5. Междисциплинарное задание № 6.
Утверждены на заседании КМСХ « 18 » ноября 2013 г.
Директор ИСХПР А. М. Козина
Зав. КМСХ С. В. Карташов
Новгородский государственный университет имени Ярослава Мудрого
Кафедра механизации сельского хозяйства
Экзаменационный билет № 7
Государственный междисциплинарный экзамен для специальности 110301 – Механизация сельского хозяйства
Диаграмма фаз газораспределения. Индикаторные диаграммы автотракторных четырёхтактных двигателей.
Под фазами газораспределения понимают моменты открытия и закрытия клапанов относительно мертвых точек, выраженных в градусах угла поворота коленчатого вала.
При рассмотрении рабочих процессов двигателей в первом приближении было принято, что открытие и закрытие клапанов происходит в мертвых точках.
Однако в действительности это не совсем так. Клапаны открываются и закрываются с некоторым, иногда очень значительным, опережением или запаздыванием, что необходимо для улучшения наполнения цилиндров чистым воздухом (дизели) или горючей смесью (карбюраторные двигатели) и лучшей очистки их от отработавших газов.
Для большей наглядности фазы газораспределения обычно изображают в виде круговых диаграмм. На рис. 1 показаны такие диаграммы для четырехтактного автомобильного двигателя МЗМА-408 и двухтактного мотоциклетного двигателя К-175, имеющего кривошипно-камерную продувку.
В четырехтактных двигателях рабочий цикл осуществляется за два оборота вала, причем ход впуска или выпуска совершается поршнем за 180° угла поворота коленчатого вала. Однако опыт создания четырехтактных двигателей и экспериментальные исследования их показали, что продолжительность процессов впуска и выпуска должна быть больше соответствующих ходов поршня. Иначе нельзя ожидать хороших мощностных и экономических показателей. Поэтому в быстроходных автомобильных двигателях процесс впуска начинается за 10—20° до прихода поршня в в.м.т., а заканчивается примерно через 40—70° и даже 100° угла поворота вала после того, как поршень пройдет н.м.т. Следовательно, общая продолжительность фазы впуска составляет 240÷300° угла поворота коленчатого вала (см. рис. 1, а).
Рис. 1 - Диаграммы фаз распределения:
а) четырехтактного двигателя МЗМА-408; б) двухтактного двигателя К 175
Угол поворота коленчатого вала от н.м.т. до момента закрытия впускного клапана называется углом запаздывания закрытия. Увеличение угла запаздывания закрытия клапана заметно улучшает наполнение цилиндров. Объясняется это явление возникающим инерционным напором потока во впускном трубопроводе, который усиливается к концу процесса впуска. Благодаря этому свежий заряд может поступать в цилиндр и в то время, когда поршень движется от н.м.т. к в.м.т. Обычно за время запаздывания закрытия впускного клапана при полной нагрузке и номинальных оборотах вала в цилиндр поступает 10—15% свежей горючей смеси или воздуха, потребляемых двигателем.
Такую же примерно продолжительность в автомобильных двигателях имеет и фаза выпуска (см. рис. 1, а). Выпускной клапан открывается до прихода поршня в н.м.т. при такте расширения за 40—60° угла поворота коленчатого вала, а закрывается с запаздыванием на 15—20° после завершения хода выпуска (после в.м.т.).
Открытие выпускного клапана с большим углом опережения необходимо для того, чтобы лучше очистить цилиндр. К этому моменту газы в цилиндре имеют давление около 4—5 кГ/см2 (≈0,4—0,5 Мн/м2) и выбрасываются в атмосферу с большой скоростью равной скорости при критическом перепаде давлений Считают что за первую фазу выпуска из цилиндра выбрасывается примерно 60—70% всех отработавших газов и только 20—30% их удаляется при последующем ходе поршня от н.м.т. до в.м.т., когда осуществляется вторая фаза выпуска. Если бы выпускной клапан открывался в момент нахождения поршня в н.м.т., то все отработавшие газы пришлось бы удалять из цилиндра при движении поршня к в.м.т. и затрачивать на это большую работу.
В двигателе, диаграмма фаз газораспределения которого показана на рис. 1, а, перекрытие клапанов составляет 40° угла поворота коленчатого вала.
Рабочий процесс в двухтактных двигателях осуществляется за один оборот коленчатого вала, поэтому в сравнении с четырехтактными двигателями продолжительность фаз газораспределения у них примерно в два раза меньше. Круговая диаграмма фаз двухтактного двигателя (см. рис. 1, б), имеющего кривошипно-камерную продувку, существенно отличается от диаграмм четырехтактных двигателей еще и тем, что характеризует газообмен одновременно в надпоршневой и кривошипной полостях двигателя.
Для двигателей типа К-175, показанная на рис. 1, б круговая диаграмма является типичной. Впуск горючей смеси в кривошипную камеру продолжается всего 121° угла поворота вала, пока открыто окно 10°. К моменту открытия окна 6 давление в цилиндре снижается почти до атмосферного и как только окно 6 приоткроется, начинается продувка цилиндра, т. е. процесс одновременного наполнения цилиндра и принудительного вытеснения из него отработавших газов.
В рассматриваемом примере выпуск продолжается 147°, а продувка всего 122° угла поворота коленчатого вала. Поэтому очистка и наполнение цилиндров в двигателях с двухтактным рабочим процессом всегда бывает хуже, чем в четырехтактных.