Действительный (рабочий) цикл двигателя

В действующих двигателях индикаторная диаграмма выглядит несколько иначе. По виду диаграмма напоминает расчётную, но имеет плавные переходы и скругления в области процессов сгорания и выпуска. Открытие и закрытие клапанов, а также момент подачи топлива (зажигание), не совпадает с мертвыми точками (см. круговую диаграмму газораспределения). Это делается для улучшения процессов работы. Кроме того, из-за большой частоты вращения, индикатор не успевает нарисовать все углы диаграммы. Основные отличия от теоретического цикла в следующем:

1. показатели политропы сжатия и расширения переменны;

2. сгорание топлива представляет собой единый процесс, происходящий около ВМТ при переменном объёме и давлении;

3. такты не совпадают с ходом поршня;

4. впуск и выпуск осуществляются при изменяющихся давлениях газа.

Процесс наполнения

Процесс наполнения происходит при перемещении поршня от ВМТ к НМТ, при этом впускной клапан открыт в конце такта выпуска, а также в самом начале процесса наполнения остаётся открытым и выпускной клапан. Такое положение клапанов называется перекрытием и способствует лучшей очистке цилиндров от выпускных газов.

Кроме очистки происходит охлаждение поверхности цилиндров и поршней.

В течение процессов выпуска и наполнения происходит смена заряда в цилиндре. Отработавшие газы удаляются, свежий воздух заполняет цилиндр. Этот процесс называют процессом газообмена. Рассмотрим его.

К моменту открытия выпускных клапанов давление в цилиндре выше атмосферного. Сначала происходит свободный выпуск за счёт этой разницы давлений, затем выпуск становится принудительным под воздействием движения поршня. Так как отработавшим газам надо преодолеть сопротивление в клапанах и выхлопном тракте, то давление выпуска выпуска будет выше атмосферного и равно Pr.

Когда поршень придёт в ВМТ, над ним останутся, так называемые, остаточные газы. Количество этих газов характеризуется коэффициентом остаточных газов, что учитывает степень очистки цилиндров, который равен:

М_г G_г

γ_г = —— = —— , где

М_д G_д

Мг - количество молей остаточных газов;

Мд - количество молей свежего заряда.

С началом движения поршня вниз (к НМТ) остаточные газы начнут расширяться, пока давление в цилиндре не станет равным давлению впуска (Pa).

По опытным данным:

для 4-х тактных ДВС без наддува γ_г=0,03-0,05

для 4-х тактных ДВС с наддувом γ_г=0,02-0,04

для 2-х тактных ДВС с контурной продувкой γ_г=0,08-0,15

для 2-х тактных ДВС с прямоточной продувкой γ_г=0,07-0,09

У двигателей без наддува Pa < Po, с наддувом Pa > Po.

С точки (a) начинается процесс сжатия.

Действительное количество свежего заряда, поступившего в цилиндр, будет меньше теоретически возможного т.к. свежий заряд дросcелируется в выпускных органах, подогревается от стенок цилиндровой втулки, поршня и остаточных газов. Часть объёма цилиндра занимают эти газы. Для оценки степени наполнения цилиндра свежим зарядом пользуются коэффициентом наполнения. Он показывает какую часть цилиндра заполняет свежий заряд воздуха.

Коэффициент наполнения - отношение действительного количества свежего заряда, поступившего в цилиндр в процессе наполнения, к теоретически возможному при данном давлении и температуре окружающей среды.

Vg Gg Mg

η_н = —— = —— = ——

Vs Go Mo

Произведя некоторые преобразования можно получить:

ε Pa To 1

η_н = —— . —— . —— . ———

ε-1 Po Ta 1+ γ_г

Из этой формулы видно, что коэффициент наполнения зависит от Pa, Ta и γ_г, а влияние ε незначительно.

Для двигателей с наддувом вместо Pa и Ta берём Pн и Tн.

η_н =0,8-0,95

У двигателей без наддува и быстроходных дизелей коэффициент наполнения меньше в связи с худшей очисткой цилиндра от остаточных газов.

