Разделы

Авто
Бизнес
Болезни
Дом
Защита
Здоровье
Интернет
Компьютеры
Медицина
Науки
Обучение
Общество
Питание
Политика
Производство
Промышленность
Спорт
Техника
Экономика

Рабочие циклы двигателей внутреннего сгорания

 

Рабочий цикл двигателя — это комплекс последовательных процессов внутри цилиндра, в результате которых энергия топлива преобразуется в механическую работу.

Такт – это часть рабочего цикла, происходящая за время движения поршня от одной мертвой точки до другой, т. е. за один ход поршня.

Двигатели, в которых рабочий цикл совершается за два оборота коленчатого вала или за четыре хода поршня, называют четырехтактными. Двигатели, в которых рабочий цикл совершается за один оборот коленчатого вала или за два хода поршня, называют двухтактными.

Рабочий цикл карбюраторного четырехтактного двигателя состоит из последовательно происходящих тактов впуска, сжатия, расширения и выпуска.

Такт впуска (рис. 7,а). Поршень 6 движется от в.м.т. к н.м.т., создавая разрежение в полости цилиндра 3 над поршнем.

Рис. 7. Рабочий цикл одноцилиндрового четырехтактного карбюраторного

двигателя: а - такт впуска; б - такт сжатия; в - такт расширения; г - такт выпуска; 7 - впускной клапан; 2 - искровая свеча зажигания; 3 - цилиндр; 4 - шатун; 5 -коленчатый вал; 6 - поршень; 7 - выпускной клапан

 

Впускной клапан 1 открыт, и цилиндр через впускную трубу и карбюратор сообщается с атмосферой. Под действием разности давлений в атмосфере и цилиндре воздух, проходя через карбюратор, распыляет топливо и, смешиваясь с ним, образует горючую смесь. Цилиндр 3 заполняется горючей смесью после прихода поршня в н.м.т. К этому моменту времени впускной клапан закрывается. В начале такта впуска, когда поршень был в в.м.т., над поршнем в объеме камеры сжатия находились остаточные продукты сгорания от предыдущего цикла. Горючая смесь, заполняя цилиндр, перемешивается с остаточными газами и образует рабочую смесь. Давление в конце такта впуска 0,07...0,09 МПа, температура рабочей смеси 330...390 К.

Такт сжатия (рис. 7,б). При дальнейшем повороте коленчатого вала 5 поршень движется от н.м.т. к в.м.т. При этом впускной 1 и выпускной 7клапаны закрыты. Поршень в процессе движения сжимает находящуюся в цилиндре рабочую смесь. В такте сжатия составные части рабочей смеси хорошо перемешиваются и нагреваются. Давление в конце сжатия увеличивается до 0,9...1,2 МПа, а температура — до 500...700 К. В конце такта сжатия на электродах свечи 2 создается электрическая искра, от которой рабочая смесь воспламеняется. В процессе сгорания топлива выделяется большое количество теплоты, в результате чего температура газов повышается до 2700 К, а давление — до 3,0...4,5 МПа.

Такт расширения (рабочий ход) (рис. 7,в). Оба клапана закрыты. Под давлением расширяющихся газов поршень движется от в.м.т. к н.м.т. и через шатун 4 приводит во вращение коленчатый вал 5, совершая полезную работу. К концу рабочего хода давление уменьшается до 0,3...0,4 МПа, а температура — до 1200... 1500 К.

Такт выпуска (рис. 7,г). Когда поршень 6 подходит к н.м.т., открывается выпускной клапан 7 и отработавшие газы под действием избыточного давления начинают выходить из цилиндра в атмосферу через выпускную трубу. Далее поршень движется от н.м.т. к в.м.т. и выталкивает из цилиндра отработавшие газы. К концу такта выпуска давление в цилиндре составляет 0,11...0,12 МПа, а температура - 700... 1100 К. Далее рабочий цикл повторяется.

Рабочий цикл четырехтактного дизеля. В отличие от карбюраторного двигателя в цилиндр дизеля воздух и топливо вводятся раздельно.

