8. Термодинамические циклы поршневых двс

Термодинамическим циклом теплового двигателя называется круговой термодинамический процесс, в котором теплота превращается в работу.

Идеальные (обратимые) термодинамические циклы являются моделями процессов, происходящих в реальных тепловых машинах.  Другими словами, обратимый термодинамический цикл является предельным циклом, к которому следует стремиться при осуществлении рабочего цикла в реальных двигателях. Изучение идеальных термодинамических циклов позволяет производить сравнение различных двигателей и определять основные факторы, влияющие на их экономичность.

При исследовании идеальных термодинамических циклов тепловых двигателей к числу определяемых величин относятся: количество подведенной и отведенной теплоты, основные параметры состояния в характерных точках цикла, термический КПД цикла.

Основным показателем термодинамической эффективности обратимого цикла служит термический КПД цикла:

ξt = L_ц/Q₁ . . . . . . . . . . (1)

где L_ц – работа цикла; Q₁ – количество подведенной теплоты.

В круговом термодинамическом процессе (цикле) количество теплоты, преобразованной в полезную работу цикла, равно разности теплоты, полученной от горячего источника и теплоты, отданной холодному источнику, т.е. Q_Ц = Q₁ – Q₂, следовательно

L_ц = Q₁ – Q₂. (2)

После подстановки (2) в уравнение (1), получаем

ξt = (Q₁ – Q₂)/Q₁ = 1 – Q₂/Q₁ (3)

Для каждого конкретного теплового двигателя выражение, определяющее термический КПД соответствующего цикла, может быть записано в виде функции основных характеристик данного цикла.

В зависимости от реализуемого термодинамического цикла, все современные  поршневые ДВС подразделяются на три основные группы:

1.    Двигатели, в которых используется цикл с подводом тепла при постоянном объеме v=const (цикл Отто).

2.    Двигатели, в которых используется цикл с подводом тепла при постоянном давлении p=const (цикл Дизеля).

3.    Двигатели, в которых используется смешанный цикл с подводом тепла как при v=const , так и при p=const  (цикл Тринклера).

     

Рис. 4. Термодинамические циклы поршневых ДВС

а — цикл Отто; б — цикл Дизеля; в — цикл Тринклера,

где Vс — объем камеры сжатия; Vh — рабочий объем; Q₁— подведенная теплота; Q₂— отведенная теплота; L — полезная работа цикла;

Цикл Отто (рис.4, а). По этому циклу работают современные бензиновые и газовые двигатели. Цикл состоит из 4-х термодинамических процессов. Идеальный газ с начальными параметрами p₁, v₁,T₁ сжимается по адиабате 1-2. В изохорном процессе 2-3 рабочему телу от внешнего источника теплоты передается количество теплоты Q₁. В адиабатном процессе 3-4 рабочее тело расширяется до первоначального объема V₄=V₁. В изохорном процессе 4-1 рабочее тело возвращается в исходное состояние с отводом от него теплоты Q₂ в теплоприемник.

 Характеристиками цикла являются:

ε = V₁/ V₂ - степень сжатия;

λ = p₃/p₂ - степень повышения давления;

Термодинамический анализ процессов, составляющих данный цикл, позволяет получить выражение, определяющее термический КПД цикла:

          Термический КПД цикла Отто:  ξ_t = 1 – 1/ε^k-1 ,………………….(4)

откуда видно, что с повышением степени сжатия ε КПД цикла возрастает.

      Однако повышение степени сжатия в двигателях данного типа ограничивается возможностью преждевременного самовоспламенения горючей смеси. В связи с чем, рассматриваемые типы двигателей имеют относительно низкие КПД. В зависимости от рода топлива степень сжатия в таких двигателях изменяется от 4 до 9.

Цикл Дизеля. Двигатели, в основу работы которых положен цикл с подводом теплоты при постоянном давлении (с постепенным сгоранием), имеют ряд преимуществ по сравнению с двигателями, работающими по циклу с подводом теплоты при постоянном объеме. Они связаны с тем, что в двигателях с постепенным сгоранием осуществляется раздельное сжатие топлива и воздуха. Поэтому здесь можно достигать значительно более высоких степеней сжатия. Воздух при высоких давлениях имеет настолько высокую температуру, что подаваемое в цилиндр топливо самовоспламеняется без всяких специальных запальных приспособлений. Кроме того, раздельное сжатие воздуха и топлива позволяет использовать любое жидкое дешевое топливо - нефть, мазут и проч.

