Рабочий цикл четырехтактного дизельного двигателя.

Рабочий цикл четырехтактного дизельного двигателя проходит в той же последовательности, что и цикл четырехтактного карбюраторного двигателя. Отличие заключается в характере протекания рабочего цикла, в способе смесеобразования и воспламенения топлива.

Первый такт – впуск (рис. 1, 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.

Второй такт – сжатие (рис. 1, 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.

Третий такт – расширение (рабочий ход) (рис. 1, 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.

Четвертый такт – выпуск (рис. 1, 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.

Рис. 1. 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

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 двигателя.Кривошипно-камерная продувка карбюраторного двигателя (схемы работы, индикаторная диаграмма).

Двухтактный цикл

Из рассмотрения четырехтактного цикла работы сле­дует, что четырехтактный двигатель только половину времени, затраченного на цикл, работает как тепловой двигатель (такты сжатия и расширения). Вторую поло­вину времени (такты впуска и выпуска) двигатель рабо­тает как воздушный насос.

Более полно время, отводимое на рабочий цикл, ис­пользуется в двухтактных двигателях, в которых рабо­чий цикл совершается за два такта, т. е. за один оборот коленчатого вала.

В отличие от четырехтактных двига­телей в двухтактных двигателях очистка рабочего цилиндра от про­дуктов сгорания и наполнение его свежим зарядом происходят толь­ко при движении поршня вблизи НМТ. При этом очист­ка цилиндра от выпускных газов осуществляется путем вытеснения их не поршнем, а предварительно сжатым до определенного давления воздухом или горючей смесью. Предварительное сжатие воздуха или смеси производит­ся в специальном продувочном насосе или компрессоре, выполняемых в виде отдельного агрегата. В небольших двигателях в качестве продувочного насоса иногда ис­пользуются внутренняя полость картера (кривошипная камера) и поршень двигателя.

В процессе газообмена в двухтактных двигателях не­которая часть воздуха или горючей смеси неизбежно удаляется из цилиндра вместе с выпускными газами че­рез выпускные органы. Эта утечка воздуха или горючей смеси учитывается при выборе производительности про­дувочного насоса или компрессора.

На рис. 4 показана схема работы двухтактного дви­гателя с внутренним смесеобразованием и прямоточной клапанно-щелевой схемой газообмена.

Рабочий цикл в двигателе осуществляется следую­щим образом.

Первый такт. Первый такт соответствует ходу порш­ня от ВМТ к НМТ (рис. 4, а). В цилиндре только что произошло сгорание (линия cz на индикаторной диа­грамме) и начался процесс расширения газов, т. е. осу­ществляется рабочий ход. Несколько раньше момента подхода поршня к впускным окнам открываются выпуск­ные клапаны 4 в крышке цилиндра, и продукты сгорания начинают вытекать из цилиндра в выпускной патру­бок; при этом давление в цилиндре резко падает (уча­сток тп на индикаторной диаграмме). Впускные окна 8 открываются поршнем, когда давление в цилиндре становится примерно равным давлению предварительно сжатого воздуха в ресивере или немного выше его. Воз­дух, поступая в цилиндр через впускные окна, вытесняет через выпускные клапаны оставшиеся в цилиндре про­дукты сгорания и заполняет цилиндр (продувка), т. е. осуществляется газообмен (участок па на индикаторной диаграмме).

Таким образом, в течение первого такта в цилиндре происходит сгорание топлива, расширение газов, выпуск выпускных газов, продувка и наполнение цилиндра.

Второй такт. Второй такт соответствует ходу поршня от НМТ к ВМТ (рис. 4, б). В начале хода поршня продолжаются процессы удаления выпускных газов, про­дувки и наполнения цилиндра свежим зарядом. Конец продувки цилиндра (ak) определяется моментом закры­тия впускных окон и выпускных клапанов. Последние за­крываются или одновременно с впускными окнами, или несколько ранее.

Рис. 4. Схема работы двухтактного двигателя с внутренним смесеобра­зованием и прямоточной клапанно-щелевой схе­мой газообмена и инди­каторные диаграммы:

а — первый такт (сгора­ние, расширение, выпуск, продувка и наполнение); б — второй такт (выпуск, продувка и наполнение, сжатие); 1 — впускной патрубок; 2— продувоч­ный насос; 3 - поршень; 4 - выпускные клапаны; 5 - форсунка; 6 — вы­пускной патрубок; 7 - воздушный ресивер; 8 - впускные окна.

Давление в цилиндре к концу газооб­мена в двухтактных двигателях несколько выше атмос­ферного и зависит от давления воздуха в ресивере. С мо­мента окончания газообмена и полного перекрытия поршнем впускных окон начинается процесс сжатия воз­духа. Когда поршень не доходит на 10—30° по углу по­ворота коленчатого вала до ВМТ (точка с), в цилиндр через форсунку начинает подаваться топливо.

Следовательно, в течение второго такта в цилиндре происходит окончание выпуска, продувка и наполнение цилиндра в начале хода поршня и сжатие при его дальнейшем ходе.

В отличие от четырехтактного двигателя в двухтактном двигателе отсутствуют такты впуска и выпуска как самостоятельные такты, для которых требуется один оборот коленчатого вала. В двухтактных двигателях про­цессы выпуска и впуска осуществляются на небольших участках хода поршня, соответствующего основным так­там расширения и сжатия.

Рассмотренная выше прямоточная клапанно-щелевая схема газообмена (рис. 4) не является единствен­ной. В двухтактных двигателях применяются различные схемы газообмена.

Петлевая схема газообмена значительно упрощает конструкцию двигателя по сравнению с клапанно-щелевой, но при этом ухудшается качество газо­обмена, и возникают потери воздуха или смеси при на­полнении.

