом (в рассматриваемой схеме - продувочный насос роторного типа, или объемный насос). Он расположен сбоку и приводится в действие от распределительного вала. Выпускные клапаны приводятся в действие от распределительного вала, число оборотов которого равно числу оборотов коленчатого вала.
Индикаторная диаграмма данного двигателя показана на рис. 9.
Первый такт - сжатие воздуха в цилиндре начинается с момента перекрытия поршнем продувочных окон (точка 7, рис. 8 и 9). Выпускные клапаны закрыты. Давление воздуха в конце сжатия (точка 2) достигает 35- 50 кГ/см 2 и температура 700-750° С.
Второй такт включает горение топлива, расширение продуктов сгорания, выпуск и продувку. Процесс подачи топлива в цилиндр и его сгорание заканчиваются так же, как и в четырехтактном дизеле, и осуществляются в период расширения (точка 3). Начало подачи топлива - точка 2" (рис. 9), а точка 2 - конец сжатия.
Максимальное давление цикла достигает 55-80 кГ/см 2 , а температура 1700-1800° С.
При дальнейшем движении поршня от ВМТ к НМТ происходит расширение продуктов сгорания и в момент открытия выпускных клапанов (точка 4), которые открываются раньше открытия кромкой поршня продувочных окон, начинается выпуск.
Открытие выпускных клапанов раньше открытия продувочных окон необходимо для снижения давления в цилиндре до давления продувочного воздуха к моменту открытия продувочных окон.
Следовательно, с момента начала открытия поршнем продувочных окон (точка 5) до полного их открытия (точка 6) и вновь до момента закрытия окон (точка 1, при обратном движении поршня от НМТ к ВМТ) происходит процесс продувки цилиндра.
Продувочный воздух, заполняя цилиндр, поднимается вверх, вытесняя отработавшие газы из цилиндра через клапаны в выпускной тракт.
Таким образом происходит одновременная очистка цилиндра от отработавших газов и наполнение цилиндра свежим зарядом воздуха.
Закрытие выпускных клапанов (конец выпуска) производится несколько позже закрытия поршнем продувочных окон (точка 6), что способствует лучшей очистке верхней части цилиндра от отработавших газов.
После закрытия выпускных клапанов рабочий цикл повторяется в той же последовательности.
На рис. 10 приведена развернутая индикаторная диаграмма рассматриваемого двухтактного дизеля, а на рис. 11-его круговая диаграмма распределения. Обозначения фаз распределения такие же, как и на рис. 9.
Как видно на индикаторной диаграмме, давление в цилиндре всегда выше атмосферного. Величина минимального давления в цилиндре зависит от величины давления продувочного воздуха. Давление продувочного воздуха составляет 1,2-1,5 ата и при работе двигателя с наддувом повышается до 2,5 ата.
На круговой диаграмме (см. рис. 11) углы обозначают следующие фазы распределения.
Индикаторная диаграмма – зависимость давления рабочего тела от объёма цилиндра (рис. 2) – является наиболее информативным источником, позволяющим анализировать процессы, происходящие в цилиндре двигателя внутреннего сгорания. Такты работы двигателя, осуществляющиеся за четыре хода поршня от ВМТ до НМТ показаны на индикаторной диаграмме в координатах p – V следующими отрезками кривой:
r 0 – a 0 – такт впуска;
a 0 – c – такт сжатия;
c – z – b 0 – такт рабочего хода (расширения);
b 0 – r 0 – такт выпуска.
На диаграмме отмечены следующие характерные точки:
b , r – моменты открытия и закрытия выпускного клапана, соответственно;
u , a – моменты открытия и закрытия впускного клапана, соответственно;
Рис. 2. Типичная индикаторная диаграмма четырехтактного
двигателя внутреннего сгорания
Площадь диаграммы, определяющая работу за цикл, состоит из площади, соответствующей положительной индикаторной работе, полученной за такты сжатия и рабочего хода, и площади, соответствующей отрицательной работе, затрачиваемой на очистку и наполнение цилиндра в тактах впуска и выпуска. Отрицательную работу цикла обычно относят к механическим потерям в двигателе.
Таким образом, общая энергия, сообщаемая валу поршневого двигателя за один цикл L , может быть определена алгебраическим сложением работы тактов L = L вп + L сж + L рх + L вып. Мощность, передаваемая валу, определится произведением этой суммы на количество тактов рабочего хода в единицу времени (n /2) и на число цилиндров двигателя i :
Определенная таким образом мощность двигателя называется средней индикаторной мощностью.
