Циклы поршневых двигателей

1. Такт  сжатия.  Поршень перемещается  от  НМТ  к  ВМТ, перекрывая  сначала  продувочное,  а затем выпускное окно. После закрытия поршнем выпускного окна в цилиндре начинается сжатие ранее  поступившей  в  него горючей смеси.  Одновременно в кривошипной камере вследствие  ее  герметичности  создается  разряжение, под действием  которого  из  карбюратора через открытое впускное окно поступает горючая смесь в кривошипную камеру.  

2. Такт  рабочего  хода.  При  положении  поршня  около  ВМТ сжатая

рабочая смесь  воспламеняется  электрической  искрой  от  свечи, в результате  чего  температура  и давление газов резко возрастают.  Под действием  теплового  расширения  газов  поршень  перемещается  к  НМТ,  при  этом  расширяющиеся  газы  совершают полезную работу. Одновременно опускающийся поршень закрывает впускное окно и  сжимает находящуюся в кривошипной камере горючую смесь.  

 Когда  поршень  дойдет  до  выпускного  окна, оно открывается  и  начинается  выпуск  отработавших  газов  в  атмосферу, давление в цилиндре понижается.  При  дальнейшем  перемещении  поршень открывает  продувочное  окно и сжатая в кривошипной камере горючая смесь перетекает по каналу,  заполняя цилиндр и осуществляя продувку его от остатков отработавших газов.  

 Рабочий  цикл  двухтактного  дизельного  двигателя   отличается от рабочего цикла двухтактного карбюраторного двигателя тем, что у дизеля в цилиндр поступает воздух,  а не горючая смесь,  и в  конце  процесса сжатия впрыскивается мелкораспыленное топливо.  

 Мощность  двухтактного двигателя при одинаковых  размерах цилиндра  и

частоте  вращения  вала теоретически в два раза больше четырехтактного

за счет большего числа рабочих циклов.  Однако неполное  использование

хода поршня для расширения, худшее освобождение цилиндра от остаточных

газов и  затраты части вырабатываемой мощности на  привод  продувочного

компрессора  приводят  практически  к  увеличению  мощности  только на

60...70%.

Рабочий цикл четырехтактных карбюраторных

и дизельных двигателей  

 Рабочий  цикл  четырехтактного  двигателя состоит из пяти процессов:

впуск,  сжатие,  сгорание, расширение и выпуск, которые совершаются за

четыре  такта или за два оборота коленчатого  вала.  

 Графическое  представление о давлении газов  при изменении  объема  в

цилиндре  двигателя в процессе осуществления каждого из четырех циклов

дает индикаторная  диаграмма.  Она  может  быть  построена  по  данным

теплового   расчета   или   снята   при  работе  двигателя  с  помощью

специального  прибора - индикатора.

Процесс впуска. Впуск горючей смеси осуществляется после выпуска из

цилиндров отработавших газов от  предыдущего  цикла.  Впускной  клапан

открывается с некоторым опережением до ВМТ, чтобы получить к моменту прихода  поршня к ВМТ  большее  проходное  сечение  у  клапана. Впуск  горючей  смеси  осуществляется за два периода.  В первый период смесь поступает  при  перемещении  поршня  от  ВМТ  к  НМТ  вследствие разряжения, создающегося в цилиндре. Во второй период впуск смеси происходит при  перемещении  поршня  от  НМТ  к  ВМТ  в  течение некоторого времени, соответствующего 40 - 70 поворота коленчатого вала за счет разности давлений (ротора),  и скоростного напора смеси. Впуск  горючей  смеси  заканчивается закрытием впускного клапана. Горючая смесь, поступившая в цилиндр, смешивается с остаточными газами от предыдущего цикла  и  образует  горючую  смесь.  Давление  смеси  в цилиндре в течение процесса впуска составляет 70 - 90 кПа и зависит от гидравлических потерь во впускной системе двигателя. Температура смеси в  конце  процесса  впуска  повышается  до  340  -  350  К  вследствие соприкосновения ее с  нагретыми  деталями  двигателя  и  смешивания  с остаточными газами, имеющими температуру 900 - 1000 К.  

 Процесс  сжатия.  Сжатие  рабочей  смеси,  находящейся  в   цилиндре

двигателя,  происходит  при  закрытых  клапанах и перемещении поршня в

ВМТ.  Процесс сжатия протекает при наличии теплообмена  между  рабочей

смесью  и стенками (цилиндра,  головки и днища поршня). В начале сжатия температура рабочей смеси ниже  температуры  стенок,  поэтому  теплота передается  смеси  от  стенок.  По мере дальнейшего сжатия температура смеси повышается и становится выше температуры стенок, поэтому теплота от смеси передается стенкам. Таким образом, процесс сжатия осуществляется по палитре, средний показатель которой n=1.33...1.38.  Процесс сжатия заканчивается  в  момент воспламенения рабочей смеси. Давление рабочей смеси в цилиндре в конце сжатия 0.8 - 1.5МПа, а температура 600 - 750 К.   

