Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Диск СГЭО (Лекции_СГЭО_ВЗО_2012) / Глава_3_Рабочие циклы ДВС

.pdf
Скачиваний:
50
Добавлен:
15.02.2015
Размер:
536.64 Кб
Скачать

Глава 3.

РАБОЧИЕ ЦИКЛЫ СУДОВЫХ ДВС (с. 43)

 

Рабочий цикл двигателя – совокупность необратимых сложнейших,

 

крайне быстротечных физико-химических процессов, весьма трудно

 

поддающихся описанию и количественным оценкам.

 

 

§ 3.1. Рабочий цикл четырехтактного дизеля без наддува (схема

работы, индикаторная диаграмма, фазы газораспределения) (с.43)

Основные элементы дизеля (см. рис. 3.1):

3

А Б

4

 

1 – остов (неподвижные детали);

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 – кривошипно-шатунный механизм (КШМ);

 

 

 

3 – клапанный газораспределительный

 

 

 

 

механизм (показаны только клапаны

 

 

 

2

механизма);

 

 

 

 

 

 

 

 

4 – форсунка;

 

 

 

 

 

ВМТ

 

1

А – впускной клапан, Б – выпускной клапан.

 

 

 

f

 

Крайние положения поршня называются:

 

 

 

 

 

ВМТ – верхняя мертвая точка; НМТ –

 

 

 

 

нижняя мертвая точка.

 

 

 

НМТ

 

 

Цикл совершается за четыре такта (за четыре

Рис. 3.1. Схема

 

хода поршня), то есть за два оборота

 

 

 

четырехтактного дизеля

коленчатого вала (720 º п.к.в.).

 

 

 

 

 

 

 

 

p

y

 

z

Расчетный цикл

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

pz

c

,

 

4

 

 

 

Рис. 3.2. Рабочий цикл

 

 

 

 

 

 

четырехтактного дизеля без

 

 

c

 

3

5

 

 

 

наддува (в координатах pV )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

6

b

 

 

 

 

 

 

r

1

 

к

7

 

 

 

 

 

 

 

 

8

 

a

 

 

 

 

 

p

 

 

 

V

 

 

 

 

 

V

 

 

 

 

 

V

 

 

 

а

c

 

 

 

s

p0

pr

 

 

 

 

 

 

 

Va

 

pb

 

 

 

 

ВМТ

 

 

НМТ

 

 

 

 

1

Опишем такты.

ТАКТ I. Впуск (или в дизеле без наддува – «всасывание»). На рис. 3.2 – процесс 1 − r − 8 − a к .

идет всасывание воздуха из атмосферы;

в цилиндре разрежение pa < p0 (, где p0 – атмосферное давление), вследствие гидравлических потерь во впускном тракте, в основном в щели клапана А.

Заметим, что впускной клапан А начинает открываться не в ВМТ, а раньше – в точке 1.

ϕ1r = 20–30 º п.к.в. до ВМТ – угол опережения открытия впускного клапана (угол о.о.вп.кл.).

Этот угол необходим для лучшего наполнения цилиндра воздухом и минимизации затрат энергии на наполнение (см. учебник).

Процесс впуска продолжается до закрытия впускного клапана, который закрывается не в НМТ, а позже – в точке « к».

ϕa к = 20–40 º п.к.в. после НМТ – угол запаздывания закрытия впускного клапана (угол з.з.вп.кл.).

Клапан закрывается тогда, когда давление в цилиндре оказывается примерно равным атмосферному ( p0 ). Запаздывание необходимо для лучшего заполнения цилиндра воздухом.

ТАКТ II. Сжатие. На рис. 3.2 – процесс a с.

– от сжатия давление ( p ) и температура (Т ) повышаются;

(для самовоспламенения топлива и получения высокого КПД цикла);

в точке 2 – начало впрыскивания топлива;

ϕ2с= 10–30 º п.к.в. – угол опережения впрыскивания топлива;

выбор этого угла зависит в основном от класса двигателя по n ;

в точке 3 – самовоспламенение топливовоздушной смеси;

ϕ23 = 5–10 º п.к.в. – угол периода задержки самовоспламенения

периода, в течение которого происходит физико-химическая подготовка топлива к быстрому окислению (горению).