Индикаторная диаграмма позволяет разделить цикл четырехтактного двигателя на следующие процессы:
u – r 0 – r – a 0 – a – впуск;
a – θ – c" – сжатие;
θ – c" – c – z – f – смесеобразование и сгорание;
z – f – b – расширение;
b – b 0 – u – r 0 – r – выпуск.
Приведенная типичная индикаторная диаграмма справедлива и для дизельного двигателя. В этом случае точка θ будет соответствовать моменту подачи топлива в цилиндр.
На диаграмме обозначены:
V c – объем камеры сгорания (объем цилиндра над поршнем, находящимся в ВМТ);
V a – полный объем цилиндра (объем цилиндра над поршнем в начале такта сжатия);
V n – рабочий объем цилиндра, V n = V a – V c .
Степень сжатия.
Индикаторная диаграмма описывает рабочий цикл двигателя, а ограниченная его площадь – индикаторную работу цикла. Действительно, [p ∙ ∆V ] = (Н/м 2) ∙ м 3 = Н ∙ м = Дж.
Если принять, что на поршень действует некоторое условное постоянное давление p i , совершающее в течение одного хода поршня работу, равную работе газов за цикл L , то
L = p i ∙ V h ()
где V h – рабочий объем цилиндра.
Это условное давление p i принято называть средним индикаторным давлением.
Среднее индикаторное давление численно равно высоте прямоугольника с основанием, равным рабочему объему цилиндра V h площадью, равной площади, соответствующей работе L .
Так как полезная индикаторная работа пропорциональна среднему индикаторному давлению p i , совершенство рабочего процесса в двигателе можно оценивать на величину этого давления. Чем больше давление p i , тем больше работа L , и, следовательно, рабочий объем цилиндра используется лучше.
Зная среднее индикаторное давление p i , рабочий объем цилиндра V h , число цилиндров i и частоту вращения коленчатого вала n (об/мин), можно определить среднюю индикаторную мощность четырехтактного двигателя N i
Произведение i ∙ V h представляет собой рабочий объем двигателя.
Передача индикаторной мощности на вал двигателя сопровождается механическими потерями вследствие трения поршней и поршневых колец о стенки цилиндров, трения в подшипниках кривошипно–шатунного механизма. Кроме того, часть индикаторной мощности затрачивается на преодоление аэродинамических потерь, возникающих при вращении и колебании деталей, на приведение в действие механизма газораспределения, топливных, масляных и водяных насосов и других вспомогательных механизмов двигателя. Часть индикаторной мощности тратится на удаление продуктов сгорания и заполнение цилиндра свежим зарядом. Мощность, соответствующая всем этим потерям, называется мощностью механических потерь N м.
В отличие от индикаторной мощности, полезную мощность, которую можно получить на валу двигателя, называют эффективной мощностью N е. Эффективная мощность меньше индикаторной на величину механических потерь, т.е.
N е = N i – N м. ()
Мощность N м, соответствующую механическим потерям и эффективную мощность двигателя N е определяют опытным путем при стендовых испытаниях с помощью специальных нагрузочных устройств.
Одним из основных показателей качества поршневого двигателя, характеризующего использование им индикаторной мощности для совершения полезной работы является механический КПД, определяемый как отношение эффективной мощности к индикаторной:
η м = N е /N i . ()
Общую энергию, сообщаемую валу поршневого двигателя, можно определить алгебраическим сложением работы тактов и умножив сумму на число рабочих тактов в единицу времени (n /2) и число цилиндров двигателя. Мощность, определяемая таким образом, может быть получена путем интегрирования зависимости давления в функции от объема изображенной на индикаторной диаграмме (рис 4.2,б), и называется средней индикаторной мощностью N . Эту мощность часто связывают с понятием индикаторного среднего эффективного давления р i , рассчитываемого следующим образом:
Эффективная мощность N e есть произведение индикаторной мощности N на механический КПД двигателя. Механический КПД двигателя уменьшается с увеличением частоты вращения двигателя из–за потерь на трение и привод агрегатов.
Для построения характеристик авиационного поршневого двигателя его испытывают на балансирном станке с использованием воздушного винта изменяемого шага. Балансирный станок обеспечивает замер величины крутящего момента, числа оборотов коленчатого вала и расхода топлива. По величине замеренного крутящего момента М кр и числу оборотов n определяется измеренная эффективная мощность двигателя
Если двигатель снабжен редуктором, снижающим обороты винта, то формула для замеренной эффективной мощности имеет вид:
где i р – передаточное число редуктора.