Величина коэффициента наполнения определяет количество свежего заряда воздуха, поступившего в цилиндр, а значит и количество топлива, которое сможет сгореть за цикл. Значит от η_н зависит мощность двигателя. Но η_н зависит от степени очистки цилиндра и количества поступившего свежего заряда воздуха, т.е. от чистоты всасывающего и выпускного трактов - работы обслуживающего персонала. Например, при загорании воздушных фильтров или всасывающего коллектора, при увеличении температуры наружного воздуха, при увеличении коэффициента остаточных газов - коэффициент наполнения уменьшается и дизель работает хуже, дымит, а значит снижается его мощность. Также большое значение имеет качество регулировки клапанов ГРМ.

При тепловом расчёте необходимо знать величину Pa, Ta и γ_г, т.к. диапазон изменений Po и To не велик, то обычно их влияние не учитывается. Всё же необходимо знать, что при пониженном давлении (например, в горах, или высоко летящем самолёте) и повышенной температуре (в жарком климате или в горячем помещении) двигатель располагает меньшей мощностью.

Параметры впуска:

Давление впуска (.)а определяется из выражения:

для двигателей без наддува Pa = Po-∆Pa , где

∆Pa=0.05-0.2 [кГ/см²] - потеря давления от преодаления сопротивления впуску.

для двигателей с наддувом: Pa = (1- δ_н)Pн, где

δ_н=∆Pa/Pн=0.05-0.1 - относительная потеря давления от преодаления сопротивления впуску.

В конце наполнения, после закрытия впускного клапана давление меньше атмосферного на 5-15% из-за сопротивления впускного тракта, а температура выше на 10-50°C из-за подогрева деталей воздухом.

Температура в конце наполнения определяется из следующих соображений: т.к. свежий заряд воздуха, поступая в цилиндр смешивается с остаточным газом и температура заряда повышается на ∆T, тогда:

для двигателей без наддува T'o = To+∆T , где

∆T=10-20 K

а двигателей с наддувом T'o = Tн+∆T , где

∆T= 5-10 K

В большей степени воздух нагревается в тихоходных дизелях, в меньшей - в быстроходных.

T'o + γ_{г ∙}Tг

Температура конца наполнения определяется: Ta = —————

1 + γ_г

у 4-х тактных ДВС без наддува Ta=310-340 K

с наддувом Ta=320-380 K

Tг=600-900 K (у быстроходных - выше)

у 2-х тактных Ta=310-380 K

Параметры выпуска:

У двигателей без наддува Pr выше атмосферного на 0.05-0.15 кГ/см², но при большой длине выхлопного трубопровода и наличия утилизации может быть Pr≈1.2Po.

У двигателей с наддувом Pr выше, однако не превышает Pн.

ВПУСК И ВЫПУСК ЧЕТЫРЕХТАКТНОГО ДВИГАТЕЛЯ.

Впуск. 1-й такт – наполнение.

Поршень движется от ВМТ к НМТ, вследствие чего в надпоршневой полости создается разрежение и через открытый впускной клапан воздух из атмосферы поступает в цилиндр, за НМТ клапан закрывается. В конце процесса наполнения воздух в цилиндре двигателя имеет параметры: давление Ра=0,087÷0,095 МПа, температуру Т=315÷340 К.

Всасывание воздуха из атмосферы не может начаться сразу с начала движения поршня от ВМТ вниз, т.к. давление остаточных газов выше, чем атмосферное давление. Воздух начнет поступать в цилиндр лишь тогда, когда давление расширяющихся остаточных газов сравняется с атмосферным.

Когда поршень придет в НМТ, всасывание воздуха из атмосферы не прекратится, даже в начале движения поршня вверх давление в цилиндре ниже атмосферного, а впускной клапан закрывается с запаздыванием. Заполнение цилиндра свежим зарядом закончится в тот момент, когда давление сжигаемого воздуха сравняется с атмосферным.

У двигателей с наддувом начало и конец поступления свежего заряда в цилиндр соответствует моментам, когда давление в цилиндре будет равно давлению наддувочного воздуха. Следовательно, в процессе всасывания в цилиндр поступил объем свежего заряда, взятый при давлении окружающей среды или при давлении наддува, тогда как теоретически возможно заполнение цилиндра зарядом с объемом, равным объему цилиндра.

