Рабочие циклы дизелей

Поршень в цилиндре дизеля 10Д100 при частоте вращения коленчатого вала, равной 850 об/мин, делает за минуту 1700, а за секунду — больше 28 перемещений сверху вниз и снизу вверх. Примерно тридцатая доля секунды дана поршню на один ход. Если подсчитать путь, пройденный поршнем, то он может оказаться равным 200 км за 8 ч работы, а ведь тепловоз может находиться в движении почти 24 ч в сутки. Если какие-либо явления последовательно и периодически повторяются, следуя друг за другом, это называетсяциклом. Например, цикл составляет смена времен года, смена дня и ночи и т. д. Аналогично этому в тепловых машинах также происходят циклические (круговые) процессы. Проследив за процессами, происходящими в цилиндре работающего дизеля,  можно заметить,    что    работа поршня слагается из чередующихся процессов: 1) впуск воздуха; 2) сжатие воздуха; 3) горение впрыснутого топлива, образование газообразных продуктов горения и их расширение; 4) выпуск отработавших газов.Комплекс последовательных процессов, периодически повторяющихся в каждом рабочем цилиндре, называетсярабочим циклом двигателя.

Рис. 18 Схематичное изображение рабочих ходов в дизелях

Как бы ни были разнообразны конструкции дизелей, но упомянутые процессы имеют место в каждом из них. Разница только в том, что в одних дизелях весь рабочий цикл совершается за один оборот коленчатого вала, а в других — за два оборота, т. е. соответственно за два хода (такта) поршня (эти двигатели принято называтьдвухтактными) и за четыре хода (такта) поршня (эти двигатели принято называть четырехтактными). Таким образом, такт — это часть рабочего цикла. Рабочим, так сказать, «мускульным» тактом во всех двигателях внутреннего сгорания является расширение продуктов сгорания топлива в цилиндре. Именно во время этого такта развивается сила, перемещающая поршень. Поэтому такт расширения называют рабочим ходом поршня. Этот такт является движущим началом остальных нерабочих тактов, совершающихся за счет накопленной при рабочем такте энергии. На каждый рабочий ход приходится в двухтактном двигателе один нерабочий ход, а в четырехтактном — три нерабочих хода (рис. 18). На тепловозах применяются и конкурируют между собой двухтактные и четырехтактные   дизели.

