1.7 Рабочие процессы, протекающие в цилиндрах четырехтактного и двухтактного двс.

1.7.1 Основные понятия и определения (см. Рис. 11)

Рис. 11. Схема четырехтактного ДВС

При перемещении в цилиндре поршень достигает крайних положений , в которых направление его движения меняется. Крайние верхнее и нижнее положения поршня называются соответственно верхняя(в.м.т.) и нижняя(н.м.т.) мертвые точки. И этих точках сила, действующая на поршень не может создавать крутящий момент на коленчатом валу. Расстояние между верхней и нижней мертвыми точками называется ходом поршня и обозначают S.

Внутренний объем цилиндра при положении поршня в в.м.т. называется объем камеры сгорания и обозначают V_с . Внутренняя полость цилиндра при положении поршня в н.м.т. называется полным объемом цилиндра и обозначают V_a. Объем, описываемый поршнем при движении его от в.м.т. к н.м.т., называется рабочим объемом цилиндра и обозначают V_h. Рабочий объем цилиндра равен разности между полным объемом цилиндра и объемом камеры сгорания. V_h = V_a - V_с

Отношение полного объема цилиндра к объему камеры сгорания называется степенью сжатия и обозначают ε . Степень сжатия показывает, во сколько раз уменьшается объем внутренней полости цилиндра при движении поршня от н.м.т. к в.м.т.;

ε = V_a/ V_с =( V_h + V_с )/ V_с = V_h/ V_с + 1

Степень сжатия карбюраторных двигателей обычно в пределах 7-10, а дизельных – 16-22. Степень сжатия влияет на мощность и экономичность двигателя. С увеличением степени сжатия увеличиваются мощность двигателя и его экономичность.

Рабочий цикл четырехтактного двигателя состоит из пяти процессов: впуск, сжатие, сгорание, расширение и выпуск, которые совершаются за. четыре такта (хода поршня) или за два оборота коленчатого вала.

1.7.2. Процесс впуска.

На рис. 12 представлена диаграмма изменения давления газов внутри цилиндра в процессе впуска. По линии ординат показывается давление, а по линии абсцисс – объем внутренней полости цилиндра. Принятые обозначения: т.1- начало открытия впускного клапана; т.2- конец закрытия впускного клапана; т.r- положение поршня в в.м.т. в начале впуска; т.а- положение поршня в н.м.т.; р_о- атмосферное давление.

Впуск горючей смеси (смеси паров топлива с воздухом) происходит после выпуска из цилиндра отработавших газов от предыдущего цикла. Впускной клапан открывается с некоторым опережением до в.м.т. (т.1), чтобы получить к моменту прихода поршня в в.м.т. большее проходное сечение у клапана.

Рис. 12. Процесс впуска

Впуск горючей смеси происходит за два этапа. Первый за счет разрежения, создающегося в цилиндре (линия ra) и второй за счет скоростного напора потока смеси (линия а2). Впуск смеси заканчивается в момент закрытия впускного клапана т.2.

Процесс впуска или другими словами процесс наполнения цилиндра горючей смесью зависит от ряда факторов, В результате чего действительное количество горючей смеси (воздуха) поступившее в цилиндр за период наполнения не равно тому количеству, которое теоретически могло бы заполнить рабочий объем цилиндра V_h при условиях, при которых свежий заряд находится перед впускным патрубком двигателя (р_к,Т_к). Эти параметры свежего заряда существенно отличаются от параметров воздуха в окружающей среде р_о,Т_о:

1. - из-за сопротивления воздушного фильтра и трубопроводов р_к < р_о

р_к = р_о - Δ р_о , где Δ р_о – сопротивление воздушного фильтра и трубопроводов.

Рис. 13. Схема элементов ДВС, влияющих на процесс впуска

В случае наддува (с нагнетателем или продувочным насосом)

р_к > р_о

- вследствие сопротивления во впускном патрубке и в клапанном канале давление свежего заряда в цилиндре р_а меньше, чем перед впускным патрубком р_а = р_к - Δ р_в, где Δ р_в – сопротивление впускных органов.

2. Такое соотношение между р_а и р_к сохраняется и в начале сжатия до тех пор пока р_а вследствие сжатия не выровняется с р_к. Наличие разницы давлений вне и внутри цилиндра используется различными способами для дополнительного ввода в цилиндр свежей смеси, что является способом увеличения общего количества заряда и называется дозарядкой.

3. Воздух или горючая смесь, поступая в цилиндр, нагреваются от его стенок. Кроме того в карбюраторных двигателях горючая смесь подогревается во впускном трубопроводе. Подогрев оценивается ΔТ –разностью температур, это снижает плотность заряда, а следовательно и количество действительно поступившей в цилиндр горючей смеси.

4 .Невозможно удалить полностью из цилиндра в период выпуска все продукты сгорания. Остаток называют остаточные газы. .

Эти факторы, влияющие на наполнение рабочего цилиндра, с свою очередь, зависят от целого комплекса условий конструктивного и эксплу-атационного характера.