Отношение действительного количества свежего заряда, поступившего в цилиндр в процессе наполнения, к теоретически возможному при данных давлении и температуре окружающей среды называется коэффициентом наполнения:

где η_н - коэффициент наполнения.

Vо - Действительный объем свежего заряда.

Vs - Теоретически возможный объем при давлении и температуре окружающей среды.

Величина коэффициента наполнения определяет количество свежего заряда, поступившего в цилиндр, а значит, и количество топлива, которое может сгореть за цикл. Отсюда следует, что, в конечном счете, от коэффициента наполнения зависит мощность двигателя. Даже у тихоходных дизелей η_н равен 0,80-0,90, т.е. из-за неполноты заполнения цилиндра теряется 10-20% теоретически возможной мощности, а у быстроходных этот коэффициент еще ниже.

Как видно, коэффициент наполнения зависит от давления впуска и выпуска. Если предположить, что давление выпуска повысится, а давление впуска понизится, то получится, что коэффициент наполнения уменьшается.

Давление остаточных газов и давление в цилиндре (р_r и р_а) зависят от сопротивлений выпуску и впуску: чем больше эти сопротивления, тем выше давление остаточных газов и ниже давление внутри цилиндра.

Следовательно, чем больше сопротивление выпуску и впуску, тем меньше коэффициент наполнения двигателя. Этот вывод чрезвычайно важен, т.к. величины сопротивлений выпуску и впуску во многом зависят от обслуживающего персонала, от состояния и регулировки привода открытия клапанов, от впускного и выпускного трактов и т.п.

Следует отметить, что при равном изменении сопротивлений выпуску и впуску, сопротивление впуску сказывается на коэффициенте наполнения в большей степени, чем сопротивление выпуску. Учитывая такую зависимость, диаметр впускного клапана иногда делают больше, чем выпускного (в том случае, когда нет возможности увеличить диаметры обоих клапанов).

Для более точного определения коэффициента наполнения. Объем действительный взят при давлении атмосферном или наддува, но температура конца наполнения свежего заряда в цилиндре несколько отличается от температуры атмосферного воздуха (окружающей среды) или наддувочного воздуха. Если учесть отличие температуры конца наполнения от температуры окружающей среды и преобразовать предыдущее выражение с учетом зависимости объема газа от других параметров его состояния, то можно получить:

где - степень сжатия.

То - температура атмосферного воздуха.

Та - температура конца наполнения.

_r = Мr/Мs - коэффициент остаточных газов.

Мr - количество остаточных газов, кмоль.

Мs - количество свежего заряда, кмоль.

У четырехтактных двигателей без наддува коэффициент остаточных газов составляет Vr=0,04÷0,06. Без большой погрешности можно применить его равным 0,05, и тогда формула будет иметь вид:

В двигателях с наддувом коэффициент наполнения должен быть отнесен к давлению и температуре наддувочного воздуха, т.е.

Величина коэффициента остаточных газов у четырехтактных двигателей с наддувом колеблется в пределах _r=0,00÷0,04, в связи с чем им можно пренебречь и считать, что

Согласно данным опытам, величина коэффициента наполнения у четырехтактных дизелей составляет:

• тихоходные без наддува - η_н = 0,80÷0,90.

• средней быстроходности и быстроходные без наддува - η_н = 0,75÷0,90.

• дизели с наддувом - η_н = 0,80÷0,95.

Коэффициент наполнения характеризует относительную полноту заполнения цилиндра, т.к. действительное количество свежего заряда сравнивается с его количеством, которое могло бы поместиться в рабочем объеме цилиндра при данных давлении и температуре атмосферного воздуха.

Однако параметры атмосферы не постоянны: мировая метеорологическая практика зафиксировала диапазон изменения атмосферного давления на уровне моря от 684 до 809 мм рт. ст.

Изменяется и температура воздуха. Поэтому необходимо выяснить, от чего зависит абсолютное количество свежего заряда, поступившего в цилиндр. Для этой цели можно использовать известное из физики уравнение состояния газа:

PV = (m/µ)RT,

где Р - давление газа (Па);

V - его объем;

m - масса газа;

µ - его молекулярная масса;

R = 8314 Дж или 848 кг∙м – универсальная газовая постоянная;

Т - температура газа.

Отношение m/µ кг = кмоль – выражает количество газа киломолях.

