Фазы газораспределения четырехтактного и двухтактного дизелей
Одним из важнейших условий хорошей работы дизеля является качество очистки цилиндров от отработавших газов и наполнение цилиндров воздухом. Время, отводимое на это, исчисляется долями секунды. Поэтому стремятся увеличить продолжительность процессов очистки и наполнения цилиндров, т. е. время, в течение которого органы газораспределения (клапаны или окна цилиндров) остаются открытыми. Однако при чрезмерном увеличении продолжительности открытия окон или клапанов возрастают потери воздушного заряда цилиндра или потери газов от предыдущего рабочего цикла и т. п. Все это ухудшает рабочий процесс, снижает экономичность, приводит к падению мощности. Вот почему так необходимо и важно выбрать наивыгоднейшее (оптимальное) соотношение в открытии и закрытии впускных и выпускных органов газораспределения. Моменты открытия и закрытия клапанов и окон называются фазами газораспределения дизелей. Фазы газораспределения обычно выражаются в углах поворота коленчатого вала и представляются графически в виде диаграммы фаз (круговой диаграммы). Рассмотрим сначала фазы газораспределения четырехтактного дизеля. Как увеличить продолжительность выпуска газов из цилиндра? Для освобождения цилиндра четырехтактного дизеля от отработавших газов надо открыть выпускной клапан.А чтобы облегчить выпуск газов, нужно увеличить время открытия и проходное сечение клапанов, ибо в узкой щели, открываемой клапаном, происходит дросселирование газов. Конструкторы решили открывать клапан еще во время рабочего хода, т. е. до того, как поршень дойдет до крайнего нижнего положения. На первый взгляд это кажется невыгодным. В самом деле, зачем преждевременно выпускать из цилиндра газы, не потерявшие давления? Однако значительной потери энергии практически не происходит, так как клапан открывается в конце хода расширения, когда поршень прошел значительную часть пути. Небольшая потеря энергии газов оправдывается теми выгодами, которые получаются благодаря лучшей очистке цилиндров и меньшему давлению на ходе выталкивания. Выпуск газов с опережением облегчает движение поршня вверх. Происходит это потому, что давление в цилиндре при движении поршня к наружной мертвой точке из-за опережения выпуска успевает значительно понизиться. Поэтому отработавшие газы будут оказывать незначительное противодействие обратному ходу поршня. Вредная работа при выпуске уменьшается. Этому способствует также увеличение проходного сечения и времени открытия клапанов за счет запаздывания закрытия выпускного клапана не в момент нахождения поршня в в. м. т., а несколько позже (рис. 22).
Рис.22. Круговая диаграмма газораспределения четырехтактного дизеля Д50
Аналогично, чтобы облегчить впуск воздуха, открытие впускных клапанов происходит не в в. м. т., а до того, как поршень дойдет до крайнего верхнего положения. Благодаря опережению начала и запаздывания конца выпуска величина угла поворота кривошипа коленчатого вала при открытом выпускном клапане увеличивается и возникает возможность продувки цилиндров воздухом, проходящим через них «транзитом» (в четырехтактных двигателях). Как видно из диаграммы фаз четырехтактного дизеля Д50, выпускной клапан (черная линия на диаграмме) начинает открываться в конце такта расширения за 50° до прихода кривошипа коленчатого вала в положение, соответствующее н. м. т. Для разных дизелей в зависимости от их конструкции устанавливают разные фазы газораспределения. Закрывается выпускной клапан после того, как кривошип пройдет на 54° положение, соответствующее в. м. т. Подсчитаем, на сколько градусов повернется коленчатый вал в процессе выпуска газов из цилиндра четырехтактного дизеля Д50:
50+180 + 54 = 284°.
