Архив WinRAR_1 / 2 - Двигатели / 27 - рабочие циклы, действит циклы ДВС

ДЕЙСТВИТЕЛЬНЫЕ ЦИКЛЫ ДВС

Замкнутые теоретические (идеальные) циклы ДВС дают представление о протекании процессов в реальных двигателях, качественных зависимостях основных показателей этих двигателей от различных параметров циклов. В то же время количественные значения параметров реальных циклов весьма далеки от них в силу целого ряда причин. На рис.2.1 представлены циклы Отто, Дизеля и Тринклера, рассматриваемые при анализе идеальных циклов ДВС.

Р ис.2.1. Идеальные циклы Отто, Дизеля и Тринклера

Методы расчета действительных циклов

Замкнутые теоретические (идеальные) циклы ДВС дают наглядное представление о протекании процессов в реальных двигателях, качественных зависимостях основных показателей этих двигателей от различных параметров циклов. В то же время количественные значения параметров реальных циклов весьма далеки от них в силу целого ряда причин. Среди них, в первую очередь, необходимо отметить следующие.

1. Теплоемкость рабочего тела не постоянна, как это принимается при рассмотрении идеальных циклов, а существенно изменяется с изменением состава и температуры рабочего тела.

2. Процесс сгорания топлива в ДВС происходит по достаточно сложным законам и сопровождается интенсивным теплообменом.

3. Непрерывный интенсивный теплообмен через стенки, головку цилиндров, поршни и др. элементы конструкции.

4. Процессы газообмена, т. е. впуска и выпуска рабочего тела.

5. Утечки рабочего тела.

6. Подогрев воздуха, поступающего в двигатель.

Многие из перечисленных факторов удается учесть при рассмотрении действительных циклов, которые иногда называют «разомкнутыми». Эти циклы, по сравнению с идеальными, в значительно большей степени отражают параметры реальных двигателей, поскольку они учитывают следующие факторы.

1. Процессы впуска и выпуска (изменения температуры и давления рабочего тела, а также гидравлические потери при этом не учитываются).

2. Изменение состава рабочего тела в течение протекания цикла, а также его теплоемкости с изменениями температуры.

3. Зависимость показателей адиабат сжатия и расширения от средней теплоемкости.

4. Процесс сгорания топлива, а также изменение молекулярного состава рабочего тела.

5. Потери теплоты от химической неполноты сгорания топлива, а также на подогрев остаточных газов и избыточного воздуха.

В настоящее время разработаны методики расчета подобных циклов, однако, достаточно надежные и достоверные результаты теплового расчета дают только полуэмпирические методики теплового расчета, учитывающие результаты экспериментальных исследований, накопленный опыт конструирования, изготовления и эксплуатации двигателей. В них расчет параметров и характеристик ДВС осуществляется на основе детального анализа процессов газообмена, сжатия, смесеобразования и сгорания, расширения.

Р ис.2.2. Действительные циклы четырехтактных и двухтактных ДВС

Основные сведения о рабочих циклах двс

Рабочий цикл карбюраторного четырехтактного двигателя.

Такт впуска. Поршень движется от верхней мертвой точки (ВМТ) к нижней мертвой точке (НМТ), создавая разрежение в полости цилиндра, над собой. Впускной клапан открыт, и цилиндр заполняется горючей смесью. Горючая смесь, перемешиваясь с остаточными газами в цилиндре, образует рабочую смесь. Из-за гидравлического сопротивления впускного тракта и нагрева смеси, давление в конце такта впуска составляет примерно 0,07-0,09 МПА, а температура 100-130°С.

Такт сжатия. Поршень движется от НМТ к ВМТ. Впускной и выпускной клапаны закрыты. Рабочая смесь в цилиндре сжимается до 0,7 -1,5 МПа. Температура сжатой смеси достигает 300-450^ОС. В конце такта сжатая смесь воспламеняется электрической искрой. В процессе сгорания топлива давление в цилиндре повышается до 3,0-4,5 МПа, а температура газов до 1900-2400°С.

Такт расширения. Иногда его называют рабочим ходом. Начинается движением поршня от ВМТ к НМТ под действием давления образовавшихся продуктов сгорания. Оба клапана закрыты. Шарнирно связанный с поршнем шатун приводит во вращение коленчатый вал, совершая полезную работу. К концу такта расширения давление газов уменьшается до 0,3-0,5 МПа, а температура до 1000 - 1200°С.

Такт выпуска. Поршень движется от НМТ к ВМТ. Через открытый выпускной клапан отработавшие газы выходят из цилиндра в атмосферу через выпускную трубу. К концу такта выпуска давление в цилиндре составляет около 0,11-0,12 МПа, а температура 500-800°С.

После прохождения поршнем ВМТ закрывается выпускной клапан и рабочий цикл завершается. Последующее движение поршня к НМТ - такт впуска - является началом следующего цикла.

Цикл четырехтактного дизеля

В дизеле в отличие от карбюраторного двигателя воздух и топливо в цилиндры вводятся раздельно.

