§3. Действительные циклы четырёхтактных двигателей внутреннего сгорания

В четырёхтактном двигателе с внешним смесеобразованием и воспламенением топливовоздушной смеси от искры (рис. 1.1, а) воздух из окружающей среды через воздушный фильтр 12 поступает к диффузору карбюратора 13. Скорость потока воз­духа в диффузоре при открытой дроссельной заслонке достигает 100-200 м/с. В диффузор выведен из поплавковой камеры канал 14, по которому подводится к потоку воздуха топливо из поплав­ковой камеры. Поток воздуха распыливает топливо. Капли топ­лива перемешиваются с воздухом, испаряются, образуя топливо­воздушную смесь, которая через впускной клапан 7 поступает в цилиндр. Количество смеси, поступающей в цилиндр, а соот­ветственно и мощность двигателя, зависят от положения дрос­сельной заслонки. Соотношение между количеством воздуха и количеством топлива, поступающего в цилиндр, изменяется при этом незначительно. Такое регулирование мощности называется количественным.

Реальные конструкции четырёхтактных двигателей с искро­вым зажиганием и количественным регулированием мощности значительно сложнее (рис. 1.7). В современных двигателях с искровым зажиганием и количественным регулированием мощ­ности вместо карбюратора 5 для образования топливовоздушной смеси используются электронные системы впрыска топлива на впуске (моновпрыск, распределительный впрыск), электронные системы управления и контроля состава топливовоздушной сме­си, каталитические системы нейтрализации вредных веществ в отработавших газах. Все шире используется в двигателях с ис­кровым зажиганием и непосредственный впрыск топлива в каме­ру сгорания с организацией расслоения топливовоздушной смеси, что позволяет значительно расширить пределы обеднения топли­вовоздушной смеси.

Перетекание топливовоздушной смеси или воздуха из ок­ружающей среды в надпоршневую полость обусловлено перепа­дом давления на такте впуска между окружающей средой и рабо­чей полостью, так как при движении поршня 8 от ВМТ к НМТ

28

(рис. 1.7) над поршнем возникает разрежение. Такту впуска соот­ветствует перемещение поршня от ВМТ к НМТ, но впускные клапаны 16 открывают с опережением до ВМТ и закрывают с за­паздыванием после НМТ.

Рисунок 1.7 - Общий вид (поперечный разрез) четырёхтактного карбюраторного двигателя МеМЗ-245:

1 - блок цилиндров; 2 - цилиндр; 3 - выпускной коллектор; 4 - впускной коллектор; 5 - карбюратор; 6 - коленчатый вал; 7 - шатун; 8 - поршень; 9 - п оршневой палец; 10 - прокладка; 11 - головка цилиндров; 12 - прерыва­тель- распределитель; 13 - свеча зажигания; 14 - кулачковый вал; 15 - коро­мысло; 16 - клапан

29

Такту сжатия соответствует перемещение поршня 8 в ци­линдре 2 от НМТ к ВМТ, но действительный процесс сжатия на­чинается после закрытия впускного клапана. В конце такта сжа­тия за 5-40 градусов поворота коленчатого вала (°ПКВ) до ВМТ с помощью электрического разряда на электродах свечи зажигания 13 осуществляют воспламенение топливовоздушной смеси. Во­круг очага воспламенения образуется фронт пламени, распро­страняющийся к стенкам рабочей полости со скоростью 10-80 м/с. Глубина зоны реакции окисления топлив (глубина фронта пламени) составляет 0,2-1 мм. Скорость перемещения фронта пламени зависит от состава топливовоздушной смеси, интенсив­ности турбулизации к концу такта сжатия.

В двигателе с внутренним смесеобразованием и воспламе­нением топлива от сжатия (рис. 1.1, б) на такте впуска по каналу

6. в головке цилиндра 2 через щель между клапаном и седлом клапана в цилиндр поступает воздух. Количество воздуха, посту­пающего в цилиндр, в зависимости от скоростного и нагрузочно­го режима работы двигателя зменяется в узких пределах. Мощ­ность двигателя зависит от количества топлива, подаваемого в цилиндр через форсунку 10. Такое регулирование мощности дви­гателя называется качественным, так как сопровождается из­менением соотношения между количеством воздуха и количе­ством топлива, поступающих в цилиндр, т.е. изменением каче­ства смеси.

