книги из ГПНТБ / Колоколов А.А. Двигатели внутреннего сгорания изотермического подвижного состава учебник

Таким образом, при одинаковом количестве оборотов вала число цик­ лов в единицу времени в двухтактных двигателях оказывается в два раза больше, чем в четырехтактных. Отношение числа рабочих циклов i в единицу времени к числу оборотов вала п называется коэффициен­ том тактности двигателя:

i

п

В двухтактных карбюраторных и газовых двигателях продувка цилиндра производится готовой смесью. Это вызывает непроизводи­ тельный ее расход и снижает экономичность двигателя. Поэтому двух­ тактный процесс в этих двигателях имеет незначительное применение.

В двигателях с подачей топлива в цилиндр в конце сжатия, т. е. в дизелях, двухтактный процесс имеет весьма широкое применение наряду с четырехтактным.

§17. Действительный процесс работы четырехтактного двигателя

Схема четырехтактного дизеля и график действительных процес­

За начальную точку действительного цикла примем мертвое поло­ жение поршня — точку 6 (для вертикального двигателя — верхняя мертвая точка). В этот момент камера сжатия цилиндра заполнена остаточными газами сгорания, давление которых в зависимости от сопротивления выпускной системы двигателя бывает 1,05105 — 1,15 • 105 я/ж2 .

50

При движении поршня вправо впускной клапан А удерживается распределительным механизмом в открытом положении. Вследствие образующегося разрежения 0,05 • 105 —0,15 • 105 н/м2 происходит всасывание воздуха в цилиндр. После прохождения поршнем правого мертвого положения впускной клапан закрывается, и при обратном движении поршня происходит сжатие воздуха (процесс 1—2).

В отличие от теоретического цикла процесс сжатия в действитель­ ности протекает с теплообменом между сжимаемым воздухом и стен­ ками цилиндра, а следовательно, отклоняется по своим свойствам от адиабатного. В начальный период сжатия тепло от более горячих сте­ нок цилиндра переходит к воздуху, дополнительно повышая его тем­ пературу. В конечный период сжатия температура воздуха оказывает­ ся выше температуры стенок и тепло от воздуха переходит к стенкам цилиндра.

Исследование индикаторных диаграмм дизелей показывает, что

двигателя показатель пх процесса сжатия уменьшается. Это понижает температуру и давление воздуха в конце сжатия, ухудшает процесс сгорания и даже может служить причиной невоспламеняемости топлива.

Степень сжатия е в дизелях выбирается с расчетом получения тем­ пературы в конце сжатия на 200—300° С больше, чем температура са­ мовоспламенения топлива, что обеспечивает надежное самовоспла­ менение при запуске холодного двигателя.

Топливо, подаваемое в цилиндр, в конце сжатия воспламеняется и сгорает не сразу. В первый период, не сопровождающийся еще выде­ лением тепла, поступающее в цилиндр топливо проходит стадию фи­ зико-химической подготовки к воспламенению. Длительность этого периода зависит от ряда факторов, главнейшими из которых являются: давление и температура в цилиндре, интенсивность вихревого движе­ ния воздуха и топлива и его физи­

51

Эта фаза соответствует участку 2—3 диаграммы. Рабочий процесс проте­ кает наиболее благоприятно, когда максимальное давление в цилиндре достигается после верхней мертвой точки на 6 —10° поворота вала.

Скорость возрастания давления за период второй фазы сгорания

ствие быстрого увеличения объема газов. Однако температура газов продолжает еще повышаться и достигает наивысшего значения не­ сколько позже. Период между моментами максимальных давления и температуры (точка 4) характеризует третью фазу сгорания. За это время коленчатый вал повернется на угол %.

Последняя, четвертая фаза сгорания от точки 4 до точки 5 проте­ кает при догорании остатка топлива и сопровождается снижением как давления, так и температуры газов. Эта фаза соответствует углу пово­ рота вала ср'. Условия протекания четвертой, замедленной фазы сго­ рания весьма неблагоприятны, так как в цилиндре содержатся уже в основном продукты сгорания топлива, температура и давление сни­ жены. Это вызывает химическую неполноту сгорания, рост температу­ ры выхлопных газов и понижение экономичности двигателя. Для со­ поставления на рисунке показано штриховой линией протекание про­ цесса при отсутствии подачи в цилиндр топлива.