Учитывая зависимость эффективной мощности двигателя от атмосферных условий, замеренную мощность для сравнения результатов испытаний приводят к стандартным атмосферным условиям по формуле
где N e – эффективная мощность двигателя, приведенная к стандартным атмосферным условиям;
t изм – температура наружного воздуха во время испытаний, ºС;
B – давление наружного воздуха, мм.рт.ст.,
∆р – абсолютная влажность воздуха, мм.рт.ст.
Эффективный удельный расход топлива g е определяется по формуле:
где G T и – расход топлива и эффективная мощность двигателя, измеренные при испытаниях.
Индикаторная диаграмма двигателя внутреннего сгорания строится с использованием данных расчета рабочего процесса.
При построении на оси абсцисс откладывается отрезок АВ, (рис 8) соответствующий рабочему объему цилиндра, а по величине равный ходу поршня в масштабе M s . Масштаб M s обычно принимается 1:1, 1,5:1 или 2:1.
Отрезок ОА (мм), соответствующий объему камеры сгорания, определяется из уравнения
ОА = АВ/(ε – 1) (2.28)
Отрезок z′z для дизелей, работающих по циклу со смешенным подводом теплоты (рис. 9)
z′z = ОА(ρ – 1) (2.29)
За тем по данным расчета параметров действительного цикла на диаграмме откладывают в выбранном масштабе величины давлений в характерных точках: a, c, z, z, b, r.
Построение политроп сжатия и расширения можно производить аналитическим или графическим методом. При аналитическом методе построения политроп сжатия и расширения вычисляется ряд точек для промежуточных объемов, расположенных между V c и V a и между V z и V b , по уравнению политропы .
Рис. 8. Индикаторная диаграмма бензинового двигателя
Рис. 9. Индикаторная диаграмма дизельного двигателя
Для политропы сжатия 
, откуда
, (2.30)
где p x и V x – давление и объем в искомой точке процесса сжатия.
Отношение V a /V x изменяется в пределах 1÷ ε.
Аналогично для политропы расширения
(2.31)
Для бензиновых двигателей отношение V b /V x изменяется в интервале 1÷ε , для дизелей – 1÷ δ.
Определение ординат расчетных точек политроп сжатия и расширения удобно производить в табличной форме.
Построение индикаторной диаграммы производят, соединяя точки а и с, z и b плавными кривыми, а точки b и a, c и z – прямыми линиями.
Процессы впуска и выпуска принимают протекающими при р = const и V = const
Для проверки правильности построения диаграммы определяют
р i = M p /AB
где F – площадь диаграммы a c′c″z д b′b″a .
Расчет индикаторных и эффективных показателей ДВС
Индикаторные показатели
Рабочий цикл двигателя внутреннего сгорания характеризуется средним индикаторным давлением, индикаторной мощностью, индикаторным КПД и удельным индикаторным расходом топлива.
Теоретическое среднее индикаторное давление – это отношение теоретической расчетной работы газов за один цикл к ходу поршня.
Для бензиновых двигателей, работающих по циклу с подводом теплоты при V = const, теоретическое среднее индикаторное давление
Для дизеля, работающего по циклу со смешенным подводом теплоты при V = const и р = const
Среднее индикаторное давление p i действительного цикла отличается от значения на величину, пропорциональную уменьшению расчетной диаграммы за счет скругления в точках с, z, b.
Уменьшение теоретического среднего индикаторного давления вследствие отклонения действительного процесса от расчетного цикла оценивается коэффициентом полноты диаграммы φ и и величиной среднего давления насосных потерь Δp i .
Коэффициент полноты диаграммы φ и принимается равным:
для карбюраторных двигателей …………………….…. 0,94÷0,97
для двигателей с электронным впрыском топлива…… 0,95÷0,98
для дизелей………………………………………………. 0,92÷0,95
Среднее давление насосных потерь (МПа) при процессах впуска и выпуска
Δp i = p r – p a . (3.3)
Для четырехтактных двигателей без наддува величина Δp i положительна. В двигателях с наддувом от приводного нагнетателя при p a > p r величина Δp i отрицательна. При газотурбинном наддуве значение p a может быть как больше, так и меньше p r , т.е. величина Δp i может быть как отрицательной, так и положительной.