Конструкции четырёхтактных двигателей с воспламенением топлива от сжатия многообразны. В четырёхтактных дизелях для повышения мощности и КПД широко используются системы наддува (с механическим приводом нагнетателя, с газотурбин­ным приводом), промежуточное охлаждение наддувочного воз­духа, газовые силовые турбины с передачей мощности на колен­чатый вал через редуктор. Примером таких дизелей могут быть модификации дизеля Д70, разработанного заводом им. В.А. Ма­лышева совместно с кафедрой двигателей внутреннего сгорания НТУ «ХПИ» с числом цилиндров двенадцать - шестнадцать (рис. 1.8). Расположение цилиндров V-образное с углом развала между осями цилиндров 60°. Объем развала блоков используется в каче­стве впускного ресивера 13 для наддувочного воздуха. После

30

15 12

Рисунок 1.8 - Общий вид (поперечный разрез) четырёхтактного дизеля Д70 (16ЧН24/27):

1. - блок цилиндров; 2 - цилиндры; 3 - поршни; 4 - главный шатун; 5 - прицепной шатун; 6 - коленчатый вал; 7 - кулачковые валы топливных насосов и привода клапанов; 8 - топливный насос; 9 - форсунка; 10 - головка цилиндра; 11 - выпускные клапаны; 12 - выпускной коллектор; 13 - впускной коллектор; 14 - коллектора п одвода воды; 15 - коллектора отвода воды

31

турбокомпрессора воздух охлаждается в водовоздушных холо­дильниках. В цилиндры с опережением по отношению к ВМТ поршня с помощью топливных насосов высокого давления 8 и форсунок 9 осуществляют подачу, распыл и распределение топ­лива в объеме камеры сгорания.

В дизелях максимальное давление топлива перед форсункой зависит от типа камеры сгорания, особенностей конструкции ди­зеля. К моменту начала поступления топлива в камеру сгорания в зависимости от степени сжатия температура газов достигает 500-700 °С. Вокруг образовавшихся капель топлива, размер ко­торых колеблется от нескольких микрон до нескольких десятков микрон и скорость которых достигает 200-300 м/с, образуются пары топлива. Под воздействием высокой температуры начина­ются процессы разрушения сложных молекул углеводородов то­плива (образуются свободные радикалы - части молекул со сво­бодными валентными связями), их взаимодействие с молекулами кислорода.

Процессы нагрева, испарения, диффузии, разрушения моле­кул, образования свободных радикалов и т.д. обусловливают за­держку воспламенения, составляющую 0,001-0,002 с. Началу об­разования устойчивых цепных реакций окисления, сопровож­дающихся интенсивным выделением тепла, соответствует резкое повышение давления в цилиндре. Процесс сгорания начинается за 3 - 5 °ПКВ до ВМТ и продолжается в зависимости от особен­ностей конструкции двигателя, режима работы 30-90 °ПКВ.

На такте расширения высокое давление газов воздейст­вует на днище поршня. Поршень через шатун передает давление газов на коленчатый вал. Сила давления газов достигает значи­тельной величины. Например, при максимальном давлении цикла p_z = 8 МПа, диаметре цилиндра D = 80 мм сила давления газов на поршень составляет 4,02* 10⁴ Н. Работа расширения газов расходуется на преодоление сил трения в подвижных сопряжени­ях деталей (поршень-гильза, подшипники и т.д.), привод вспомо­гательных механизмов (механизма газораспределения, насосов и т.д.), осуществление процессов газообмена, привод машины, со­единенной с коленчатым валом двигателя, накапливается в виде кинетической энергии вращающихся масс (маховика, коленчато­

32

го вала и т.д.), которая необходима для осуществления после- дующих тактов.