      В двигателях с постепенным сгоранием топлива воздух сжимается в цилиндре, а жидкое топливо распыляется сжатым воздухом от компрессора. Раздельное сжатие позволяет применять высокие степени сжатия (до ε =20 ), исключая преждевременное самовоспламенение топлива. Постоянство давления при горении топлива обеспечивается соответствующей регулировкой топливной форсунки. Конструкция такого двигателя впервые была разработана немецким инженером Дизелем.

Цикл Дизеля (рис.4, б) осуществляется следующим образом. Газообразное рабочее тело с начальными параметрами p₁, v₁, T₁ сжимается по адиабате 1-2. В изобарном процессе 2-3 телу сообщается некоторое количество теплоты  Q₁. В адиабатном процессе 3-4 происходит расширение рабочего тела до первоначального объема. В изохорном процессе 4-1 рабочее тело возвращается в первоначальное состояние с отводом в теплоприемник теплоты Q₂. Характеристиками  цикла являются :

степень сжатия -  ε = V₁/V₂;

степень предварительного расширения - ρ = V₃/V₂.

Термический КПД цикла Дизеля: ξ_t = 1 – (ρk – 1)/ kε^k-1(ρ – 1)……………(5)

Отсюда следует, что с увеличением ε и k КПД увеличивается, а с увеличением ρ - уменьшается.

Сравнения КПД циклов ДВС с подводом теплоты при p = const  и v = const при одинаковых давлениях и температурах, но при различных ε показывают, что ξ_tp > ξ_tv. При этом степень сжатия ε  в цикле с подводом теплоты при  p = const больше, чем в цикле с подводом теплоты при  v = const  .

Величина  ε  в цикле с подводом теплоты при постоянном давлении выбирается таким образом, чтобы обеспечивались условия самовоспламенения топлива. Таким условиям в компрессорных дизелях соответствует ε = 14 -18.

Цикл Тринклера.  Одним из недостатков двигателей, в которых применяется цикл с подводом теплоты при постоянном давлении, является необходимость использования компрессора, применяемого для подачи топлива. Наличие компрессора усложняет конструкцию и уменьшает экономичность двигателя, так как на его работу затрачивается 6-10 % от общей мощности двигателя. С целью упрощения конструкции и увеличения экономичности двигателя русский инженер Г.В. Тринклер разработал проект бескомпрессорного двигателя высокого сжатия. Этот двигатель лишен недостатков рассмотренных выше двух типов двигателей. Основное его отличие в том, что жидкое топливо с помощью топливного насоса подается через форсунку в головку цилиндра, где оно воспламеняется и горит вначале при постоянном объеме, а потом при постоянном давлении.

На рис. 4-в представлен идеальный цикл двигателя со смешанным подводом теплоты в pv -координатах. В адиабатном процессе 1-2 рабочее тело сжимается до параметров в точке 2. В изохорном процессе 2-3 к нему подводится первая доля теплоты Q′₁ , а в изобарном процессе 3-4 - вторая - Q″₁ два штриха. В процессе 4-5 происходит адиабатное расширение рабочего тела и по изохоре 5-1 оно возвращается в исходное состояние с отводом теплоты  Q₂ в теплоприемник.

Характеристиками  цикла являются :

степень сжатия -   ε = V₁/V₂;

степень  повышения давления - λ = p₃/p₂; 

степень предварительного расширения - ρ = V₄/V₃.

Термический КПД цикла Тринклера :

ξ_t = 1 – (λ•ρ^k – 1)/ε^k-1•(λ-1 + kλ(ρ-1))………..(6)

Отсюда следует, что с увеличением k, ε и λ КПД цикла возрастает, а с увеличением ρ уменьшается.

