Индикаторные диаграммы четырех- и двухтактного цикла

 

Действительным циклом поршневого д.в.с. называют комплекс периодически повторяющихся процессов, осуществляемых с целью превращения термохимической энергии топлива в механическую.

Изменение давления газа и цилиндре работающего двигателя определяют при помощи специального прибора-индикатора давления, а получаемую при этом диаграмму в координатах давление объем (р - V) или давление — угол поворота коленчатого вала

{р - (р) называют индикаторной диаграммой.

Рассмотрим индикаторную диаграмму действительного цикла четырехтактного дизеля (рисунок 2 0). Этот цикл осуществляется за два оборота коленчатого вала или четыре такта (хода поршня), во время которых в цилиндре происходят следующие процессы:

 

Рис.20 - Индикаторная диаграмма

 

1) Процесс впуска воздуха начинается в точке а', соответствующей началу открытия впускного клапана, когда поршень еще не дошел до в. м. т. Заканчивается впуск в точке а", когда впускной клапан полностью закрылся, а поршень уже прошел н. м. т., поэтому общая длительность впуска больше 180° угла поворота коленчатого вала (п.к.в.). Среднее давление газов в цилиндре в течение впуска действует по направлению движения поршня к н. м. т.; по величине оно меньше атмосферного р₀, которое

препятствует движению поршня. Следовательно, на осуществление процесса впуска необходимо затратить энергию.

Перед впуском камера сгорания заполнена продуктами сгорания - остаточными газами, оставшимися от предыдущего цикла. В конце впуска в цилиндре оказывается заряд, состоящий из смеси воздуха с остаточными газами.

2) Процесс сжатия заряда происходит после окончания впуска (точка а") и сопровождается повышением температуры и давления заряда. При приближении поршня к в. м. т. в разогретый от сжатия заряд под большим давлением начинает впрыскиваться топливо (точка d). Угол между началом впрыска топлива и в.м.т. называют углом опережения впрыска. В течение периода d-c' происходит развитие топливных струй, прогрев, испарение и перемешивание топлива с воздухом и другие процессы, предшествующие воспламенению топлива за счет теплоты горячего заряда; этот отрезок времени называют периодом, задержки воспламенения.

3) Процесс сгорания начинается в точке с', когда на индикаторной диаграмме наблюдается заметное повышение давления по сравнению с тем, которое соответствует сжатию заряда (линия с'-с). В этот момент поршень на большинстве режимов работы двигателя еще не доходит до в. м. т., а подача топлива форсункой продолжается. Во время сгорания воздух и топливо образуют продукты сгорания, т. е. состав заряда в цилиндре изменяется. Момент окончания этого процесса может находиться достаточно далеко после в. м. т. В течение процесса сгорания температура и давление в цилиндре достигают наибольших значений.

4) Процесс расширения совершается от точки z до точки b''. При расширении происходит превращение тепловой энергии, выделившейся в результате сгорания топлива, в механическую.

5) Процесс выпуска начинается в точке b', соответствующей началу открытия выпускного клапана. Заканчивается процесс выпуска в точке b'', после того как поршень пройдет в. м. т. и выпускной клапан закроется. При выпуске среднее давление газов в цилиндре во время перемещения поршня от н. м. т. к в. м. т. действует против движения поршня, по величине оно больше р₀, поэтому на процесс выпуска расходуется энергия.

Процессы, во время которых происходит смена рабочего тела — впуск и выпуск — называют процессами газообмена.

Во время осуществления всех процессов действительного цикла и особенно при сгорании и расширении имеет место теплообмен между газами и стенками цилиндра.

Деление действительного цикла на процессы несколько условно, так как между окончанием предшествующего и началом последующего процессов нет четкой границы.

Например, начало процесса впуска совпадает по времени с окончанием выпуска (участок а'- b'' ).

Протекание действительного цикла четырехтактного карбюраторного двигателя имеет следующие основные отличия от цикла дизеля: в процессе впуска в цилиндр поступает горючая смесь, состоящая из воздуха и топлива, которая дозируется специальным устройствам, называемым карбюратором; особенности способа смесеобразования, свойства топлива и главным образом меньшая величина степени сжатия исключают самовоспламенение смеси в конце) сжатия при нормальной работе карбюраторного двигателя, поэтому для ее принудительного воспламенения используется энергия электрической искры, образующейся между электродами свечи зажигания в конце процесса сжатия за 15-50° до в. м. т.

Принципиальное отличие двухтактных двигателей от четырехтактных заключается в том, что полный рабочий цикл в одном цилиндре осуществляется у них не за четыре, а за два хода поршня, т. е. за один оборот коленчатого вала. В связи с этим вспомогательные процессы наполнения и выпуска протекают в двухтактных двигателях в конце хода расширения и начале хода сжатия, в период так называемой продувки цилиндра свежим зарядом, предварительно сжатым в специальном продувочном насосе (нагнетателе) до давления р_к. Индикаторная диаграмма двухтактного двигателя с поперечно-щелевой продувкой представлена на рисунке.

Выпуск отработавших газов начинается в момент открытия выпускного окна (точка b'), а продувка цилиндра -при открытии впускного окна (точка /) при движении поршня от в. м. т. к н. м. т. Процесс сжатия начинается с закрытием выпускного окна (точка а) при движении поршня от н. м. т. к в. м. т. Таким образом, часть рабочего объема цилиндра в двухтактном двигателе теряется на совершение процессов выпуска и продувки. Эта часть рабочего объема (V"_h) называется потерянным объемом, а соответствующая ему часть хода поршня — потерянной долей хода поршня. Полезный рабочий объем цилиндра V_h = V'_h - V"_h, соответствующий ему ход поршня называется полезным ходом.

Отношение потерянного рабочего объема ко всему рабочему объему цилиндра называется долей или коэффициентом потерянного объема

откуда ,следовательно, полезный рабочий объем цилиндра двухтактного двигателя

В зависимости от способа продувки и быстроходности в современных двухтактных двигателях полезный рабочий объем составляет от 60 до 88 % общего рабочего объема цилиндра, т. е = 0,12-0,40.

В связи с потерей части рабочего объема цилиндра в двухтактных двигателях различают две степени сжатия: геометрическую и действительную е. Геометрическая степень сжатия соответствует полному ходу поршня: действительная степень сжатия - полезному ходу поршня:

Геометрическая и действительная степени сжатия двухтактного двигателя связаны между собой соотношением

откуда , или

Для лучшей продувки и наполнения объем свежего заряда, подаваемого компрессором, предусматривается на 20 - 30 % больше рабочего объема цилиндра. Соответственно в карбюраторных двигателях в следствии продувки цилиндров горючей смесью имеет место повышенный удельный расход топлива по сравнению с четырехтактными двигателями. Потери топлива при продувке могут быть устранены заменой карбюрации непосредственным впрыском топлива в цилиндры после продувки их воздухом. При этом несколько усложняется система питания двигателя.

 

Контрольные вопросы:

1. На чем основан принцип работы ДВС?
2. Чем характеризуется действительный цикл?
3. Что называется действительным циклом?
4. В чем особенности индикаторной диаграммы 2-х тактного ПД?
5. Каковы условия реализации термодинамических циклов ДВС?
6. В чем разница между индикаторными диаграммами ПД с принудительным зажиганием и самовоспламенением?