В четырёхтактных двигателях за тактом расширения следует такт выпуска. Для снижения затрат энергии на удаление отрабо- тавших газов из цилиндра двигателя, выпускной клапан откры- вают с некоторым опережением по отношению к НМТ. Фаза опережения открытия выпускного клапана ф₁ = 40-65 °ПКВ (рис. 1.9). Давление газов в цилиндре в этот момент выше, чем давление окружающей среды. Истечение газов происходит с

большой скоростью и до момента достижения поршнем НМТ значи- тельная часть газов по массе (до 40 %) уходит из цилиндра. К этому моменту увеличивается площадь про- ходного сечения клапана, что также снижает затраты энергии на удаление газов из цилиндра. На большей части такта выпуска газы из цилиндра уда- ляют принудительно поршнем, пере- мещающимся к ВМТ.

Выпускной клапан закрывают после достижения поршнем ВМТ (ф₃ = 10-30 °ПКВ за ВМТ) с тем, что- бы возможно большая часть отрабо- тавших газов была удалена из цилин-

дра. В начале такта впуска давление газов в надпоршневой по- лости выше, чем давление воздуха или топливовоздушной смеси во впускном канале, поэтому истечение газов из цилиндра про- должается и за ВМТ как через выпускной, так и через впускной каналы.

Впускной клапан открывают обычно с некоторым опереже­нием к ВМТ (ф₂ = 10-30 °ПКВ) с тем, чтобы к началу такта впус­ка площадь проходного сечения клапана достигла значений, при которых не так резко возрастало бы разрежение в цилиндре. При этом снижается также и максимальное разрежение в цилиндре на такте впуска, что уменьшает затраты энергии на осуществление процесса впуска. Однако увеличение опережения открытия

вмт

нмт

Рисунок 1.9 - Диаграмма фаз газораспределения четырёх­тактного двигателя

33

впускного клапана до ВМТ приводит к увеличению заброса отра­ботавших газов во впускной канал.

Впускной клапан закрывают с запаздыванием по отноше­нию к НМТ (40-60 °ПКВ), так как в начале такта сжатия давле­ние в рабочей полости обычно ниже, чем давление перед впуск­ными клапанами.

Рабочим телом в реальном цикле ДВС является смесь газов, состав и количество которых зависят от угла поворота коленчато­го вала и режима работы двигателя. Реальный цикл может быть представлен как в системе координат p-ф, так и в системе коор­динат p-V (рис. 1.10 и рис. 1.11). Рассмотрим реальный цикл че­тырёхтактного ДВС с воспламенением топлива от сжатия, начи­ная с момента открытия выпускных клапанов (точка е).

В точке е на такте расширения, когда давление в цилиндре в 3-5 раз выше, чем давление в выпускном канале, кулачковый ме­ханизм привода клапанов начинает открывать выпускные клапа­ны (рис. 1.10 и 1.11). Угол опережения открытия выпускных кла­панов ф₁ составляет, в зависимости от особенностей конструкции двигателя и частоты вращения коленчатого вала, 40-65 °ПКВ до НМТ. За угол поворота кривошипа от точки е до точки b (НМТ) из цилиндра уходит 30-40 % продуктов сгорания, что су­щественно снижает затраты энергии на выталкивание отработав­ших газов из цилиндра на такте выпуска (от точки b до точки r). Максимального значения площадь проходных сечений выпуск­ных клапанов ^_ып достигает примерно к середине такта выпуска (рис. 1.10). За 10-30 °ПКВ до ВМТ на такте выпуска кулачковый механизм привода впускных клапанов начинает открывать впу­скные клапаны (точка d). К этому углу ПКВ проходные сечения выпускных клапанов еще значительны, что исключает значи­тельное повышение давления газов в цилиндре к концу такта вы­пуска. Закрываются выпускные клапаны в точке е' (10-30 °ПКВ после ВМТ на такте впуска). На участке индикаторной диаграм­мы от точки d до точки е' впускные и выпускные клапаны откры­ты - участок перекрытия клапанов.