Петлевая схема газообмена отличается боль­шим разнообразием конструктивного выполнения. Например, для предварительного сжатия горючей смеси или воздуха, как было указано выше, в двухтактных двига­телях может быть использована внутренняя полость кар­тера (кривошипная камера). Такие двигатели называют­ся двигателями с кривошипно-камерной продувкой (рис. 5).

Рис. 5. Двухтактный ДВС с кривошипно-камерной продувкой:

1 – свеча зажигания; 2 – перепускной канал; 3 – выпускной канал; 4 – кривошипная камера; 5 – карбюратор; 6 – впускной клапан.

Они имеют герметически закрытый картер, который и служит продувочным насосом. При движении поршня от НМТ к ВМТ объем пространства под ним увеличивается и давление падает ниже атмосферного, т.е. в кривошипной камере создается разрежение. Вслед­ствие этого наружный воздух устремляется в смесеобразующее устройство 5 и далее в картер че­рез автоматически действующий впускной клапан 6. При дальнейшем движении поршня до момента открытия впуск­ных окон происходит сжатие топливно-воздушной смеси в кривошип­ной камере. После открытия впускных окон топливно-воздушная смесь через перепускной канал 2 вытесняется из кривошипной камеры в цилиндр.

При обратном движении поршня от НМТ к ВМТ он последовательно перекрывает впускные и выпускные окна, после чего происходит сжатие топливно-воздушной смеси в цилиндре. При подходе поршня к ВМТ смесь поджигается от свечи зажигания. Сгорание и расширение газов в цилиндре при движении поршня вниз обуславливают рабочий ход ДВС. Далее цикл повторяется.

Преимущество двухтактных двигателей с кривошип­но-камерной схемой газообмена — простота устройства. В их конструкции отсутствует клапанный механизм газораспределения и его привод, а также система смазки. Для смазывания деталей кривошипно-шатунного механизма в топливо добавляется небольшое количество моторного масла (двухтактная смесь). Естественное охлаждение ДВС производится атмосферным воздухом за счет ребер охлаждения, размещенных на головке и цилиндре ДВС.

Однако при данном способе газообмена очистка цилинд­ра и наполнение его свежим зарядом по сравнению с другими способами происходят значительно хуже с потерей части заряда через выпускные окна, в ре­зультате чего ухудшается топливная эко­номичность двигателя. Поэтому эти простейшие и маломощные ДВС используются в основном на дешевых двухколесных транспортных средствах (легких мотоциклах, мопедах и т.п.).

Из рассмотрения рабочего цикла двухтактного двига­теля (индикаторная диаграмма на рис. 6)видно, что на части хода поршня S_пот, когда происходит газообмен, по­лезная работа не совершается.

Объем V_h(пот), соответствую­щий этой части хода поршня S_пот = S_геом - S_дейс (рис.7), называется потерянным:

.

Объем, описываемый поршнем при движении от точки 5, характеризующий момент начала сжатия, до ВМТ, называется действительным рабочим объемом:

V_h(дейс) = V_h(геом) - V_h(пот)

где V_h(геом) - геометрический рабочий объём цилиндра:

С учетом сказанного геометрическая степень сжатия равна:

e_геом = (V_h(геом) + V_c)/V_c ,

а действительная степень сжатия:

e_дейс = (V_h(дейс) + V_c)/V_c

Отношение потерянного объема к геометрическому рабочему объему представляет собой долю потерянного объёма y на процесс газообмена:

y = V_h(пот) / V_h(дейс.

Рис. 6. Индикаторная диаграмма PV для двухтактного цикла:

1 – момент открытия выпускного канала; 2 – момент открытия продувочного (перепускного) канала; 3 – НМТ; 4 – момент закрытия продувочного (перепускного) канала; 5 – момент закрытия выпускного канала.

Для двухтактных двигателей обычно y = 0,1…0,3 или 10…30%.

S_геом

S_пот

Рис.7. К определению доли потерянного хода (объема).

Сравнение рабочих циклов четырех- и двухтактных двигателей показывает, что при одинаковых размерах цилиндра и частотах вращения мощность двухтактного двигателя значительно больше. Учитывая увеличение числа рабочих циклов в 2 раза, следовало бы ожидать и увеличения мощности в 2 раза. В действительности мощность двухтактного двигателя увеличивается приб­лизительно в 1,5—1,7 раза вследствие потери части ра­бочего объема, ухудшения очистки и наполнения.

СХЕМЫ ПРОДУВКИ ЦИЛИНДРОВ ДВУХТАКТНЫХ ДИЗЕЛЕЙ (с. 137)

Рис. 8.3. Схемы продувки цилиндров двухтактных дизелей:

1 – контурные:

1а) контурная поперечная;

1б) контурная петлевая; 2– прямоточные:

2а) прямоточно- клапанная;

2б) прямоточно- щелевая

Основное преимущество контурной продувки заключается в относительной простоте конструкции двигателя. (отсутствуют клапаны и механизм, приводящий их в движение).

Недостаток – низкое качество очистки цилиндра от отработавших газов , значительные расходы продувочного воздуха, следовательно, увеличенные затраты энергии на газообмен.

Свойства прямоточных продувок противоположны:

двигатель более сложен по конструкции, однако эффективность газообмена выше.

В настоящее время в новых судовых дизелях контурные продувки не применяются. Главной причиной – тенденция увеличения отношения длины хода поршня к его диаметру ( S D

Дело в том, что при значительном увеличении Sотносительном « удлинении» цилиндра) организация « контура», обеспечивающего приемлемое качество газообмена, стала невозможной.