При проведении расчетов потери на газообмен учитываются в работе, затрачиваемой на механические потери. В связи с этим принимают, что среднее индикаторное давление p i отличается от только на коэффициент полноты диаграммы
p i = φ и . (3.4)
При работе на полной нагрузке величина p i (МПа) достигает:
для четырехтактных бензиновых двигателей…………………… 0,6÷1,4
для четырехтактных форсированных бензиновых двигателей… до 1,6
для четырехтактных дизелей без наддува………………………. 0,7÷1,1
для четырехтактных дизелей с наддувом……………………….. до 2,2
Индикаторная мощность N i – работа, совершаемая газами внутри цилиндра в единицу времени.
Для многоцилиндрового двигателя индикаторная мощность (кВт) равна
N i = p i V h in /(30τ ), (3.5)
где p i – среднее индикаторное давление, МПа;
V h – рабочий объем одного цилиндра, л (дм 3);
i – число цилиндров;
n – частота вращения коленчатого вала двигателя, мин -1 ;
τ – тактность двигателя. Для четырехтактного двигателя τ=4.
Индикаторная мощность одного цилиндра
N i = p i V h n /(30τ ), (3.6)
Индикаторный КПД η i характеризует степень использования в действительном цикле теплоты топлива для получения полезной работы и представляет собой отношение теплоты, эквивалентной индикаторной работе цикла, ко всему количеству теплоты, внесенной в цилиндр с топливом.
Для 1 кг топлива
η i = L i /Н и , (3.7)
где L i – теплота, эквивалентная индикаторной работе, МДж/кг;
Н и – низшая теплота сгорания топлива, МДж/кг.
Для автомобильных и тракторных двигателей, работающих на жидком топливе
η i = p i ·l 0 ·α /(Н и ·ρ k ·η V), (3.8)
где p i выражено в МПа; l 0 – в кг/кг топл.; Н и – в МДж/кг топл.; ρ k – в кг/м 3 .
В автомобильных и тракторных двигателях, работающих на номинальном режиме, величина индикаторного КПД составляет:
для двигателей с электронным впрыском топлива……… 0,35÷0,45
для карбюраторных двигателей…………………………… 0,30÷0,40
для дизелей…………………………………………………. 0,40÷0,50
Удельный индикаторный расход топлива g i характеризует экономичность действительного цикла
g i = 3600/(η i Н и) или g i = 3600 ρ 0 η V /(p i ·l 0 ·α) . (3.10)
Удельный расход топлива на номинальном режиме:
для двигателей с электронным впрыском топлива …g i = 180÷230 г(кВт·ч)
для карбюраторных двигателей………………………g i = 210÷275 г(кВт·ч)
для дизелей……………………………………….……g i = 170÷210 г(кВт·ч)
Эффективные показатели
Эффективными показателями называют величины, характеризующие работу двигателя, снимаемую с его вала и полезно используемую. К числу эффективных показателей относятся: эффективная мощность, крутящий момент, среднее эффективное давление, удельный эффективный расход, эффективный КПД.
Эффективная мощность . Полезная работа, получаемая на валу двигателя в единицу времени называется эффективной мощностью N e .
N e =N i - N мп (3.9)
где N мп мощность механических потерь.
Эффективная мощность дана студенту в исходных данных для проектирования ДВС (см. задание на выполнение курсового проекта).
Под механическими потерями понимают потери на все виды механического трения, осуществление газообмена, привод вспомогательных механизмов (водяного, масляного, топливного насосов, вентилятора, генератора и пр.), вентиляционные потери, связанные с движением деталей двигателя в среде воздушно-масляной эмульсии и воздуха, а также на привод компрессора.
Механические потери оценивают средним давлением механических потерь p мп, которое характеризует удельную работу механических потерь (приходящуюся на единицу рабочего объема) при осуществлении рабочего цикла.
При аналитическом определении N e (кВт) она рассчитывается по формуле:
N e = p e V h in /(30τ ) (3.10)
где p e =L e /V h - среднее эффективное давление (МПа), т. е. полезная работа, получаемая за цикл с единицы рабочего объема;
V h – рабочий объем цилиндра, л;
n – число оборотов коленчатого вала, мин -1
Эффективный крутящий момент М е (Н∙м)
М е = (3∙10 4 /π)(N e /n ) (3.11)
При расчете ДВС среднее эффективное давление (МПа) определяют как
p e = p i - p мп (3.12)
Среднее давление механических потерь p мп (МПа) для двигателей различного типа определяется по определяется по эмпирическим формулам:
для бензиновых двигателей с числом цилиндров до шести и отношением S/D>1
p мп =0,049 + 0,0152V п.ср;
для бензиновых двигателей с числом цилиндров до шести и отношением S/D≤1
p мп =0,034 + 0,0113V п.ср
для четырехтактных дизелей с неразделенными камерами
p мп =0,089 + 0,0118V п.ср
Так же, как и диаграмму термодинамического цикла, можно изобразить в координатах р-V и действительный цикл двигателя внутреннего сгорания. Полученная при этом диаграмма называется индикаторной.
