6. Действительный рабочий цикл: основные определения и конструктивные параметры двс

6.1. Основные определения

Действительным циклом ПДВС называется последовательность периодически повторяющихся процессов, осуществляемых с целью превращения части термохимической энергии топлива в механическую работу.

Рабочий цикл ПДВС состоит из 5 основных процессов: впуска, сжатия, сгорания, расширения, выпуска. Все процессы в ДВС осуществляются при перемещении поршня в цилиндре двигателя, в результате чего изменяется объем надпоршневого пространства.

Преобразование возвратно-поступательного движения поршня во вращательное реализуется с помощью кривошипно-шатунного механизма (КШМ).

Мёртвыми точками КШМ называют положение КШМ, при котором ось шатуна лежит в плоскости кривошипа КВ. При этих положениях сила, приложенная к поршню, не может вызвать вращательное движение КВ. Мёртвым точкам соответствуют крайние положения поршня в цилиндре.

Крайнее положение поршня, при котором его расстояние от оси КВ достигает максимума, называется верхней мёртвой точкой (ВМТ)..

Крайнее положение поршня, при котором его расстояние от оси КВ достигает минимума, называют нижней мёртвой точкой (НМТ).

Схема КШМ

Ход поршня S – расстояние между крайними его положениями в цилиндре, те. расстояние, которое проходит поршень при его движении между верхней и нижней мёртвыми точками. От величины хода поршня существенно зависит его средняя скорость с_п при перемещении поршня между мёртвыми точками, которая в значительной мере определяет износ двигателя. Величина скорости поршня зависит от значения хода поршня S (м) и частоты вращения коленчатого вала n (мин^-1): c_п = Sn/30 м/с.

Часть рабочего цикла, осуществляемая при перемещении поршня между ВМТ и НМТ, называют тактом. Такту присваивается название процесса, который является по длительности доминирующим при данном перемещении поршня между мёртвыми точками.

В связи с этим различают такты: впуска, сжатия, расширения (или рабочего хода) и выпуска. При этом длительность процессов впуска и выпуска больше длительности соответствующих тактов. Напротив, длительность процессов сжатия и расширения меньше длительности соответствующих тактов.

В многоцилиндровых двигателях последовательность чередования одноимённых тактов в разных цилиндрах называется порядком работы двигателя. При этом нумерация цилиндров осуществляется со стороны, противоположной валу отбора мощности. Для двух рядных двигателей отсчёт сначала ведётся по правому блоку (если смотреть со стороны отбора мощности), а потом – по левому. От порядка работы цилиндров существенно зависит равномерность работы двигателя.

При перемещении поршня происходит изменение объём внутренней полости цилиндра.

Объём V_с внутренней полости цилиндра при положении поршня в ВМТ называют объёмом сжатия или камерой сжатия (КС).

Объём V_а внутренней полости цилиндра при положении поршня в НМТ, называют полным объемом цилиндра.

Объём V_h, описываемый поршнем при его движении от ВМТ к НМТ, называют рабочим объемом цилиндра.

V_a = V_h + V_c.

Отношение V_a/V_c =  называют степенью сжатия. Этот конструктивный параметр влияет на экономические показатели двигателя.

Величина рабочего объёма определяется как произведение хода поршня S на площадь поршня А: V_h = SA = S(D²/4), где D – диаметр цилиндра.

Диаметр цилиндра оказывает существенное влияние как на организацию рабочего процесса в двигателе, так и на динамические нагрузки. Известно, что масса поршня пропорциональна кубу диаметра цилиндра, т.е. m_п  D³. Это является причиной больших значений сил инерции возвратно-поступательно движущихся масс.

Отношение хода поршня S к диаметру цилиндра D называется коэффициентом короткоходности K =S/D.

При совершении рабочего цикла в ДВС давление в цилиндре изменяется. Для анализа рабочих процессов в ДВС широко используется зависимость давления газов в цилиндре (р) от текущего объема надпоршневого пространства (V_х), освобождаемого поршнем. Эта зависимость р_г = f(V_х) называется индикаторной диаграммой. Учитывая, что объем Vх однозначно связан с перемещением поршня S_х. Индикаторная диаграмма может строиться в координатах р_г = f(S_х).

С помощью индикаторной диаграммы определяются газовые силы, действующие на детали КШМ.

Для реализации рабочего цикла необходимо заполнение цилиндра свежей смесью и освобождение цилиндра от продуктов сгорания. Эти функции выполняет механизм газораспределения (МГР), открывающий и закрывающий в необходимые моменты цикла впускные и выпускные клапаны.

Моменты начала открытия и конца закрытия впускных и выпускных клапанов относительно мёртвых точек, выраженные в градусах ПКВ, называют фазами газораспределения (ФГР).

Количества воздуха и топлива, поступившие в цилиндр за один рабочий цикл, называются соответственно цикловыми зарядами воздуха и топлива (G_ВЦ, G_ТЦ). Соотношение топлива и воздуха в цилиндре называют составом смеси.

Для, так называемого, полного сгорания 1 кг топлива минимально требуется l₀ кг количества воздуха ( l₀ = 14.9 кг в/кг т для бензинов и l₀ = 14,4 кг в/кг т - для дизельного топлива). Соответственно, количество воздуха, теоретически необходимого для полного сгорания всего топлива, составит (l₀ G_тц).

Состав смеси в ДВС принято характеризовать коэффициентом избытка воздуха , представляющим отношение действительного количества воздуха, оставшегося в цилиндре после закрытия впускного клапана (или поступившего в цилиндр) к теоретически необходимому для полного сгорания всего поданного топлива.

 = G_вц (l₀ G_тц).

При  =1 в смеси содержится минимальное количество воздуха, необходимое для полного сгорания топлива (стехиометрическая смесь). В этом случае в продуктах сгорания углеводородного топлива содержатся только продукты полного окисления горючих компонентов топлива (СО₂, Н₂О) и азот (N₂), но и при этом отсутствует свободный кислород (О₂).

При  < 1 воздуха меньше, чем необходимо для полного сгорания топлива (богатая смесь). В составе отработавших газов появляются (по сравнению с компонентами при стехиометрическом составе) продукты неполного окисления компонентов топлива: оксид углерода (СО), а также водород (Н₂).

При  > 1 воздуха, больше, чем необходимо для полного сгорания топлива (бедная смесь). Тогда к составу продуктов сгорания стехиометрической смеси добавляется свободный кислород (О₂).

Характер протекания процессов, формирующих рабочий цикл (РЦ), в значительной степени зависит от:  способа его организации в части газообмена;  способа организации смесеобразования и  способа воспламенения смеси.