2

ТАКТ III. Горение - расширение (или «рабочий ход поршня» ).

На рис. 3.2 – процесс 3 − с′ − 4 − 5 − 6 .

горение топлива начинается в конце такта сжатия, в точке 3

в точке 4 – окончание впрыскивания топлива;

в точке 5 – окончание горения;

в точке 6 – начало открытия выпускного клапана Б (ранее ВМТ). Это – единственный « рабочий» такт.

Для получения максимально высокого КПД двигателя (термического КПД цикла ηt ) точка «5» должна располагаться по возможности ближе в ВМТ (см. учебник).

Дело в том, что, как известно из термодинамики, для получения максимально высокого ηt цикла теплоту q1 подводить в цикл следует при максимально высокой температуре T1 (см. главу 2).

ТАКТ IV. Выпуск (или « выталкивание»).

На рис. 3.2 – процесс 6 − 7 − 1 − r − 8 .

происходит выталкивание газов в атмосферу; при этом давление в цилиндре pr > p0 (выше атмосферного) вследствие гидравлических потерь в выпускном тракте;

в точке 8 – закрытие выпускного клапана Б.

ϕ67 = 20–50 º п.к.в. до НМТ – угол опережения открытия выпускного клапана (угол о.о.вып.кл.).

Этот угол необходим для того, чтобы к концу хода

p

 

 

61

 

 

поршня к НМТ в предыдущем такте снизить давление

2

 

в цилиндре и обеспечить, таким образом,

1

63

 

минимальное противодавление при выталкивании

62

 

газов поршнем после НМТ. (см. рис. 3.3)

 

 

3

 

 

 

Рис. 3.3

pа

 

 

 

Va

V

 

 

ϕr −8 = 10–20 º п.к.в. после ВМТ – угол запаздывания закрытия выпускного клапана (угол з.з.вып.кл.).

Этот угол необходим для лучшей очистки цилиндра от отработавших газов.

ϕ1−8 – угол перекрытия клапанов (оба клапана А и Б открыты); в дизелях с наддувом этот угол используется для продувки камеры сгорания поступающим в цилиндр свежим воздухом.

3

 

§ 3.2. Развернутая индикаторная диаграмма

 

(четырехтактного дизеля без наддува) (с. 48)

– в координатах

p − ϕ , º

п.к.в. (или p − τ , мс),

 

 

представлена на рис. 3.4.

 

 

 

 

 

 

p

1

2

 

3

 

4

 

 

 

 

 

c ,

4

pz

 

 

 

 

 

 

 

5

pr

 

 

p0

pа

 

3

c

6

 

 

r

8

к

2

p

 

1

r

 

c

7

 

 

 

a

 

 

 

 

720 f,Åп.к.в.

0

 

180

360

540

 

 

 

 

Рис. 3.4.

 

 

 

 

Существенным преимуществом развернутой диаграммы является

возможность анализировать тепловыделение от сгорания топлива в

окрестности ВМТ – наиболее важном участке процесса горения.

Дело в том, что на этой диаграмме в районе ВМТ (360 º п.к.в.) график

« развернут» по оси абсцисс. В координатах p −V

в районе ВМТ такой

развертки практически нет, так как, например, при

ϕ = 360 º поршень имеет

нулевую скорость движения.

 

§ 3.3. Круговая диаграмма газораспределения четырехтактного дизеля (с. 49)

-показана на рис. 3.5.

Сее помощью наглядно представляют фазы топливоподачи и газораспределения (углы п.к.в., соответствующие моментам открытия и закрытия клапанов).

2 3

8

r 4

1

5

 

к

a

6

Рис. 3.5 7

4

pц> pг

§ 3.4. Рабочий цикл четырехтактного дизеля с наддувом (с. 50)

Наддув – подача воздуха в цилиндр при давлении pк выше атмосферного p0 .

