Рабочий процесс четырехтактного дизельного двигателя – Урок 5 Рабочий цикл четырехтактного дизельного двигателя. Работа четырехтактных многоцилиндровых двигателей

Рабочий цикл четырехтактного дизельного двигателя

Рабочий цикл авто с дизельным двигателем отличается тем, что при такте впуска в цилиндр двигателя поступает очищенный  воздух, а не горючая смесь, как в карбюраторном двигателе.

Первый такт — впуск.

Поршень перемещается от ВМТ к НМТ, через открытый впускной клапан в цилиндр поступает очищенный воздух (из-за разрежения, создаваемого поршнем). Воздух перемешивается с небольшим количеством оставшихся от предыдущего цикла отработавших газов, температура повышается и в конце такта впуска достигает 300—320 К, а давление  0.08—0.09 МПа. Коэффициент наполнения цилиндра 0,9 и выше, т. е. больше, чем у карбюраторного двигателя.

Рабочий цикл ДВС

Работа четырехтактного одноцилиндрового дизельного  двигателя:

а — впуск воздуха; б — сжатие; в — рабочий ход; г — выпуск отработавших газов; 1— цилиндр; 2 — топливный насос, 3 — поршень: 4 — форсунка, 5 — впускной клапан, 6 — выпускной клапан

Второй такт — сжатие.

Поршень движется от НМТ к ВМТ, впускной и выпускной клапаны закрыты. Давление и температура воздуха увеличиваются и в конце такта составляют соответственно 3—5 МПа и 800—900 К. Степень сжатия регламентируется исправностью деталей КШМ и равна 17—21.

Третий такт — рабочий ход.

В конце такта сжатия (20—30 градусов угла поворота коленчатого вала ло прихода поршня в ВМТ) с помощью насоса через форсунку в цилиндр под высоким давлением (15—20 МПа) в мелкораспыленном виде впрыскивается порция топлива. Топливо от соприкосновения с нагретым воздухом испаряется, его пары перемешиваются с нагретым воздухом и воспламеняются. При сгорании топлива, вследствие подвода большого количества теплоты, резко увеличиваются лишение и температура образовавшихся газов. В начале такта расширения давление газов составляет 7—8 МПа. а температура 2100—2300 К. Под действием давления поршень перемешается от ВМТ к НМТ, совершая полезную работу. Объем цилиндра увеличивается, давление и температура газов снижаются и при подходе поршня к НМТ составляют 0,2-0,4 МПа .

Четвертый такт — выпуск.

Поршень перемещается от НМТ к ВМТ. Через открытый выпускной клапан отработавшие газы выталкиваются через выпускной трубопровод в окружающую среду. В конце такта выпуска давление газов равно 0,11 -0,12 МПа, температура 850—1200.  После этого рабочий цикл дизеля повторяется.
В двухтактных двигателях время, отводимое на рабочий цикл, используется более полно, так как процессы выпуска и впуска совмещены по времени с процессами сжатия и рабочего хода. Рабочий цикл происходит за 360 градусов (один оборот коленчатого вала).

При движении поршня от ВМТ к НМТ одновременно происходят процессы расширения и выпуска с продувкой цилиндра, а при обратном движении от НМТ к ВМ1 впуск и сжатие. Изменения параметров цикла (давление и температура) соответствуют изменениям параметров четырехтактного двигателя.

Сравнение рабочих циклов четырех- , двухтактных двигателей показывает, что при одинаковых размерах цилиндра и частоте вращения коленчатого вала мощность двухтактных двигателей выше в 1.5—1,7 раза. Он проще по конструкции и компактнее.
К недостаткам двухтактного двигателя следует отнести ограниченное время газообмена, что ухудшает очистку цилиндра от отработавших газов, увеличивает потери части свежею заряда, снижает экономичность.

Работа дизельного двигателя, подробнее

Рабочий процесс четырехтактного дизеля.

Такт впуска (рис. 4,а). При движении поршня от в. м. т. к в. м. т. над ним создается разрежение. Через впускное отверстие, открытое клапаном еще до прихода поршня в в. м. т., в цилиндр поступает воздух, предварительно очищенный в воздухоочистителе. После перехода поршнем н. м. т. клапан закрывает впускное от­верстие. Давление в конце такта впуска — 0,08 — 0,09 МПа, темпера­тура воздуха 50…70°С.

Такт сжатия (рис.4,б). Поршень движется от н. м. т. к в. м. т., при этом оба клапана закрыты. Происходит сжатие воздуха примерно в 14… 17 раз (Е = 14… 17), в результате чего давление воздуха в конце такта достигает 3,5-.4,0 МПа, температура– 510-680°С.

В конце такта сжатия при положении поршня, близком к в. м. т., в камеру сгорания, где находится сжатый и нагретый воздух, через форсунку под большим давлением впрыскивается тонко распылен­ное топливо. Оно самовоспламеняется и большая часть его сгора­ет. Давление газов повышается до 5,5…9,0 МПа, температура– до 1630…2130°С.

Такт расширения (рабочий ход) (рис.4,в). Оба клапана закрыты. Поршень движется от в. м. т. к н. м. т.. К концу такта расширения давление падает до 0,3…0,5 МПа, температура–до 630…930°С.

Рисунок 4. Схема рабочего процесса четырехтактного дизеля.

а – впуск, б – сжатие, в – расширение, г — выпуск

Такт выпуска (рис.4,г). Когда поршень подходит к н. м. т., выпускной клапан открывается. Поршень, двигаясь от н. м. т. к в. м. т., выталкивает отработавшие газы через отверстие, открытое клапаном, в атмосферу. В конце такта давление газов–0,11…0,12 МПа, температура-430…580 С.

Мощностные и экономические

ПОКАЗАТЕЛИ РАБОТЫ ДВИГАТЕЛЯ

Мощность – это отношение работы к интервалу времени ее совершения.

Индикаторная мощность (Ni) — это работа, совершаемая газами внутри цилиндра двигателя в единицу времени.

Эффективная (полезная) мощность (Ne) — это разность между индикаторной мощностью и мощностью трения.

Эффективную мощность можно определить также и по следую­щей формуле:

где момент силы (крутящий моменг) на валу двигателя, определяемый при испытании двигателя на тормозном стенде, Н • м; п — частота вращения коленчатого вала, об/мин.