Так как в начале открытия впускных клапанов (до ВМТ) давление газов в цилиндре значительно выше, чем давление воз-

34

а

I

3

13

к

к

«

л

о

о

и

и

<и

со

К

«

о

и

ЕС

й

н

х

:<U

-О

н

<D

СЗ

СЗ

&

й

к

«

3

к

л

0. н й и

К

«

к

S

1

и

о

к

о

К

Рц

PQ

и

m щ

I I -о оЗ cS И И F V о о н н

►S л

£ * 2 й С со

35

духа во впускном канале, происходит заброс отра- ботавших газов во впуск- ной канал.

Однако количество отработавших газов, по- ступающих во впускной канал на такте выпуска (до ВМТ), незначительно (не более 1-2 % от вели- чины свежего заряда). Наличие опережения от- крытия впускных клапа- нов позволяет увеличить площадь проходных се- чений впускных клапа- нов к началу такта впус- ка, уменьшить разреже- ние в цилиндре на такте впуска, а соответственно и затраты работы на осуществление такта

впуска. Максимального значения площадь проходных сечений впускных клапанов достигает примерно к середине такта впуска (рис. 1.10).

Впускной клапан закрывается за 40-60 °ПКВ за НМТ, так как в начале такта сжатия давление газов в цилиндре заметно ни­же давления во впускном коллекторе и свежий заряд продолжает поступать в цилиндр.

Совершенство процессов газообмена четырёхтактных ДВС без наддува характеризуется коэффициентом остаточных газов, коэффициентом наполнения и работой, затрачиваемой на осу­ществление газообмена.

Коэффициент остаточных газов - отношение массы ос­таточных газов М_у к массе свежего заряда М_св._зар, поступивше­го в цилиндр,

Рисунок 1.11 - Индикаторная диаграмма четырёхтактного дизеля в координатах p-V

36

M _у

У = —■ (1.24)

св.зар

Коэффициент наполнения - отношение массы свежего за­ряда М_свзар к массе потенциального заряда M_h (количество све­жего заряда, которое могло бы находиться в рабочем объеме цилиндра при давлении и температуре окружающей среды -

^Mh = P0^VhX

M

^±у± св.зар

я = . . ⁽¹.²⁵⁾

^Mh

Работа, затрачиваемая на процессы газообмена, пропорцио­нальна площади диаграммы между кривыми изменения давления в цилиндре на тактах выпуска и впуска (рис. 1.11) и равна сумме работ на выталкивание отработавших газов из цилиндра на такте выпуска Ь_вып и на впуск свежего заряда Ь_вп,

^н.п ^вып + ^вп. ⁽¹.²⁶⁾

В ДВС с искровым зажиганием у = 0,05-0,10; я = 0,80-0,90; удельная работа насосных потерь /_н._п = 0,04-0,10 Дж/см³. В четы­рехтактных дизелях без наддува коэффициент остаточных газов у < 0,04, вследствие более высокой степени сжатия (меньшего объема камеры сжатия), а с наддувом - у = 0-0,03.

В двигателях с наддувом коэффициент наполнения, отне­сенный к условиям перед впускными клапанами

M

св.зар

= }Л_Ы ^,

где M_hs = р_sV_h - потенциальный заряд при условиях перед

впускными клапанами; p_s - плотность воздуха перед впускными клапанами.

Важными показателями совершенства процессов газообмена в четырёхтактных дизелях с наддувом являются также коэффи­циент избытка продувочного воздуха ф (отношение массы воз­духа M_s, поступившего в цилиндр, к массе потенциального заряда M_hs при условиях на впуске) и коэффициент утечки продувочно­

37

го воздуха u (отношение массы воздуха М_ут, ушедшего из цилинд­ра при продувке, к массе воздуха M_s, поступившего в цилиндр):

M

ф = ТТ’’ ^а'²⁷)

^Mhs

M M _s — M n

u = ^ = — ^свзар = 1 — ^VL (128)

M_s M_s ф ^V '

Значения ф в четырехтактных дизелях с наддувом не пре­вышают 1,1; u = 0,05-0,10.

Удельная работа насосных потерь при использовании над­дува и значительном превышении давления на впуске по сравне­нию с давлением на выпуске может быть и отрицательной (рабо­та газов на впуске больше работы газов на выпуске).

