1.5. Рабочий цикл четырехтактного дизеля

Рис.4

Индикаторная диаграмма четырехтактного карбюраторного двигателя

В цилиндр дизеля воздух и топливо вводятся раздельно. Сначала цилиндр дизеля заполняется воздухом. Затем воздух подвергается сжатию, в результате чего его температура и давление значительно повышаются. В конце такта сжатия в цилиндр вводится мелко распыленное жидкое топливо, которое нагревается от соприкосновения с горячим воздухом и самовоспламеняется.

Рабочий цикл бескомпрессорного четырехтактного двигателя протекает следующим образом.

1. Такт впуска. Поршень движется вниз, впускной клапан открыт и в цилиндр поступает воздух. Изменение объема и соответствующего ему давления характеризуется кривой впуска rа на индикаторной диаграмме (рис.5).

2. Такт сжатия. Оба клапана закрыты. Поршень движется от н.м.т. к в.м.т. и сжимает воздух.

Вследствие большой степени сжатия (порядка 15—20) давление и температура воздуха в конце этого такта сильно возрастают.

Температура сжатого воздуха становится выше температуры воспламенения топлива. Изменение давления в такте сжатия характеризуется кривой ас на диаграмме (рис.5). В конце такта сжатия (при положении поршня, близком к в.м.т.) в цилиндр через форсунку впрыскивается тонко распыленное жидкое топливо. Впрыснутое в цилиндр топливо смешивается с нагретым воздухом и остаточными газами, образуя рабочую смесь, которая самовоспламеняется. Часть топлива быстро сгорает при постоянном объеме. Изменение давления при этом иллюстрируется кривой cz′ на индикаторной диаграмме (рис.5).

3. Такт расширения. Оба клапана закрыты. Поршень перемещается от в.м.т. к н.м.т. В начале движения поршня сгорает остальная часть топлива, поэтому в цилиндре в течение небольшого отрезка времени поддерживается почти постоянное давление. Кривая z'z на индикаторной диаграмме (рис.5) отображает процесс предварительного расширения газов. Далее при движении поршня к н.м.т. в связи с увеличением объема уменьшается давление газов в цилиндре. Кривая zb на индикаторной диаграмме характеризует протекание процесса последующего расширения газов. Таким образом, такту расширения на индикаторной

1. диаграмме соответствует кривая z'zb.

Рис. 5

Индикаторная диаграмма

четырехтактного дизеля

4. Такт выпуска. Выпускной клапан открывается. Поршень движется от н.м.т. к в.м.т. и через открытый клапан выталкивает отработавшие газы в атмосферу. Такт выпуска на индикаторной диаграмме (рис.5) показан в виде кривой br.

Характерно, что у двигателей обоих рассмотренных типов в течение рабочего цикла только в такте расширения поршень перемещается под давлением газов и посредством шатуна приводит коленчатый вал во вращение. При выполнении остальных (подготовительных) тактов — выпуске, впуске и сжатии — поршень перемещается за счет механической энергии, накопленной маховиком во время такта расширения.

1.6. Рабочие циклы двухтактных двигателей

Двухтактные двигатели могут быть бензиновыми и дизелями. Общим для всех типов двухтактных двигателей является использование потока свежей смеси или воздуха для удаления отработавших газов из цилиндра — так называемой продувки, которая осуществляется различными способами.

Схема устройства и работы двухтактного карбюраторного двигателя с кривошипно-камерной продувкой изображена на рис.6, а соответствующая индикаторная диаграмма рабочего цикла — на рис.7.

Рис. 6

Схема устройства и работы двухтактного двигателя с искровым зажиганием

1 — канал из кривошипной камеры; 2 — продувочное окно; 3 — поршень; 4 — цилиндр;

5 —свеча; 6 — выпускное окно; 7 — впускное окно; 8 — карбюратор; 9 — кривошипная камера

У двигателей этого типа (рис.6) в стенке цилиндра (4) сделаны три окна: впускное (7), продувочное (2) и выпускное (6). Картер (кривошипная камера) (9) двигателя изолирован от атмосферы. К впускному окну (7) присоединен карбюратор (8). Продувочное окно (2) сообщается каналом (1) с кривошипной

камерой (9) двигателя.

Рабочий цикл в двигателе происходит следующим образом.

Поршень (3) движется от н.м.т. к в.м.т. (рис.6, а), перекрывая в начале хода продувочное окно (2), а затем выпускное (6).

П

Рис. 7

Индикаторная диаграмма двухтактного карбюраторного двигателя

осле этого в цилиндре начинается сжатие ранее поступившей в него горючей смеси. Изменение давления в цилиндре на данном этапе отображает кривая fa′c на индикаторной диаграмме (рис.7). В это время в кривошипной камере (9) (рис.6, а) создается разрежение. Как только нижняя кромка направляющей части (юбки) поршня откроет впускное окно (7), через него из карбюратора (8) в кривошипную камеру (9) засасывается горючая смесь.