Механический коэффициент полезного действия – это отношение эффективной мощности к индикаторной:

Мощность двигателя зависит от давления газов в цилиндре двигателя, от литража двигателя, частоты вращения коленчатого вала двигателя и его тактности. Для каждого двигателя она не­постоянна и главным образом зависит от изменения частоты вра­щения коленчатого вала и количества подаваемого за цикл топлива.

Номинальная мощность – это назначаемая предприятием-изготовителем эффективная мощность дизеля при номинальной частоте вращения, полной подаче топлива и стандартных атмосферных условиях, температуре и плотности топлива. Работа двигателя на номинальном режиме наиболее экономична.

Удельный расход топлива–один

из главных параметров, опре­деляющих экономичность работы двигателя:

где –часовой расход топлива, кг/ч.

В современных дизелях удельный расход топлива составляет 230…250 г/кВт-ч. Экономичность–основное преимущество дизелей по сравнению с карбюраторными двигателями. Удельный расход топлива увеличивается, если двигатель работает с недогрузкой, т. е. не использует полностью свою эффективную мощность. Поэтому нужно загружать двигатель до мощности, близкой к номинальной.

Экономичность работы двигателя зависит также от степени использования теплоты, выделившейся при сгорании топлива. Чем ее больше преобразуется в работу, тем экономичнее двигатель. Большая часть теплоты (20…30%) отводится системой охлаждения и отработавшими газами (25…35%). Имеются и другие потери энергии топлива. Только 32…40% теплоты превращается в полезную работу.

Ход выполнения работы:

1. Ознакомление с устройством, классификацией и рабочим процессом ДВС.

2. Изучение основных понятий и определений рабочего процесса четырехтактного карбюраторного и дизельного двигателя.

3. Ознакомление с мощностными и экономическими показателям ДВС.

Оформление отчета

Отчет

по лабораторной работе № 2

«Устройство и принцип работы двигателя внутреннего сгорания»

1.Цель работы: …

2.Оборудование, приспособления, инструмент: …

3. Классификация ДВС, основные понятия и определения

4. Схема рабочего процесса четырехтактного дизеля

Рабочие процессы четырехтактного дизеля

Категория:

   Тракторы

Публикация:

   Рабочие процессы четырехтактного дизеля

Читать далее:



Рабочие процессы четырехтактного дизеля

Для того чтобы топливо смогло сгореть внутри двигателя, его нужно хорошо перемешать с воздухом, а затем нагреть до такой температуры, чтобы оно само загорелось, или зажечь его от постороннего источника, например электрической искры.

Топливо с воздухом может смешиваться непосредственно в камере сгорания двигателя или вне двигателя.

Двигатели, у которых смесеобразование и нагрев до температуры самовоспламенения осуществляются в камере сгорания, называются двигателями внутреннего сгорания с внутренним смесеобразованием, или дизелями (в честь изобретателя — инженера Рудольфа Дизеля).

Рекламные предложения на основе ваших интересов:

Двигатели же второго типа называют двигателями внутреннего сгорания с внешним смесеобразованием, или карбюраторными (по названию прибора — карбюратора, в котором воздух смешивается с топливом). Топливо у этих двигателей воспламеняется электрической искрой.

Превращение химической энергии топлива в тепловую, а затем в механическую происходит за ряд последовательно и периодически повторяющихся процессов — тактов*, образующих так называемый рабочий цикл.

Если рабочий цикл у двигателя происходит за два оборота коленчатого вала, в течение которых поршень совершает четыре хода (такта), то такой двигатель называется четырехтактным.

Чередование тактов у четырехтактного дизеля происходит в такой последовательности.

Такт впуска. При помощи постороннего источника энергии, например электрического двигателя (электростартера), вращают коленчатый вал дизеля и поршень его начинает двигаться от в. м.т. к н. м.т. (рис. 5, а). Объем над поршнем увеличивается, вследствие чего давление падает до 75…90 кПа. Одновременно с началом движения поршня клапан открывает впускной канал, по которому воздух, пройдя через воздухоочиститель, поступает в цилиндр с температурой в конце впуска 30…50 °С. Когда поршень доходит до н. м. т., впускной клапан закрывает канал и подача воздуха прекращается**.

Такт сжатия. При дальнейшем вращении коленчатого вала поршень начинает двигаться вверх (см. рис. 5, б) и сжимать воздух. Оба канала при этом закрыты клапанами. Давление воздуха в конце хода достигает 3,5… 4,0 МПа, а температура — 600…700 °С.

Рабочий ход (такт расширения). В конце такта сжатия при положении поршня, близком к в. м. т., в цилиндр через форсунку (рис. 5, в) впрыскивается мелкораспыленное топливо, которое, смешиваясь с сильно нагретым воздухом и газами, частично оставшимися в цилиндре после предыдущего процесс^, воспламеняется и сгорает. Давление газов в цилиндре при этом повышается до 6,0…8,0 МПа, а температура — до 1800…2000 °С. Так как при этом оба канала остаются закрытыми, расширяющиеся газы давят на поршень, а он, перемещаясь, вниз, через шатун поворачивает коленчатый вал.

Такт выпуска. Когда поршень подходит к н. м. т., второй клапан открывает выпускной канал и газы из цилиндра выходят в атмосферу (см. рис. 5, г). При этом поршень под действием энергии, накопленной за рабочий ход маховиком, перемещается вверх и внутренняя полость цилиндра очищается от отработавших газов. Давление газов в конце такта выпуска составляет 105… 120 кПа, а температура — 600…700 °С.

Рис. 5. Схема рабочего процесса четырехтактного дизеля: а — впуск; б — сжатие; в — рабочий ход; г — выпуск.

После такта выпуска рабочий процесс начинает повторяться, т. е. следующим тактом опять будет впуск, затем сжатие и т. д. в течение всей работы двигателя.

Рекламные предложения:


Читать далее: Рабочие процессы двухтактного карбюраторного двигателя

Категория: — Тракторы

Главная → Справочник → Статьи → Форум


Билет 3

1. Рабочий процесс четырехтактного двигателя: карбюраторного и дизеля. Параметры тактов рабочего процесса. Индикаторная диаграмма.