Обозначив это количество через М кмоль, получим PV = MRT. Для свежего заряда, поступившего в цилиндр дизеля, это уравнение будет иметь вид PоVо = МsRТо, или с учетом выражения Роη_нVs = МsRТ, откуда Мs = (η_нVs/R)(Ро/То).

Как видно, количество свежего заряда зависит не только от коэффициента наполнения и рабочего объема цилиндра, но и от давления и температуры атмосферного воздуха. Отсюда следует, что при пониженном давлении и повышенной температуре атмосферного воздуха двигатель располагает меньшей мощностью, чем при высоком давлении и низкой температуре. На располагаемую мощность оказывает влияние и влажность воздуха.

Основной параметр процесса впуска – давление, может быть определен для двигателей без наддува из выражения: Ра = Ро - ΔРа,

и для двигателей с наддувом из выражения: Ра=(1-н)Рн,

где ΔРа и н - абсолютная и относительная потери давления от преодоления сопротивления впуску.

Величина ΔРа у двигателей без наддува зависит в основном от средней скорости движения воздуха во впускном клапане, которую обычно называют средней скоростью всасывания. Ее можно определить из выражения: ϖ_а = (F/f)с_m,

где F - площадь поперечного сечения цилиндра;

f - площадь проходного сечения впускного клапана (или клапанов, если он не один);

с_m - средняя скорость поршня м/с.

Если обозначить диаметр цилиндра через D, а диаметр впускного клапана через d, то можно написать: F = (πD²)/4 и f ≈ (πd²)/4, причем в последнем равенстве знак приближения означает, что не учтено влияние штока клапана.

ϖ_а =(D/d)² с_m.

Если клапанов два, то в правой части выражения должен стоять множитель 0,05. Средняя скорость всасывания ϖ_а колеблется в пределах 30-70 м/с, а потеря давления ΔРа - от 5 до 20 кПа.

Величина потери давления при всасывании может быть определена расчетом по приближенной формуле В. М. Тареева:

кПа,

или кгс/см³.

Относительная потеря давления при впуске у двигателей с наддувом: _н = ΔРа/Рн = 0,05-0,10.

В конце процесса наполнения в цилиндре находится смесь свежего заряда и остаточных газов. Следовательно, температура конца наполнения будет зависеть не только от температуры свежего заряда, но и от температуры остаточных газов. Нельзя отождествлять температуру свежего заряда, находящегося в цилиндре, с температурой всасываемого или наддувочного воздуха.

Проходя через патрубки и клапаны, соприкасаясь со стенками цилиндра и поршня, свежий заряд нагревается. Это можно выразить математически как:

То' = То + ΔТ, или То' = Тн + ΔТ,

где То - температура свежего заряда с учетом подогрева его от стенок,

ΔТ - приращение температуры в результате подогрева. Согласно опытным данным, ΔТ=10-20К у дизелей без наддува и ΔТ=5-10К у дизелей с наддувом. В большей степени воздух подогревается в тихоходных двигателях, в меньшей - в быстроходных.

Температуру Tа можно найти расчетом из следующих соображений. Очевидно, что внутренняя энергия смеси газов равна сумме внутренних энергий составляющих эту смесь газов. Поскольку к концу наполнения в цилиндре находится смесь из свежего заряда и остаточных газов, указанное равенство будет иметь вид:

(Мs + Мr)С'vТа = МsС”vТо' + МrС'"vТr ,

где Мs, Мr - количество свежего заряда и остаточных газов;

С'v, С"v, С'"v - теплоемкость смеси, свежего заряда и остаточных газов;

Та, То', Тr - температура смеси, свежего заряда и остаточных газов.

Так как остаточных газов в смеси не больше 6%, то теплоемкость С'v смеси будет очень мало отличаться от теплоемкости С"v воздуха второй правой части приведенного равенства по величине. Поэтому допустимо пренебречь разницей между теплоемкостью С"'v остаточных газов и теплоемкостью воздуха. Тогда теплоемкости в написанном выше равенстве могут быть сокращены. Если разделить после такого сокращения правую и левую части равенства на Мs и учесть, что Мs/Мs = 1, а Мr/Мs = _r, то легко получить:

(1 + _r)Та = Т'о + _rТr.

