122520 (Двигатели внутреннего сгорания), страница 3

за счет большего числа рабочих циклов. Однако неполное использование

хода поршня для расширения, худшее освобождение цилиндра от остаточных

газов и затраты части вырабатываемой мощности на привод продувочного

компрессора приводят практически к увеличению мощности только на

60...70%.

Рабочий цикл четырехтактных карбюраторных

и дизельных двигателей

Рабочий цикл четырехтактного двигателя состоит из пяти процессов:

впуск, сжатие, сгорание, расширение и выпуск, которые совершаются за

четыре такта или за два оборота коленчатого вала.

Графическое представление о давлении газов при изменении объема в

цилиндре двигателя в процессе осуществления каждого из четырех циклов

дает индикаторная диаграмма. Она может быть построена по данным

теплового расчета или снята при работе двигателя с помощью

специального прибора - индикатора.

Процесс впуска. Впуск горючей смеси осуществляется после выпуска из

цилиндров отработавших газов от предыдущего цикла. Впускной клапан

открывается с некоторым опережением до ВМТ, чтобы получить к моменту прихода поршня к ВМТ большее проходное сечение у клапана. Впуск горючей смеси осуществляется за два периода. В первый период смесь поступает при перемещении поршня от ВМТ к НМТ вследствие разряжения, создающегося в цилиндре. Во второй период впуск смеси происходит при перемещении поршня от НМТ к ВМТ в течение некоторого времени, соответствующего 40 - 70 поворота коленчатого вала за счет разности давлений (ротора), и скоростного напора смеси. Впуск горючей смеси заканчивается закрытием впускного клапана. Горючая смесь, поступившая в цилиндр, смешивается с остаточными газами от предыдущего цикла и образует горючую смесь. Давление смеси в цилиндре в течение процесса впуска составляет 70 - 90 кПа и зависит от гидравлических потерь во впускной системе двигателя. Температура смеси в конце процесса впуска повышается до 340 - 350 К вследствие соприкосновения ее с нагретыми деталями двигателя и смешивания с остаточными газами, имеющими температуру 900 - 1000 К.

Процесс сжатия. Сжатие рабочей смеси, находящейся в цилиндре

двигателя, происходит при закрытых клапанах и перемещении поршня в

ВМТ. Процесс сжатия протекает при наличии теплообмена между рабочей

смесью и стенками (цилиндра, головки и днища поршня). В начале сжатия температура рабочей смеси ниже температуры стенок, поэтому теплота передается смеси от стенок. По мере дальнейшего сжатия температура смеси повышается и становится выше температуры стенок, поэтому теплота от смеси передается стенкам. Таким образом, процесс сжатия осуществляется по палитре, средний показатель которой n=1.33...1.38. Процесс сжатия заканчивается в момент воспламенения рабочей смеси. Давление рабочей смеси в цилиндре в конце сжатия 0.8 - 1.5МПа, а температура 600 - 750 К.

Процесс сгорания. Сгорание рабочей смеси начинается раньше прихода

поршня к ВМТ, т.е. когда сжатая смесь воспламеняется от электрической искры. После воспламенения фронт пламени горящей свечи от свечи распространяется по всему объему камеры сгорания со скоростью 40 - 50 м/с. Несмотря на такую высокую скорость сгорания, смесь успевает сгореть за время, пока коленчатый вал повернется на 30 - 35 . При сгорании рабочей смеси выделяется большое количество теплоты на участке, соответствующим 10 - 15 до ВМТ и 15 - 20 после НМТ, вследствие чего давление и температура образующихся в цилиндре газов быстро возрастают.

В конце сгорания давление газов достигает 3 - 5 МПа, а температура 2500 - 2800 К.

Процесс расширения. Тепловое расширение газов, находящихся в цилиндре двигателя, происходит после окончания процесса сгорания при перемещении поршня к НМТ. Газы, расширяясь, совершают полезную работу. Процесс теплового расширения протекает при интенсивном теплообмене между газами и стенками (цилиндра, головки и днища поршня). В начале расширения происходит догорание рабочей смеси, вследствие чего образующиеся газы получают теплоту. Газы в течение всего процесса теплового расширения отдают теплоту стенкам. Температура газов в процессе расширения уменьшается, следовательно, изменяется перепад температуры между газами и стенками. Процесс теплового расширения происходит по палитре, средний показатель которой n2=1.23...1.31. Давление газов в цилиндре в конце расширения 0.35 - 0.5 МПа, а температура 1200 - 1500 К.