            Цикл со смешанным подводом теплоты обобщает циклы с изобарным и изохорным подводом теплоты. Если положить что λ = 1 (что означает отсутствие подвода теплоты при постоянном объеме),  то формула (6) приводится к формуле (5), т.е. к формуле для КПД цикла ДВС с изобарным подводом теплоты. Если принять ρ=1 (что означает отсутствие подвода теплоты при постоянном давлении), то формула (6) приводится к формуле (4) для КПД цикла с изохорным подводом теплоты.

Цикл со смешанным подводом теплоты лежит в основе работы большинства современных дизелей.

9. Процессы рабочего цикла четырехтактного ДВС

1. Процесс впуска (процесс наполнения) служит для зарядки цилиндра свежей смесью, при сгорании которой выделяется тепло, необходимое для получения полезной работы. Чем больше смеси поступит в цилиндр двигателя, тем больше тепла выделится при сгорании, тем большую работу можно получить и тем большую мощность сможет развить двигатель.

В целях увеличения заряда цилиндров смесью у многих двигателей смесь, поступающая в цилиндр, предварительно сжимается в нагнетателе – обычно в центробежном компрессоре. Такая принудительная подача в двигатель предварительно сжатой свежей смеси называется наддувом. Кроме повышения мощности в земных условиях, наддув также используется как способ поддержания мощности с поднятием на высоту.

В карбюраторных двигателях образование ТВС начинается в карбюраторе, продолжается во всасывающих трубопроводах и заканчивается в цилиндре. В двигателях с непосредственным впрыском смесеобразование происходит непосредственно в цилиндрах. В этом случае в цилиндр через впускные клапаны поступает чистый воздух, а подача топлива в цилиндры через форсунки начинается через 30-50⁰ поворота коленчатого вала от ВМТ в такте впуска.

Для увеличения заряда свежей смеси (или воздуха) оказывается целесообразным произвести смещение фаз газораспределения. Впускной клапан начинает открываться с опережением, т.е. когда поршень в такте выпуска не дойдет до ВМТ на 15-50⁰ по углу поворота коленчатого вала, а закрытие впускного клапана происходит с запаздыванием на 40-65⁰ по углу поворота коленчатого вала после НМТ, т.е. уже в такте сжатия. Таким образом, общая продолжительность процесса впуска (фаза открытия впускного клапана) составляет 250-280⁰ по углу поворота коленчатого вала.

2. Процесс сжатия. Процесс сжатия происходит при закрытых впускном и выпускном клапанах и служит для увеличения температурного перепада цикла и степени расширения продуктов сгорания топлива. Вследствие сжатия смеси создаются благоприятные условия для ее сгорания. Сжатая смесь занимает меньший объем, ввиду этого меньше времени затрачивается для распространения пламени по всему объему смеси. Скорость сгорания сжатой смеси увеличивается, а время сгорания уменьшается. Это создает благоприятные условия для воспламенения и сгорания рабочей смеси и обеспечивает эффективное преобразование теплоты в механическую работу.

Повышение степени сжатия повышает КПД и работу цикла. Но для двигателей легкого топлива (бензиновых) максимальное значение степени сжатия ограничивается опасностью перехода процесса сгорания во взрывную форму, т.е. появлением детонации. Поэтому в авиационных двигателях легкого топлива степень сжатия обычно не превышает 7,0 - 7,5.

В карбюраторных двигателях температура газов в конце сжатия находится в пределах 500–700 К, в дизельных двигателях 750–950 К. В карбюраторных двигателях температура газов в конце сжатия во избежание детонационного сгорания не должна превышать температуру самовоспламенения топлива. В дизельных двигателях для улучшения процесса сгорания температура газов в конце сжатия должна на 300–400 °С превышать температуру самовоспламенения впрыскиваемого топлива.

3. Процесс сгорания. Горение топливовоздушной смеси (ТВС) – это химическая реакция соединения элементов, входящих в состав топлива (углерода и водорода) с кислородом воздуха. При сгорании химическая энергия топлива переходит в тепловую.