Учитывая период задержки воспламенения и время, необходимое для сгорания, подача топлива форсункой должна начинаться до при­ хода поршня в мертвое положение (точка 2 на рис. 29). Угол, на кото­ рый колено вала в этот момент не дошло до мертвого положения, назы­ вается углом опережения подачи. Наивыгоднейший угол в зависимо­ сти от конструкции двигателя и применяемого топлива указывается заводом-изготовителем и бывает обычно в пределах 5—35°.

Процесс сгорания заканчивается (точка 3), после чего происходит расширение газов (процесс 3—4). Поскольку имеет место теплообмен между расширяющимися газами и стенками цилиндра, а также до­ полнительное выделение тепла вследствие догорания топлива, про­ цесс расширения, как и процесс сжатия, не является адиабатным и подчиняется обычно уравнению политропы pVn* = const при значе­ нии п 2 = 1,25-7-1,30.

Процесс выпуска (выхлоп) отработавших газов, соответствующий движению поршня влево и открытому клапану В, протекает при среднем давлении газов в цилиндре 1,05 • 105 — 1,1 • 105 н/м2 в за­ висимости от сопротивления выпускной системы (на диаграмме процесс 1—6). Площадь между линиями 6—1 и 5—6 выражает отрицательную работу, затраченную на очистку и заполнение цилиндра (насосная потеря). В обычных условиях эта отрицательная работа незначительна.

52

§ 18. Фазы газораспределения четырехтактного двигателя

Учитывая сопротивление всасывающего и выпускного трактов двигателя, немгновенность открытия и закрытия клапанов и инерцию движущихся потоков воздуха и газов сгорания, целесообразно начи­ нать открытие и заканчивать закрытие клапанов в моменты, не совпа­ дающие с мертвыми положениями поршня. Чтобы не создать излишне­ го разрежения в цилиндре в начале хода всасывания, впускной клапан должен начать открываться несколько раньше чем поршень дойдет до верхней мертвой точки с таким расчетом, чтобы к началу всасы­ вающего движения поршня клапан был уже открыт на достаточную величину. Угол опережения открытия впускного клапана чаще всего бывает в пределах угла поворота коленчатого вала 5—20°, а в неко­ торых случаях и больше.

Когда поршень придет в нижнюю мертвую точку, закончив ход всасывания, в цилиндре наблюдается еще некоторое разрежение, что способствует дальнейшему притоку воздуха из атмосферы в цилиндр. Кроме того, воздушный поток, движущийся во впускном тракте, будет по инерции сохранять некоторое время свою скорость. Для использования остаточного разрежения в цилиндре и инерции всасы­ ваемого воздуха в целях увеличения воздушного заряда цилиндра впускной клапан закрывается с некоторым запаздыванием по отно­ шению к приходу поршня в нижнюю мертвую точку. Этот угол в раз­ личных двигателях может быть 20—60° и более. В конце хода расши­ рения газов давление в цилиндре оказывается еще довольно большим (3 • 105 — 5- 105 н/м2). Если открытие выпускного клапана начать в нижней мертвой точке, то газы, не успев мгновенно выйти из ци­ линдра, будут противодействовать своим давлением движению поршня _ вверх. Чтобы предотвратить это нежелательное явление, выпускной' клапан всегда начинает открываться раньше прихода поршня в ниж­ нюю мертвую точку.

Угол опережения открытия выпускно­ го клапана по отношению к приходу поршня в нижнюю мертвую точку в раз­ личных двигателях может быть 30 — 60°.

Когда поршень при выталкивании га­ зов из цилиндра достигнет верхнего мерт­ вого положения, газы, сохраняя свою инерцию, будут еще некоторое время вы­ ходить из цилиндра. Для уменьшения содержания в цилиндре остаточных газов выпускной клапан закрывается с запазды­ ванием 10 — 30° по отношению к верхней мертвой точке.