Рабочим циклом двигателя назы­вается периодически повторяющийся ряд последовательных процессов, протекающих в каждом цилиндре двигателя и обусловливающих прев­ращение тепловой энергии в механи­ческую работу.

Если рабочий цикл совершается за два хода поршня, т. е. за один оборот коленчатого вала, то такой двигатель называется двухтакт­ным. В настоящее время двухтакт­ные двигатели на автомобилях не применяют, а используют лишь на мотоциклах и как пусковые двигате­ли на тракторах. Это связано прежде всего с тем, что они имеют сравни­тельно высокий расход топлива и не­достаточное наполнение горючей сме­си из-за плохой очистки цилиндров от отработавших газов.

Автомобильные двигатели рабо­тают, как правило, по четырех­тактному циклу, который со­вершается за два оборота коленча­того вала или четыре хода поршня и состоит из тактов впуска, сжатия, расширения и выпуска.

В карбюраторном четырехтактном одноцилиндровом двигателе (рис. 1.3) рабочий цикл происходит сле­дующим образом.

Такт впуска (рис. 1.3, а). Поршень 1 находится в в.м.т. и по мере вращения коленчатого вала 9 (за один его полуоборот) перемещается от в.м.т. к н.м.т. При этом впускной клапан 4 открыт, а выпускной клапан 6 закрыт. При движении поршня вниз объем над ним увеличивается, поэтому в цилиндре 2 создается разряжение, равное 0,07—0,095 МПа, в результате чего свежий заряд горючей смеси, состоящей из паров бензина и воздуха, засасывается через впускной трубопровод 3 в цилиндр. От соприкосновения свежего заряда с нагретыми деталями в конце такта впуска он имеет температуру 75—125°С. Степень заполнения цилиндра свежим зарядом характеризуется коэффициентом наполнения, который для высокооборотных карбюраторных двигателей находится в пределах 0,65—0,75. Чем выше коэффициент наполнения, тем большую мощность развивает двигатель.

Такт сжатия (рис. 1.3,6). После заполнения цилиндра горючей смесью при дальнейшем вращении коленчатого вала поршень перемещается от н.м.т. к в.м.т. Впускной клапан 4 закрывается, а выпускной 6 закрыт. По мере сжатия горючей смеси температура и давление ее

повышаются. В зависимости от степени сжатия давление в конце такта сжатия может составлять 0,8—1,5 МПа, а температура газов 300—450 °С.

Такт расширения, или рабочий ход (рис. 1.3,0). В конце такта сжатия горючая смесь воспламеняется от электрической искры, возникающей между электродами свечи 5, и быстро сгорает, в результате чего температура и давление образующихся газов резко возрастают, поршень при этом перемещается от в.м.т. к н.м.т. Максимальное давление газов на поршень при сгорании для карбюраторных двигателей находится в пределах 3,5—5 МПа, а температура газов 2100—2400 °С

При такте расширения шарнирно связанный с поршнем шатун 8 совершает сложное движение и через кривошип передает вращение коленчатому валу. При расширении газы совершают полезную работу, поэтому ход поршня при этом такте коленчатого вала называют рабочим ходом. В конце рабочего хода поршня давление в цилиндре снижается до 0,3—0,75 МПа, а температура — до 900—1200 °С.

Такт выпуска (рис. 1.3, г). Коленчатый вал 9 через шатун перемещает поршень от н.м.т. к в.м.т. При этом выпускной клапан 6 открыт и продукты сгорания выталкиваются из цилиндра в атмосферу через выпускной трубопровод 7. В начале процесса выпуска продуктов сгорания давление в цилиндре значительно выше атмосферного, но к концу такта оно падает до 0,105—0,120 МПа, а температура газов в начале такта выпуска составляет 750—900 °С, понижаясь к его концу до 500—600 °С. Полностью очистить цилиндры двигателя от продуктов сгорания практически невозможно (слишком мало времени), поэтому при последующем впуске свежей горючей смеси она перемешивается с остаточными отработавшими газами и называется рабочей смесью,

Коэффициент остаточных газов характеризует степень загрязнения свежего заряда отработавшими газами и представляет собой отношение массы продуктов сгорания, оставшихся в цилиндре, к массе свежей горючей смеси. Для современных карбюраторных двигателей коэффициент остаточных газов находится в пределах 0,06—0,12. По отношению к рабочему ходу такты впуска, сжатия и выпуска являются вспомогательными. Рабочие циклы четырехтактного дизеля и карбюраторного двигателя существенно различаются по способу смесеобразования и воспламенения

рабочей смеси. Основное отличие состоит в том, что в цилиндр дизеля при такте впуска поступает не горючая смесь, а воздух, который из-за большой степени сжатия нагревается до высокой температуры, а затем в него впрыскивается мелкораспыленное топливо, которое под действием высокой температуры воздуха самовоспламеняется.

В четырехтактном дизеле (рис. 1.4) рабочие процессы происходят следующим образом.

Такт впуска (рис. 1.4, а). При движении поршня 2 от в.м.т. к н.м.т. вследствие образующегося разряжения из воздухоочистителя 4 в полость цилиндра 7 через открытый впускной клапан 5 поступает атмосферный воздух. Давление воздуха в цилиндре составляет 0,08—0,95 МПа, а температура 40—60 °С.

Такт сжатия (рис. 1.4, б). Поршень движется от н.м.т. к в.м.т. Впускной 5 и выпускной 6 клапаны закрыты, вследствие этого перемещающийся вверх поршень 2 сжимает имеющийся в цилиндре воздух. Для воспламенения топлива необходимо, чтобы температура сжатого воздуха была выше температуры самовоспламенения топлива. Из-за высокой степени сжатия температура воздуха достигает 550—700 °С при давлении воздуха внутри цилиндра 4,0—5,0 МПа.

Такт расширения, или рабочий ход (рис. 1.4, в). При подходе поршня к в.м.т. в цилиндр через форсунку 3 впрыскивается дизельное топливо, подаваемое топливным насосом /. Впрыснутое топливо, перемешиваясь с нагретым воздухом, самовоспламеняется и начинается процесс сгорания, характеризующийся быстрым повышением температуры и давления. При этом максимальное давление газов достигает 6—9 МПа, а температура 1800—2000 °С. Под действием давления газов поршень 2 перемещается от в.м.т. к н.м.т. Происходит рабочий ход. Около н.м.т. давление снижается до 0,3—0,5 МПа, а температура —до 700—900 °С.