Для полного сгорания ТВС необходимо иметь на каждую весовую единицу топлива, находящегося в данной смеси, определенное количество воздуха. Количество воздуха, которое необходимо для полного сгорания 1 кг топлива, называется теоретически необходимым количеством воздуха и обозначается G_в0. Теоретически необходимое количество воздуха для данного топлива можно подсчитать по его элементарному составу. Для авиационных бензинов и керосинов G_в0 = 14,5 – 15,2 кг возд./кг топл.

Количество воздуха, действительно поступающего в цилиндр для сжигания 1 кг топлива G_в, может быть больше или меньше G_в0. Отношение действительного количества воздуха к теоретически необходимому называется коэффициентом избытка воздуха (α), т.е. α = G_в/G_в0. Коэффициент избытка воздуха характеризует состав топливовоздушной смеси. Если α=1,то такая смесь называется смесью теоретического состава. Если α<1, смесь называется богатой (избыток топлива). Если α>1, смесь называется бедной (недостаток топлива).

В двигателях легкого топлива процесс сгорания начинается с момента прохождения между электродами запальной свечи искры, воспламеняющей смесь. Продолжительность сгорания смеси определяется скоростью распространения пламени.

Скорость распространения пламени изменяется в значительных пределах (от 25 до 40 м/сек) и зависит от конструкции двигателя (формы камеры сгорания, степени сжатия, расположения свечи) и его эксплуатационных особенностей (свойств топлива, состава смеси, числа оборотов, нагрузки). На продолжительность сгорания оказывают влияние и такие факторы, как температура смеси, наличие в цилиндре остаточных газов и вихревых движений и пр.

Сильное влияние на скорость сгорания оказывает состав смеси. Установлено, что при α = 0,85-0,90 скорость сгорания наибольшая. При очень богатых или очень бедных смесях работа двигателя становится невозможной из-за нарушения устойчивого горения. Коэффициенты избытка воздуха, при которых прекращается распространение пламени по объему камеры сгорания, называются пределами воспламеняемости. Для бензиновоздушных смесей пределы воспламеняемости составляют: α_min=0,3-0,4, α_max=1,3-1,5.

Скорость сгорания может быть определена по индикаторной диаграмме как продолжительность всего процесса сгорания от момента зажигания до момента образования конечных продуктов, т. е. практически до момента, соответствующего максимальному давлению сгорания. Так как весь процесс сгорания по углу поворота коленчатого вала очень короток, то для обеспечения высокой полноты сгорания необходимо обеспечить возможно более высокую скорость сгорания.

Время, отводимое для сгорания в цилиндрах двигателя, определяется всего несколькими тысячными долями секунды. При этом максимальная мощность двигателя достигается в том случае, если воспламенение смеси происходит в конце такта сжатия, несколько раньше того момента, когда поршень придет в ВМТ.

Углом опережения зажигания называется угол поворота коленчатого вала от момента зажигания до ВМТ, измеряемый в градусах.

Если угол опережения зажигания выбран правильно, к моменту, когда поршень придет в ВМТ, процесс сгорания смеси будет развиваться благоприятно. При этом сгорание смеси заканчивается на 12–18° после ВМТ, а мощность, развиваемая двигателем, достигает максимального значения. Наивыгоднейший момент зажигания соответствует максимальной мощности для каждого режима работы двигателя. Подбор наивыгоднейшего момента зажигания производится опытным путем.

При определенных условиях нормальный процесс сгорания в карбюраторных двигателях может быть нарушен явлениями детонации. Детонационное сгорание характеризуется высокими скоростями распространения пламени и значительным повышением температуры и давления газов. Если при нормальном сгорании скорость распространения пламени составляет 25–40 м/сек, то при детонации она достигает 2000 м/сек, что соответствует скорости сгорания взрывчатых веществ. Давление газов при детонационном сгорании повышается до 15–20 МПа, что значительно превышает давление, соответствующее нормальному сгоранию (2.5–5.0 МПа).

Детонационное сгорание возникает при несоответствии между степенью сжатия двигателя и детонационной стойкостью применяемого топлива. Кроме свойств топлива, на возникновение детонации оказывают влияние конструктивные особенности двигателя – размер цилиндра, форма камеры сгорания, расположение свечи и др., а также ряд эксплуатационных факторов – состав смеси, число оборотов, положение дросселя, угол опережения зажигания и др.