Величина угла поворота кривошипа в процессе очистки цилиндра доходит в четырехтактных дизелях до 240—290° против теоретических 180°. Ясно, что при таком увеличении процесса выпуска, в течение которого выпускной клапан открыт, из цилиндра успеет выйти больше отработавших газов и, что не менее важно, давление в цилиндре на ходе выталкивания будет значительно ниже. Однако для экономичной работы двигателя внутреннего сгорания важно не только хорошо очистить цилиндры от газов,но и наполнить их требуемым количеством свежего воздуха. Каким же образом решается эта задача, за счет каких резервов конструкторы увеличивают наполнение цилиндра воздухом? Для увеличения заряда цилиндра свежим воздухом впускной клапан начинает открываться немного раньше того момента, когда поршень придет в крайнее верхнее положение. Опережение впуска делается для того, чтобы к началу обратного хода поршня проходное сечение клапана для впуска свежего воздуха было достаточно большим. Если же начать открывать клапан одновременно с началом хода впуска, то воздуху придется вначале проходить через уменьшенное сечение за меньшее время. Это вызовет большие потери на дросселирование воздуха, и он не успеет заполнить цилиндр до н. м. т. Чтобы увеличить среднее проходное сечение и время открытия впускных клапанов и уменьшить потери давления, конструкторы решили закрывать впускной клапан не в момент подхода поршня к нижнему мертвому положению, а позже, т. е. в начале обратного хода поршня. Что при этом получается? Поршень идет вверх, объем над поршнем уменьшается, но, несмотря на это, воздух продолжает поступать в цилиндр до тех пор, пока давление в нем станет равным давлению наддува. В этот момент закрывается впускной клапан. В тепловозных дизелях продолжительность открытия впускного клапана соответствует 230—300° угла поворота кривошипа коленчатого вала. Впускной клапан (линия с точками на диаграмме рис. 22) открывается в конце такта выпуска, когда кривошип коленчатого вала еще не дошел на 80° до положения, соответствующего в. м. т., а закрывается, когда коленчатый вал пройдет на 35° положение, соответствующее н. м. т. Подсчитаем продолжительность наполнения цилиндра:
80+ 180 + 35 = 295°.
На тепловозных дизелях 2Д50, ПД1 фазы газораспределения отличаются от приведенных на рис. 22 увеличением продолжительности открытия выпускного клапана до 300°. Это уменьшает потери воздуха при дросселировании через клапаны и улучшает очистку цилиндра. Мы видели, что впускной клапан начинает открываться еще до того, как закончится такт выпуска, т. е. до того, как поршень придет в верхнюю мертвую точку, а выпускной клапан закрывается после прохода поршнем этой точки, т. е. в начале такта впуска. Следовательно, в течение некоторого времени оба клапана находятся в открытом положении, процессы выпуска газов и впуска воздуха накладываются один на другой (перекрываются). Поэтому фаза, в которой одновременно открыты выпускной и впускной клапаны, называетсяперекрытием клапанов. Особенно полезно перекрытие клапанов в двигателе с наддувом. При наддуве за счет перекрытия клапанов осуществляется продувка воздухом, проходящим через цилиндры «транзитом». Это улучшает очистку цилиндра от газов, происходит некоторое охлаждение поверхности цилиндра, головки поршня и выпускных клапанов, работающих в напряженных температурных условиях. Перемешивание с воздухом отработавших газов приводит к понижению их температуры, облегчая условия работы лопаток турбины. Мы рассмотрели две фазы газораспределения — впуск и выпуск. Обычно на круговую диаграмму, иллюстрирующую эти важные фазы, наносят еще два полукруга, изображающих процессы сжатия и расширения, а также момент начала подачи топлива. Построение круговой диаграммы газораспределения двухтактных дизелей принципиально не отличается от построения круговой диаграммы четырехтактных дизелей, но учитывается, что процессы выпуска и наполнения в двухтактных дизелях протекают в течение части хода поршня за счет повышенного давления продувочного воздуха, а в четырехтактных дизелях в процессах газообмена участвует поршень, выталкивая газы или всасывая свежий воздух. Продолжительность выпуска и наполнения (от момента открытия выпускных органов до момента закрытия впускных) в четырехтактном дизеле Д50 соответствует 445° угла поворота коленчатого вала (50+180+ + 180+35), в двухтактном же дизеле 10Д100 этот угол составляет 120° (56+56+8).
Рис. 23 Круговая диаграмма газораспределения двухтактного дизеля 10Д100
На рис. 23 показана круговая диаграмма газораспределения дизеля 10Д100. Когда кривошип нижнего коленчатого вала не дойдет на 10° до положения, соответствующего в. м. т., начинается подача топлива, а после его сгорания через некоторый период начинается процесс расширения. После того как кривошип нижнего коленчатого вала пройдет на 124° от положения, соответствующего в. м. т., нижним поршнем начинают открываться выпускные окна. Свободный выпуск газов продолжается в течение 16° поворота нижнего коленчатого вала. После этого верхний поршень откроет продувочные окна. Начинается принудительный выпуск газов, продувка и наполнение цилиндра свежим воздухом. Выпускные окна нижним поршнем перекроются при проходе им 56° от н. м. т. Продувка закончится, но продувочные окна еще будут открыты в течение 8° поворота кривошипа, и в цилиндр будет поступать воздух (происходит дозарядка). Сжатие воздуха начнется после закрытия продувочных окон. Итак, в двухтактных и четырехтактных дизелях с воспламенением от сжатия рабочий процесс состоит из следующих процессов: впуск свежего воздуха; сжатие свежего воздуха; впрыск и горение топлива; расширение газов; выпуск отработавших газов.