Такт выпуска (рис. 1.4, г). Поршень перемещается от н.м.т. к в.м.т. и через открытый выпускной клапан в отработавшие газы выталкиваются из цилиндра. Давление газа снижается до 0,11—0,12 МПа, а температура — до 500—700 °С. После окончания такта выпуска при дальнейшем вращении коленчатого вала рабочий цикл повторяется в той же последовательности, Показатели работы двигателя. Работа, совершаемая газами в единицу времени внутри цилиндра двигателя, называется индикаторной мощностью.

Мощность, получаемая на колен­чатом валу двигателя, называется эффективной мощностью. Она меньше индикаторной на зна­чение мощности, затрачиваемой на насосные потери и на трение в кривошипно-шатунном и газораспредели­тельном механизмах двигателя, а также на * приведение в действие вентилятора, жидкостного насоса и других вспомогательных устройств.

Таким образом, эффективная мощ­ность меньше, чем индикаторная мощность, из-за механических потерь, расходуемых в механизмах и системах двигателя. На основании этого механическим к.п.д. (коэффициентом полезного дейст­вия) двигателя называют отношение эффективной мощности к индикатор­ной.

Механический к.п.д. карбюратор­ных двигателей составляет 0,70— 0,85, а дизелей — 0,73—0,87.

Мощностные показатели двигате­ля в значительной мере определя­ются количеством теплоты, превра­щенным в полезную работу. Сте­пень использования теплоты, вве­денной в двигатель с топливом, оценивают эффективным к.п.д. г|е, который представляет собой от­ношение количества теплоты Qe, превращенной в эффективную рабо­ту, к количеству теплоты Qt, выде­лившейся в результате сгорания топлива, T|e = Qe/Q/.

Для карбюраторных двигателей т]е = 0,23-^0,30, для дизелей т)е = =0,28 -=- 0,40.

К показателям, характеризующим топливную экономичность двигателя, относятся расходы топлива. Часо­вой расход топлива G^ показы­вает количество топлива в килограм­мах, потребляемое двигателем на данном режиме работы за 1 ч. Для оценки экономичности двигателя обычно пользуются эффектив­ным удельным, расходом топлива ge, представляющим собой отношение часового расхода топлива GT к эффективной мощности двига­теля jVe: ge=GT//Ve.

Для карбюраторных двигателей ge = 300-f-340 г/(кВт-ч), для дизе­лей £е = 220-т-260 г/(кВт-ч).

карбюраторного и дизеля. Параметры тактов рабочего процесса. Индикаторная диаграмма.

Рабочим циклом двигателя назы­вается периодически повторяющийся ряд последовательных процессов, протекающих в каждом цилиндре двигателя и обусловливающих прев­ращение тепловой энергии в механи­ческую работу.

Если рабочий цикл совершается за два хода поршня, т. е. за один оборот коленчатого вала, то такой двигатель называется двухтакт­ным. В настоящее время двухтакт­ные двигатели на автомобилях не применяют, а используют лишь на мотоциклах и как пусковые двигате­ли на тракторах. Это связано прежде всего с тем, что они имеют сравни­тельно высокий расход топлива и не­достаточное наполнение горючей сме­си из-за плохой очистки цилиндров от отработавших газов.

Автомобильные двигатели рабо­тают, как правило, по четырех­тактному циклу, который со­вершается за два оборота коленча­того вала или четыре хода поршня и состоит из тактов впуска, сжатия, расширения и выпуска.

В карбюраторном четырехтактном одноцилиндровом двигателе (рис. 1.3) рабочий цикл происходит сле­дующим образом.

Такт впуска (рис. 1.3, а). Поршень 1 находится в в.м.т. и по мере вращения коленчатого вала 9 (за один его полуоборот) перемещается от в.м.т. к н.м.т. При этом впускной клапан 4 открыт, а выпускной клапан 6 закрыт. При движении поршня вниз объем над ним увеличивается, поэтому в цилиндре 2 создается разряжение, равное 0,07—0,095 МПа, в результате чего свежий заряд горючей смеси, состоящей из паров бензина и воздуха, засасывается через впускной трубопровод 3 в цилиндр. От соприкосновения свежего заряда с нагретыми деталями в конце такта впуска он имеет температуру 75—125°С. Степень заполнения цилиндра свежим зарядом характеризуется коэффициентом наполнения, который для высокооборотных карбюраторных двигателей находится в пределах 0,65—0,75. Чем выше коэффициент наполнения, тем большую мощность развивает двигатель.

Такт сжатия (рис. 1.3,6). После заполнения цилиндра горючей смесью при дальнейшем вращении коленчатого вала поршень перемещается от н.м.т. к в.м.т. Впускной клапан 4 закрывается, а выпускной 6 закрыт. По мере сжатия горючей смеси температура и давление ее

повышаются. В зависимости от степени сжатия давление в конце такта сжатия может составлять 0,8—1,5 МПа, а температура газов 300—450 °С.

Такт расширения, или рабочий ход (рис. 1.3,0). В конце такта сжатия горючая смесь воспламеняется от электрической искры, возникающей между электродами свечи 5, и быстро сгорает, в результате чего температура и давление образующихся газов резко возрастают, поршень при этом перемещается от в.м.т. к н.м.т. Максимальное давление газов на поршень при сгорании для карбюраторных двигателей находится в пределах 3,5—5 МПа, а температура газов 2100—2400 °С

При такте расширения шарнирно связанный с поршнем шатун 8 совершает сложное движение и через кривошип передает вращение коленчатому валу. При расширении газы совершают полезную работу, поэтому ход поршня при этом такте коленчатого вала называют рабочим ходом. В конце рабочего хода поршня давление в цилиндре снижается до 0,3—0,75 МПа, а температура — до 900—1200 °С.