Действительный процесс сжатия начинается с момента за­крытия впускных клапанов (точка v) и при отключении подачи топлива заканчивается в точке с. Давление и температура газов в точке с зависят от степени сжатия. Работа, затрачиваемая на про­цесс сжатия в предположении, что процесс сжатия начинается от точки а (рис. 1.11),

PV — PV

L_e s ^{c c} , (1.29)

ⁿc ^{— 1}

где п_с - среднее значение показателя политропы сжатия.

Подача топлива в зависимости от частоты вращения колен­чатого вала начинается за 10-30 °ПКВ до ВМТ (точка п) и про­должается 20-60 °ПКВ. Количество топлива, подаваемого в ци­линдр автотракторного дизеля, в зависимости от рабочего объема цилиндра и нагрузки составляет 5-100 мм /цикл. Максимальное давление впрыска топлива в современных дизелях составляет 30 МПа (вихрекамерные дизели) - 200 МПа (непосредственный впрыск). Скорость поступления топлива может достигать 200­400 м/с. Поэтому, значительная часть капель имеют диаметр меньше 10 мкм. Температура газов в цилиндре к моменту начала подачи топлива превышает 500-700 °С. Под воздействием высо­кой температуры происходит испарение топлива с поверхности капель, распад молекул углеводорода, начинаются реакции окис­

38

ления. Реакции окисления углеводородов многостадийные, носят цепной характер. В точке в (за 3-5 °ПКВ до ВМТ) начинается ла­винообразное нарастание очагов реакций окисления, возрастает давление и температура газов. Время от момента начала подачи топлива (точка п) до момента начала интенсивного роста дав­ления (точка в) составляет 0,001-0,002 с и называется перио­дом задержки воспламенения (т,).

Максимального значения давление газов в цилиндре дости­гает за 15-20 °ПКВ после ВМТ (точка z). Участок диаграммы от точки в до точки z называется видимым сгоранием. Процесс вы­горания топлива продолжается и после точки z. Продолжитель­ность сгорания 30-90 °ПКВ. Процесс расширения газов продол­жается до НМТ (рис. 1.10 и рис. 1.11, точка b). Работа расшире­ния газов в двигателях с искровым зажиганием

L s ^Pz + ^рс V — V_c)+ ^{PzV — PbV} ; (1.30)

2. ⁿp ^{— 1}

в двигателях с воспламенением топлива от сжатия

Lp s р_г Vz — Vc)+ ^PzV ~p^Vb , (1.31)

ⁿp ^— 1

где п_р - среднее значение показателя политропы расширения.

Индикаторная (полезная) работа газов в цилиндре за цикл пропорциональна площади индикаторной диаграммы (рис. 1.11)

L, = Lp - £_Сж. (1.32)

₃

Удельная индикаторная работа газов в цилиндре, Дж/м , Дж /см³:

l, = —. (1.33)

Vh ^v '

Если на основании V_h построить прямоугольник, пло­щадь которого будет равна площади индикаторной диаграммы (рис. 1.11), то высота этого прямоугольника будет равна средне­му индикаторному давлению р, = L, /V_h, характеризующему, как и

50. , уровень форсировки двигателя по мощности. Среднее индика­торное давление - условное постоянное давление, при воздейст­вии которого на поршень за один ход поршня от ВМТ к НМТ

39

выполняется работа, равная индикаторной работе газов за цикл. По абсолютной величине среднее индикаторное давление равно удельной индикаторной работе газов р_i = \l_i \.

Индикаторная мощность двигателя (индикаторная работа газов в цилиндрах двигателя за 1 с) при частоте вращения колен­чатого вала n [об/мин], и числе цилиндров z, кВт:

N = к Li 10“³, (1.34)

n 1 _

где к = — — z - количество рабочих циклов в четырёхтактном

двигателе за 1 с; z - число цилиндров.

