4.1.10. Действительшме циклы двигателей

Действительные циклы, происходящие в цилиндрах двигателей, значительно отличаются от рассмотренных теоретических. В реальном двигателе теплота не подводится извне мгновенно, а получается в результате сгорания топлива в цилиндре. При этом возникают дополнительные потери, не рассматривавшиеся выше. В действительном цикле состав и количество газа в течение цикла не остаются неизменными, так как рабочая смесь топлива и воздуха превращается в смесь отработавших газов. По окончании цикла отработавший газ не возвращается в первоначальное состояние, а принудительно удаляется из цилиндра. На его место поступает свежий заряд. На преодоление сопротивления потоков свежего заряда и отработавших газов затрачивается часть полезной работы. И наконец, в реальном двигателе стенки цилиндров теплопроводны, и в течение цикла некоторая часть теплоты отводится в окружающую среду.

Таким образом, в действительном цикле происходят процессы, вызывающие дополнительные по сравнению с теоретическим циклом потери теплоты. Следовательно, КПД действительного цикла ниже КПД теоретического. Очевидно, более совершенным будет такой действительный цикл, в котором указанные выше потери теплоты будут наименьшими.

Данные, характеризующие протекание отдельных процессов, их совокупность и совершенство действительного цикла двигателя, получают, как правило, экспериментально путем снятия индикаторной диаграммы, т. е. записи изменения давления в цилиндре в функции объема (в координатах р — ).

4.1.11. Тепловые процессы, происходящие в двигателях

Совершенность двигателей, их технико-эксплуатационные параметры зависят от характера протекания рабочего процесса. Ниже рассматриваются процессы, происходящие во время отдельных тактов поршневых двигателей.

Процесс впуска. Степень совершенности впуска определяется количеством свежего заряда, заполняющим цилиндр двигателя. Наилучшее заполнение цилиндра может происходить при следующих условиях: скорость движения поршня невелика, в цилиндре нет остаточных газов, сопротивления во впускном трубопроводе малы, подогрев поступающего заряда незначителен. Однако в реальных условиях создать такие условия невозможно. Необходимость очистки поступающего в двигатель воздуха требует установки воздушных фильтров, создающих сопротивление во впускном тракте воздуховода. Далее горючая смесь или воздух испытывают гидравлические сопротивления при движении по впускному трубопроводу к цилиндрам. Эти сопротивления снижают давление воздуха (по сравненико с внешней средой), что ухудшает заполняемость цилиндра.

Для улучшения процесса заполнения цилиндра воздухом в дизелях применяется наддув. При этом воздух предварительно сжимается в компрессоре и поступает во впускную систему под давлением выше атмосферного. По опытным данным, у четырехтактных двигателей, работающих без наддува, давление поступающей в цилиндр горючей смеси (воздуха) ра (0,8 + а с наддувом — ра (0,9 + где ро— атмосферное давление; — давление в компрессоре. В двухтактных двигателях с прямоточной продувкой ра (0,85 +

Количество заполняющей цилиндр смеси (воздуха) зависит от ее температуры. При работе двигателя на полной нагрузке температура теплопередающих поверхностей достигает 150 ⁰ С, и поступающий в цилиндр атмосферный воздух или горючая смесь подогревается на величину ДТ . Опытным путем установлено, что ДТ для карбюраторных двигателей равно 0—20 ⁰ С, для дизелей 20—40 ⁰ С. Чем выше температура поступающего заряда, тем ниже его плотность. Для увеличения наполнения цилиндра свежим зарядом в дизелях необходимо уменьшать его подогрев в период впуска. В тоже время в карбюраторных двигателях впускной трубопровод специально подогревают для повышения интенсивности испарения топлива в горючей смеси и эффективного протекания процесса сгорания.

Наполнение цилиндра свежим зарядом зависит от совершенства очистки цилиндра от отработавших газов. Полностью удалить отработавшие газы из цилиндра не удается и часть их остается в камере сгорания, перемешиваясь со свежим зарядом.

Влияние отработавших газов на наполнение цилиндра характеризуется коэффициентом остаточных газов

где М 2 — количество (в молях) остаточных газов; М1 — количество (в молях) поступившего свежего заряда смеси или воздуха.