Детонация может возникнуть при чрезмерном увеличении степени сжатия, повышении температуры поступающего в цилиндр воздуха, давления наддува, температуры горячих деталей, с которыми соприкасается смесь и т.д.

Детонационная стойкость топлива оценивается его октановым числом: чем больше октановое число топлива, тем выше его детонационная стойкость. Авиационные бензины в чистом виде имеют октановое число 60-80. Применение таких топлив на двигателях большой мощности обязательно вызовет детонацию. Для повышения детонационной стойкости бензина к нему добавляют специальные присадки – антидетонаторы (тетраэтиловый свинец в смеси с соединениями хлора и брома) в количествах, не превышающих 3-4 см³ на 1 кг топлива.

Состав смеси, на котором работает двигатель, сильно влияет на его склонности к детонации. Богатые смеси (α = 0,6 – 0,7) обычно менее склонны к детонации, чем более бедные смеси (α = 0,85 – 0,95).

С увеличением числа оборотов и по мере прикрытия дросселя (уменьшения нагрузки) склонность к детонации понижается, так как при этом увеличивается количество остаточных газов. Наибольшая склонность к детонации наблюдается при полной нагрузке.

Переход к более раннему (по сравнению с наивыгоднейшим) моменту зажигания вызывает повышение температуры и давления в цилиндре и способствует возникновению детонации.

Значительно ускоряет возникновение детонации отложение нагара на стенках камеры сгорания, клапанах и поршне, так как температурный режим двигателя при этом возрастает.

Характерными признаками детонации являются: хлопья черного дыма из выхлопных патрубков; металлический звон в цилиндрах, вызываемый действием ударных волн; повышение температуры головок цилиндров, масла и охлаждающей жидкости; тряска и неустойчивая работа двигателя. Работа двигателя с детонацией недопустима, так как может вызвать повреждение его деталей, приводит к падению мощности двигателя и заметному снижению его экономичности.

Детонация во время эксплуатации двигателей в полете может быть устранена облегчением режима работы двигателя (установкой лопастей винта на малый шаг), прикрытием дроссельной заслонки карбюратора, обогащением смеси, уменьшением угла опережения зажигания.

В двигателях тяжелого топлива (дизелях) топливо через насос и распыливающую форсунку начинает впрыскиваться в цилиндр в конце такта сжатия. Благодаря высокой температуре сжатого воздуха топливо самовоспламеняется и сгорает в цилиндре. Самовоспламенение топлива обеспечивается применением высоких степенях сжатия (ε=13-18). Опасность детонации, возможной при столь высоких степенях сжатия, устраняется тем, что в процессе наполнения цилиндр заполняется не свежей смесью, а чистым воздухом, следовательно, в такте сжатия топливо в цилиндре отсутствует.

Сгорание топлива в двигателях с воспламенением от сжатия происходит вначале (вблизи ВМТ) с высокой скоростью, затем замедляется и часть топлива сгорает в процессе расширения. При рассмотрении идеальных циклов дизельных двигателей считается, что одна часть теплоты подводится при постоянном объеме, а другая часть – при постоянном давлении. В современных дизелях сгорание при p=const не реализуется, поэтому идеальный цикл с изобарным подводом теплоты используется лишь при теоретическом анализе.

Впрыск топлива производится с опережением, равным углу φ, который составляет 10–20° до прихода поршня в ВМТ. Весь период сгорания принято разделять на три фазы. Первая фаза называется периодом образования зон сгорания, или периодом задержки воспламенения. В этот период температура топлива, впрыскиваемого под давлением в среду сжатого (3.5–4.5 Мпа) и нагретого воздуха (600–700 °С), повышается и достигает температуры самовоспламенения (200–300 °С). Продолжительность первой фазы сгорания составляет от 0.002 до 0.006 с или от 10 до 30° поворота коленчатого вала и зависит главным образом от физико-химических свойств топлива (и в значительной мере от его цетанового числа), степени сжатия двигателя, интенсивности распыливания топлива и вихревого движения в камере сгорания.