Эффективность преобразования химической энергии топ­лива Qt^ в индикаторную работу газов (степень совершенства рабочих процессов) характеризуется индикаторным КПД, пред­ставляющим отношение индикаторной работы газов (за цикл или за час) к химической энергии топлива, поступившего в дви­гатель (за цикл или за час):

L L 3600N,

Л, =—^ =—— = ^L, (1.35)

'■ е_т, ^вц<2н в_чбн

или удельным индикаторным расходом топлива, кг/(кВтч),

&=n . d-зб)

т.е.

3600

Л =—р-, ⁽¹³⁷⁾

gi^QH

где В_ц - цикловая подача топлива; В_ч - часовой расход топлива; Qh - низшая теплота сгорания топлива.

Индикаторная работа газов расходуется на преодоление сил трения в подвижных сопряжениях - Ьгр; привод вспомогатель­ных агрегатов (масляного, водяного и топливного насосов, вен­тилятора, генератора и т.д.) - Lвсп ; на осуществление процессов газообмена - Lh^ и на полезную работу - Lе .

Эффективная работа газов за цикл, Дж,

Lе = Li - (Lтр + Lвсп + Lh.h). (1.38)

40

3

Удельная эффективная работа газов, Дж/см ,

• h

Среднее эффективное давление, Па,

Ре = ^7- • (140)

• h

Эффективная мощность (работа на коленчатом валу за 1 с), кВт,

Ne = кЬе 10 "³ = П ± zLe 10^-3. (1.41)

2. 60

Эффективный КПД

Le Le 3600Ne _л

Л_е =—^~ = = ^e. (1.42)

е_т.х в_цбн Б_чбн ^v '

Удельный эффективный расход топлива, кг/(кВтч),

ge = ^ (143)

н

Механический КПД, характеризующий степень совершенст­ва конструкции двигателя по уровню потерь мощности на трение, газообмен, привод вспомогательных агрегатов,

N N

Л_м = — = 1 - —, (1.44)

^1м N_t N⁽ >

_3

где N_м = к(Ь_тр + Ь_всп + Ь_нп )10 - мощность механических по­

терь.

Таким образом, эффективный КПД

3600Nл_м

Лe = „ ' ^м = Л/Лм. (1.45)

^Вч ^ун

Эффективный КПД характеризует степень совершенства рабочих процессов (через индикаторный КПД) и степень совер­шенства конструкции двигателя по уровню механических потерь (через механический КПД).

41

Индикаторный КПД двигателей с искровым зажиганием ^ = = 0,35-0,45; двигателей с воспламенением от сжатия 0,45-0,50; эффективный КПД на режимах максимальной мощности соот­ветственно 0,20-0,30 и 0,35-0,45.

Контрольные вопросы и задания

1. Представьте действительный цикл четырёхтактного ДВС в системе координат р-ф.

2. Объясните особенности процессов газообмена в четырёх­тактном ДВС и постройте диаграмму фаз газораспределения.

3. Какие процессы происходят в надпоршневой полости на такте сжатия и на такте сгорания-расширения в карбюраторном ДВС и в дизеле?

4. Объясните, как определяются в четырёхтактных двигате­лях:

• индикаторные показатели;

• механические потери и механический КПД;

• эффективные показатели.

5. Решите следующие задачи:

Задача 1. В четырёхтактном четырёхцилиндровом двигате­ле с искровым зажиганием S = D = 100 мм, частота вращения ко­ленчатого вала n = 5000 мин^-1, эффективная мощность N = 100 кВт, удельная работа механических потерь, включая и насосные, 1_м = 0,30 Дж/см ; индикаторный КПД - 0,4; низшая теплота сго­рания топлива Q_M = 44000 кДж/кг. Определить: среднюю ско­рость поршня, литраж двигателя; среднее индикаторное и сред­нее эффективное давления, механический и эффективный КПД; удельный индикаторный и удельный эффективный расход топли­ва, часовой расход топлива и цикловую подачу топлива.

Задача 2. Определить эффективную мощность, эффектив­ный и индикаторный КПД четырёхтактного четырёхцилиндрово­го дизеля, если диаметр цилиндра D и ход поршня S равны 80 мм, частота вращения коленчатого вала 5000 об/мин, удельная инди­каторная работа lj = 1 Дж/см , механический КПД = 0,85,

42