25 Тема. Рабочий цикл, индикаторные диаграммы.

Четырехтактный двигатель. Цилиндр двигателя закрыт крышкой, в которой располагаются клапаны для впуска свежего заряда и клапаны выпуска газов. Клапаны удерживаются в закрытом состоянии пружинами и давлением в цилиндре при процессах сжатия, сгорания и расширения. Открытие клапанов в нужные моменты производится газораспределительным механизмом.

Газораспределительный механизм состоит из рычагов, штанг и толкателей, на которые воздействуют кулачки распределительного вала.

Распределительный вал приводится в движение от коленчатого вала двигателя и имеет вдвое меньшую частоту вращения, чем коленчатый вал, вследствие чего каждый клапан открывается один раз за два оборота коленчатого вала. Взаимосвязь газораспределительного механизма с коленчатым валом находится в определенной механической зависимости. Эта зависимость устанавливается заводом—изготовителем двигателя и изображается диаграммой фаз (углов) газораспределения.

Диаграмма фаз газораспределения — паспортная характеристика определенного типа двигателя. Она на графике указывает фазы (углы) положений колена коленчатого вала, при которых происходят изменения термодинамического процесса в наиболее экономичном режиме в цилиндре двигателя. Диаграмма фаз газораспределения является руководящим документом проверки и регулировки поршневого двигателя внутреннего сгорания как при сборке в процессе изготовления, так и при ремонте двигателя.

Изменение давления рабочего тела в цилиндре двигателя за рабочий цикл, который фиксируется специальным прибором — индикатором — на диаграммной бумаге в координатах давления Р и рабочего объема КЛ, называется индикаторной диаграммой.

Рассмотрим термодинамический процесс рабочего цикла в четырехтактном двигателе (рис. 72).

Фаза ф;_2 — это угол, описываемый коленом коленчатого вала, при котором клапан впуска открыт. На индикаторной диаграмме этот процесс изображен линией 1—2 — процесс всасывания свежего заряда.

Фаза ф2-3 — это угол, описываемый коленом коленчатого вала, при котором оба клапана закрыты.

Рис. 72. Схема работы четырехтактного двигателя и индикаторные диаграммы: Рис. 73.

1- начало открытия впускного клапана; 2 - закрытие впускного клапана; 3 - начало подачи топлива; 4 - начало открытия выпускного клапана; 5 - закрытие выпускного клапана; а—г - такты рабочего цикла; Р0 - атмосферное давление; I - точка максимального давления газов в цилиндре.

Рис. 73. Индикаторная диаграмма четырехтактного дизеля с газотурбинным наддувом:

На индиикаторной диаграмме наблюдается процесс сжатия свежего заряда, при этом температура его достигает 500... 700 °С. Фаза у3_4 — это угол, описываемый коленом коленчатого вала при закрытых клапанах впуска и выпуска. Точка 3 находится вблизи ВМТ. С этого момента в цилиндр двигателя подается топливо в мелкораспыленном виде, которое активно (при 500...700°С) испаряется, воспламеняется и сгорает. Этот процесс длится тысячные доли секунды. В цилиндре резко возрастают температура (1700°С) и давление (образовавшихся газов, вследствие чего колено коленчатого вала успевает пройти ВМТ, и сила, равная произведению давления газов на площадь поршня, раскручивает коленчатый вал. Этот процесс расширения газов называют рабочим ходом поршня, и он заканчивается при положении колена коленчатого вала в точке 4. Фаза 4-5 — это угол, описываемый коленом коленчатого вала, при котором открыт клапан выпуска. На индикаторной диаграмме этот процесс — выпуск отработавших газов — изображен линией 4—5. В позиции колена коленчатого вала 5 клапан выпуска закрывается, а клапан впуска открывается. Этим завершается рабочий цикл и начинается следующий. Весь рабочий цикл совершился за четыре такта, поэтому такой двигатель называют четырехтактным.

Создание комбинированных двигателей явилось новым этапом в развитии ДВС. Цель создания комбинированных двигателей — получение более экономичного и мощного двигателя при малых его габаритах. Потребность в таких двигателях особенно велика на железнодорожном транспорте. Увеличение мощности двигателя при тех же габаритах осуществляется за счет компрессорного наддува. В комбинированном двигателе в качестве компрессорных машин используются почти все виды компрессоров, а в качестве расширительной машины применяется только газовая турбина. Благодаря наддуву в цилиндры подается на каждый рабочий цикл больше воздуха, чем при всасывании, что дает возможность сжигать большее количество топлива. Это позволяет получать при одинаковых с обычным дизелем размерах цилиндров и той же частоте вращения вала большую мощность.

При сжатии в нагнетателе воздух нагревается, его удельный объем возрастает, что значительно уменьшает воздушный заряд в цилиндре; поэтому в дизелях со средним и высоким наддувом обязательно применяют охлаждение наддувочного воздуха перед поступлением его в цилиндры.

Охлаждение воздуха на каждые 10 °С дает увеличение мощности дизеля на 3...4% и снижение удельного расхода топлива примерно на 1,5...2,0 г/(кВт-ч). Экономичность комбинированного двигателя с наддувом повышается также вследствие увеличения механического КПД и дополнительного использования теплоты отработавших газов.