Процесс выпуска. Выпуск отработавших газов начинается при открытии выпускного клапана, т.е. за 40 - 60 до прихода поршня в НМТ. Выпуск газов из цилиндра осуществляется за два периода. В первый период выпуск газов происходит при перемещении поршня за счет того, что давление газов в цилиндре значительно выше атмосферного.В этот период из цилиндра удаляется около 60% отработавших газов со скоростью 500 - 600 м/с. Во второй период выпуск газов происходит при перемещении поршня (закрытие выпускного клапана) за счет выталкивающего действия поршня и инерции движущихся газов. Выпуск отработавших газов заканчивается в момент закрытия выпускного клапана, т. е. через 10 – 20 после прихода поршня в ВМТ. Давление газов в цилиндре в процессе выталкивания 0.11 - 0.12 МПа, температура газов в конце процесса выпуска 90 - 1100 К.

Рабочий цикл четырехтактного двигателя

Рабочий цикл дизеля существенно отличается от рабочего цикла

карбюраторного двигателя способом образования и воспламенения рабочей

смеси.

Процесс впуска. Впуск воздуха начинается при открытом впускном клапане и заканчивается в момент закрытия его. Впускной клапан открывается. Процесс впуска воздуха происходит также, как и впуск горючей смеси в карбюраторном двигателе. Давление воздуха в цилиндре в течении процесса впуска составляет 80 - 95 кПа и зависит от гидравлических потерь во впускной системе двигателя. Температура воздуха в конце процесса выпуска повышается до 320 - 350 К за счет соприкосновения его с нагретыми деталями двигателя и смешивания с остаточными газами.

Процесс сжатия. Сжатие воздуха, находящегося в цилиндре, начинается после закрытия впускного клапана и заканчивается в момент впрыска топлива в камеру сгорания. Процесс сжатия происходит аналогично сжатию рабочей смеси в карбюраторном двигателе. Давление воздуха в цилиндре в конце сжатия 3.5 - 6 МПа, а температура 820 - 980 К.

Процесс сгорания. Сгорание топлива начинается с момента начала подачи топлива в цилиндр, т.е. за 15 - 30 до прихода поршня в ВМТ. В этот момент температура сжатого воздуха на 150 - 200 С выше температуры самовоспламенения. Топливо, поступившее в мелкораспыленном состоянии в цилиндр, воспламеняется не мгновенно, а с задержкой в течение некоторого времени (0.001 - 0.003 с), называемого периодом задержки воспламенения. В этот период топливо прогревается, перемешивается с воздухом и испаряется, т.е. образуется рабочая смесь.

Подготовленное топливо воспламеняется и сгорает. В конце сгорания давление газов достигает 5.5 - 11 МПа, а температура 1800 - 2400 К.

Процесс расширения. Тепловое расширение газов, находящихся в цилиндре, начинается после окончания процесса сгорания и заканчивается в момент закрытия выпускного клапана. В начале расширения происходит догорание топлива. Процесс теплового расширения протекает аналогично процессу теплового расширения газов в карбюраторном двигателе. Давление газов в цилиндре к концу расширения 0.3 - 0.5 МПа, а температура 1000 - 1300 К.

Процесс выпуска. Выпуск отработавших газов начинается при открытии

выпускного клапана и заканчивается в момент закрытия выпускного клапана. Процесс выпуска отработавших газов происходит также, как и процесс выпуска газов в карбюраторном двигателе. Давление газов в цилиндре в процессе выталкивания 0.11 - 0.12 МПа, температура газов в конце процесса выпуска 700 - 900 К.

Рабочие циклы двухтактных двигателей

Рабочий цикл двухтактного двигателя совершается за два такта, или за один оборот коленчатого вала.

Рассмотрим рабочий цикл двухтактного карбюраторного двигателя с

кривошипно-камерной продувкой.

Процесс сжатия горючей смеси, находящейся в цилиндре, начинается с

момента закрытия поршнем окон цилиндра при перемещении поршня от НМТ к ВМТ. Процесс сжатия протекает также, как и в четырехтактном карбюраторном двигателе.

Процесс сгорания происходит аналогично процессу сгорания в четырехтактном карбюраторном двигателе.

Процесс теплового расширения газов, находящихся в цилиндре, начинается после окончания процесса сгорания и заканчивается в момент открытия выпускных окон. Процесс теплового расширения происходит аналогично процессу расширения газов в четырехтактном карбюраторном двигателе.