Диаграмма четырехтактного дизеля. Вначале рассмотрим рабочий цикл четырехтактного дизеля, не имеющего наддува.
Первый такт - наполнение. Когда поршень дизеля двигается слева направо, открывается впускной клапан 3 (рис. 19) и воздух из атмосферы поступает в цилиндр. В двигателях без наддува процесс наполнения цилиндра происходит вследствие разрежения
Рис. 19. Диаграмма рабочего цикла четырехтактного дизеля и схема его устройства:
1 - поршень; 2 - цилиндр; 3 - впускной клапан; 4 - форсунка; 5 - выпускной клапан в нем, а давление воздуха в цилиндре достигает 0,085-0,09 МПа, поэтому линия наполнения цилиндра располагается ниже атмосферной (0,1 МПа). В действительности линия наполнения не прямая, так как на нее оказывают влияние неравномерность скорости движения поршня, фазы открытия и закрытия клапанов, конструкция входного патрубка и другие факторы. Для более полной зарядки цилиндра воздухом принимаются меры к снижению сопротивления проходу воздуха в цилиндр. Качество зарядки цилиндра оценивается коэффициентом наполнения ц„, который обычно равен0,8-0,88. Это значит, что цилиндр дизеля наполняется воздухом только на 80-88 % по сравнению с тем количеством воздуха, которое поместилось бы в рабочем объеме цилиндра при нормальных условиях окружающей среды. Коэффициент наполнения зависит главным образом от температуры и давления воздуха в точке а (см. рис. 19). Чем выше давление и чем ниже температура воздуха в точке а, тем больше коэффициент наполнения (рис. 20).
Второй такт - сжатие. Поршень движется справа налево, впускной клапан закрывается, воздух в цилиндре сжимается. При этом температура его в точке с повышается до 500-750 °С, а давление может возрастать до 5- 7 МПа. Процесс сжатия на диаграмме изображен линией ас (см. рис. 19). Когда поршень еще не дошел до верхней мертвой точки (в.м.т.) на 18-30° угла поворота коленчатого вала, через форсунку 4 в цилиндр впрыскивается жидкое топливо, которое в точке с воспламеняется и начинает гореть. Подача топлива прекращается после того, как поршень уже пройдет в.м.т. на 10-15° и снова начнет двигаться слева направо. Поступившее в цилиндр топливо перемешивается с воздухом и начинает гореть. На диаграмме процесс горения изображен ломаной линией сг"г.
Третий такт - расширение газа. В начале третьего хода поршня происходит сгорание топлива, которое теоретически заканчивается в точке г. Давление в точке г возрастает до 8-13 МПа, а температура до 1750- 2100 К. После точки г происходит расширение газов, которое продолжается до тех пор, пока не откроется выпускной клапан. Последний открывается в точке е" на 40-55° до нижнего положения поршня, когда давление в цилиндре достигает 0,5-0,8 МПа, а температура 1000-1100 К- Предварение открытия выпускного клапана способствует уменьшению сопротивления выходу отработавших газов через выпускную систему и, следовательно, лучшей очистке цилиндра от отработавших
Рис. 20. Изменение коэффициента наполнения цилиндров г), в зависимости от давления и температуры воздуха в цилиндре в начале сжатия
Рис. 21. Индикаторная диаграмма четырехтактного дизеля с газотурбинным наддувом:
ря - давление в период наполнения; рг давление в цилиндре в период выпуска; рк - давление воздуха в наддувочном коллекторе; V, объем камеры сжатия: объем, описываемый поршнем, V* - полный объем цилиндра газов. Ход расширения является полезным рабочим ходом, так как в этот период газы с большим давлением действуют на поршень дизеля в направлении его движения и совершают полезную работу, отдавая ее нагрузочному агрегату.
