1.26. Принцип роботи чотиритактного дизельного двигуна

У такті впуску під час руху поршня вниз впускний клапан (лівий на наведеному поряд рисунку) утримується у відкритому стані і через нього у циліндр засмоктується чисте повітря, яке заповнює порожнину циліндра.

У такті стискання обидва клапани закриті, а поршень рухається вверх, стискаючи чисте повітря. У дизельних дви-гунів, на відміну від бензинових, стискання здійснюється набагато сильніше, внаслідок чого відбувається дуже сильний нагрів стисненого повітря – до температури 600 … 700 ⁰С.

Наприкінці такту стискання паливний насос подає до циліндра порцію дизельного палива (не бензину!). Через спеціальний пристрій (форсунку) паливо впорскується у камеру згоряння – рис. справа. У сучасних дизелів вона, як правило, виконується у вигляді сферичної або тороїдальної виїмки у днищі поршня. Паливо пронизує камеру згоряння у вигляді кількох струменів мікроскопічно дрібних крапельок – див. рис. внизу.

Зіткнувшись з розжареним повітрям, крапельки палива спалахують, температура і тиск газів всередині циліндра зростають у кілька разів. Тиск може досягати 10 МПа (100 бар). Гази з великою силою (до 100 кН, тобто до 10 тс) тиснуть на поршень, який через поршневий палець і шатун передає її на шатунну шийку колінчастого вала – відбувається такт розширення (робочий хід).

Він закінчується у НМТ, при наближенні до якої відкривається випускний клапан (правий на рисунку) і стиснуті відпрацьовані гази з великою швидкістю вилітають з циліндра у випускну трубу.

Поршень, пройшовши НМТ, за рахунок інерції колінчастого вала і маховика рухається уверх, витісняючи з циліндра залишки відпрацьованих газів. Так відбувається такт випуску.

Це останній такт циклу роботи чотиритактного поршневого дизельного двигуна.

Дизельні двигуни у порівнянні з бензиновими мають деякі переваги і деякі недоліки. Переваги дизельних двигунів:

• на 20… 30 % більш економічні, ніж бензинові;

• менш пожежонебезпечні

Недоліки дизельних двигунів:

• більші вартість і складність у виготовленні і технічному обслуговуванні. Тому виграш від їх застосування можна отримати лише при їх інтенсивній експлуатації, наприклад, при річному пробігові не менше 20 … 30 тис. км;

• більша маса, що обумовлено необхідністю виготовляти деталі двигуна більш міцними, ніж у бензинових двигунів;

• утруднений запуск у холодну пору року.

Існують ще і двотактні дизельні і бензинові двигуни. Їхні робочі процеси відбуваються всього за два ходи поршня, тобто за один оборот колінчастого валу. Ми їх не розглядатимемо, бо на сучасних транспортних засобах вони не застосовуються через менші економічність і моторесурс.

1.27. Деякі основні поняття і визначення

Об'єм камери згоряння позначають як .

О б'єм, що звільняє поршень під час руху від верхньої мертвої точки до нижньої, називають робочим об'ємом циліндра .

Він дорівнює добуткові площі отвору у циліндрі F на хід поршня S:

.

Сумарний робочий об'єм всіх циліндрів двигуна є одним із основних параметрів, що характеризують двигун і автомобіль у цілому (див. п. 1.14). Його називають робочим об'ємом двигуна.

Якщо двигун має п циліндрів, то його робочий об’єм дорівнює:

.

Суму робочого об'єму циліндра та об'єму камери згоряння називають повним об'ємом циліндра :

.

Повний об’єм циліндра являє собою об’єм над поршнем у момент, коли він знаходиться у нижній мертвій точці.

Дуже важливим параметром, від якого залежить робочий процес двигуна, є ступінь стискання . Це безрозмірністна величина, яка вказує, у скільки разів стискається повітря чи паливно-повітряна суміш (її називають робочою сумішшю) у циліндрах двигуна у такті стискання.

Значення ступеня стискання обчислюють як відношення повного об'єму одного циліндра двигуна до об'єму його камери згоряння:

.

Ступінь стискання можна лише розрахувати за наведеною вище формулою, а виміряти за допомогою того чи іншого приладу не можна. Ступінь стиску не залежить від технічного стану двигуна, а лише від співвідношення між робочим об’ємом циліндра і об’ємом камери згоряння.