Такт впуска. Поршень двигается от ВМТ к НМТ, впускной клапан открыт и в цилиндр поступает воздух либо за счет разрежения в цилиндре, либо за счет избыточного давления воздуха, создаваемого нагнетателем у дизеля с наддувом. Давление в конце такта впуска у дизеля без наддува 0,08-0,09 МПа, а температура воздуха 50-80^ОС.

Такт сжатия. Оба клапана закрыты. Поршень двигателя от НМТ к ВМТ и сжимает воздух, перемешанный с остаточными продуктами сгорания. Из-за большой степени сжатия (14-21) давление воздуха в конце этого такта достигает 3,5-4,0 МПа, а температура 500-700°С. При этом положении поршня в камеру сгорания впрыскивается мелко распыленное топливо, которое, попадая в среду сильно нагретого воздуха, нагревается, испаряется, воспламеняется и сгорает. Давление газов повышается до 5,5-9,0 МПа, а температура до 1600-2000°С.

Такт расширения. Оба клапана закрыты. Продукты сгорания, стремясь расшириться, давят на поршень, заставляя его перемещаться от ВМТ к НМТ. В такте расширения догорает оставшаяся часть топлива. К концу такта расширения давление газов уменьшается до 0,3-0,4 МПа, а температура до 600-900°С.

Такт выпуска. Поршень движется от НМТ к ВМТ. Через открытый выпускной клапан отработавшие газы выталкиваются в атмосферу. Давление газов в конце такта выпуска составляет 0,11-0,12 МПа, а температура 400 - 600⁰С. Затем рабочий цикл повторяется.

У вышеописанных четырехтактных двигателей при выполнении тактов выпуска, впуска и сжатия необходимо перемещать поршень, вращая коленчатый вал. Эти такты называются подготовительными и осуществляются за счет кинетической энергии, накопленной маховиком двигателя в течение такта расширения.

Рабочий цикл двухтактного карбюраторного двигателя

В двухтактных двигателях для вытеснения отработавших газов из цилиндра используют принудительное вдувание воздуха или горючей смеси в цилиндр. Такой процесс называется продувкой. Продувка может осуществляться различными способами. Рассмотрим работу двухтактного карбюраторного двигателя с кривошипно-камерной продувкой. Когда поршень находится в положении близком в ВМТ камера сгорания заполнена сжатой рабочей смесью, кривошипная камера заполнена свежей порцией горючей смеси. В этот момент рабочая смесь в цилиндре воспламеняется электрической искрой от свечи. Давление газов резко возрастает, и поршень начинает перемещаться к НМТ - совершается рабочий ход. Когда поршень закроет впускное окно, в кривошипной камере начнется сжатие горючей смеси. Следовательно, при движении поршня к НМТ одновременно совершаются такты расширения и сжатия горючей смеси в кривошипной камере. В конце рабочего хода поршень открывает выпускное окно, через которое отработавшие газы с большой скоростью выходят в атмосферу. Давление в цилиндре быстро понижается. К моменту открытия продувочного окна давление сжатой горючей смеси в кривошипной камере становится выше, чем давление отработавших газов в цилиндре. Поэтому горючая смесь из кривошипной камеры по каналу попадает в цилиндр и, наполняя его, выталкивает остатки отработавших газов через выпускное окно в атмосферу.

Второй такт происходит при движении поршня от НМТ к ВМТ. В начале хода из цилиндра продолжают вытесняться оставшиеся продукты сгорания вместе с частью рабочей смеси. Затем поршень последовательно перекрывает продувочное окно и выпускное окно. После этого в цилиндре начинается сжатие рабочей смеси. В это же время за счет освобождения поршнем некоторого объема в герметически закрытой кривошипной камере создается разрежение. Поэтому, как только нижняя кромка юбки поршня откроет впускное окно, через него из карбюратора в кривошипную камеру поступает горючая смесь. Таким образом, во время второго такта происходит сжатие рабочей смеси в цилиндре и заполнение камеры новой порцией горючей смеси из карбюратора. После прихода поршня к ВМТ все процессы повторяются в такой же последовательности.

Кривошипно-камерная продувка наиболее проста, но наименее совершенна, так как при этом недостаточно полно осуществляется очистка цилиндра от продуктов сгорания. Поэтому она применяется только в двигателях малой мощности с небольшим абсолютным расходом топлива (двигатели мотоциклов, лодочные, модельные и т.п.). В строительных машинах и на транспорте подобные схемы используются в пусковых карбюраторных двигателях.

Цикл двухтактного дизеля

Протекает аналогично рабочему циклу двухтактного карбюраторного двигателя и отличается только тем, что у дизеля в цилиндре поступает не горючая смесь, а чистый воздух и в конце процесса сжатия впрыскивается топливо, которое воспламеняется от соприкосновения с нагретым воздухом. Так как в дизелях продувка осуществляется чистым воздухом, а не горючей смесью, они оказываются более экономичными по сравнению с карбюраторными двигателями.