Такт впуска (рис. 8,а). Поршень 5 движется от в.м.т. к н.м.т., впускной клапан 1 открыт. В цилиндр 4 под действием перепада давления в атмосфере и цилиндре поступает воздух, перемешиваясь с остаточными газами. Давление в конце такта 0,08...0,09 МПа, температура воздуха 320...340 К.

Такт сжатия (рис. 8,б). Оба клапана закрыты. Поршень 5 движется от н.м.т. к в.м.т., сжимая воздух. Вследствие большой степени сжатия (14...18) давление в конце этого такта достигает 3,5...4 МПа, а температура - 750...950 К (превышает температуру самовоспламенения топлива). При положении поршня, близком к в.м.т., в цилиндр через форсунку 2 впрыскивается жидкое топливо, подаваемое насосом 6 высокого давления. Форсунка обеспечивает тонкое распыление топлива в сжатом воздухе. Топливо, впрыснутое в цилиндр, смешивается с нагретым воздухом и остаточными газами, образуя рабочую смесь. Большая часть топлива воспламеняется и сгорает. Температура газов достигает 1900...2400 К, а давление - 5,5...9 МПа.

Такт расширения (рабочий ход) (рис. 8,в). Оба клапана закрыты. Поршень 5 под давлением расширяющихся газов движется от в.м.т. к н.м.т. и через шатун вращает коленчатый вал, совершая полезную работу. В начале такта сгорает остальная часть топлива. К концу рабочего хода давление газов уменьшается до 0,2...0,3 МПа, температура - до 900..1200 К.

Рис. 8. Рабочий цикл одноцилиндрового четырехтактного дизеля:

а - такт впуска; б - такт сжатия; в - такт расширения; г - такт выпуска; 1 - впускной клапан; 2 - форсунка; 3 - выпускной клапан; 4 - цилиндр; 5 - поршень; 6 - топливный насос высокого давления

 

Такт выпуска (рис. 8,г). Выпускной клапан 3 открывается. Поршень 5 движется от н.м.т. к в.м.т. и через открытый клапан выталкивает отработавшие газы из цилиндра в атмосферу. К концу такта давление газов 0,11...0,12 МПа, температура 650...900 К. Далее рабочий цикл повторяется.

В течение рабочего цикла описанных двигателей только при рабочем ходе поршень перемещается под давлением газов и посредством шатуна приводит во вращательное движение коленчатый вал. При выполнении остальных тактов (выпуска, впуска и сжатия) поршень нужно перемещать, вращая коленчатый вал. Это вспомогательные такты, которые осуществляются за счет кинетической энергии, накопленной маховиком во время рабочего хода. Маховик, обладающий значительной массой, крепят на конце коленчатого вала.

Рабочий цикл двухтактного карбюраторного двигателя. Наиболее часто применяют двухтактные карбюраторные двигатели с кривошипно-камерной продувкой. В стенке цилиндра двигателей этого типа выполнены три окна: впускное, продувочное и выпускное. Картер (кривошипная камера) двигателя непосредственно с атмосферой не сообщен. Впускное окно соединено с карбюратором, а продувочное — через канал с кривошипной камерой двигателя.

Рабочий цикл двухтактного карбюраторного двигателя происходит следующим образом. Поршень движется от н.м.т. к в.м.т., перекрывая в начале хода продувочное окно, а затем выпускное. После этого в цилиндре начинается сжатие находящейся в нем рабочей смеси. В то же время в кривошипной камере создается разрежение, и как только нижняя кромка поршня откроет впускное окно, через него из карбюратора в кривошипную камеру будет засасываться горючая смесь. При положении поршня, близком к в.м.т., сжатая рабочая смесь воспламеняется электрической искрой от свечи. При сгорании смеси давление газов резко возрастает. Под давлением газов поршень перемещается к н.м.т. Как только он закроет впускное окно, в кривошипной камере начинается сжатие ранее поступившей сюда горючей смеси.