Загальний вигляд компресиметрів

Примітка. Не слід плутати ступінь стискання із компресією – найбіль-шим значенням тиску у циліндрі під час такту стискання. Компресія є розмірністною величиною, вона вимірюється у одиницях тиску – кПа, МПа чи барах (1 бар = 100 кПа). Її можна виміряти за допомогою спеціально пристосованого манометра, який називають компреси-метром.

Чим більшою є ступінь стискання, тим більшою є і компресія, але остання залежить ще і від технічного стану двигуна. У сучасному новому двигуні зі ступенем стискання 9 чи 10 компресія повинна бути не менше 1 МПА, тобто 10 бар. А при зношених компресійних кільцях компресія може зменшитись у 1,5 … 2 рази, хоча ступінь стискання від стану компресійних кілець не залежить.

Між ступенем стискання і найважливішими вихідними параметрами двигуна – його потужністю та паливною економічністю, існує майже пряма залежність. Чим більша ступінь стискання, тим більш потужним та економічним є двигун.

Абсолютне значення ступеня стискання у сучасних бензинових двигунах знаходиться у межах від 9 до 12. У дизельних двигунів цей параметр у 1,5 … 2 рази вищий (від 14 до 24), що потрібно для надійного самозаймання дизельного палива.

Існує показник, який характеризує ступінь використання у двигуні теплової енергії палива – це ефективний ККД двигуна. Він вказує, яка частка енергії, що те6оретично міститься у паливі, перетворюється у корисну роботу.

А саме, якщо у двигун за якийсь час надходить деяка порція палива, то кількість теплоти (теплової енергії), яка теоретично могла б виділитись з палива при повному згорянні, дорівнює – див. рис. Але більша частина цієї енергії безповоротно втрачається – через неповноту згоряння, на нагрів двигуна, через викиди тепла у атмосферу разом з відпрацьованими газами.

Окрім того, частина енергії, що лишилась, витрачається всередині двигуна на подолання сил тертя між його деталями.

Внаслідок цього корисна робота (енергія), наявна на колінчастому валу двигуна (позначимо її як ), становить всього 35 … 45 % від енергії, теоретично наявної у паливі – див. рис.

Відношення корисної енергії до теоретично можливої енергії називають ефективним ККД двигуна :

.

Максимально можливе значення цього коефіцієнта, яке спостерігається у кращих сучасних двигунів лише на якомусь одному з усіх можливих режимів роботи, дорівнює:

• у бензинових двигунів – приблизно 0,35 або, що те ж, 35 %;

• у дизельних двигунів – приблизно 0,45 або, що те ж, 45 %.

Здатність двигуна виконувати механічну роботу характеризується двома такими показниками:

• максимальним значенням крутного моменту , який може розвивати двигун на колінчастому валу, і кутовою швидкістю обертання колінчастого валу при цьому. Крутний момент вимірюється у ньютоно-метрах (Н∙м) або кілоньютоно-метрах (кН∙м), а кутова швидкість обертання колінчастого вала у рад/с. Замість кутової швидкості часто користуються частотою обертання за хвилину – об/хв. або, що те ж, хв^-1;

• максимальним значенням ефективної потужності двигуна , кВт, та кутовою швидкістю обертання колінчастого вала при цьому (ефективною називають потужність, яку можна зняти з колінчастого валу двигуна).

Економічність роботи двигунів оцінюють за допомогою такого показника, як питома ефективна витрата палива , яка вимірюється у г/(кВт∙год). Це витрата палива у грамах, яка припадає на кожен кВт вихідної потужності двигуна (на його колінчастому валу) на протязі однієї години роботи.

Мінімально можливе значення цього показника, яке спостерігається у кращих сучасних двигунів лише на якомусь одному з усіх можливих режимів роботи, дорівнює:

• у бензинових двигунів – приблизно 230 г/(кВт∙год);

• у дизельних двигунів – приблизно 190 г/(кВт∙год).

П ри поглибленому аналізі властивостей двигуна потрібно мати детальну інформацію про те, яким чином залежать поточні значення основних показників його роботи (крутного моменту, потужності, питомої та годинної витрати палива) від кутової швидкості обертання колінчастого валу. Цю інформацію наводять у вигляді зовнішньої швидкісної характеристики двигуна (ЗШХ) – залежності основних показників його роботи від швидкості обертання колінчастого валу за умови повної подачі палива – див. рис., де зображено ЗШХ двигуна ЗАЗ-1102 Таврія. Цю характеристику отримують експериментальним шляхом під час випробування двигуна.