Принципы работы основных узлов и агрегатов тепловоза
Принципы работы основных узлов и агрегатов тепловоза
ЧЕТЫРЕХТАКТНЫЙ ДИЗЕЛЬ
В четырехтактном тепловозном дизеле рабочий цикл протекает в каждом цилиндре за четыре хода поршня (такта) или за два оборота коленчатого вала двигателя. На рис. 15 изображен один цилиндр четырехтактного дизеля, на примере которого рассмотрим последовательность осуществления рабочего цикла в таком типе ДВС.
Первый такт — впуск воздуха (см. рис. 15,а). При движении поршня 3 вниз от ВМТ и открытии впускного клапана цилиндр 4 заполняется воздухом из впускного ресивера 6 (или атмосферы). Ресивер, т.е. воздуховод, в отличие от трубопровода может иметь самую разнообразную форму поперечного сечения, например в виде прямоугольника, и является составной частью остова (корпуса) дизеля.
При достижении поршнем 3 НМТ впускной клапан закрывается. Первый такт завершен. Объем цилиндра V1 заполнен свежим зарядом воздуха. Во время первого такта кривошип коленчатого вала 1 вращается по часовой стрелке с угловой скоростью n принудительно, например, от стартер-генератора и совершает 1/2 оборота (заштрихованная площадь на рис. 15,а).
Такт впуска воздуха также изображен в координатах Р-V (на индикаторной диаграмме) линией (изобарой) 1 — 2 (см. рис. 15,а). Здесь Р0 — величина атмосферного давления воздуха.
Второй такт — сжатие (рис. 15,б). При движении поршня 3 вверх от НМТ за счет принудительного вращения кривошипа 1 в цилиндре происходит сжатие воздуха.
Как отмечалось ранее при рассмотрении идеального цикла Дизеля, в тепловозных дизелях обычно осуществляется довольно высокая степень сжатия ε, которая может достигать величины ε = 12 - 16. При таком уменьшении объема воздуха при подходе поршня к ВМТ он, естественно, нагревается (вспомним закон Гей-Люссака) обычно до температуры 500... 700°С, а его давление становится равным 5... 10 МПа (а было примерно 0,1 МПа при заборе воздуха из атмосферы).
Рекомендуемые материалы
При подходе поршня к ВМТ в конце такта сжатия (точка 3 на Р-V-диаграмме, см. рис. 15,б) в нагретый воздух форсункой 5 впрыскивается порция топлива. Это топливо попадает в цилиндр через мельчайшие отверстия диаметром примерно 0,3 мм в наконечнике форсунки 5 под давлением до 100 МПа. В результате топливо впрыскивается в цилиндр в распыленном почти до молекулярного состояния виде и с большой скоростью распространяется по объему камеры сжатия, где перемешивается с молекулами воздуха.
Рис. 15. Схемы устройства, принципов работы и индикаторные диаграммы
четырехтактного дизеля:
а — такт I — впуск воздуха; б — такт II — сжатие; в — такт III — расширение газа; г — такт IV — выпуск отработавших газов; 1 — кривошип коленчатого вала; 2 — шатун; 3 — поршень; 4 — цилиндр; 5 — форсунка; 6 — впускной ресивер; 7 — выпускной коллектор
На индикаторной диаграмме в координатах Р-V политропный процесс сжатия воздуха показан линией 2 - 3 (см. рис. 15,б). Здесь же штриховой линией показана изобара 1 - 2, соответствующая первому такту.
Третий такт — расширение газа (см. рис. 15,в). Учитывая, что дизельное топливо самовоспламеняется уже при температуре около 200 °С, третий такт начинается с горения смеси молекул кислорода воздуха и углеводорода топлива по всему объему камеры сжатия, сопровождающегося интенсивным образованием газов. При сгорании топлива температура газов достигает 1500... 2000 °С, а давление в цилиндре повышается до 10... 14 МПа. Под действием давления газов поршень начинает двигаться от ВМТ вниз. В цилиндре происходит политропическое расширение газов, во время которого их тепловая энергия преобразуется в механическую энергию поступательного движения поршня, а затем, с помощью шатуна, во вращательное движение коленчатого вала дизеля.
Более наглядно рабочий процесс дизеля за время третьего такта может быть представлен на Р-V-диаграмме (рис. 15,в). Горение топлива 3 — 3' — 3" происходит в два этапа: сначала при постоянном объеме (линия 3 - 3'), затем при условно-постоянном давлении (линия 3' — 3"), Именно на этом участке (3' — 3") достигается давление газов до величины 10... 14 МПа. Расширение газов происходит по линии 3" — 4. В точке 4 (НМТ) третий такт завершается.
Четвертый такт — выпуск отработавших газов (рис. 15,г). В конце третьего такта при подходе поршня к НМТ открывается выпускной клапан и отработавшие газы вначале под избыточным давлением устремляются из цилиндра в выхлопной коллектор 7 и далее в атмосферу. Коленчатый вал (кривошип 1) продолжает свое вращение по часовой стрелке, но уже за счет инерционных сил, приобретенных во время третьего такта. Поршень 3, жестко связанный с кривошипом 1 вала, через шатун 2 начинает (после прохождения НМТ) двигаться вверх и своим днищем выталкивает оставшиеся продукты сгорания — газы. При достижении поршнем ВМТ выпускной клапан закрывается, на этом очистка цилиндра от газов завершается.
Цилиндр дизеля готов к началу нового цикла, во время которого все такты и рабочие процессы повторяются.
Такт выпуска отработавших газов также изображен на рис. 15,г в координатах Р-V линией 4 — 1 (изобарой).
Сравнение Р-V-диаграмм идеального (рис. 15,б) и реального (рис. 15,в и 15,г) циклов четырехтактных дизелей показывает, что они заметно отличаются. Это различие, в основном, связано с тем, что в действительных рабочих процессах в отличие от идеальных моменты открытия и закрытия клапанов и подачи топлива не совпадают по времени с положениями поршня в мертвых точках, а отклоняются от них. Поэтому реальный цикл дизеля более соответствует так называемому смешанному идеальному циклу со смешанным подводом теплоты.
ДВУХТАКТНЫЙ ДИЗЕЛЬ
Изучая рабочий процесс, протекающий в четырехтактном ДВС, инженеры-конструкторы создали принципиально новый тип дизеля, в котором впуск воздуха, сжатие, расширение газов и очистка цилиндра осуществляются уже за два хода поршня и, соответственно, за один оборот коленчатого вала. Т.е. была предпринята попытка увеличить полезную работу, производимую дизелем в единицу времени (цилиндровую мощность), за счет уменьшения продолжительности вспомогательных тактов (наполнения и очистки цилиндра) — фактически путем интенсификации работы дизеля.
Устройство такого дизеля отличается от четырехтактного тем, что в крышке цилиндра (рис. 16) размещаются только выпускные клапаны 7 (в ряде конструкций ДВС клапаны отсутствуют вообще), а в стенках цилиндра 4 сделаны продувочные окна 6, которые постоянно сообщаются с ресивером, заполненным свежим зарядом воздуха под избыточным давлением Рк > Р0- Функции впускных клапанов (в ряде конструкций ДВС и выпускных клапанов) выполняет поршень, открывая и закрывая продувочные окна (в ряде конструкций и выпускных окон).
Первый такт — впуск воздуха и сжатие (рис. 16,а). При движении поршня 3 вверх от НМТ через открытые продувочные окна 6 воздух под избыточным давлением Рк заполняет объем цилиндра. При достижении поршнем верхней кромки окон (точка m на рис. 16,а) впуск воздуха завершается, и при дальнейшем движении поршня 3 вверх происходит сжатие свежего заряда воздуха. При уменьшении объема воздух нагревается, а давление возрастает в десятки раз. В конце этого такта в нагретый воздух через форсунку 5 в цилиндр впрыскивается топливо.
На индикаторной диаграмме (рис. 16,а) процесс впуска воздуха показан линией 1 — т, а сжатия — линией т — 2. В точке S — впрыск топлива и его распространение по камере сгорания по аналогии с четырехтактным дизелем.
Обратите внимание на лекцию "1.2 Понимание природы и сущности цвета в античной Греции".
Рис. 16. Схемы устройства, принципов работы и индикаторные диаграммы двухтактного дизеля:
а — такт I — впуск воздуха и сжатие; б — такт II — расширение газа и продувка цилиндра; 1 — кривошип коленчатого вала; 2 — шатун; 3 — поршень; 4 — цилиндр; 5 — форсунка; 6 — продувочные окна; 7 — выпускные клапаны
Второй такт — расширение газа и продувка цилиндра (рис. 16,б). Процессы самовоспламенения и горения, расширение газов в цилиндре двухтактного дизеля не отличаются от тех, которые были отмечены выше при объяснении работы четырехтактного дизеля. Соответственно, поршень 3 под давлением газов двигается вниз от ВМТ, совершая полезную механическую работу Апол.
В конце такта (точка n на Р-V-диаграмме, см. рис. 16,б) открываются выпускные клапаны 7 и отработавшие газы выходят из цилиндра в выхлопной коллектор. Давление газов резко падает и становится меньше давления воздуха в ресивере. При дальнейшем движении вниз от ВМТ поршень открывает продувочные окна (точка т на Р-V-диаграмме), и свежий заряд воздуха под давлением Рк выталкивает оставшиеся газы из цилиндра через открытые выпускные клапаны. Происходит продувка цилиндра. В конце второго такта клапаны 7 закрываются, и цилиндр дизеля готов к началу нового цикла.
На Р-V-диаграмме (рис. 16,б) горение топлива 2 — 2' — 2" происходит в два этапа, так же как и в четырехтактных ДВС. Расширение газов происходит по линии 2" — n. В точке n открываются выпускные клапаны, а в точке m — продувочные окна. Следовательно, продувка цилиндра показана линией т — 1.
При сравнении двух- и четырехтактных циклов реальных дизелей у читателя может сформироваться мнение, что двухтактные дизели являются более совершенными и экономичными тепловыми машинами, чем четырехтактные ДВС. На самом деле, вроде бы напрашивается вывод, что, заменив клапаны окнами, можно в два раза увеличить цилиндровую мощность дизеля при прочих равных условиях. Однако однозначного ответа на вопрос какой дизель — двух- или четырехтактный лучше — на сегодняшний день не получено. Почему? Об этом в следующем параграфе.