Когда поршень находится близко к в.м.т., сжатая рабочая смесь воспламеняется электрической искрой свечи (5). При сгорании смеси давление газов (продуктов сгорания) резко возрастает. Повышение давления в цилиндре показывает кривая cz на индикаторной диаграмме (рис.7).

Под давлением газов поршень перемещается к н.м.т. (рис.6, б). В цилиндре происходит расширение газов, которое на индикаторной диаграмме (рис.7) иллюстрирует кривая zb. Как только поршень, двигаясь вниз, закроет впускное окно (7) (рис.6, б), в кривошипной камере (9) начнется сжатие ранее поступившей в нее горючей смеси.

В конце хода поршень открывает выпускное окно (6) (рис.6, в), а затем и продувочное (2). Через открытое выпускное окно отработавшие газы с большой скоростью выходят в атмосферу. Давление в цилиндре быстро понижается. К моменту открытия продувочного окна давление сжатой горючей смеси в кривошипной камере будет выше, чем давление отработавших газов в цилиндре. Поэтому горючая смесь из кривошипной камеры по каналу (1) входит в цилиндр и, заполняя его, выталкивает остатки отработавших газов через выпускное окно наружу. Кривая bаfа′ на индикаторной диаграмме (рис.7) отображает изменение давления в цилиндре во время процессов выпуска и продувки.

Рабочий цикл двухтактного дизеля протекает аналогично рабочему циклу двухтактного карбюраторного двигателя и отличается только тем, что у дизеля в цилиндр поступает не горючая смесь, а воздух, который в результате сжатия нагревается, и впрыснутое форсункой топливо самовоспламеняется.

Чтобы обеспечить хорошую очистку и наполнение цилиндра, в большинстве современных быстроходных двухтактных дизелей применяют специальные продувочные насосы (нагнетатели).

Схема работы двухтактного бескомпрессорного дизеля с нагнетателем изображена на рис.8, а соответствующая индикаторная диаграмма - на рис.9.

Когда поршень (4) (рис.8, а) расположен вблизи н.м.т., продувочные отверстия (6) (окна) открываются и через них в цилиндр (3) из воздушной камеры (2), окружающей цилиндр, под давлением поступает воздух.

В камеру (2) воздух подается нагнетателем (5). В это время открыт выпускной клапан (1), и воздух, вытесняя из цилиндра отработавшие газы, заполняет цилиндр. Продувка продолжается до тех пор, пока поршень, двигаясь к в.м.т., не перекроет продувочные отверстия.

Затем закрывается выпускной клапан, и поршень сжимает воздух (рис.8, б). На индикаторной диаграмме (рис.9) изменение давления в цилиндре при ходе поршня от н.м.т. до в.м.т. иллюстрируется кривой a'afc, a при сжатии воздуха — кривой fc.

Рис. 8

Схема работы двухтактного дизеля с

нагнетателем:

1 — выпускной клапан; 2—воздушная камера: 3 — цилиндр; 4 — поршень; 5 — нагнетатель; 6 — продувочные отверстия; 7 — форсунка

Когда поршень находится около в.м.т., в цилиндр через форсунку (7) впрыскивается распыленное топливо (рис.8, в), которое при соприкосновении со сжатым воздухом воспламеняется. Часть топлива быстро сгорает при постоянном объеме. Повышение давления при этом показано на индикаторной диаграмме (рис.9) в виде кривой cz'. Остальная часть топлива сгорает в начале движения поршня от в.м.т. к н.м.т., поэтому в цилиндре в течение небольшого отрезка времени поддерживается почти постоянное давление. Кривая z'z характеризует процесс предварительного расширения газов.

Рис 9

Индикаторная диаграмма двухтактного дизеля с нагнетателем

Далее при движении поршня к н.м.т давление падает и происходит последующее расширение газов, которое отображается кривой zb. Таким образом, весь процесс расширения газов на индикаторной диаграмме характеризуется кривой z'zb.

В конце хода поршня к н.м.т. открывается выпускной клапан (1) и начинается выпуск отработавших газов (рис.8, г). К тому моменту, когда поршень открывает продувочные отверстия (6), часть отработавших газов уже успевает выйти наружу, давление в цилиндре падает и начинается продувка цилиндра воздухом. Продувка цилиндра продолжается и при последующем перемещении поршня вверх (рис.8, а). Кривая bа′af на индикаторной диаграмме (рис.9) иллюстрирует изменение давления в цилиндре при процессах выпуска газов из цилиндра и продувки его.

В дальнейшем все процессы повторяются в такой же последовательности.

Рис. 10

Контурные схемы продувки цилиндра двухтактного двигателя:

а – поперечная продувка;

б – петлевая продувка

Различают контурные и прямоточные схемы продувки двухтактных двигателей. В контурных схемах движение потока горючей смеси или воздуха происходит по контуру цилиндра. Эти схемы могут быть с поперечной (рис.10, а) и с петлевой (рис.10, б) продувкой. Управление продувочными и выпускными органами распределения связано с движением поршня.

В прямоточных схемах (см. рис.8) горючая смесь или воздух движется параллельно оси цилиндра, не меняя своего направления. Прямоточная продувка обеспечивает лучшую очистку цилиндра, чем контурная.