В конце хода поршень открывает выпускное, а затем и продувочное окно. Через открытое выпускное окно отработавшие газы с большой скоростью выходят в атмосферу. Давление газов в цилиндре падает. 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 поступает в цилиндр и, заполняя его, выталкивает остатки отработавших газов через выпускное окно наружу. В дальнейшем все процессы повторяются в той же последовательности.

Рабочий цикл двухтактного дизеля аналогичен рабочему циклу двухтактного карбюраторного двигателя, отличаясь лишь тем, что в цилиндр поступает не горючая смесь, а чистый воздух от специального нагнетателя и в конце процесса сжатия впрыскивается топливо, которое воспламеняется от соприкосновения с воздухом, имеющим высокую температуру.

Сравнение показателей дизелей и карбюраторных двигателей. Дизель по сравнению с карбюраторным двигателем имеет следующие преимущества: для выполнения единицы работы расходуется в среднем на 25...30% (по массе) меньше топлива; используемое топливо дешевле и менее огнеопасно. Хорошие экономические показатели дизелей обеспечили им широкое применение. Однако вследствие более высокого давления газов в цилиндре дизеля некоторые детали его должны быть повышенной прочности, что приводит к увеличению размеров и массы дизеля. Пуск его затруднен, особенно в зимнее время. Двухтактные двигатели (особенно карбюраторные) менее экономичны, чем четырехтактные. Наиболее неэкономичны двухтактные карбюраторные двигатели, в которых цилиндры продувают горючей смесью.

В действительном цикле поршневого двигателя процессы протекают с дополнительными потерями теплоты за счет теплоотдачи стенкам; параметры газа при сжатии и расширении изменяются по закону политропы, имеют место химическая неполнота сгорания топлива и утечка заряда из-за неполной герметичности цилиндра. В реальном двигателе за счет опережения зажигания или впрыскивания топлива рабочая смесь воспламеняется до прихода поршня в в.м.т.; при этом давление в конце процесса сжатия повышается. Большое значение имеют углы опережения открытия и запаздывания закрытия клапанов, которые отражает диаграмма фаз газораспределения. Процесс реального сгорания происходит при изменяющемся объеме, а выпускной клапан открывается до прихода поршня в н.м.т.; при этом снижается давление в конце расширения. Все это необходимо учитывать при рассмотрении действительного цикла, параметров газа и коэффициентов полезного действия.

Действительные циклы удобно рассматривать с помощью индикаторной диаграммы (рис. 9). Индикаторная диаграмма — это графическое изображение процессов в координатах «давление р - объем V» («свернутая» диаграмма).

Рис. 9. Схема, индикаторная диаграмма (а) и диаграмма фаз газораспределения (б) четырехтактного карбюраторного двигателя: 1 - карбюратор; 2 - впускной клапан; 3 - свеча зажигания; 4 - выпускной клапан

 

Основные процессы в действительном цикле: сжатие, сгорание и расширение. Они общие для двух- и четырехтактных двигателей. В указанных двигателях процессы газообмена (основной) или зарядки и очистки цилиндров (вспомогательные) существенно различаются, поэтому их рассматривают раздельно. Индикаторная диаграмма может быть использована в целях диагностирования рабочего цикла.

Действительный цикл четырехтактного карбюраторного двигателя. Рассмотрим схему, индикаторную диаграмму в рV-координатах (рис. 9,а) и диаграмму фаз газораспределения (рис. 9,б) четырехтактного карбюраторного двигателя. Для наглядности и лучшего понимания процессов цикла в рV-координатах их продолжительность отмечена и на диаграмме фаз газораспределения.

Процесс впуска горючей смеси теоретически проходит от точки г до точки а. Фактически он начинается в точке А, соответствующей началу открытия впускного клапана, и заканчивается после н.м.т. в точке Б. Это необходимо для дозарядки цилиндра горючей смесью за счет использования инерции массы заряда, поступающего с большой скоростью через систему впуска. Горючая смесь в цилиндре двигателя смешивается с остаточными газами и образует рабочую смесь. Она сжимается по политропному процессу: рс =paεn1.