Такт выпуска (рис. 1.3, г). Коленчатый вал 9 через шатун перемещает поршень от н.м.т. к в.м.т. При этом выпускной клапан 6 открыт и продукты сгорания выталкиваются из цилиндра в атмосферу через выпускной трубопровод 7. В начале процесса выпуска продуктов сгорания давление в цилиндре значительно выше атмосферного, но к концу такта оно падает до 0,105—0,120 МПа, а температура газов в начале такта выпуска составляет 750—900 °С, понижаясь к его концу до 500—600 °С. Полностью очистить цилиндры двигателя от продуктов сгорания практически невозможно (слишком мало времени), поэтому при последующем впуске свежей горючей смеси она перемешивается с остаточными отработавшими газами и называется рабочей смесью,

Коэффициент остаточных газов характеризует степень загрязнения свежего заряда отработавшими газами и представляет собой отношение массы продуктов сгорания, оставшихся в цилиндре, к массе свежей горючей смеси. Для современных карбюраторных двигателей коэффициент остаточных газов находится в пределах 0,06—0,12. По отношению к рабочему ходу такты впуска, сжатия и выпуска являются вспомогательными. Рабочие циклы четырехтактного дизеля и карбюраторного двигателя существенно различаются по способу смесеобразования и воспламенения

рабочей смеси. Основное отличие состоит в том, что в цилиндр дизеля при такте впуска поступает не горючая смесь, а воздух, который из-за большой степени сжатия нагревается до высокой температуры, а затем в него впрыскивается мелкораспыленное топливо, которое под действием высокой температуры воздуха самовоспламеняется.

В четырехтактном дизеле (рис. 1.4) рабочие процессы происходят следующим образом.

Такт впуска (рис. 1.4, а). При движении поршня 2 от в.м.т. к н.м.т. вследствие образующегося разряжения из воздухоочистителя 4 в полость цилиндра 7 через открытый впускной клапан 5 поступает атмосферный воздух. Давление воздуха в цилиндре составляет 0,08—0,95 МПа, а температура 40—60 °С.

Такт сжатия (рис. 1.4, б). Поршень движется от н.м.т. к в.м.т. Впускной 5 и выпускной 6 клапаны закрыты, вследствие этого перемещающийся вверх поршень 2 сжимает имеющийся в цилиндре воздух. Для воспламенения топлива необходимо, чтобы температура сжатого воздуха была выше температуры самовоспламенения топлива. Из-за высокой степени сжатия температура воздуха достигает 550—700 °С при давлении воздуха внутри цилиндра 4,0—5,0 МПа.

Такт расширения, или рабочий ход (рис. 1.4, в). При подходе поршня к в.м.т. в цилиндр через форсунку 3 впрыскивается дизельное топливо, подаваемое топливным насосом /. Впрыснутое топливо, перемешиваясь с нагретым воздухом, самовоспламеняется и начинается процесс сгорания, характеризующийся быстрым повышением температуры и давления. При этом максимальное давление газов достигает 6—9 МПа, а температура 1800—2000 °С. Под действием давления газов поршень 2 перемещается от в.м.т. к н.м.т. Происходит рабочий ход. Около н.м.т. давление снижается до 0,3—0,5 МПа, а температура —до 700—900 °С.

Такт выпуска (рис. 1.4, г). Поршень перемещается от н.м.т. к в.м.т. и через открытый выпускной клапан в отработавшие газы выталкиваются из цилиндра. Давление газа снижается до 0,11—0,12 МПа, а температура — до 500—700 °С. После окончания такта выпуска при дальнейшем вращении коленчатого вала рабочий цикл повторяется в той же последовательности, Показатели работы двигателя. Работа, совершаемая газами в единицу времени внутри цилиндра двигателя, называется индикаторной мощностью.

Мощность, получаемая на колен­чатом валу двигателя, называется эффективной мощностью. Она меньше индикаторной на зна­чение мощности, затрачиваемой на насосные потери и на трение в кривошипно-шатунном и газораспредели­тельном механизмах двигателя, а также на * приведение в действие вентилятора, жидкостного насоса и других вспомогательных устройств.

Таким образом, эффективная мощ­ность меньше, чем индикаторная мощность, из-за механических потерь, расходуемых в механизмах и системах двигателя. На основании этого механическим к.п.д. (коэффициентом полезного дейст­вия) двигателя называют отношение эффективной мощности к индикатор­ной.

Механический к.п.д. карбюратор­ных двигателей составляет 0,70— 0,85, а дизелей — 0,73—0,87.

Мощностные показатели двигате­ля в значительной мере определя­ются количеством теплоты, превра­щенным в полезную работу. Сте­пень использования теплоты, вве­денной в двигатель с топливом, оценивают эффективным к.п.д. г|е, который представляет собой от­ношение количества теплоты Qe, превращенной в эффективную рабо­ту, к количеству теплоты Qt, выде­лившейся в результате сгорания топлива, T|e = Qe/Q/.

Для карбюраторных двигателей т]е = 0,23-^0,30, для дизелей т)е = =0,28 -=- 0,40.

К показателям, характеризующим топливную экономичность двигателя, относятся расходы топлива. Часо­вой расход топлива G^ показы­вает количество топлива в килограм­мах, потребляемое двигателем на данном режиме работы за 1 ч. Для оценки экономичности двигателя обычно пользуются эффектив­ным удельным, расходом топлива ge, представляющим собой отношение часового расхода топлива GT к эффективной мощности двига­теля jVe: ge=GT//Ve.

Для карбюраторных двигателей ge = 300-f-340 г/(кВт-ч), для дизе­лей £е = 220-т-260 г/(кВт-ч).

4.2 Рабочие циклы четырехтактного дизеля одного из цилиндров

Впуск — первый такт (рисунок 3 а). Поршень перемещается вниз и, действуя подобно насосу, создает разрежение в цилиндре. Под влиянием разности давлений через открытый впускной кла­пан цилиндр заполняется чистым воздухом. Выпускной клапан закрыт. В конце такта закрывается и впускной клапан. К этому моменту давление в цилиндре составляет 0,08…0,09 МПа, темпе­ратура — 30…50°С

Рисунок 3-Схема работы четырехтактного одноцилиндрового дизеля: а — впуск; 6 сжатие; в рабочий ход; г – выпуск

8

Сжатие второй такт (рисунок 3 б). Поршень, продолжая движение, перемещается вверх. Поскольку оба клапана закрыты, поршень сжимает воздух, температура которого растет. Благода­ря высокой степени сжатия давление в цилиндре повышается до 4 МПа, воздух нагревается до температуры 600°С. В конце такта сжатия через форсунку в мелкораспыленном состоянии в ци­линдр впрыскивается порция дизельного топлива. Мелкие части­цы топлива, соприкасаясь с нагретыми сжатым воздухом стенка­ми цилиндра, самовоспламеняются, большая их часть сгорает.