Величина уост зависит от качества очистки цилиндра, определяемого типом двигателя. В четырехтактных карбюраторных двигателях уост = О Об + 0,16, в дизелях (без наддува) Уост = О 03 + О Об . В двухтактных двигателях степень очистки цилиндра зависит от применяемой системы продувки.

Совершенство процесса впуска определяется величиной коэффициента наполнения

где М — количество (в молях) заряда, которое могло бы поместиться в рабочем объеме цилиндра при давлении ро и температуре То окружающей среды.

Коэффициент наполнения для различных двигателей имеет следующие значения:

дизели без наддува — 0,76—0,88; дизели с наддувом — 0,85—1,05; карбюраторные двигатели 0,65—0,75. Таким образом, количество свежего заряда, поступающего в цилиндр, зависит от его температуры и давления у входа во впускную систему двигателя, коэффициента остаточных газов уОСТ степени подогрева заряда и температуры остаточных газов. При конструировании двигателей стремятся уменьшить отрицательное влияние этих факторов тщательно обрабатывают внутреннюю поверхность впускного трубопровода, по возможности упрощают его конфигурацию, создают регулируемый обогрев впускного трубопровода.

Процесс сжатия поступившего в цилиндр заряда необходим для создания условий, обеспечивающих его воспламенение и сгорание, т. е. для эффективного преобразования теплоты в полезную работу.

В карбюраторных двигателях при сжатии кроме повышения температуры и давления заряда происходит дополнительное перемешивание заряда, что повышает однородность его состава по всему объему цилиндра. Это улучшает условия воспламенения и сгорания заряда, использование кислорода воздуха. Особенно важно сохранить вихревое движение заряда до конца такта сжатия. С этой целью применяют камеры сгорания различных форм, в которых рабочая смесь вытесняется из промежутка между поршнем и головкой цилиндра в направлении к источнику зажигания. В дизелях также стремятся сохранить вихревое движение сжатого воздуха, что облегчает распределение впрыскиваемого топлива в воздушном заряде и улучшает использование кислорода воздуха при сгорании смеси.

Степень сжатия заряда выбирается исходя из конструктивных особенностей двигателя, условий его эксплуатации. Двигатели, работающие при низких температурах окружающей среды, двигатели с разделенными камерами сгорания и двигатели с малыми размерами цилиндров должны иметь более высокие степени сжатия. Ориентировочные пределы сжатия в двигателях различных типов следующие: карбюраторные и газовые — 6—11; дизели без наддува — 16—22.

Предельная степень сжатия карбюраторных двигателей ограничивается октановым числом бензина. Ограничение степени сжатия в дизелях связано с резким возрастанием нагрузок на кривошипно-шатунный механизм в конце такта сжатия, а также с увеличением затрачиваемой мощности на преодоление трения в двигателе.

Сгорание рабочей смеси представляет собой сложный процесс, состоящий из ряда последовательных этапов, во время которых химическая энергия топлива превращается в тепловую.

В двигателях с искровым зажиганием процесс сгорания смеси условно делится на три периода. 1-й период — от момента пробивания высоковольтным разрядом искрового промежутка, и воспламенения смеси до видимого повышения давления (фаза медленного горения). Продолжительность этой фазы зависит от состава рабочей смеси, степени сжатия, энергии искрового разряда, нагрузки и частоты вращения коленчатого вала двигателя и составляет 4—6 ⁰ поворота коленчатого вала. В период фазы медленного горения сгорает 6—8 ⁰ 0 объема смеси. Далее наступает 2-й период видимого горения (фаза быстрого горения) с резким нарастанием давления в цилиндре. За этот период сгорает до 90 ⁰ 0 объема смеси. Продолжительность фазы составляет — 20—30 ⁰ поворота коленчатого вала и зависит от состава смеси, степени сжатия, момента зажигания, формы камеры сгорания, скорости вихревого движения смеси и нагрузки двигателя. Этот период характеризуется скоростью нарастания давления на градус поворота коленчатого вала, среднее значение которой составляет 0,12—0,26 МПа на градус поворота. И наконец, 3-й период — догорание смеси, продолжительность которого невелика.

Качество и продолжительность сгорания рабочей смеси зависят от угла опережения зажигания, состава рабочей смеси, скорости ее вихревого движения, частоты вращения коленчатого вала, нагрузки двигателя, степени сжатия, формы камеры сгорания, места установки свечи.