Четвертый такт - выпуск газов. Поршень движется справа налево, вы-
Рис. 22. Диаграмма рабочего цикла двухтактного дизеля и схема его устройства:
А - продувочное окно; В - выпускное окно. 1 - цилиндр; } - поршень; ,3 - форсунка пускной клапан 5 открыт и газы выталкиваются из цилиндра. Процесс выпуска газов на диаграмме изображен линией e"er. Удаление газов происходит при давлении 0,11-0,12 МПа, поэтому линия выпуска газов располагается выше атмосферной линии. Температура газов за выпускным клапаном равна 700-900 К-
Для более совершенной продувки и зарядки цилиндра воздухом впускной и выпускной клапаны на протяжении 50-100° поворота кривошипа коленчатого вала открыты одновременно. Это так называемое «перекрытие» клапанов обеспечивает хорошую очистку цилиндров от продуктов сгорания топлива и более полное заполнение рабочего объема воздухом, а также охлаждение днища поршня и выпускных клапанов потоком холодного воздуха. Качество очистки цилиндра от отработавших газов оценивается коэффициентом остаточных газов у, который представляет собой отношение количества оставшихся в цилиндре от предыдущего цикла газов к величине поступившего в цилиндр свежего воздушного заряда. Обычно у - = 0,024-0,1.
Особенности рабочего цикла четырехтактного дизеля с газотурбинным наддувом. В дизелях с наддувом процесс зарядки цилиндра происходит иначе, чем у двигателей без наддува. Турбокомпрессор засасывает воздух из атмосферы при давлении р0 (рис. 21) и сжимает до давления рк- Сжатый в турбокомпрессоре воздух прежде, чем попасть в цилиндр, проходит через охладитель, впускной коллектор и выпускные клапаны; на пути от турбокомпрессора до цилиндра его давление снижается от рк до р„. Поэтому линия давления впуска расположена ниже линии рк и выше атмосферной линии (Ро).
После заполнения цилиндра воздухом поршень, двигаясь от точки а налево, сжимает воздух. Процесс сжатия изображен кривой ас. В конце сжатия в цилиндр впрыскивается топливо, которое воспламеняется в точке с. Процесс сгорания показан линиями cz" и г"г. Расширение газов происходит по кривой ге. В точке е открываются выпускные клапаны, и отработавшие газы выталкиваются в газовую турбину (при давлении рт), а затем выбрасываются в атмосферу. Таким образом, линия выпуска газа из цилиндра расположена выше атмосферной и ниже линии наполнения. В четырехтактных двигателях энергии отработавших газов вполне достаточно, чтобы нагнетатель сжимал воздух до давления рк, более высокого, чем рг. В результате наддува площадь индикаторной диаграммы, а следовательно, и мощность дизеля значительно возрастают.
Следует отметить, что в действительности процесс сгорания происходит не по прямым линиям с г" и г"г, а по штриховой линии (см. рис. 21).
Диаграмма двухтактного дизеля. Сжатие воздуха в цилиндре при движении поршня справа налево начинается в точке а и продолжается до точки с (рис. 22). За 16-25° угла поворота коленчатого вала до крайнего левого положения поршня через форсунку 3 в цилиндр при высоком давлении подается жидкое топливо (в мелкораспыленном виде), которое, соприкасаясь с нагретым до высокой температуры сжатым воздухом, воспламеняется. Образовавшиеся газы, стремясь расшириться, перемещают поршень вправо. Движущийся поршень через шатун вращает коленчатый вал. Не доходя до крайнего правого положения, поршень 2 своей кромкой открывает выпускное окно Б, давая выход отработавшим газам через глушитель наружу. Двигаясь дальше вправо, поршень открывает продувочное окно Л, через которое в цилиндр \стремляется свежий воздух, имеющий повышенное давление. Воздух вытесняет отработавшие газы и заполняет цилиндр. Когда поршень изменит направление и начнет двигаться справа налево, он вначале закроет продувочное окно А, а затем выпускное Б, после чего начнется сжатие оставшегося в цилиндре воздуха. Таким образом, полный рабочий процесс (цикл) в двухтактном дизеле совершается за два кода поршня (такта), при этом коленчатый вал совершает один оборот.
В двухтактных дизелях продувочный воздух подается в цилиндры нагнетателем, приводимым в движение от вала дизеля, или турбокомпрессором. От качества продувки цилиндров зависит мощность и к.п.д. дизеля. Чтобы обеспечить хорошую продувку цилиндров воздухом и снизить тепловое напряжение деталей дизеля, соприкасающихся с горячими газами, в цилиндры подается значительно больше воздуха, чем требуется для горения топлива; во время продувки часть воздуха уходит через выпускные окна. Учитывая это, подача продувочного воздушного нагнетателя должна быть на 30-40 % больше, чем это необходимо для обеспечения полного сгорания топлива. При проектировании двухтактных двигателей конструкторы стремятся к тому, чтобы при наименьшей потере сжатого воздуха получалась бы наилучшая продувка и зарядка цилиндров. В двухтактных дизелях обычно энергии отработавших газов недостаточно для сжатия наддувочного воздуха до требуемого давления, так как давление это должно быть больше, чем давление в выпускном трубопроводе для качественной очистки цилиндров, а энергия выпускных газов (при прочих равных условиях) ниже, чем в четырехтактных двигателях, из-за разбавления газов холодным продувочным воздухом. Поэтому в двухтактных дизелях используется комбинированный наддув, при котором часть энергии, необходимой для сжатия наддувочного воздуха, отбирается от коленчатого вала двигателя (см. выше).