Температура конца наполнения определится как:

Та = (Т'о + _rТr)/(1 + _r) .

У четырехтактных дизелей без наддува Та=310-340 К, а с наддувом - Та=320 -380 К.

Из формулы видно, что увеличение отношения То/Та или Тн/Та повышает коэффициент наполнения. Следовательно, одним из путей повышения η_н является уменьшение приращения температуры от подогрева воздуха стенками ΔТ и уменьшение коэффициента остаточных газов _r. Температура остаточных газов практически не влияет на температуру конца наполнения Та из-за маленького количества.

Уменьшение температуры конца наполнения вследствие понижения температуры всасываемого или наддуванного воздуха не изменяет отношение То/Та или Тн/Та и, значит, не скажется на величине η_н. Однако, согласно формуле, при этом увеличится количество свежего заряда и, что очень важно, снизится тепловая напряженность деталей. Следовательно, очень важно организовать всасывание воздуха из той части машинного отделения, где температура ниже, и охладить воздух наддува.

Вместе с тем надо иметь в виду, что если понижение температуры поступающего в двигатель воздуха будет достигаться установкой холодильника или удлинением всасывающего трубопровода, то увеличение сопротивления впуску может свести на нет эффект от снижения температуры, а в худшем случае - дать отрицательный результат.

Выпуск. 4-й такт – выпуск.

Давление выпуска у двигателей без наддува зависит не только от проходного сечения выпускного клапана, но и от сопротивления выпускного трубопровода. Обычно это давление выше атмосферного на 5-10 кПа, но при большей длине трубопровода и наличии утилизационного котла оно может повыситься до 1-2. У двигателей с наддувом Рr выше, чем у дизелей без наддува, однако в пределах Рr<Рн.

Температура остаточных газов Тr двигателей без наддува бывает от 600К у очень тихоходных, до 800К у быстроходных дизелей. Двигатели с наддувом имеют Тr до 900 К. Не будет большой ошибкой считать эту температуру равной температуре отходящих газов в выпускном патрубке, определяемой по приборам или приводимой в формуляре двигателей.

Продувка. Продувка двухтактного двигателя состоит из:

• свободного выпуска. Поршень идет от ВМТ к НМТ и открывает выпускные окна и впускные окна, на которых свободный выпуск заканчивается

• принудительный выпуск и продувка начинается и заканчивается в момент открытия и закрытия продувочных окон, - потеря заряда воздуха. Это объясняется тем, что верхние кромки выпускных окон расположены выше продувочных, поэтому при движении поршня от НМТ к ВМТ теряется часть свежего заряда воздуха, которая через эти окна уходит.

ПРОВЕРКА ФАЗ ГАЗОРАСПРЕДЕЛЕНИЯ.

Моменты открытия и закрытия клапанов называются фазами газораспределения, т.е. такты впуска и выпуска четырехтактных двигателей и такт продувки двухтактных двигателей. Эти моменты проверяют по окончании ремонта или замены отдельных деталей механизмов газораспределения: шестерен привода распределительного вала, кулачковых шайб, распределительного вала. После ремонта привода проверяют фазы газораспределения первого цилиндра, после замены деталей – всех цилиндров. Перед проверкой фаз газораспределения обязательно регулируют зазоры в приводе открытия клапанов.

Фазы газораспределения определяют медленным проворачиванием коленчатого вала и покачиванием вокруг своей оси ролика клапанного рычага проверяемого клапана или штанги толкателя до тех пор, пока выступ кулачной шайбы не набежит на ролик толкателя, и ролик рычага или штанги не окажутся зажатыми. В этот момент проворачивание вала прекращают и по меткам на маховике определяют угол открытия клапана. Угол закрытия его находят по маховику при таком положении проворачиваемого коленчатого вала, когда ролик клапанного рычага или штанга будут снова свободно проворачиваться.

Можно также определить фазы газораспределения с помощью щупа или фольги, вводимой между концом клапанного рычага и штоком клапана. Зажатие фольги при проворачивании коленчатого вала соответствует началу открытия клапана, а освобождение – концу закрытия его. Допускаемые отклонения моментов открытия и закрытия клапанов составляют ±4-5°.