Степень наполнения цилиндра горючей смесью ( воздухом) оценивается коэффициентом наполнения

η_v = G_i /(V_h·ρ_к),

где G_i – количество горючей смеси (воздуха) оставшегося в цилиндре после закрытия впускного клапана;

ρ_к – плотность горючей смеси ( воздуха) при р_к и Т_к.

V_h·ρ_к – количество горючей смеси (воздуха), которое могло бы заполнить цилиндр при давлении р_к и температуре Т_к.

Наддув, назначение и способы наддува

1.7.3. Процесс сжатия служит:

1. для расширения температурных пределов между которыми протекает рабочий процесс;

2. для обеспечения возможности получения максимально достижимой в реальных условиях степени расширения;

3. для создания условий, необходимых для возможно лучшего сгорания горючей смеси;

Эти условия обеспечивают эффективное преобразование теплоты в полезную работу.

Рис.14. Процесс сжатия

При внешнем смесеобразовании и воспламенением от искры в процессе сжатия происходит дополнительное перемешивание смеси для повышения однородности ее состава по всему объему. Особенно благоприятные условия в этом отношении создаются, если к концу сжатия в цилиндре сохраняются турбулентное движение сжатой рабочей смеси. Анализ термодинамических циклов показывает, что для увеличения термического КПД следует стремиться к повышению степени сжатия ε. Однако, степень сжатия должна быть таковой, чтобы температура и давление смеси в конце сжатия не достигли бы значений, при которых могла бы возникнуть детонация или преждевременное воспламенение. В соответствии с этим верхний предел степени сжатия зависит от: свойств топлива; состава смеси; условий теплоотдачи; конструктивных форм камеры сгорания и т.д.

Ориентировочные значение степени сжатия: карбюраторный ДВС - 7-10; дизельный - 16-20.

В двигателях с воспламенением от сжатия (дизельных) также желательно сохранять турбулентное движение в конце сжатия. Это облегчает перемешивание впрыскиваемого топлива с воздухом, т.е. улучшает использование воздуха для сгорания. Для работы двигателя с воспла-менением от сжатия необходимо. чтобы температура в конце сжатия обеспечивала воспламенение впрыснутого топлива. Это минимальная степень сжатия. При которой двигатель может работать. В действительности ε должна быть значительно больше для:

- надежного пуска холодного двигателя при низкой температуре;

- увеличенная температура в конце сжатия сокращает период между началом впрыска топлива и его воспламенением, что обеспечивает более мягкую работу двигателя.

Поэтому ε = 16 – 20. ε > 20 нежелательно. Т.к. повышенное давление в конце сжатия увеличивает максимальное давление при сгорании и нагрузки на кривошипно- шатунный механизм. При этом увеличение использования теплоты очень незначительно.

Теплообмен в процессе сжатия

В начальный период сжатия после закрытия впускного клапана или продувочных и выпускных окон температура заряда, заполнившего цилиндр, ниже температуры стенок, головки, и днища поршня. Поэтому в первой части сжатия заряд дополнительно нагревается от этих поверхностей. Затем в какой-то период сжатия температуры выравниваются и мы имеем чистый адиабатический процесс. Затем сжатие продолжается уже с отдачей теплоты стенкам цилиндра и поршню, которая несколько уменьшается за счет уменьшения площади охлаждения при движении поршня верх. Как показывают исследования общая отдача теплоты в процессе сжатия незначительна и поэтому процесс сжатия в двигателях протекает обычно очень близко к адиабатическому.

р · V^к =const.

1.7.4. Процесс сгорания (см. раздел 2)

1.7.5. Расширение и выпуск продуктов сгорания.

В процессе расширения (рис. 15) внутренняя энергия продуктов сгорания, обладающих высокой температурой, трансформируется в механическую работу. При этом реакции окисления, не успевшие окончиться в течении процесса сгорания, продолжаются. Дополнительное выделение тепла в процессе расширения называют догоранием. В дизелях степени сжатия выше и поэтому температура в конце процесса расширения ниже на 200 – 300⁰, а при уменьшении нагрузки резко понижается, что объясняется уменьшением количества впрыскиваемого топлива.

В четырехтактных ДВС выпускное отверстие открывают за 40 – 80⁰ до н.м.т. и закрывают его через 20 – 40⁰ после в.м.т. Таким образом продолжительность открытия выпускного отверстия (продолжительность очистки цилиндра от отработавших газов) составляют в разных двигателях от 240 до 300⁰ угла полворота коленчатого вала.

Процесс выпуска можно разделить на предварение выпуска, происходящее при опускании поршня от момента открытия выпускного клапана до н.м.т., т.е. в течение 40 – 80⁰, и основной выпуск, происходящий при движении поршня от н.м.т. до в.м.т. и далее до закрытия выпускного отверстия, т.е. в течение 200 – 220⁰ поворота коленчатого вала.

Рис.15. Процесс расширения (Z – 4)

Предварение выпуска. Во время предварения выпуска поршень опускается и удалять из цилиндра отработавшие газы не может. Давление в цилиндре при работе двигателя с полной нагрузкой равно около 0,4 МПа. Отработавшие газы за счет избыточного давления с критическими скоростями, достигающими 400 – 500 м/с выбрасываются из цилиндра, сопровождаясь характерным звуковым эффектом, для поглощения которого устанавливают глушитель.