Схемы продувки двухтактных дизелей. Наиболее простая, но вместе с тем и наиболее несовершенная схема- так называемая поперечно-щелевая продувка, при которой в цилиндре может оставаться 15-20% отработавших газов (рис. 23,а). Такая продувка применяется в маломощных дизелях, для которых простота конструкции, а не экономичность, имеет решающее значение. Схема продувки, показанная на рис. 23,6, более совершенна. Благодаря обратному клапану 3 эта конструкция обеспечивает некоторый наддув цилиндров. Такая схема продувки применяется на тихоходных судовых двигателях.
Более совершенна прямоточная кла-панно-щелевая продувка (рис. 23,в). Сжатый воздух из нагнетателя поступает в цилиндр через нижние окна, а отработавшие газы удаляются через выпускные клапаны 3, размещенные в крышке цилиндра. При такой продувке на дизеле устанавливают распределительный вал. Клапанно-щелевая продувка применяется в тепловозных дизелях 11Д45 и 14Д40.
Наиболее совершенна прямоточно-щелевая продувка (рис. 23,г), которую можно осуществить в двигателях со встречно движущимися поршнями. Сжатый воздух от нагнетателя поступает через верхние окна (продувочные), а отработавшие газы удаляются из цилиндра через нижние (выпускные) окна. Чтобы можно было полнее зарядить цилиндр, нижний поршень, перекрывающий выпускные окна, несколько опережает (на 10-12° угла поворота коленчатого вала) верхний поршень, перекрывающий впускные окна.
При таком способе продувки в цилиндре почти не остается отработавших газов. Прямоточно-щелевая продувка применяется в тепловозных дизелях 2Д100 и 1 ОД 100.
30.09.2014
Рабочий цикл - совокупность тепловых, химических и газодинамических процессов, последовательно, периодически повторяющихся в цилиндре двигателя с целью преобразования тепловой энергии топлива в механическую энергию. Цикл включает пять процессов: впуск, сжатие, сгорание (горение), расширение, выпуск.
На тракторах и автомобилях, применяемых в лесной промышленности и лесном хозяйстве, устанавливаются дизельные и карбюраторные четырехтактные двигатели. Лесотранспортные машины, в основном, оснащаются четырехтактными дизельными двигателями,
В процессе впуска цилиндр двигателя заполняется свежим зарядом, представляющим собой очищенный воздух у дизельного двигателя или горючую смесь очищенного воздуха с топливом (газом) у карбюраторного двигателя и газодизеля. Горючей смесью воздуха с мелкораспыленным топливом, его парами или горючими газами должно обеспечиваться распространение фронта пламени во всем занятом пространстве.
В процессе сжатия в цилиндре сжимается рабочая смесь, состоящая из свежего заряда и остаточных газов (карбюраторные и газовые двигатели) или из свежего заряда, распыленного топлива и остаточных газов (дизели, многотопливные и с впрыском бензина двигатели и газодизели).
Остаточными газами называются продукты сгорания, оставшиеся после завершения предыдущего цикла и участвующие в следующем цикле.
В двигателях с внешним смесеобразованием рабочий цикл протекает за четыре такта: впуска, сжатия, расширения и выпуска. Такт впуска (рис. 4.2а). Поршень 1, под воздействием вращения коленчатого вала 9 и шатуна 5, перемещаясь к НМТ, создает разряжение в цилиндре 2, в результате чего свежий заряд горючей смеси поступает по трубопроводу 3 через впускной клапан 4 в цилиндр 2.
Такт сжатия (рис. 4.2б). После заполнения цилиндра свежим зарядом впускной клапан закрывается, а поршень, перемещаясь к ВМТ, сжимает рабочую смесь. При этом в цилиндре повышаются температура и давление. В конце такта рабочая смесь воспламеняется от искры, возникающей между электродами свечи 5, и начинается процесс сгорания.
Такт расширения или рабочий ход (рис. 4.2e). В результате сгорания рабочей смеси образуются газы (продукты сгорания), температура и давление которых резко возрастают к приходу поршня в ВМТ. Под воздействием высокого давления газов поршень перемещается к НМТ, при этом совершается полезная работа, передаваемая на вращающийся коленчатый вал.