При этом увеличение плотности воздуха ведет к увеличению его массы в цилиндре, что позволяет сжечь большее количество топлива и, следовательно, получить большую мощность двигателя Ne .

Основные схемы наддува (рис. 3.6):

а) механический наддув (с приводом от коленчатого вала); б) газотурбинный (со свободно вращающимся

ротором турбокомпрессора); в) комбинированный

(турбокомпрессор+приводной компрессор).

 

pк ;Тк

К

 

а)

Д

p0 ;Т0

 

pк ;Тк

(ТК)

 

Д Т

б)

К

pт ;Тт

 

 

 

p

;Т

 

 

0

0

 

pк ;Тк

(ПК)

в)

Д

 

 

pт ;Тт (ТК)

Т К p0 ;Т0

На рис. 3.7. - рабочий цикл дизеля с газотурбинным наддувом.

Индикаторная диаграмма дизеля с наддувом отличается от диаграммы дизеля без наддува в основном взаимным расположением линий впуска и выпуска (сравните рис. 3.2

и рис. 3.7).

Описание тактов см. в § 3.1.

На такте впуска давление в цилиндре pц несколько меньше давления наддува pк , а на такте выпуска – давления газов на выходе из цилиндра.

 

 

 

Рис. 3.6. Схемы наддува

 

 

 

pк ;Тк

 

 

 

p

y

z

 

 

 

Т

К

 

 

Д

 

 

 

c ,

4

pг ;Тг

 

p0 ;Т0

 

c

3

5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

6

b

7

 

pк

 

r

8

к

 

 

 

 

 

+

 

a

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

pа

 

 

 

V

p0

 

 

 

 

 

pr

 

 

Vs

 

p Г

 

Рис. 3.7. Рабочий цикл

 

 

 

четырехтактного дизеля с

 

 

газотурбинным наддувом

 

 

Указанная разница давлений вызвана гидравлическим сопротивлением щелей соответственно впускных и выпускных клапанов.

5

ψп,ψв

§ 3.5. Рабочий цикл двухтактного дизеля

Здесь отсутствуют насосные хода поршня, то есть такты впуска (всасывания) и выпуска (выталкивания).

Поэтому для очистки цилиндра от отработавших газов (ОГ) и заполнения его свежим воздухом необходимо подавать воздух под избыточным давлением рк от « продувочного насоса» ( компрессора).

Основные типы продувок:

1)контурные (контурная петлевая, контурная поперечная);

2)прямоточные (прямоточно-клапанная, прямоточно-щелевые).

3.5.1.Рабочий цикл двухтактного дизеля с контурной поперечной

 

продувкой (с. 52)

 

 

а)

б)

p

y

z

 

 

 

 

 

pк

c ,

 

4

 

 

ПН

 

c

3

5

 

 

 

 

 

 

p0

pк

 

 

2

6

7

b

 

 

 

 

 

 

 

 

1

8

a

 

 

 

Vs (1- yВ)

 

yПVs V(S)

 

 

p0

Vc

 

Vs

 

yВVs

 

 

 

 

 

Va

 

 

Рис. 3.8. Схема (а) и рабочий цикл (б) двухтактного двигателя с контурной поперечной продувкой

« Контурной» продувка называется потому, что воздух в цилиндре изменяет направление движения, его потоки образуют « контур».

Продувка цилиндра осуществляется приводным нагнетателем ПН.

– доли хода поршня, « потерянные» из-за наличия в стенке

цилиндра соответственно продувочных и выпускных окон.

Действительная степень сжатия в двухтактном дизеле с контурной

продувкой

ε

 

=

 

Vc + Vs (1 − ψв )

меньше геометрической степени

д

 

сжатия

 

 

 

Vc

 

 

 

 

ε =

Va

=

Vc + Vs

 

, так как часть хода поршня « потеряна» из-за окон.

 

 

 

Vc

Vc

 

 

6

Опишем такты.

ТАКТ I. Сжатие. На рис. 3.8б – процесс a − с.

Точка 1 – начало действительного сжатия (соответствует моменту полного закрытия выпускных окон).

