Очистка цилиндров двигателя от продуктов сгорания и наполнение их свежим зарядом называется процессом газообмена.

ДЕЙСТВИТЕЛЬНЫЕ ЦИКЛЫДВС

Отличие действительных циклов четырехтактных двигателей от теоретических

Наибольший КПД можно теоретически получить только в результате использования термодинамического цикла, варианты которого были рассмотрены в предыдущей главе.

Важнейшие условия протекания термодинамических циклов:

· неизменность рабочего тела;

· отсутствие всяких тепловых и газодинамических потерь, кроме обязательного отвода теплоты холодильником.

В реальных поршневых ДВС механическая работа получается в результате протекания действительных циклов.

Действительным циклом двигателя называется совокупность периодически повторяющихся тепловых, химических и газодинамических процессов, в результате которых термохимическая энергия топлива преобразуется в механическую работу.

Действительные циклы имеют следующие принципиальные отличия от термодинамических циклов:

• действительные циклы являются разомкнутыми, и каждый из них осуществляется с использованием своей порции рабочего тела;

• вместо подвода теплоты в действительных циклах происходит процесс сгорания, который протекает с конечными скоростями;

• изменяется химический состав рабочего тела;

• теплоемкость рабочего тела, представляющего собой реальные газы изменяющегося химического состава, в действительных циклах постоянно меняется;

• идет постоянный теплообмен между рабочим телом и окружающими его деталями.

Все это приводит к дополнительным потерям теплоты, что в свою очередь ведет к снижению КПД действительных циклов.

Индикаторная диаграмма

Если термодинамические циклы изображают зависимость изменения абсолютного давления (р) от изменения удельного объема (υ), то действительные циклы изображаются как зависимости изменения давления (р) от изменения объема (V) (свернутая индикаторная диаграмма) или изменения давления от угла поворота коленчатого вала (φ), которая называется развернутой индикаторной диаграммой.

На рис. 1 и 2 показаны свернутая и развернутая индикаторные диаграммы четырехтактных двигателей.

Развернутая индикаторная диаграмма может быть получена экспе­риментально с помощью специального прибора — индикатора давления. Индикаторные диаграммы можно получить и расчетным путем на основе теплового расчета двигателя, но менее точные.

Рис. 1. Свернутая индикаторная диаграмма четырехтактного двигателя
с принудительным воспламенением

Рис. 2. Развернутая индикаторная диаграмма четырехтактного дизеля

 

Индикаторные диаграммы используются для изучения и анализа процессов, протекающих в цилиндре двигателя. Так, например, площадь свернутой индикаторной диаграммы, ограниченная линиями сжатия, сгорания и расширения, соответствует полезной или индикаторной работе L_iдействительного цикла. Величиной индикаторной работы характеризуется полезный эффект действительного цикла:

t wx:val="Cambria Math"/><w:b/><w:i/><w:sz w:val="36"/><w:sz-cs w:val="36"/></w:rPr><m:t>2</m:t></m:r></m:sub></m:sSub></m:oMath></m:oMathPara></w:p><w:sectPr wsp:rsidR="00000000"><w:pgSz w:w="12240" w:h="15840"/><w:pgMar w:top="1134" w:right="850" w:bottom="1134" w:left="1701" w:header="720" w:footer="720" w:gutter="0"/><w:cols w:space="720"/></w:sectPr></wx:sect></w:body></w:wordDocument>"> , (3.1)

где Q₁ — количество подведенной в действительном цикле теплоты;

Q₂ — тепловые потери действительного цикла.

В действительном цикле Q₁ зависит от массы и теплоты сгорания топлива, вводимого в двигатель за цикл.

Степень использования подводимой теплоты (или экономичность действительного цикла) оценивают индикаторным КПД η _i, который представляет собой отношение теплоты, преобразованной в полезную работу L_i, к теплоте подведенного в двигатель топлива Q₁:

t wx:val="Cambria Math"/><w:b/><w:i/><w:sz w:val="36"/><w:sz-cs w:val="36"/></w:rPr><m:t>1</m:t></m:r></m:sub></m:sSub></m:oMath></m:oMathPara></w:p><w:sectPr wsp:rsidR="00000000"><w:pgSz w:w="12240" w:h="15840"/><w:pgMar w:top="1134" w:right="850" w:bottom="1134" w:left="1701" w:header="720" w:footer="720" w:gutter="0"/><w:cols w:space="720"/></w:sectPr></wx:sect></w:body></w:wordDocument>"> , (3.2)

С учетом формулы (1) формулу (2) индикаторного КПД можно записать так:

, (3.3)

Следовательно, теплоиспользование в действительном цикле зависит от величины тепловых потерь. В современных ДВС эти потери составляют 55 –70 %.

Основные составляющие тепловых потерь Q₂:

• потери теплоты с отработавшими газами в окружающую среду;

• потери теплоты через стенки цилиндра;

• неполнота сгорания топлива из-за местного недостатка кислорода в зонах горения;

• утечка рабочего тела из рабочей полости цилиндра из-за неплотности прилегающих деталей;

• преждевременный выпуск отработавших газов.

Для сравнения степени использования теплоты в действительных и термодинамических циклах используют относительный КПД

.

В автомобильных двигателях η_o от 0,65 до 0,8.