Вторая фаза называется периодом распространения пламени по объему сгорания, или периодом быстрого сгорания. В этот период давление стремительно возрастает. Резкое повышение давления соответствует началу самовоспламенения топлива.

Третья фаза называется периодом медленного сгорания. Этот период характерен незначительным повышением давления. Продолжительность третьей фазы сгорания зависит главным образом от скорости движения частиц топлива и воздуха. Увеличение скорости достигается высокими давлениями и рациональным направлением струи впрыскиваемого топлива. После этого начинается процесс расширения, при котором давление падает. Часть топлива догорает в процессе расширения.

У дизельных двигателей скорость нарастания давления должна быть не более 0.4–0.6 МПа на 1 градус поворота коленчатого вала. Работа при большей скорости нарастания давления сопровождается стуками. Стуки возникают вследствие повышенной скорости нарастания давления в начале второй фазы. Чем больше период задержки воспламенения, тем больше топлива поступает в цилиндр, тем выше скорость нарастания давления и выше максимальное давление цикла.

Плавная работа двигателя и понижение максимального давления цикла достигаются сокращением периода задержки воспламенения. На сокращение периода задержки воспламенения в значительной мере оказывают влияние следующие причины:

- температура воспламенения топлива и его цетановое число, так как с понижением температуры самовоспламенения и повышением цетанового числа период задержки воспламенения сокращается;

- степень сжатия двигателя, так как с повышением степени сжатия увеличиваются температура и давление воздуха к моменту впрыска, понижается температура самовоспламенения топлива и увеличивается разность между температурой сжатого воздуха и температурой самовоспламенения топлива.

Достаточно полное сгорание топлива в дизельных двигателях возможно при сравнительно большом избытке воздуха в камере сгорания. Поэтому в авиационных двигателях тяжелого топлива коэффициент избытка воздуха на номинальном режиме равен примерно α = 1,5-1,8. Увеличение коэффициента α выше этих значений приводит к уменьшению полноты сгорания, догоранию на выхлопе, снижению экономичности и надежности работы двигателя. В отличие от двигателей с искровым зажиганием, в двигателях с воспламенением от сжатия возможное обеднение смеси практически неограниченно.

На основании опытных данных установлено, что температура в конце процесса сгорания изменяется в следующих пределах: для карбюраторных двигателей – от 2400 до 2800 К, для дизельных двигателей – от 1800 до 2200 К; давление газов для карбюраторных двигателей изменяется от 4.0 до 6.0 МПа, для дизельных двигателей - от 6.5 до 12 Мпа.

4. Процесс расширения. Преобразование тепловой энергии в энергию механическую происходит в процессе расширения продуктов сгорания (газов), образовавшихся в результате сгорания ТВС. Процесс расширения является основным и единственным процессом, в течение которого газы совершают полезную работу. Начало процесса расширения условно рассматривается с момента достижения в цилиндре максимального давления. В дальнейшем расширение газов происходит в течение всего рабочего хода поршня, причем в конце рабочего хода оно частично совпадает с начинающимся процессом выхлопа.

Характер процесса расширения обусловливается двумя факторами: догоранием смеси и теплоотдачей в стенки. В начале расширения влияние догорания является доминирующим. В конце расширения при нормальной работе двигателя догорание почти полностью отсутствует, а потери тепла через стенки цилиндра существенно возрастают в связи с увеличением поверхности теплообмена. Это приводит к более резкому уменьшению температуры и давления газов.

В конце процесса расширения, т.е. при положении поршня в НМТ, при полностью открытой дроссельной заслонке давление газов снижается до 0,4-0,6 Мпа. По мере дросселирования это давление понижается прямо пропорционально давлению всасывания и на холостом ходу составляет примерно 0.15 МПа. В дизелях давление конца расширения также близко к 0.4 МПа и при уменьшении нагрузки понижается незначительно.

Температура в конце процесса расширения перед открытием выпускного клапана для карбюраторных двигателей примерно равна 1200–1500 К. По мере дросселирования температура несколько понижается вследствие уменьшения количества тепла, выделяющегося при горении топлива.