53

которого оба клапана оказываются открытыми, называется углом перекрытия клапанов.

На рис. 31 показана диаграмма газораспределения четырехтактного двигателя. Положения колена вала отмечаются так: ОХ — верхнее мертвое положение; OY — нижнее мертвое положение; OA — откры­ тие впускного клапана; ОВ — закрытие впускного клапана; ОС — открытие выпускного клапана; OD — закрытие выпускного клапана; АОХ — угол опережения открытия впускного клапана; YOB — угол запаздывания закрытия впускного клапана; COY — угол опережения открытия выпускного клапана; XOD — угол запаздывания закрытия выпускного клапана; AOD — угол перекрытия клапанов.

Наивыгоднейшие значения всех этих углов определяются экспери­ ментальным путем на основе всесторонних испытаний опытных образ­ цов и указываются заводом-изготовителем в технических характери­ стиках двигателя.

§ 19. Действительный процесс работы двухтактного двигателя

няющий продувочный ресивер 3, входит в Цилиндр, вытесняя при этом сгоревшие газы через выпускные окна в выпускной коллектор 5. При дальнейшем движении вверх поршень закрывает сначала проду­ вочные, а затем выпускные окна, и в цилиндре начинается сжатие воздуха.

Рис. 32 Схема (а) и индикаторная диаграмма (б) двухтакт­ ного двигателя

54

В конечный период сжатия, когда поршень несколько не дойдет до верхнего мертвого положения, через форсунку 7 в цилиндр впрыс­ кивается топливо, после чего происходит сгорание, а затем расшире­ ние газов. В конце расширения при подходе поршня к нижней мертвой точке сначала открываются выпускные (более высокие) окна, вслед­ ствие чего газы сгорания устремляются в коллектор и далее в атмосфе­ ру; давление в цилиндре падает. В следующий момент поршень откры­ вает продувочные окна, через которые в цилиндр входит воздух, час­ тично выталкивающий через выпускные окна оставшиеся в цилиндре газы сгорания.

График действительного процесса (индикаторная диаграмма) двух­ тактного дизеля с описанным способом продувки цилиндра показан на рис. 32, б. На диаграмме: 1—2 — процесс сжатия; 2—3 — сгора­ ние; 3—4 — расширение; 4—5 — предварение выпуска, когда выпуск­ ные окна открыты, но продувочные еще не открывались. В этот период давление газов в цилиндре падает примерно до давления продувочно­ го воздуха. В течение процессов 5—6 и 6—7 впускные и выпускные окна открыты и происходит продувка цилиндра. Процесс 7—/ со­ ответствует движению поршня вверх, когда выпускные окна еще не закрылись, но продувочные уже закрыты. При этом из цилиндра бес­ полезно вытесняется часть воздуха. Атмосферное давление обозначено линией 9.

Некоторое количество воздуха при продувке проходит непосредст­ венно из продувочных окон 10 в выпускные 8, не принимая участия в процессе сгорания топлива. Это увеличивает расход продувочного воздуха и мощность, затрачиваемую на его подачу. В то же время в верхней части цилиндра остается значительное количество остаточ­ ных газов, что является недостатком данного способа продувки.

вает в пределах 0,15—0,30. Для двухтактных двигателей действитель­

§ 20. Способы продувки двухтактных двигателей

Улучшение качества продувки цилиндра двухтактных двигателей осуществляется различными способами. Наиболее распространенные из этих способов показаны на рис. 33:

а — поперечная щелевая продувка с отражающим козырьком (дефлектор) К на поршне. Козырек отклоняет поток продувочного воздуха вверх, уменьшая этим утечку его через выпускные окна и

оси продувочных каналов расположены наклонно по отношению к его

55

нижнего на постоянный угол а = 10—15°. Поршни работают в об­ щей цилиндровой гильзе.