Действительный цикл четырехтактного двигателя совершается за два оборота коленчатого вала и состоит из следующих процессов:

• газообмена — впуск свежего заряда (см. рис. 1, кривая frak) и выпуск отработавших газов (кривая b'b"rd);

• сжатия (кривая аkс'с");

• сгорания (кривая c'c"zz");

• расширения (кривая z z"b'b").

При впуске свежего заряда поршень движется, освобождая над собой объем, который заполняется смесью воздуха с топливом в карбюраторных двигателях и чистым воздухом в дизелях.

Начало впуска определяется открытием впускного клапана (точка f), конец впуска — его закрытием (точка k). Начало и конец выпуска соответствуют открытию и закрытию выпускного клапана соответственно в точках b' и d.

Не заштрихованная зона b'bb" на индикаторной диаграмме соответствует потере индикаторной работы вследствие падения давления в результате открытия выпускного клапана до прихода поршня в НМТ (предварение выпуска).

Сжатие фактически осуществляется с момента закрытия впускного клапана (кривая k—с"). До закрытия впускного клапана (кривая а—k) давление в цилиндре остается ниже атмосферного (p₀).

В конце процесса сжатия топливо воспламеняется (точка с') и быстро сгорает с резким нарастанием давления (точка z).

Так как воспламенение свежего заряда происходит не в ВМТ, и сгорание протекает при продолжающемся перемещении поршня, расчетные точки с и z не соответствуют реально протекающим процессам сжатия и сгорания. В результате площадь индикаторной диаграммы (заштрихованная зона), а значит и полезная работа цикла меньше термодинамической или расчетной.

Воспламенение свежего заряда в бензиновых и газовых двигателях осуществляется от электрического разряда между электродами искровой свечи.

В дизелях топливо воспламеняется за счет теплоты нагретого от сжатия воздуха.

Образовавшиеся в результате сгорания топлива газообразные продукты создают давление на поршень, вследствие чего совершается такт расширения или рабочий ход. При этом энергия теплового расширения газа преобразуется в механическую работу.

 

Процессы газообмена

Очистка цилиндров двигателя от продуктов сгорания и наполнение их свежим зарядом называется процессом газообмена.

Количество свежего заряда, оставшегося в цилиндре после завершения процесса газообмена существенно влияет на мощность, развиваемую двигателем.

В четырехтактных двигателях процессы газообмена протекают на протяжении двух ходов поршня, который в это время работает подобно насосу, поэтому эти процессы иногда называют насосными, а ходы поршня, соответствующие этим процессам — насосными ходами.

В двигателе с наддувом воздух из окружающей среды нагнетается компрессором под давлением р_к, которое больше р₀. При этом температура воздуха повышается до температуры Т_к.

На рис. 3 представлена схема впускной и выпускной систем четырехтактного карбюраторного двигателя без наддува, а на рис. 4 — дизеля с наддувом. В безнаддувном двигателе воздух поступает из окружающей среды при давлении р₀ и температуре Т₀.

Рис. 3. Схема впускной и выпускной систем карбюраторного двигателя
без наддува: 1 — воздушный фильтр; 2 — диффузор карбюратора;
3 — глушитель шума отработавших газов

 

На рис. 4 показана система турбонаддува, где для привода компрессора используется кинетическая энергия отработавших газов, но возможен и механический привод, когда компрессор приводится в действие от коленчатого вала.

Рис. 4. Схема впускной и выпускной систем дизеля с наддувом:
1 — воздушный фильтр; 2 — насосное колесо компрессора;
3 — турбинное колесо компрессора

Процесс газообмена начинается с момента открытия выпускного клапана (рис. 5, точка b'), а заканчивается с закрытием впускного клапана (точка а₀).

Рис. 5. Индикаторная диаграмма процессов газообмена

 

Процесс впуска осуществляется при движении поршня от ВМТ (точка r) к НМТ (точка а). Количество свежего заряда, поступающего в цилиндр в течение процесса впуска, зависит от общего гидравлического сопротивления впускной системы, т. е. от разности между давлением окружающей среды р₀ и давлением в цилиндре р_а, которая изменяется по мере перемещения поршня от ВМТ к НМТ.

В начале процесса впуска в цилиндре двигателя происходит снижение давления газов, оставшихся от предыдущего цикла (так называемых остаточных газов) как за счет увеличения объема цилиндра при движении поршня к НМТ, так и за счет продолжающегося выпуска через выпускной клапан до точки d. С момента уменьшения давления в цилиндре до давления на впуске или несколько ниже через впускной клапан начнет поступать свежий заряд и к моменту прихода поршня в НМТ (точка а) в цилиндре установится давление р_а, величина которого меньше давления р _ВП на впуске:

,

где △ р_а — потери давления на впуске, зависящие от сопротивления впускной системы и режимов работы двигателя.

Чем меньше потеря давления во впускной системе к моменту прихода поршня в НМТ, тем большее количество свежего заряда заполнит цилиндр.

Процесс выпуска отработавших газов начинается в конце такта расширения за 40...70° поворота коленчатого вала до прихода поршня в ВМТ (точка b' на рис. 5). При этом происходит свободный выпуск под действием остаточного давления газа в цилиндре (0,4...0,6 МПа в двигателе без наддува). За время свободного выпуска удаляется до 50...70 % отработавших газов. При движении поршня от НМТ к ВМТ происходит принудительный выпуск оставшихся газов.