Диск СГЭО (Лекции_СГЭО_ВЗО_2012) / Глава_3_Рабочие циклы ДВС
.pdfГлава 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 p−V ) |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
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.
ϕ1−r = 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;
ϕ2−с′ = 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;
ϕ2−3 = 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.
ϕ6−7 = 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
§ 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
§ 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