Отставание верхнего вала от нижнего, расположение и размеры продувочных окон 2 и выпускных окон 5 обеспечивают следующую по времени последовательность их действия: открытие выпускных окон нижним поршнем, открытие продувочных окон верхним порш­ нем, закрытие выпускных окон нижним поршнем, закрытие проду­ вочных окон верхним поршнем. Камера сжатия 4 с форсунками 3 об­ разуется между днищами поршней при наибольшем их сближении.

Для получения продувочного воздуха в двухтактных двигателях используются насосы-воздуходувки. На рис. 34 дана схема простей­

кривошипной камере воздух сжимается. В момент открытия проду­

57

Для мощных двухтактных двигателей часто применяется поршне­ вой продувочный насос, приводимый в действие самим двигателем. В этом случае насос обслуживает несколько цилиндров. Для умень­

В современных быстроходных двухтактных двигателях для полу­ чения продувочного воздуха применяются в большинстве случаев ро­ тационные воздуходувки. На рис. 35 показан схематический попереч­ ный разрез двухроторной трехлопастной воздуходувки. Вращение от ведущего вала воздуходувки к ведомому передается с помощью ше­ стерен, размещенных вне корпуса воздуходувки. Роторы вращаются, не касаясь друг друга, но с минимальным зазором, вследствие чего износ их не происходит. Воздуходувки этого типа обладают большой производительностью при сравнительно малых габаритах и массе. Вследствие хорошей уравновешенности частота вращения роторов

§ 21. Уравновешенность и порядок работы

многоцилиндровых двигателей

Конструкция коленчатого вала многоцилиндрового двигателя вы­ бирается исходя из двух основных требований:

чередование вспышек в отдельных цилиндрах через равные про­ межутки времени, или, что равноценно, через одинаковые углы пово­ рота вала;

наилучшая взаимная уравновешенность сил инерции деталей, движущихся возвратно-поступательно.

Полный рабочий цикл в цилиндре четырехтактного двигателя со­ вершается за два оборота вала, т. е. за угол поворота 720°. За этот период должны произойти вспышки во всех z цилиндрах. Следователь­ но, в двигателе с однорядным расположением цилиндров угол а между коленами вала должен удовлетворять зависимости

720°

а =-- ,

г

где z — число цилиндров двигателя.

Для двухтактного двигателя эта зависимость будет

360°

а — . z

Угол а, обеспечивающий равномерность чередования вспышек, еще не определяет полностью конфигурацию коленчатого вала. Рас­ смотрим пример. Для четырехтактного двигателя с четырьмя цилинд-

720°

рами а — —£— = 180°. Но с таким углом между коленами вал может быть выполнен, например, по схеме, приведенной на рис. 36, а. При этом чередование вспышек через каждые 180° происходило бы в такой

58

последовательности: 1—3—2—4 или 1—4—2—3. Однако вал, выпол­ ненный по этой схеме, не удовлетворяет требованию наилучшей урав­ новешенности.

При вращении его появляются постоянные по величине центробеж­ ные силы от эксцентрично вращающихся колен. Эти силы при любом расположении колен могут быть полностью уравновешены противове­ сами и никакого влияния на общую уравновешенность двигателя не оказывают. Но при поступательно-возвратном движении каждого поршня возникает переменная сила инерции Fmv наибольшая вели­ чина которой достигается в мертвых точках. Как видно из схемы, силы Fmi от всех четырех поршней создают момент МШ1 относительно точки 0, действующий в вертикальной плоскости и стремящийся по­ вернуть вал, а с ним и весь корпус двигателя по часовой стрелке. Когда вал повернется на 180°, момент сил инерции Fim будет действо­ вать в обратном направлении. Это вызвало бы колебания корпуса дви­ гателя в продольной вертикальной плоскости.

Для уничтожения раскачивающего действия сил инерции посту­ пательно движущихся масс колена вала располагают так, чтобы одна половина вала (положим, передняя) представляла зеркальное изобра­ жение другой (задней). В результате получаем схему, показанную

2

Ми

3 k

ГШ

б,

Fин

Рис. 36. Схемы коленчатых валов

59