Теоритические основы рабочего процесса ДВС

Часть 4

 

Теоритические основы рабочего процесса ДВС.

 

В данном разделе  будут рассмотрены теоритические  основы рабочего процесса ДВС, индикаторная диаграмма 4-х тактного ДВС и описание его цикла, характеристика всех 4-х  циклов, индикаторные и эффективные показатели двигателя, тепловой баланс.

 

1. Двигатель. Общее устройство и рабочий цикл двигателя внутреннего сгорания. Порядок работы цилиндров двигателя.

 

Двигатели внутреннего  сгорания – это тепловые двигатели в которых используется давление расширяющихся газов, образующихся при сгорании топливно-воздушной смеси непосредственно в цилиндре.

 

По способу  образования горючей смеси (пары топлива и воздух) и виду используемого топлива различают двигатели:

 

-с внешним смесеобразованием  (карбюраторные, работающие на бензине, и газосмесительные, работающие на горючем газе);

 

-с внутренним смесеобразованием  (дизельные, работающие на дизельном  топливе).

 

Воспламенение рабочей  смеси осуществляется с помощью  электрического разряда или высокой  степени сжатия (дизельные двигатели). В результате сгорания рабочей смеси образующиеся газы давят на поршень, придавая ему прямолинейное движение, которое с помощью шатуна и коленчатого вала преобразуется во вращательное движение маховика. Чтобы поддержать работу двигателя, необходимо периодически очищать камеру сгорания цилиндра от отработавших газов и наполнять ее свежим зарядом горючей смеси, что осуществляется с помощью выпускных и впускных клапанов.

 

Поршень, перемещаясь  в цилиндре, совершает возвратно-поступательное движение. Крайние положения, в которых поршень меняет направление движения, соответственно называются верхней и нижней мертвыми точками (ВМТ и НМТ).

 

Расстояние, проходимое поршнем между ВМТ и НМТ, называется ходом поршня. Процесс, происходящий в цилиндре за один ход поршня, называют тактом.

 

Пространство в цилиндре, освобождаемое поршнем при его  перемещении от ВМТ к НМТ, называется рабочим объемом цилиндра. Наименьшее пространство в цилиндре образуется при нахождении поршня в ВМТ и  называется объемом камеры сгорания. Рабочий объем цилиндра и объем камеры сгорания составляют полный объем цилиндра. Сумма всех рабочих объемов цилиндров называется литражом двигателя и выражается в кубических сантиметрах. Отношение полного объема цилиндра к объему камеры сгорания называется степенью сжатия, которая является важным показателем двигателя. С повышением степени сжатия повышается экономичность и мощность двигателя.

 

Для выполнения основного рабочего такта, при котором происходит сгорание рабочей смеси и расширение газов, не обходимо выполнить подготовительные такты: впуск горючей смеси, сжатие, рабочий ход поршня и заключительный - выпуск отработавших газов. Таким образом, непрерывность работы двигателя достигается совокупностью периодически повторяющихся в цилиндре процессов - тактов, объединяющихся в рабочий цикл. Так как рабочий цикл осуществляется за четыре хода поршня, автомобильные двигатели называются четырехтактными.

 

Последовательность чередования  тактов в рабочих циклах двигателей с внешним смесеобразованием такая же, как и в дизеле. Отличие состоит только в степени сжатия и способе воспламенения рабочей смеси.

 

Впуск - поршень движется от ВМТ к НМТ. Открыт впускной клапан. Вследствие увеличения объема внутри цилиндра создается разряжение и происходит заполнение цилиндра свежим зарядом горючей смеси.

 

Сжатие - поршень движется от НМТ к ВМТ. Впускной и выпускной клапаны закрыты. Объем над поршнем уменьшается. Рабочая смесь сжимается, благодаря чему улучшаются испарение и перемешивание паров топлива с воздухом.

 

Рабочий ход (сгорание и расширение) - происходит воспламенение рабочей смеси от электрического разряда в двигателях с внешним смесеобразованием или вследствие высокой степени сжатия - в дизельных двигателях. Под давлением расширяющихся газов поршень перемещается от ВМТ к НМТ. Впускной и выпускной клапаны закрыты. Высокое давление газов, температура их достигает 9000°С.

 

Выпуск - поршень двигается от НМТ к ВМТ. Открыт выпускной клапан. Происходит вытеснение отработавших газов из камеры сгорания цилиндра.

 

Для обеспечения нормальной работы двигатель внутреннего сгорания имеет следующие механизмы и  системы:

кривошипно-шатунный механизм;

газораспределительный механизм;

систему охлаждения; 

систему смазки;

систему питания;

систему зажигания(бензиновый двигатель).

 

Дизельные двигатели  системы зажигания не имеют, так  как воспламенение рабочей смеси  в цилиндрах двигателя происходит за счет высокой степени сжатия.

 

Кривошипно-шатунный механизм воспринимает давление газов при их расширении и преобразует прямолинейное, возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение коленчатого вала двигателя.