Расширение или рабочий ход — третий такт (рисунок 3 в). Поршень идет вниз. Во время этого такта топливо сгорает полно­стью. Оба клапана при рабочем ходе закрыты. Температура газов при сгорании достигает 2000°С, давление повышается до 8 МПа и более. Под большим давлением расширяющихся газов поршень перемещается вниз и передает воспринимаемое им усилие через шатун на коленчатый вал, заставляя его вращаться. Около ИМТ давление снижается до 0,4 МПа, температура до 700°С.

Выпуск— четвертый такт (рисунок 3 г). Поршень перемещается вверх, выпускной клапан открывается. Отработавшие газы сначала под действием избыточного давления, затем под действием поршня удаляются из цилиндра. Когда поршень находит­ся около ВМТ, выпускной клапан закрываемся, впускной открывается. Рабочий цикл повторяется.

Дизели но сравнению с карбюраторными двигателями более экономичны. Вследствие высокой степени сжатия на единицу работы в них расходуется на 25 % меньше топлива. Они работают на топливе, которое менее опасно в пожарном отношении. Рабочий цикл четырехтактных двигателей совершается за два оборота коленчатого вала. За это время он получает усилие от поршня только при одном полуобороте, соответствующем рабо­чему ходу поршня. Затем коленчатый вал с помощью маховика перемещает поршень при всех вспомогательных тактах (выпуске, впуске и сжатии). Вследствие этого коленчатый вал одноцилиндрового двигателя вращается неравномерно: при рабочем ходе ускоренно, при вспомогательных тактах замедленно. Кроме того, у одноцилиндрового двигателя обычно небольшая мощность и повышенная вибрация.

9

По этой причине на современных тракторах устанавливают многоцилиндровые двигатели.

Многоцилиндровые тракторные двигатели бывают рядными и V-образными. В рядных двигателях (рисунок 4 а) цилиндры расположены вертикально, в V-образных (рисунок 4 б) под уг­лом. Последние по сравнению с первыми имеют меньшие габари­ты и массу.

Рисунок 4 — Многоцилиндровые двигатели: а — рядное,

б — V-образное расположение цилиндров; в — схема

кривошипно-шатунного механизма шестицилиндрового

V-образного двигателя; 1…6 — номера цилиндров

Чтобы такой двигатель работал равномерно, такты расшире­ния (рабочий ход) должны следовать через равные углы поворота коленчатого вала (т.е. через равные промежутки времени).

Последовательность чередования одноименных тактов в ци­линдрах называют порядком работы двигателя. Порядок работы четырехцилиндровых отечественных тракторных двигателей 1-3-4-2. Это означает, что после рабочего хода в первом цилиндре следующий рабочий ход происходит в третьем, затем в четвертом и, наконец, во втором цилиндре (рисунок 5). Определенная по­следовательность соблюдается и в других многоцилиндровых двигателях, например в шестицилиндровом V-образном дизеле: 1-4-2-5-3-6

При выборе порядка работы двигателя конструкторы

стре­мятся равномерно распределить нагрузку на коленчатый вал. Зная порядок работы цилиндров двигателя, можно правильно присоединить топливопроводы к форсункам и отрегулировать клапаны.

10

Рисунок 5: а — схема четырехцилиндрового дизеля;

б — порядок работы четырехцилиндрового дизеля

Устройство и работа двухтактного и четырехтактного дизеля

Схема рабочего процесса четырехтактного дизеля

При движении поршня вниз над ним создастся разряжение, благодаря которому воздух через открывающийся впускной клапан заполняет цилиндр. Происходит процесс впуска. Воздух в процессе впуска нагревается до 50—90° от соприкосновения с горячими деталями и от перемешивания с газами, оставшимися в цилиндре от предыдущего цикла.

При движении поршня вверх закрывается впускной клапан и воздух сжимается в цилиндре в 15—17 раз. Происходит процесс сжатия. Давление воздуха повышается до 30—35 кг/см2, а температура — до 600—650°. При положении кривошипа коленчатого вала за 5—15° до верхней мертвой точки (ВМТ) из форсунки начинает впрыскиваться в цилиндр мелко распыленное топливо. От соприкосновения с горячим воздухом частицы топлива нагреваются до температуры самовоспламенения, и к моменту прихода поршня в ВМТ начинается процесс сгорания. Вспышка частиц топлива происходит так быстро, что поршень за это время практически не успевает переместиться вниз, объем газов над поршнем при этом не изменяется, зато давление возрастает до 50—80 кг/см2.

Часть топлива, впрыскиваемая форсункой после ВМТ, сгорает при движении поршня вниз. Объем газов над поршнем при этом увеличивается, а давление остается постоянным до конца сгорания. Сгорание заканчивается, когда кривошип коленчатого вала повернется на 20—25° от ВМТ. Температура газов в конце сгорания достигает 1600—1800°.

Под давлением газов во время процесса сгорания, а также после его окончания осуществляется движение поршня вниз — рабочий ход. После того как сгорание топлива закончилось, давление и температура газов начинают быстро снижаться вследствие увеличения объема и отдачи тепла стенкам цилиндра.

За 40—60° до нижней мертвой точки (НМТ) открывается выпускной клапан. В это время давление газов в цилиндре (2—4 кг/см2) еще значительно выше, чем давление окружающего воздуха. Это обеспечивает быстрый выход отработавших газов, а следовательно, предварительную очистку цилиндра.
Начинается процесс выпуска. Остатки отработавших газов вытесняются движущимся вверх поршнем. Приходом поршня в ВМТ завершается полный рабочий процесс, или цикл, в цилиндре двигателя.

ПРОЦЕССЫ ВПУСКА И СЖАТИЯ ВОЗДУХА

Чтобы двигатель был более мощным и экономичным, необходимо во время впуска обеспечить максимальное наполнение цилиндров воздухом. Воздух при впуске нагревается, отчего значительно уменьшается его плотность. На пути в цилиндр он встречает большие сопротивления в виде трения о стенки каналов, о набивку воздухоочистителя. Это тормозит заполнение цилиндра. В результате в рабочий объем цилиндра попадает только 75—90% воздуха от того количества, которое могло бы вместиться при нормальной плотности и отсутствии сопротивлений.