Рис. 19. Схема работы четырехтактного дизеля

Четырехтактный дизель. Первый такт — впуск воздуха (рис. 19). При движении поршня от верхней мертвой точки к нижней (допустим, что поршень движется благодаря вращению коленчатого вала по инерции) под действием специального механизма открыт впускной клапан, давая, таким образом, доступ воздуху в цилиндр; выпускной клапан закрыт. Второй такт — сжатие. Пройдя нижнюю мертвую точку, поршень, приводимый в движение коленчатым валом, начинает перемещаться вверх: объем цилиндра уменьшается. Так как оба клапана — впускной и выпускной — в это время закрыты, то поршень сжимает воздух, заполнивший цилиндр. Когда поршень находится около в. м. т., воздух оказывается сжатым до давления 2,94 — 4,9 МПа (30—50 кгс/см2). Этот такт поэтому и называется тактом сжатия. От такого   сжатия   температура   воздуха в   цилиндре   дизеля     повышается   до 500 - 600°С. Третий такт — расширение газа. При подходе поршня к верхней мертвой точке в цилиндр через форсунку впрыскивается порция топлива. Давление впрыска топлива (не путать с давлением газов!), доходящее до 98 МПа (1000 кгс/см2), создается топливным насосом (на схеме не показан). В цилиндре происходит перемешивание топлива со сжатым воздухом и самовоспламенение. Процесс горения топлива сопровождается ростом температуры и давления газов. При сгорании топлива температура газов в цилиндре достигает 1500 — 1800° С, а давление повышается (в зависимости от конструкции и мощности дизеля) до 4,9 — 11,7 МПа (50— 120 кгс/см2). Под действием высокого давления газов поршень перемещается к нижней мертвой точке, а продукты сгорания топлива расширяются. Как уже указывалось, этот третий такт является рабочим ходом поршня потому, что только при этом ходе поршень совершает полезную работу. Температура и давление газов после расширения значительно понижаются. В третьем такте так же, как и во втором, впускной и выпускной клапаны   закрыты. Четвертый такт — выпуск газов. В конце третьего такта открывается выпускной клапан и начинается выход отработавших газов в коллектор. При обратном движении поршня вверх объем цилиндра уменьшается, газы поршнем выталкиваются через открытый выпускной клапан. Процесс выпуска отработавших газов, т. е. очистки цилиндра для последующего впуска воздуха, заканчивается несколько позже того, как поршень пройдет верхнюю мертвую точку. Для чего это делается, мы скоро узнаем, а пока отметим, что четвертый такт является замыкающим в цикле; после него все такты повторяются сначала:  1)  впуск, 2)  сжатие, 3)  расширение, 4) выпуск и т. д. Итак, в четырехтактном дизеле рабочий цикл осуществляется за четыре хода (такта)   поршня. Хорошо ли, что в четырехтактном дизеле только один из тактов — расширение — является рабочим, а три— подготовительными? И да, и нет. Хорошо потому, что цилиндры двигателя тщательно очищаются от отработавших газов. Плохо потому, что на один рабочий такт приходятся три вспомогательных такта, во время которых двигатель не производит работу. Следовательно, в четырехтактных дизелях около 3/4 времени цикла затрачивается на вспомогательные операции — впуск, сжатие и выпуск. Нельзя ли сократить это время, уменьшить продолжительность рабочего цикла?

Двухтактный дизель. Изучая процессы, происходящие в работающем дизеле, конструкторы пришли к выводу, что рабочий цикл дизеля можно осуществить и за два хода поршня: при воспламенении и сгорании топлива поршень совершает один ход сверху вниз (рис. 20, а), следующий, обратный ход поршня используется для сжатия новой порции воздуха (рис. 20, б). Для остальных двух процессов отводится гораздо меньше времени, чем раньше: очистка цилиндра и заполнение его воздухом происходят в период, когда поршень находится вблизи н. м. т.

Рис. 20. Схема работы двухтактного двигателя

Двухтактный дизель так же, как и четырехтактный, имеет цилиндр, поршень, шатунно-кривошипный механизм. У двухтактных дизелей типа Д100 нет клапанов: впуск и выпуск осуществляются не через отверстия в крышке цилиндра, открываемые клапанами, а через специальные окна (щели) в стенке цилиндра (см. рис. 20, б), которые закрываются и открываются самим поршнем во время его перемещения в цилиндре. Поршень двухтактного дизеля сам выполняет функции клапанов. Но, как бы в награду за этот труд, поршень в двухтактном дизеле практически не производит работы по выталкиванию отработавших газов и созданию разрежения в цилиндре двигателя внутреннего сгорания. Вот как это достигается. В конце рабочего хода, когда поршень приближается к н.м.т., он сначала открываетвыпускные (в нашем случае более высокие) окна, через которые и устремляются отработавшие газы ввыпускной коллектор; давление в цилиндре начинает падать. Еще через мгновенье поршень, продолжая двигаться вниз, открывает более низкие продувочные окна, сквозь которые в цилиндр врывается струя сжатого воздуха, подаваемого воздуходувкой. Сжатый воздух выталкивает газы через выпускные окна в атмосферу и заполняет объем цилиндра, частично проходя через него «транзитом». Выпуск газов происходит в тот очень короткий промежуток времени, пока окна не перекроет поршень при своем движении вверх от нижней мертвой точки. При этом закрываются продувочные окна, а затем выпускные. После того как поршень перекроет окна, начнется процесс сжатия воздуха. Процесс очистки цилиндра от отработавших газов и наполнения его чистым воздухом получил названиепродувки.