Для получения наибольшей мощности двигателя необходимо, чтобы рабочая смесь сгорала в минимальном объеме, поэтому электрическая искра должна подаваться до прихода поршня в в.м.т., с тем чтобы основная часть смеси воспламенилась к приходу поршня в в.м.т. Величина наивыгоднейшего угла опережения зажигания определяется опытным путем и зависит от качества смеси, степени сжатия и частоты вращения коленчатого вала.

Наилучшее сгорание рабочей смеси происходит при коэффициенте избытка воздуха а = 0,8+ 0,9 . При а , большем этих значений, продолжительность горения возрастает за счет увеличения фазы медленного горения; при уменьшении а процесс горения затруднен из-за недостатка кислорода.

При вихревом движении рабочей смеси в цилиндре процесс горения в 8—12 раз выше, чем при отсутствии такого движения.

Увеличение частоты вращения коленчатого вала приводит к сокращению продолжительности процесса сгорания при одновременном увеличении доли времени, приходящегося на фазы медленного сгорания и догорания. Для обеспечения наилучших условий сгорания смеси при увеличении частоты вращения используется центробежный регулятор, с помощью которого автоматически изменяется (увеличивается) время опережения подачи электрической искры.

С увеличением степени сжатия е готовность рабочей смеси к воспламенению ускоряется за счет повышения давления и температуры заряда. При этом продолжительность процесса горения сокращается и показатели работы двигателя улучшаются.

Наиболее эффективна такая форма камеры сгорания, при которой расстояние от свечи зажигания до наиболее удаленной точки камеры будет минимальным.

Процесс сгорания 6 Дизелях. В отличие от карбюраторных двигателей в дизелях распределение впрыснутого топлива по объему камеры сгорания весьма неравномерно, что требует для более полного сгорания обедненного состава смеси. Весь процесс сгорания смеси можно условно разделить на четыре периода: 1-й период — задержка самовоспламенения с момента впрыска топлива до момента его воспламенения. В течение периода топливо испаряется и нагревается до температуры самовоспламенения. Продолжительность этого периода (0,001 +0,003 с) зависит от физико-механических свойств топлива, температуры и давления сжатого воздуха, качества распыления и характера движения смеси в цилиндре. 2-й период — быстрое сгорание смеси с интенсивным тепловыделением и резким нарастанием давления. Продолжительность периода зависит от изменения характера подачи топлива в этот период по сравнению с первым, от качества распыления топлива и вихревого движения рабочей смеси. При этом средняя величина нарастания давления, обеспечивающая нормальную работу дизеля, не должна превышать 0,3—0,5 МПа на 1 ⁰ поворота коленчатого вала. 3-й период — медленное сгорание смеси — характеризуется незначительным повышением давления при интенсивном выделении теплоты. Продолжительность периода зависит от интенсивности перемешивания горящих частиц топлива с воздухом. 4-й период — догорание смеси, продолжительность которого несколько выше, чем в карбюраторных двигателях, ввиду того, что впрыск топлива производится при постоянных значениях объема и давления.

Наибольшая эффективность процесса достигается сокращением его длительности и плавным повышением давления. На продолжительность и качество процесса сгорания в дизеле влияют физико-химические свойства топлива, температура и давление воздуха в момент впрыска топлива, характер и интенсивность вихревого движения воздуха, конструкция камеры сгорания, время опережения впрыска топлива до прихода поршня в в.м.т., нагрузка и частота вращения коленчатого вала дизеля.

Выпуск отработавших газов. Он происходит как бы в два этапа: вначале газы вытекают из цилиндра со скоростью 600—700 м/с через предварительно открытые клапан или выпускное отверстие, а затем вытесняются поршнем, движущимся к в.м.т., или избыточным давлением продувки. В конце выпуска после достижения поршнем в.м.т. газы продолжают выходить из цилиндра по инерции, что способствует лучшей очистке цилиндра и увеличению коэффициента наполнения. Величина давления выпуска зависит от частоты вращения коленчатого вала двигателя, нагрузки, фаз газораспределения и др. Температура отработавших газов зависит от частоты вращения вала двигателя, состава рабочей смеси, скорости распространения фронта пламени, момента зажигания или впрыска и др.