Степень наполнения цилиндров зависит от устройства двигателя. Хорошему наполнению способствуют: малая длина и большой диаметр впускных и выпускных труб, простота и плавность их формы, большие размеры и большая высота подъема клапанов, обтекаемая форма их тарелки.

Значительно улучшается наполнение тех двигателей, у которых поршни, головка цилиндров, клапаны изготовлены из более теплопроводных материалов, правильно выбраны моменты открытия и закрытия клапанов и воздухоочиститель устроен проще.

Если при работе двигателя но каким-либо причинам увеличится сопротивление проходу воздуха или повысится его температура, то соответственно ухудшится наполнение. Это случается при загрязнении воздухоочистителя или при заправке его слитком вязким маслом, при образовании нагара во впускной и выпускной трубах или когда двигатель перегрет.

Ухудшить наполнение цилиндров может также изменение зазора между стержнем клапана и коромыслом или износ поршневых колец и клапанов. Чтобы обеспечить хорошее наполнение, необходимо своевременно проводить уход за воздухоочистителем, впускными и выпускными трубами, регулировать и притирать клапаны, своевременно заменять поршневые кольца, не допускать перегрева двигателя.

Сжатие воздуха в цилиндре осуществляется для улучшения условий сгорания топлива. Число, показывающее во сколько раз уменьшается объем воздуха в цилиндре при перемещении поршня от НМТ до ВМТ, называется степенью сжатия. С повышением степени сжатия увеличивается температура и давление воздуха, сгорание происходит быстрее и полнее, отчего мощность и экономичность двигателя повышаются.

У двигателей с высокими степенями сжатия объем камеры сгорания обычно небольшой и потерн тепла через стенки камеры в охлаждающую воду значительно меньше, чем при большом объеме камеры. Это также способствует повышению их экономичности.

Дизельные двигатели отечественных тракторов имеют высокие степени сжатия (15—17). Этим и объясняется их более высекая экономичность по сравнению с карбюраторными двигателями, у которых степень сжатия составляет 4—6. Если удельный расход топлива (расход на 1 л. с. в час) у карбюраторного двигателя трактора У-2 составляет 320 г/л.с.ч., то тракторные дизели новых моделей имеют удельный расход топлива до 200 г/л.с.ч.

Однако сжимать воздух больше чем в 19—20 раз нецелесообразно, так как при этом возрастают силы, действующие на детали двигателя, возникает необходимость изготовлять детали из особо прочных материалов и увеличивать их размеры, а все это делает двигатель более металлоемким и дорогим.

ПРОЦЕСС СГОРАНИЯ

Сгорание топлива и преобразование выделившейся тепловой энергии в механическую являются основной частью рабочего процесса двигателя, от которой в значительной степени зависят показатели его работы. Чтобы добиться наибольшей мощности и экономичности двигателя, необходимо обеспечить полное, достаточно быстрое и своевременное сгорание топлива.

Протекание процесса сгорания зависит главным образом от того, как подготовлена горючая смесь. Подготовка горючей смеси, или смесеобразование, у дизельных двигателей происходит внутри цилиндра. Смесеобразование заключается в механическом распыливании струи топлива на капельки диаметром от 0,005 до 0,1 мм и в распределении этих капелек в массе сжатого воздуха.

Сгорание может произойти полно и достаточно быстро только в том случае, если горючая смесь имеет нужный состав и частицы топлива достаточно мелко распылены и равномерно перемешаны с воздухом. Состав смеси характеризуется соотношением в ней топлива и воздуха. Для полного сгорания 1 кг дизельного топлива требуется по расчету около 15 кг воздуха.

Условия смесеобразования в дизельных двигателях чрезвычайно сложны, так как этот процесс протекает очень короткое время — 0,003—0,005 секунды (25-30° поворота коленчатого вала). За это время трудно распределить топливо в сжатом воздухе, поэтому состав смеси в разных частях камеры сгорания получается неодинаковый. В продолжение процесса сгорания состав смеси непрерывно изменяется, так как почти до конца сгорания продолжается впрыск топлива. Чем ближе к концу впрыска, тем меньше остается в камере неиспользованного воздуха, и часть топлива может не сгореть, если в камере сгорания не будет некоторого избытка воздуха. Поэтому горючая смесь у дизельных двигателей должна содержать воздуха на 20—50% больше, чем нужно по расчету для полного сгорания топлива (бедная смесь).

Необходимость сжигать в цилиндре дизельного двигателя бедную смесь приводит к тому, что объем цилиндра используется неполностью: с нагретым воздухом из цилиндра выбрасывается большое количество тепла, снижается мощность, приходящаяся на 1 л рабочего объема, увеличивается вес двигателя. Это несколько снижает те преимущества, которые дизельные двигатели имеют перед карбюраторными.

От начала впрыска топлива до начала самовоспламенения проходит некоторый промежуток времени (0,001—0,002 секунды), который называется периодом задержки воспламенения. Если задержка воспламенения является продолжительной, то в камере сгорания скапливается много топлива, что вызывает резкое нарастание давления при вспышке. Детали кривошипно-шатунного механизма подвергаются при этом ударной нагрузке, и двигатель стучит. Такая работа называется жесткой.

Однако задержка воспламенения не должна быть слишком короткой, так как при этом необходимо будет начинать впрыск топлива при положении поршни, более близком к ВМТ. В результате большое количество топлива будет сгорать после ВМТ при возрастающем объеме, а это увеличит потери тепла через стенки камеры в охлаждающую воду, и экономичность двигателя снизится.

Для каждого двигателя в соответствии с условиями смесеобразования находят оптимальный период задержки, обеспечивающий сравнительно мягкую работу при достаточно высокой экономичности.

Продолжительность периода задержки воспламенения зависит от нескольких факторов. От степени сжатия двигателя. Чем выше степень сжатия, тем выше температура сжатого воздуха и меньше время прогрева топлива.
От формы камеры сгорания. Чем лучше она обеспечивает завихрение смеси и перемешивание топлива с воздухом, тем скорее завершается прогрев.