 

Газораспределительный механизм предназначен для своевременного впуска в камеру сгорания цилиндра двигателя необходимого заряда горючей смеси и выпуска из него отработавших газов.

 

Система охлаждения служит для отвода излишнего тепла от деталей двигателя и для поддержания оптимального температурного режима работающего двигателя. Существуют жидкостная и воздушная системы охлаждения двигателя.

 

Система смазки предназначена для подачи смазки к трущимся поверхностям деталей двигателя, отвода тепла от деталей; уноса механических частиц, образующихся в результате трения, и очистки моторного масла.

 

Система питания служит для приготовления горючей смеси в карбюраторных и газосмесительных двигателях, подачи ее в камеры сгорания цилиндров двигателя и удаления продуктов сгорания. В дизельных двигателях система питания топливного насоса высокого давления обеспечивает впрыск топлива в мелкораспыленном виде в цилиндры.

 

Система зажигания предназначена для преобразования тока низкого напряжения в ток высокого напряжения с целью образования электрического разряда в камере сгорания цилиндра двигателя для воспламенения рабочей смеси.

 

В одноцилиндровом двигателе  на один рабочий ход приходится три подготовительных такта, вследствие чего такой двигатель работает неравномерно. Более того, масса двигателя, приходящаяся на единицу его мощности, будет велика. С целью устранения этих недостатков применяют двигатели с большим числом цилиндров, шатуны которых связаны с кривошипами общего коленчатого вала. Конструктивно коленчатый вал изготовлен таким образом, что рабочие такты в цилиндрах не совпадают, а подготовительные такты приходятся на рабочие такты других цилиндров. В этом случае роль маховика снижается, что позволяет уменьшить его массу, и, следовательно, уменьшается общая масса двигателя, приходящаяся на единицу его мощности. Достигается равномерность в работе двигателя.

 

В многоцилиндровых двигателях цилиндры располагаются в один ряд вертикально или наклонно, а также в два ряда под углом 90° (или У-образное расположение).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Индикаторная диаграмма  4-х тактного дизельного двигателя.  Описание циклов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Индикаторная диаграмма – графическое изображение изменения давления в цилиндре от объема V цилиндра (или хода поршня). Выше рассматривалась свернутая диаграмма.

1- ВПУСК    R-A

2- СЖАТИЕ   A-C

3- РАБОЧИЙ ХОД C-Z-B

4- ВЫПУСК  B-R

 

   т.1 – момент открытия впускного клапана

т.2 – момент закрытия впускного клапана

1-R-A-2 – Процесс впуска

т.3 – Впрыск топлива

т.4 – Воспламенение и начало горения, после т.4 идет процесс сгорания

т.5 – прекращение подачи топлива

т.6 – окончание процесса горения, после т.6 – процесс расширения

т.7 – Открытие впускного клапана.

т.8 – Закрытие впускного клапана

8-R-1 – Перекрытие клапанов (продувка, оба клапана открыты)

Такт впуска (рис. 2, а). Поршень 5 движется от в.м.т. к н.м.т., впускной клапан 1 открыт. В цилиндр 4 под действием перепада давления в атмосфере и цилиндре поступает воздух, перемешиваясь с остаточными газами. Давление в конце такта 0,08...0,09 МПа, температура воздуха 320...340 К.

Такт сжатия (рис. 2, б). Оба клапана закрыты. Поршень 5 движется от н.м.т. к в.м.т., сжимая воздух. Вследствие большой степени сжатия (14... 18) давление в конце этого такта достигает 3,5...4 МПа, а температура — 750...950 К (превышает температуру самовоспламенения топлива). При положении поршня, близком к в.м.т., в цилиндр через форсунку 2 впрыскивается жидкое топливо, подаваемое насосом 6 высокого давления. Форсунка обеспечивает тонкое распыление топлива в сжатом воздухе. Топливо, впрыснутое в цилиндр, смешивается с нагретым воздухом и остаточными газами, образуя рабочую смесь. Большая часть топлива воспламеняется и сгорает. Температура газов достигает 1900...2400 К, а давление — 5,5...9 МПа.

Такт расширения {рабочий ход) (рис. 2, в). Оба клапана закрыты. Поршень 5 под давлением расширяющихся газов движется от в.м.т. к н.м.т. и через шатун вращает коленчатый вал, совершая полезную работу. В начале такта сгорает остальная часть топлива. К концу рабочего хода давление газов уменьшается до 0,2...0,3 МПа, температура — до 900... 1200 К.

Такт выпуска (рис. 2, г). Выпускной клапан 3 открывается. Поршень 5 движется от н.м.т. к в.м.т. и через открытый клапан выталкивает отработавшие газы из цилиндра в атмосферу. К концу такта давление газов 0,11...0,12 МПа, температура 650...900 К.

 

Далее рабочий цикл повторяется.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 2 Рабочий цикл одноцилиндрового четырехтактного дизеля: 
а — такт впуска; б — такт сжатия; в — такт расширения; г —такт выпуска; 1—впускной клапан; 2 — форсунка; 3— выпускной клапан; 4— цилиндр; 5—поршень; б—топливный насос высокого давления

             3. Индикаторные  и эффективные  показатели ДВС.