Процесс выпуска отработавших газов начинается при открытии

выпускных окон, т.е. за 60 - 65 до прихода поршня в НМТ, и заканчивается через 60 - 65 после прохода поршнем НМТ. По мере открытия выпускного окна давление в цилиндре резко снижается, а за 50 - 55 до прихода поршня в НМТ открываются продувочные окна и горючая смесь, ранее поступившая в кривошипную камеру и сжатая опускающимся поршнем, начинает поступать в цилиндр. Период, в течение которого происходит одновременно два процесса - впуск горючей смеси и выпуск отработавших газов - называют продувкой. Во время продувки горючая смесь вытесняет отработавшие газы и частично уносится вместе с ними.

При дальнейшем перемещении к ВМТ поршень перекрывает сначала

продувочные окна, прекращая доступ горючей смеси в цилиндр из кривошипной камеры, а затем выпускные и начинается в цилиндре процесс сжатия.

ПОКАЗАТЕЛИ, ХАРАКТЕРИЗУЮЩИЕ РАБОТУ ДВИГАТЕЛЕЙ

Среднее индикаторное давление и индикаторная мощность

Под средним индикаторным давлением Pi понимают такое условное

постоянное давление, которое действуя на поршень в течение одного

рабочего хода, совершает работу, равную индикаторной работе газов в

цилиндре за рабочий цикл.

Согласно определению, среднее индикаторное давление - отношение

индикаторной работы газов за цикл Li к единице рабочего объема

цилиндра Vh, т.е. Pi=Li/Vh.

При наличии индикаторной диаграммы, снятой с двигателя, среднее индикаторное давление можно определить по высоте прямоугольника, построенного на основании Vh, площадь которого равна полезной площади индикаторной диаграммы, представляющей собой в некотором масштабе индикаторную работу Li.

Определить с помощью планиметра полезную площадь F индикаторной

диаграммы (м^2) и длину l индикаторной диаграммы (м), соответствующую

рабочему объему цилиндра, находят значение среднего индикаторного

давления Pi=F*m/l, где m - масштаб давления индикаторной диаграммы,

Па/м.

Средние индикаторные давления при номинальной нагрузке у четырехтактных карбюраторных двигателей 0.8 - 1.2 МПа, у четырехтактных дизелей 0.7 - 1.1 МПа, у двухтактных дизелей 0.6 - 0.9 МПа.

Индикаторной мощностью Ni называют работу, совершаемую газами в цилиндрах двигателя в единицу времени.

Индикаторная работа (Дж), совершаемая газами в одном цилиндре за один рабочий цикл, Li=Pi*Vh.

Так как число рабочих циклов, совершаемых двигателем в секунду, равно 2n/T, то индикаторная мощность (кВт) одного цилиндра Ni=(2/T)*Pi*Vh*n*10^-3, где n - частота вращения коленчатого вала, 1/с, T - тактность двигателя - число тактов за цикл (T=4 - для четырехтактных двигателей и T=2 - для двухтактных).

Индикаторная мощность многоцилиндрового двигателя при числе

цилиндров i Ni=(2/T)*Pi*Vh*n*i*10^-3.

Эффективная мощность и средние эффективные давления

Эффективной мощностью Ne называют мощность, снимаемую с коленчатого

вала двигателя для получения полезной работы.

Эффективная мощность меньше индикаторной Ni на величину мощности

механических потерь Nm, т.е. Ne=Ni-Nm.

Мощность механических потерь затрачивается на трение и приведение в

действие кривошипно-шатунного механизма и механизма газораспределения,

вентилятора, жидкостного, масляного и топливного насосов, генератора

тока и других вспомогательных механизмов и приборов.

Механические потери в двигателе оцениваются механическим КПД nm,

которое представляет собой отношение эффективной мощности к индикаторной, т.е. Nm=Ne/Ni=(Ni-Nm)/Ni=1-Nm/Ni.

Для современных двигателей механический КПД составляет 0.72 - 0.9.

Зная величину механического КПД можно определить эффективную мощность

Ne=nm*Ni.

Аналогично индикаторной мощности определяют мощность механических

потерь Nm=2/T*Pm*Vh*ni*10^-3, где Pm - среднее давление механических

потерь, т.е. часть среднего индикаторного давления, которая

расходуется на преодоление трения и на привод вспомогательных