Точки 2 и 3 аналогичны точкам рабочего цикла четырехтактного дизеля: в точке 2 – начало впрыскивания топлива; в точке 3 – самовоспламенение топливовоздушной смеси.

ТАКТ II. Горение - расширение (или « рабочий ход поршня»).

На рис. 3.8б – процесс 3 с′ − 4 5 6 .

Аналогично четырехтактному дизелю в точке 4 происходит окончание впрыскивания топлива, в точке 5 – окончание горения.

В точке 6 открываются выпускные органы (здесь окна).

Газы из цилиндра устремляются в выпускной коллектор, давление в цилиндре уменьшается.

В точке 7 открываются продувочные окна.

Выпускные окна открываются раньше продувочных для того, чтобы к моменту открытия продувочных давление в цилиндре pц снизилось примерно до давления продувки pк ;

если в этот момент pц > pк , то происходит нежелательный выброс газов из цилиндра в ресивер продувочного воздуха.

Далее продувка и выпуск происходят одновременно; часть воздуха при этом теряется (!).

Процесс продувки-выпуска идет до точки 8, в которой закрываются продувочные окна.

В процессе 8–1 происходит некоторая потеря заряда из цилиндра через открытые выпускные окна (до их закрытия в точке 1).

Заметим, что фазы газораспределения здесь определяются исключительно высотой окон.

7

ОСНОВНЫЕ ПРЕИМУЩЕСТВА И НЕДОСТАТКИ ДИЗЕЛЕЙ С КОНТУРНОЙ ПРОДУВКОЙ (с. 54)

Преимущества:

простота конструкции (из-за отсутствия клапанного механизма);

высокая надежность.

Недостатки:

низкое качество очистки цилиндра от отработавших газов;

увеличенный расход продувочного воздуха и наличие потери воздушного заряда;

невозможность регулирования фаз газораспределения.

Отмеченные недостатки в некоторой степени уменьшены в описанном ниже двухтактном дизеле с прямоточной продувкой.

3.5.2. Рабочий цикл двухтактного дизеля с прямоточноклапанной продувкой (с. 54)

а)

pк

б)

p

 

 

 

 

 

 

pк

6

b

 

 

7

pк

 

1,8

a

 

 

 

 

 

 

p

yПV

V

 

0

s

 

 

yВVs

 

Рис. 3.9. Схема (а) и рабочий цикл (б) двухтактного двигателя с прямоточноклапанной продувкой

В этом двигателе вместо выпускных окон установлены выпускные клапаны (клапан).

Их можно закрыть одновременно с продувочными окнами и таким образом избежать потери воздушного заряда из цилиндра после закрытия продувочных окон.

Индикаторная диаграмма отличается от предыдущего варианта только в « хвостовой» части (сравните рис. 3.8б и рис. 3.9б).

Действительное сжатие здесь начинается раньше, чем в предыдущем случае (точки 1 и 8 здесь могут совпасть).

8

§3.6. Сравнение основных свойств двух-

ичетырехтактных дизелей (с. 55)

D

S

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

pe

В двухтактном дизеле теоретически можно получить

1 мощность Ne в два раза больше, чем в четырехтактном, так как в двухтактном дизеле частота рабочих ходов

поршня вдвое выше. Однако в действительности Ne двухтактного двигателя больше только в 1,70 – 1,85 раза, так как часть хода поршня в нем теряется из-за наличия окон во втулке цилиндра.

В двухтактном дизеле ниже качество очистки цилиндра от 2 отработавших газов, имеют место увеличенные потери

воздушного заряда при продувке цилиндра.

В двухтактном дизеле возможна затрата механической

3работы на привод продувочного нагнетателя (или « приводного» компрессора наддувочного агрегата).

Степень неравномерности вращения коленчатого вала

4двухтактного дизеля ниже ввиду того, что частота рабочих ходов поршня в этом двигателе вдвое выше.

Процессы впуска, выпуска, горения - расширения в

5четырехтактных дизелях протекают более эффективно, так как они имеют большую продолжительность, выраженную в º п.к.в. (в градусах поворота коленчатого вала), чем в двухтактных дизелях.

9