В двигателях с высокими степенями сжатия температуры и давления в конце процесса расширения понижаются, так как продукты сгорания сильнее расширяются. В дизелях степени сжатия выше, чем в карбюраторных двигателях, а потому температура в конце процесса расширения на 200–300° ниже. Особенно резко понижается температура конца расширения дизелей при уменьшении нагрузки, что объясняется уменьшением количества впрыскиваемого топлива.

5. Процесс выпуска. Назначением процесса выпуска является очистка цилиндра от продуктов сгорания и подготовка его к новому такту впуска. Процесс выпуска должен протекать так, чтобы давление остаточных газов было минимальным. Чем меньше продуктов сгорания останется в цилиндре, тем больше получится заряд цилиндра свежей смесью и тем больше будет мощность двигателя. Кроме того, осуществление такта выхлопа должно происходить с минимальной затратой работы.

Начало процесса выпуска определяется моментом открытия выпускного клапана. Во всех современных быстроходных двигателях выхлопной клапан открывается с опережением в тот момент, когда поршень в такте расширения не дойдет до НМТ на 45-75⁰ по углу поворота коленчатого вала. Это способствует уменьшению работы, затрачиваемой на выталкивание продуктов сгорания движущимся поршнем, и улучшает очистку цилиндра от продуктов сгорания, так как значительная часть продуктов сгорания будет удалена из цилиндра заблаговременно вследствие значительной разности давлений внутри цилиндра и в окружающей среде.

Выпускной клапан обычно закрывается с запаздыванием (через 20-40⁰ после ВМТ в начале такта впуска). Это также улучшает очистку цилиндра от остаточных газов, так как истечение продуктов сгорания может продолжаться по инерции и после прихода поршня в ВМТ. Процесс выпуска в четырехтактных двигателях условно можно разделить на три периода:

1. Свободный выпуск. В начале открытия выпускного клапана давление в цилиндре составляет 0.4 ... 0.6 Мпа. Под действием этого давления происходит истечение газов из цилиндра с начальной скоростью 500 ... 700 м/с. Продолжительность первого периода соответствует примерно углу опережения открытия выпускного клапана. При свободном выпуске за относительно малое время из цилиндра удаляется 50 ... 65% отработавших газов.

2. Принудительный выпуск.Считается, что принудительный выпуск продолжается во время движения поршня от НМТ к ВМТ. Истечение газа из цилиндра в этот период происходит главным образом вследствие изменения объема цилиндра в соответствии с законом движения поршня. Скорость истечения газа и перепад давления на выпускном клапане определяются скоростью перемещения поршня. Температура и давление газа в цилиндре в период принудительного выпуска изменяются незначительно.

3. Продувка.Продувка осуществляется в период перекрытия клапанов. Как было отмечено выше, клапан впуска открывается до ВМТ в такте выпуска, а клапан выпуска закрывается после ВМТ в такте впуска. Следовательно, в работе двигателя существует такой период, когда впускной и выпускной клапаны оказываются открытыми одновременно. Этот период называется перекрытием клапанов, а угол поворота коленчатого вала, соответствующий этому периоду, называется углом перекрытия клапанов β_п. В авиационных двигателях угол β_п =30-120⁰. Для карбюраторных двигателей угол β_п =40-50⁰, так как при больших значениях угла β_п у этих двигателей происходит выбрасывание свежей смеси в выхлопные патрубки, а также возникает опасность вспышки смеси во всасывающей системе при запуске. У двигателей с непосредственным впрыском топлива в цилиндры целесообразно расширять угол перекрытия клапанов для обеспечения продувки цилиндров воздухом. Продувка дает лучшую очистку цилиндра от остаточных газов, что приводит к увеличению заряда смеси и, соответственно, мощности двигателя на 8-10%.

В процессе выпуска вследствие высокой температуры отработавших газов (1000-1100 К) до 50-60% тепла, внесенного в двигатель топливом, уносится с выхлопными газами. Ввиду этого становится понятным то значение, которое имеет использование энергии этих газов в турбонагнетателях.

Из рассмотрения рабочего цикла видно, что только в третьем такте (расширение) производится полезная работа, а остальные такты являются вспомогательными и требуют затраты работы для их осуществления.