 

Индикаторные показатели 

 

Среднее индикаторное давление

Среднее индикаторное давление pi — это значение условного постоянного давления в цилиндре двигателя, при котором работа, произведенная рабочим телом за один такт, равнялась бы индикаторной работе реального цикла.

 

Исходя из этого определения, индикаторная работа цикла

 

Li = piFs,

 

где F— площадь поршня; s — ход поршня.

 

Вместе с тем среднее  индикаторное давление — величина, равная индикаторной работе цикла, приходящейся на единицу рабочего объема цилиндра

 

pi = Li/Vh,

 

где Vh = Fs.

 

Обычно pi измеряют в единицах удельной работы: Дж/л или МПа.

 

При номинальном режиме работы двигателей значения pi находят  в следующих пределах: для четырехтактных двигателей с искровым зажиганием без  наддува, работающих на бензине (карбюраторных, с впрыском легкого топлива), 0,8... 1,2 МПа; для четырехтактных газовых с искровым зажиганием 0,5...0,7 МПа; для четырехтактных дизелей без наддува 0,75...1,05 МПа, с наддувом до 2,2 МПа; для двухтактных карбюраторных с кривошипно-ка-мерной продувкой 0,25—0,45 МПа; для двухтактных дизелей без наддува 0,35...0,7 МПа, с наддувом до 1,2 МПа.

 

В автомобильных дизелях  с низким и средним наддувом pi = = 1,2...1,5 МПа.

 

Индикаторная мощность

Индикаторная мощность Ni — это работа, совершаемая газами внутри цилиндра в единицу времени, или мощность, соответствующая индикаторной работе цикла. Индикаторная работа:

 

за цикл Li = piVh,

в минуту Liмин = Li • 2n/Τдв,

 

где n — частота вращения двигателя, мин-1; 2л/тдв — число циклов в минуту в одном цилиндре; тдв — коэффициент тактности двигателя (число ходов поршня за один цикл).

 

Индикаторная мощность двигателя

 

Ni = Li • 2ni/(Τдв • 60 • 103) = piVhni/(3 • 104Τдв),

 

где i — число цилиндров двигателя.

 

Принимая pi в мегапаскалях, a Vh в литрах, получаем мощность в  киловаттах (кВт)

 

Ni=piVhni/(30Τдв).

 

Индикаторный КПД

Индикаторный КПД ni — это отношение работы L-, действительного цикла к подведенной теплоте £>,, равной низшей теплоте сгорания цикловой дозы топлива:

 

ni = Li/Qi

 

Индикаторную работу цикла Li,- определяют по индикаторной диаграмме  в рV-координатах.

 

По значению ni оценивают  степень использования теплоты  в действительном цикле.

 

Индикаторный удельный расход топлива

Индикаторный удельный расход топлива gi — количество топлива, расходуемого в двигателе за 1 ч, отнесенное к индикаторной мощности, развиваемой двигателем. По значению gi оценивают эффективность теплоиспользования при работе на топливе одного вида. При работе на топливах с различной удельной теплотой сгорания QH такая оценка возможна только по значению ni. Единица измерения gi: г/(кВт • ч).

 

При известных индикаторной мощности Ni и расходе топлива GT индикаторный удельный расход топлива определяют по формуле

 

gi = 103GT/Ni,

 

Для современных автомобильных  двигателей, работающих на номинальном  режиме, значения индикаторного КПД  находятся в пределах: для карбюраторных двигателей 0,28...0,38; для дизелей 0,42...0,52. При этом удельный индикаторный расход топлива составляет: для карбюраторных двигателей 235...290 г/(кВт • ч); для дизелей 175...220 г/(кВт • ч).

 

Эффективные показатели.

 

Эффективные показатели работы двигателя: среднее эффективное давление, эффективная мощность, механический КПД и эффективный удельный расход топлива.

Среднее эффективное  давление

Среднее эффективное  давление ре — условное постоянное давление в цилиндрах двигателя, при котором работа, производимая в них за один такт, равна эффективной работе за цикл. Оно, так же как и среднее индикаторное давление, — мера удельной работы. Единица измерения: МПа или Дж/л.

 

Среднее эффективное  давление можно представить как  отношение эффективной работы Le двигателя за один цикл к рабочему объему цилиндра Vh:

 

ре = Le/Vh.

 

Это давление можно также  представить как разность между  средним индикаторным давлением  рi- и средним давлением механических потерь рм, т. е.

 

ре = рi-рм

 

При работе автомобильных двигателей на номинальном режиме значения ре находятся в следующих пределах: для четырехтактных карбюраторных двигателей 0,6...1,1 МПа; для четырехтактных дизелей без наддува 0,55...0,85 МПа; с наддувом до 2 МПа; для газовых двигателей 0,5...0,75 МПа; для двухтактных высокооборотных дизелей 0,4...0,75 МПа.