Такт выпуска (см. рис. 4.2г). В этом такте происходит очистка цилиндра от продуктов сгорания. Поршень, перемещаясь к ВМТ, через открытый выпускной клапан 6 и трубопровод 7 выталкивает продукты сгорания в атмосферу. В конце такта давление в цилиндре незначительно превышает атмосферное давление, поэтому в цилиндре остается часть продуктов сгорания, которые смешиваются с горючей смесью, заполняющей цилиндр при такте впуска следующего рабочего цикла.
Принципиальное отличие рабочего цикла двигателя с внутренним смесеобразованием (дизельных, газодизельных, многотопливных) состоит в том, что на такте сжатия топливоподающая аппаратура системы питания двигателя впрыскивает мелкораспыленное жидкое моторное топливо, которое перемешивается с воздухом (или смесью воздуха с газом) и воспламеняется. Высокая степень сжатия двигателя с воспламенением от сжатия позволяет нагреть рабочую смесь в цилиндре выше температуры самовоспламенения жидкого топлива.
Рабочий цикл двухтактного карбюраторного двигателя (рис. 4,3) применяемого для пуска дизеля трелевочного трактора, совершается за два хода поршня или за один оборот коленчатого вала. При этом один такт является рабочим, а второй - вспомогательным. В двухтактном карбюраторном двигателе отсутствуют впускной и выпускной клапаны, их функцию выполняют впускное, выпускное и продувочные окна, которые открываются и закрываются поршнем при его движении. Через эти окна рабочая полость цилиндра сообщается с впускными и выпускными трубопроводами, а также с герметичным картером двигателя.
Индикаторная диаграмма. Рабочий или действительный цикл двигателя внутреннего сгорания отличается от теоретического, изучаемого в термодинамике, свойствами рабочего тела, представляющего собой реальные газы переменного химического состава, скоростью подвода и отвода тепла, характером теплообмена между рабочим телом и окружающими его деталями и другими факторами.
Действительные циклы двигателей графически изображаются в координатах: давление - объем (р, V) или в координатах: давление - угол поворота коленчатого вала (р, φ). Такие графические зависимости от указанных параметров называются индикаторными диаграммами.
Наиболее достоверные индикаторные диаграммы получаются экспериментально, приборными методами, непосредственно на двигателях. Индикаторные диаграммы, полученные расчетным путем на основании данных теплового расчета, отличаются от действительных циклов вследствие несовершенства методов расчета и применяемых допущений.
На рис. 4.4 приведены индикаторные диаграммы четырехтактных карбюраторного и дизельного двигателей.
Контур г, а, с, z, b, r представляет собой диаграмму рабочего цикла четырехтактного двигателя. Она отражает пять чередующихся и частично перекрывающих друг друга процессов: впуск, сжатие, сгорание, расширение и выпуск. Процесс впуска (r, а) начинается до прихода поршня в BMT (около точки r) и заканчивается после HMT (в точке k). Процесс сжатия заканчивается в точке с, в момент воспламенения рабочей смеси у карбюраторного двигателя или в момент начала впрыска топлива у дизеля. В точке с начинается процесс сгорания, который заканчивается после точки r. Процесс расширения или рабочий ход (r, b) заканчивается в точке b. Процесс выпуска начинается в точке b, т. е. в момент открытия выпускного клапана, и заканчивается за точкой r.
Площадь r, а, с, b, r построена в координатах p-V, следовательно, в определенном масштабе характеризует работу, развиваемую газами в цилиндре. Индикаторная диаграмма четырехтактного двигателя состоит из положительной и отрицательной площадей. Положительная площадь ограничена линиями сжатия и расширения k, с, z, b, k и характеризует полезную работу газов; отрицательная ограничена линиями впуска и выпуска и характеризует работу газов, затрачиваемую на преодоление сопротивления при впуске и выпуске. Отрицательная площадь диаграммы незначительна, ее величиной можно пренебречь, а вычисление производить только по контуру диаграммы. Площадь этого контура эквивалентна индикаторной работе, ее планиметрируют для определения среднего индикаторного давления.
Индикаторной работой цикла называют работу за один цикл, определяемую по индикаторной диаграмме.
Среднее индикаторное давление - это такое условное постоянно действующее давление в цилиндре двигателя, при котором работа газа за один ход поршня равна индикаторной работе цикла.
Среднее индикаторное давление р определяется по индикаторной диаграмме:
