Двигатель внутреннего сгорания

     Рабочий цикл двухтактного дизельного  двигателя отличается от рабочего  цикла двухтактного карбюраторного двигателя тем, что у дизеля в цилиндр поступает воздух, а не горючая смесь, и в конце процесса сжатия впрыскивается мелкораспыленное топливо.

     Мощность двухтактного двигателя  при одинаковых размерах цилиндра  и частоте вращения вала теоретически в два раза больше четырехтактного 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, 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. 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 политропе, 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, заканчивающийся в момент открытия выпускного клапана,. Процесс теплового расширения происходит по политре, 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 до НМТ 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 от НМТ до 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. 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  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 конце 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, изаканчивается через 60 - 65 после прохода поршнем НМТ, на диаграмме изображается линией 462. 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 – отношени  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.