Процесс расширения
Назначение процесса расширения
Назначение процесса расширения состоит в том, чтобы преобразовать выделяющееся при сгорании топливовоздушной смеси тепло в механическую работу. Это преобразование тепла в механическую работу происходит в течение всего такта расширения.
За начало процесса расширения условно принимается момент, соответствующий положению поршня в ВМТ.
Окончание процесса сгорания условно считается в точке «z» (рис.1-19) при положении поршня, соответствующем 10÷15° поворота коленчатого вала после ВМТ. При этом температура и давление газов достигают наибольших значений (Тz = 2500 ÷ 2600 К, pz = 50 ÷ 80 кг/см2). По мере движения поршня к НМТ температура и давление газов падают. Окончанием процесса расширения считается момент достижения поршня НМТ (точка «b»).
При существующих размерах цилиндров этим максимальным давлениям соответствует сила в 10000÷15000 кгс, действующая на поршень в направлении к НМТ. Под действием силы давления газов поршень, соединенный с шатуном, перемешается к НМТ и приводит во вращение коленчатый вал и воздушный винт.
В конце процесса расширения давление газов составляет 4 ÷10 кгс/см2, а температура — 1500÷1900 К. Уменьшение температуры газов объясняется расходованием тепла на совершение работы передвижения поршня и наличием теплообмена между газами и стенками цилиндров.
Таким образом, только во время такта расширения газы совершают положительную работу, перемещая поршень в направлении действия силы давления газов. Поэтому такт расширения называют, как мы уже говорили, также рабочим ходом двигателя.
Остальные такты (впуск, сжатие, выпуск) являются вспомогательными (подготовительными). Для осуществления их необходимо приложить к коленчатому валу усилие извне (кроме такта впуска в двигателе с нагнетателем). В многоцилиндровых двигателях эти такты совершаются за счет рабочих ходов других цилиндров и инерции вращающихся частей двигателя.
Графическое изображение процесса расширения
Hа рис. 1-19 показан график изменения давления и объема газов в цилиндре в процессе расширения - сплошная линия.
Рис.1-19. Графическое изображение процесса расширения (zb— процесс расширения)
3— подача напряжения на свечи зажигания; 3'— начало второй фазы горения;
Точка «z» характеризует собой окончание второй фазы горения и начало процесса расширения; точка b - окончание процесса расширения; точка 4 — момент открытия выпускного клапана.
Работа Lpасш, совершаемая газами в такте расширения, графически изображена на рис. 1-17 заштрихованной площадью.
Процесс выпуска
Назначение процесса выпуска
Назначение процесса выпуска состоит в том, чтобы очистить цилиндр от продуктов сгорания и подготовить его для очередного впуска смеси. Чем меньше продуктов сгорания останется в цилиндре после процесса выпуска, тем больше будет действительный весовой заряд цилиндра и, следовательно, мощность двигателя.
Процесс выпуска начинается с момента открытия клапана выпуска и заканчивается в момент закрытия его. Наиболее эффективная очистка цилиндра от продуктов сгорания происходит при открытии клапана выпуска в тот момент, когда поршень в такте расширения не дойдет до НМТ на 40÷75° (АШ-62ИР—74°) по углу поворота коленчатого вала (см. т.4 рис. 1-19). В этом случае к моменту прихода поршня в НМТ значительная часть продуктов сгорания будет удалена из цилиндра через клапан выпуска под действием избыточного давления внутри цилиндра.
При опережении открытия выпускного клапана снижается также давление в цилиндре к концу такта расширения, вследствие чего при движении поршня к ВМТ во время такта выпуска он будет встречать меньшее противодавление газов, что уменьшит затрату мощности двигателя на выталкивание продуктов сгорания.
Клапан выпуска закрывают в тот момент, когда поршень пройдет ВМТ на 15÷50° (АШ-62ИР—25÷35°) по углу поворота коленчатого вала. Такое запаздывание закрытия клапана выпуска диктуется тем, что к приходу поршня в ВМТ в конце такта выпуска скорость уходящих из цилиндра продуктов сгорания весьма значительна; следовательно, очистка цилиндра благодаря инерции газов может продолжаться и после прихода поршня в ВМТ.
Удалить все продукты сгорания из цилиндра не представляется возможным. Часть продуктов сгорания остается в камере сгорания к началу впуска. Как уже указывалось, давление остаточных газов составляет (1,05÷ 1,10) ро, а температура 1000÷1100 К.
Так как клапан выпуска открывается до прихода поршня в НМТ в такте расширении, а закрывается после прихода поршня в ВМТ в такте впуска, то продолжительность процесса выпуска всегда больше 180° угла поворота коленвала (АШ-62ИР—279÷289°).
В процессе выпуска вследствие высокой температуры остаточных газов до 50 ÷ 60% тепла, внесенного в двигатель топливом, уносится с отходящими газами.
Графическое изображение процесса выпуска
На рис. 1-20 показано изменение давления газов в процессе выпуска (сплошная линия 4-b-1-r-5). Точка 4 соответствует началу процесса выпуска, а точка 5 — его окончанию. Как и в такте впуска, работа, затраченная на выталкивание продуктов сгорания в такте выпуска, выражается площадью, заключенной между линией выпуска и линией атмосферного давления (заштрихованная площадь на рис. 1-20).
Рис. 1-20. Графическое изображение процесса выпуска
Перекрытие клапанов
Клапан впуска открывается до ВМТ в такте выпуска, а клапан выпуска закрывается после ВМТ в такте впуска. Следовательно, в течение некоторого угла поворота коленчатого вала оба клапана остаются открытыми. Этот период называют перекрытием клапанов, а угол, на который повернется коленчатый вал за этот период, — углом перекрытия клапанов. Обозначают этот угол βп .В авиационных двигателях угол перекрытии клапанов лежит в пределах 30÷120° угла поворота коленвала (АШ-62ИР — 40÷60°).
Перекрытие клапанов обеспечивает возможность продувки камеры сгорания. Продувка дает более полную очистку цилиндра от остаточных газов, что приводит к увеличению весового заряда цилиндров, а следовательно, и мощности, развиваемой двигателем. Повышение мощности за счет продувки составляет до 8÷10%.