Основной выпуск. Когда поршень подойдет к в.м.т., давление в цилиндре понизится примерно до 0,2 МПа. Критическое истечение окончится и начнется основной выпуск. Истечение газов во время основного выпуска происходит с меньшими скоростями, достигающими и конце выпуска 60 – 100 м/с. По мере дросселирования уменьшаются все давления цикла и при некоторых режимах совершенно пропадает истечение газов с критическими скоростями и даже при работе без глушителя, характерный шум выпуска

Рис. 16. Процесс выпуска продуктов сгорания (4-b-2-1-r-5)

отсутствует. Небольшое запаздывание закрытия выпускного отверстия позволяет использовать инерцию выпускных газов, ранее вышедших из цилиндра, для лучшей очистки цилиндра от сгоревших газов. Несмотря на это, часть продуктов сгорания остается в цилиндре, переходя от каждого данного цикла к последующему в виде остаточных газов.

1.7.6. Рабочий цикл двухтактного двигателя.

Двухтактные двигатели (Рис. 17) отличаются от четырехтактных тем, что у них наполнение цилиндров горючей смесью или воздухом происходит в начале хода сжатия, а очистка цилиндров от отработавших газов в конце хода расширения. Общий процесс для всех двухтактных двигателей -

Рис. 17. Схема двухтактного дизельного ДВС

– продувка, т.е. процесс удаления отработавших газов из цилиндра с помощью потока горючей смеси или воздуха. На рис 18 приведен двухтактный карбюраторный двигатель с кривошипно-камерной продувкой ( кривошипная камера при движении поршня вниз выполняет роль нагнетательного насоса). Рабочий цикл в двигателе выполняется за два такта.

Первый такт – сжатие - поршень 3 перемещается от н.м.т. к в.м.т. , перекрывая сначала продувочное 2, а затем выпускное 6 окно. После закрытия поршнем выпускного окна 6 в в цилиндре 4 начинается сжатие ранее поступившей в него горючей смеси. Одновременно в кривошипной камере 9 вследствие ее герметичности создается разрежение, под действием которого из карбюратора 8 через открытое впускное окно 7 поступает горючая смесь а кривошипную камеру.

Второй такт – рабочий ход – при положении поршня около в.м.т. сжатая рабочая смесь воспламеняется электрической искрой от свечи 5, в

Рис. 18. Схема работы двухтактного карбюраторного ДВС

результате чего температура и давление газов резко возрастают. Под действием силы давления газов поршень перемещается к н.м.т., при этом расширяющиеся газы совершают полезную работу. Одновременно опускающийся поршень закрывает впускное окно 7 и сжимает находящуюся в кривошипной камере горючую смесь.

Когда поршень дойдет до выпускного окна 6, оно открывается и начинается выпуск отработавших газов и давление в цилиндре снижается. При дальнейшем перемещении поршень открывает продувочное окно 2 и сжатая в кривошипно-шатунной камере горючая смесь перетекая по каналу 1, заполняет цилиндр и осуществляет продувку его от остатков отработавших газов.

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

На рис. 19 приведена индикаторная диаграмма двухтактного кар-бюраторного двигателя с кривошипно-камерной продувкой. Процесс сжатия начинается с момента закрытия поршнем выпускного окна т.2(Рис. 18) . Он протекает так же как и в четырехтактном двигателе. ( на диаграмме рис.19 кривая 2-3). Процесс сгорания происходит аналогично четырехтактному двигателя и на диаграмме изображается кривой 3-z.

Процесс расширения газов начинается после сгорания и заканчивается в момент открытия выпускного окна т.4, т.е. аналогично 4-х тактному ДВС, кривая z-4.

Рис. 19. Индикаторная диаграмма рабочего процесса двухтактного ДВС:

2-3 – сжатие; 3-Z – сгорание; Z-4 – расширение; 4-5-6-1-2 – выпуск; 5-6-1- впуск

Процесс выпуска отработавших газов происходит от т.4 за 60 – 65⁰ до прихода поршня в н.м.т. и заканчивается через 60 – 65⁰ после прохода поршнем н.м.т., на диаграмме кривая 4-5-6-1-2. По мере открытия выпускного окна давление в цилиндре резко снижается линия 4-5, и за 50 – 55⁰ до прихода поршня в н.м.т. открываются продувочные окна т.5 и сжатая опускающимся поршнем горючая смесь из кривошипной камеры начинает поступать в цилиндр. В период 5-6-1 (100 – 110⁰ поворота коленчатого вала) одновременно происходят два процесса: впуск горючей смеси и выпуск отработавших газов – это называют продувкой. Во время продувки горючая смесь вытесняет отработавшие газы и частично уносится вместе с ними. При дальнейшем перемещении к в.м.т. поршень перекрывает сначала продувочные окна т.1 прекращая доступ горючей смеси в цилиндр из кривошипной камеры, а затем впускные окна т.2 и начинается процесс сжатия.