Индикаторная диаграмма комбинированного четырехтактного дизеля с газотурбинным наддувом представлена на (рис. 73).

Р0 - атмосферное давление; Р - давление в период наполнения; Рг - давление в цилиндре в период выпуска; Рк - давление воздуха в наддувочном коллекторе; Кс - объем камеры сжатия; КЛ - рабочий объем; К- полный объем цилиндра; 1 — 5 - процесс продувки: 1 - открытие клапанов впуска; 2 - закрытие клапанов впуска; 3 - впрыск топлива в цилиндр; 4 - открытие клапанов выпуска; 5 - закрытие клапанов выпуска; I - точка максимального давления газов в цилиндре.

Турбокомпрессор засасывает воздух при атмосферном давлении Р0 и сжимает его до давления Рк. Сжатый в компрессоре воздух проходит через охладитель и впускной коллектор. На пути от турбокомпрессора до цилиндра давление воздуха снижается от Рк до Ра, поэтому линия давления впуска расположена ниже линии Рк и выше линии Р0.После заполнения цилиндра воздухом начинается процесс сжатия, который на индикаторной диаграмме изображен кривой 2— 3. В конце сжатия в цилиндр впрыскивается через форсунку топливо, которое воспламеняется в точке 3. Процесс сгорания показан линией 3—1, а расширение газов происходит по кривой г— 4. В точке 4 открываются выпускные клапаны, и отработавшие газы выталкиваются в газовую турбину при давлении Рт. Газы проходят через направляющий аппарат на лопатки турбины, а затем выбрасываются в атмосферу. На диаграмме линия выпуска газа из цилиндра расположена выше атмосферной и ниже линии наполнения. В четырехтактных двигателях энергии отработавших газов вполне достаточно, чтобы нагнетатель сжимал воздух до давления Рк, более высокого, чем Рт. В результате наддува площадь индикаторной диаграммы, а следовательно, и мощность двигателя значительно возрастают.

Двухтактный двигатель. В отличие от четырехтактного в двухтактном двигателе очистка рабочего цилиндра от продуктов сгорания и наполнение его свежим зарядом происходят только при движении поршня вблизи НМТ. При этом перезаряд цилиндра осуществляется воздухом, предварительно сжатым специальным компрессором, на привод которого тратится значительная часть энергии дизеля. В процессе газообмена в двухтактных двигателях некоторая часть воздуха неизбежно удаляется из цилиндра вместе с выпускными газами. Качество процесса газообмена (продувки) цилиндра в двухтактном двигателе значительно влияет на мощность и экономичность дизеля. Схемы газообмена (продувки) двухтактных дизелей представлены на (рис. 74).

Рис.74. Схемы газообмена (продувки) двухтактных дизелей:

а - поперечно-щелевая; 6 - щелевая с частичным наддувом; в - прямоточная клапанно-щелевая; г - прямоточная щелевая при встречно движущихся поршнях; 1 - поршень; 2 - клапан; 3 - форсунка

Работа двухтактного двигателя с прямоточной клапанно-щелевой схемой газообмена (рис. 75), конструкция которого имеет следующие особенности:

впускные окна расположены в нижней части цилиндра, и их высота составляет около 20 % хода поршня;

выпускные клапаны размещаются в крышке цилиндра и открываются приводом от распределительного вала один раз за один оборот коленчатого вала;

продувочный компрессор нагнетает воздух в ресивер. Воздух из ресивера очищает цилиндр от продуктов сгорания и наполняет его свежим зарядом.

Рабочий цикл. Совершается согласно диаграмме фаз газораспределения (рис.76). В двухтактных двигателях у = 10... 38 %. Сравнение рабочих циклов четырех- и двухтактных двигателей показывает, что при одинаковых размерах цилиндров и частотах вращения коленчатого вала мощность двухтактного двигателя значительно больше. Учитывая увеличение числа рабочих циклов в два раза, следовало бы ожидать и двукратного увеличения мощности. В действительности мощность двухтактного двигателя увеличивается приблизительно в 1,5... 1,7 раза вследствие потери части рабочего объема, ухудшения очистки и наполнения, а также необходимости затраты мощности на приведение в действие продувочного насоса. К преимуществам двухтактных двигателей следует отнести большую равномерность крутящего момента, так как полный рабочий цикл осуществляется при каждом обороте коленчатого вала (а не за два, как в четырехтактных). Этим объясняется более равномерный износ шеек коленчатого вала двухтактного дизеля в эксплуатации.

Рис. 75. Схема работы двухтактного двигателя с внутренним смесеобразованием и прямоточной клапанно-щелевой схемой газообмена и индикаторной диаграммой:

а - подготовка рабочего хода; б - рабочий ход; первый такт: п—к - зарядка; к—с - сжатие; с - подача топлива и его воспламенение; второй такт: с—г - полное сгорание топлива; г—т - расширение; т—п - выпуск газов; п—ь - продувка цилиндра; 1 - впускной патрубок; 2 - продувочный насос; 3 - поршень; 4 - выпускные клапаны; 5 - форсунка; 6 - выпускной патрубок; 7 - воздушный ресивер; 8 - впускное окно; Ун - рабочий объем; VI - действительный рабочий объем; Уп - потерянный объем; Р0 - атмосферное давление; г - точка максимального давления газов в цилиндре.