Процесс сжатия происходит от точки а до точки С. В конце сжатия рабочая смесь с некоторым опережением по отношению к в.м.т. (точка В) зажигается искрой от свечи зажигания. Пламя от очага воспламенения распространяется по всему объему камеры сгорания с большой скоростью (30...50 м/с), обеспечивая выделение теплоты вблизи в.м.т. При этом давление и температура газов существенно возрастают. Процесс сгорания происходит от точки В до точки z'. Продолжительность процесса сгорания соответствует углу поворота коленчатого вала 30...40°; при этом резко повышаются давление и температура.

В процессе расширения газы совершают полезную работу; давление и температура их понижаются по закону политропы: 2. К моменту открытия выпускного клапана (точка Г) давление газов в цилиндре больше давления окружающей среды. Поэтому в начальной стадии выпуска отработавшие газы выходят из цилиндра со скоростью до 500 м/с, что в 1,5 раза больше скорости звука, а после н.м.т. выталкиваются поршнем.

Процесс выпуска (очистки цилиндра) отработавших газов (линия ГАгД) заканчивается к моменту закрытия выпускного клапана (точка Д). На рис.9 изображена индикаторная диаграмма, характеризующая протекание действительного цикла четырехтактного карбюраторного двигателя при нормальных его регулировках и техническом состоянии. Вид диаграммы может существенно измениться при нарушении регулировок состава смеси и опережения зажигания, применении бензиновых топлив с низкой детонационной стойкостью и по другим причинам.

Действительный цикл четырехтактного дизеля со свободным впуском без наддува (рис. 10).

Рис. 10. Схема, индикаторная диаграмма (а) и диаграмма фаз

газораспределения (б) четырехтактного дизеля со свободным впуском:

1 - впускной клапан; 2 - форсунка; 3 - выпускной клапан

 

Процесс впуска: при открытии впускного клапана (рис. 10,а, участок АгДаБ) в цилиндр поступает чистый воздух.

Процесс сжатия происходит по политропе рс =paεn1 (участок БС). Точкой В отмечен момент начала впрыскивания топлива в пространство сжатия. Далее происходят перемешивание распыленного топлива с воздухом, нагревание его, испарение, химические преобразования и воспламенение за счет высокой температуры сжатого воздуха.

Процесс сгораниятоплива сначала сопровождается резким повышением давления и температуры (участок Cz’). Затем на участке z’z происходит дальнейшее повышение температуры при сравнительно незначительном изменении давления. Параметры сгорания существенно зависят от степени сжатия, физико-химических свойств топлива, состава смеси, угла опережения впрыскивания топлива, характера топливоподачи, интенсивности завихрения и других факторов.

Процесс расширения происходит после сгорания по политропе рb =pzδn2, которое заканчивается в момент открытия выпускного клапана (точка Г). Выпуск отработавших газов соответствует участку ГАгД на диаграмме.

Процесс выпуска отражен на диаграмме линией ГАгД. Здесь газы выходят из цилиндра с большой скоростью за счет перепада давлений (участок Гb), а затем поршень выталкивает оставшиеся газы (участок bг). Степень сжатия, определяемую выражением ε= (Vh + Vc)/Vc, называют геометрической. Для оценки параметров цикла наряду с геометрической степенью сжатия используют и действительную εд, которая меньше геометрической. Величину εд определяют как отношение объема полости цилиндра в момент закрытия клапанов механизма газораспределения к оставшемуся объему цилиндра. Обычно при расчете параметров конца сжатия на пусковых режимах используют значение εд, определяемое по формуле εд = (Vh + Vc)/Vc, где Vh - рабочий объем цилиндра при положении поршня в момент закрытия впускного клапана (точка Б на рис. 9 и рис. 10).

Дата публикации:2014-01-23

Просмотров:1632

Вернуться в оглавление:

Комментария пока нет...


Имя* (по-русски):
Почта* (e-mail):Не публикуется
Ответить (до 1000 символов):







 

2012-2018 lekcion.ru. За поставленную ссылку спасибо.