От числа оборотов коленчатого вала. Увеличение числа оборотов до определенных пределов способствует сокращению задержки воспламенения, так как улучшаются условия смесеобразования: повышается температура сжатого воздуха, усиливается его завихрение. Однако по мере возрастания оборотов сокращается продолжительность впрыска, вследствие чего в камеру одновременно попадает много холодных частиц топлива, что замедляет их прогрев. У быстроходных дизелей период задержки воспламенения по времени приближается к периоду впрыска, и топливо сгорает почти одновременно с резким нарастанием давления. Это является одной из причин, ограничивающих увеличение числа оборотов у дизельных двигателей.

Продолжительность периода задержки зависит также и от эксплуатационных условий.
Топливо будет дольше прогреваться, если оно плохо распылено, если форсунка раньше времени впрыскивает топливо и оно попадает в недостаточно прогретый воздух, если топливо имеет высокую температуру самовоспламенения, если двигатель работают с малой нагрузкой, на холостом ходу и недостаточно прогрет.
На характер протекания процесса сгорания в значительной степени влияет момент впрыска топлива в цилиндр. Положение коленчатого вала, при котором должен начинаться впрыск, характеризуется величиной угла опережения впрыска. Последний зависит от степени сжатии двигателя, сорта применяемого топлива, формы камеры сгорания и некоторых других факторов. Дли каждого тина двигателя наивыгоднейший угол опережения впрыска находится при испытании в лабораторных условиях.

При раннем впрыске, когда угол опережения больше наивыгоднейшего, работа становится жесткой. Кроме того, топливо может воспламениться преждевременно, и в этом случае сила давления газов будет действовать некоторое время навстречу движущемуся поршню, мощность двигателя снизится. Частицы топлива, не успевая загореться в непрогретом воздухе, будут ударяться о стенки камеры, образуя жидкостную пленку, которая полностью не сгорит. Вследствие этого выхлоп получится дымный.

При позднем впрыске, когда угол опережения меньше наивыгоднейшего, горение будет протекать при значительно увеличивающемся объеме, снизится давление газов, увеличится теплоотдача стенкам цилиндра, а следовательно, снизятся мощность и экономичность двигателя. Чтобы обеспечить нормальное протекание процессов смесеобразования и сгорания топлива в дизельном двигателе, необходимо: периодически проверять и регулировать форсунки и топливный насос, более полно загружать двигатель, избегая работы на холостом ходу, и применять только тот сорт топлива, который предусмотрен для данного двигателя.

РАБОЧИЙ ПРОЦЕСС ДВУХТАКТНОГО КАРБЮРАТОРНОГО ДВИГАТЕЛЯ

В двухтактных двигателях в отличие от четырехтактных весь рабочий процесс совершается за два хода поршня, или за два такта. Схема устройства и работы двухтактного карбюраторного двигателя изображена на рисунке.

Основные части двигателя: цилиндр 5, кривошипная камера 4, кривошипно-шатунный механизм 6, системы питания и зажигания. В цилиндре двигателя имеются три окна, которые предназначены для той же цели, что и клапанные отверстия в четырехтактном двигателе. Через нижнее впускное окно 1 горючая смесь поступает в кривошипную камеру, через среднее продувочное окно 2 она попадает в цилиндр, верхнее выпускное окно 3 служит для выпуска отработавших газов. Роль впускного и выпускного клапанов играет поршень.

При движении поршня вверх (рис. а) в герметически закрытой кривошипной камере создается разряжение. Горючая смесь, приготовленная в карбюраторе, через впускное окно 1 поступает в кривошипную камеру. Одновременно в цилиндре сжимается ранее поступившая смесь. Степень сжатия составляет 5—6.

В конце сжатия топливо воспламеняется электрической искрой, и до прихода поршня в ВМТ происходит скрытое сгорание, т. е. такое, при котором давление возрастает незначительно. К моменту прихода поршня в ВМТ сгорание становится интенсивным, вследствие чего давление возрастает до 18-20 кг/см2.

Под давлением газов поршень движется вниз, совершая рабочий ход (рис. б). В конце рабочего хода открывается выпускное окно 3, отработавшие газы начинают выходить из цилиндра в окружающую атмосферу. Вслед за выпускным окном открывается продувочное 2, через него поршень нагнетает из кривошипной камеры в цилиндр свежую горючую смесь, вытесняя из него отработавшие газы. Происходит продувка и одновременно наполнение цилиндра свежей горючей смесью.

При дальнейшем движении поршня после перехода им ММТ закрывается продувочное, а затем и выпускное окна, свежая порции смеси в цилиндре начинает сжиматься, а в кривошипную камеру снова поступает через открывшееся впускное окно горючая смесь. Таким образом, за два такта совершается полный рабочий процесс.

Двухтактные карбюраторные двигатели имеют перед четырехтактными следующие преимущества.
1. Они проще по устройству благодаря отсутствию распределительного механизма.


Рисунок. Схема устройства и работы двухтактного карбюраторного двигателя:
а — сжатие смеси в цилиндре и заполнение кривошипной камеры; б — рабочий ход и сжатие смеси в кривошипной камере; в — выпуск отработавших газов и продувка цилиндра; 1 — впускное окно; 2 — продувочное окно; 3 — выпускное окно; 4 – кривошипная камера; 5 — цилиндр; 6 — кривошипно-шатунный механизм.

2. Мощность их при одинаковом число и размерах цилиндров на 60—70% выше, чем у четырехтактных двигателей, вследствие того что из каждых двух ходов поршни один является рабочим.
3. Валы таких двигателей имеют большую равномерность вращения, так как сила, вращающая вал, действует в два раза чаще.

Недостатки этих двигателей таковы.
1. При продувке часть горючей смеси уходит с отработавшими газами в выпускное окно, это значительно повышает расход топлива.
2. Двигатель работает в напряженном тепловом режиме, так как процесс сгорания топлива в цилиндре повторяется чаще, чем у четырехтактного двигателя. Требуется особенно интенсивное охлаждение.

Поэтому двухтактные карбюраторные двигатели применяются там, где необходимо иметь большую мощность при малых размерах и весе и где экономичность не имеет первостепенного значения (например, в качестве пусковых двигателей тракторных дизелей). [Дизельные колесные тракторы. Гельман Б.М. 1959 год]

Отправить ответ

avatar
  Подписаться  
Уведомление о