 Процесс  сгорания.  Сгорание рабочей смеси начинается раньше прихода

поршня  к ВМТ,  т.е.  когда сжатая  смесь  воспламеняется  от электрической  искры.  После воспламенения фронт пламени горящей свечи от свечи распространяется по всему объему камеры сгорания со скоростью 40  -  50  м/с.  Несмотря  на  такую высокую скорость сгорания,  смесь успевает сгореть за время, пока коленчатый вал повернется на 30 - 35 . При  сгорании  рабочей  смеси выделяется большое количество теплоты на участке,  соответствующим 10 -  15  до  ВМТ  и  15  -  20  после  НМТ, вследствие  чего  давление и температура образующихся в цилиндре газов быстро возрастают.  

 В конце  сгорания давление газов достигает  3 - 5 МПа,  а  температура 2500 - 2800 К.  

 Процесс  расширения.  Тепловое  расширение  газов,   находящихся   в цилиндре  двигателя,  происходит  после  окончания  процесса  сгорания при перемещении поршня к НМТ.  Газы,  расширяясь,  совершают полезную   работу.   Процесс   теплового   расширения   протекает  при интенсивном теплообмене между газами и стенками (цилиндра,  головки  и днища поршня). В начале расширения происходит догорание рабочей смеси, вследствие чего образующиеся газы получают  теплоту.  Газы  в  течение всего   процесса   теплового   расширения   отдают   теплоту  стенкам. Температура газов в процессе  расширения  уменьшается,  следовательно, изменяется  перепад  температуры  между  газами  и  стенками. Процесс теплового расширения происходит по палитре, средний показатель которой n2=1.23...1.31.  Давление  газов  в цилиндре в конце расширения 0.35 - 0.5 МПа, а температура 1200 - 1500 К.  

 Процесс  выпуска.  Выпуск отработавших газов начинается при открытии выпускного клапана, т.е. за 40 - 60 до прихода поршня в НМТ. Выпуск  газов  из  цилиндра  осуществляется  за два периода.  В первый период выпуск газов происходит при перемещении поршня за  счет  того,  что  давление  газов в цилиндре значительно выше атмосферного.В этот период из цилиндра удаляется около  60% отработавших газов со скоростью 500 - 600 м/с. Во второй период выпуск газов происходит при перемещении поршня (закрытие выпускного  клапана)  за счет выталкивающего действия поршня и инерции движущихся газов. Выпуск отработавших газов заканчивается в момент  закрытия  выпускного клапана,  т.  е.  через 10 – 20 после прихода поршня в ВМТ. Давление газов в цилиндре в процессе выталкивания 0.11 - 0.12 МПа, температура газов в конце процесса выпуска 90 - 1100 К.

Рабочий цикл четырехтактного  двигателя  

 Рабочий  цикл  дизеля  существенно  отличается  от  рабочего   цикла

карбюраторного  двигателя способом образования и воспламенения рабочей

смеси.   

Процесс впуска.  Впуск воздуха  начинается  при  открытом  впускном клапане и  заканчивается в момент закрытия его. Впускной  клапан  открывается. Процесс  впуска   воздуха происходит также, как и впуск горючей смеси в карбюраторном двигателе. Давление воздуха в  цилиндре в течении процесса впуска составляет 80 - 95 кПа и зависит от гидравлических потерь во впускной  системе  двигателя. Температура воздуха  в  конце  процесса  выпуска повышается до 320 - 350 К за счет соприкосновения его с нагретыми  деталями  двигателя  и  смешивания  с остаточными газами.  

 Процесс  сжатия. Сжатие воздуха, находящегося  в цилиндре, начинается после  закрытия  впускного  клапана и заканчивается в момент впрыска топлива в камеру сгорания. Процесс сжатия происходит аналогично сжатию рабочей смеси  в  карбюраторном  двигателе. Давление воздуха  в  цилиндре  в конце сжатия 3.5 - 6 МПа, а температура 820 - 980 К.  

 Процесс  сгорания. Сгорание топлива начинается  с момента начала подачи топлива  в цилиндр,  т.е. за 15 - 30 до прихода поршня в ВМТ.  В этот момент температура сжатого воздуха на 150 - 200 С  выше температуры самовоспламенения. Топливо, поступившее в мелкораспыленном состоянии в цилиндр,  воспламеняется не мгновенно,  а  с  задержкой  в течение  некоторого  времени  (0.001 - 0.003 с),  называемого периодом задержки  воспламенения. В этот период   топливо   прогревается, перемешивается с воздухом и испаряется, т.е. образуется рабочая смесь.

Подготовленное  топливо воспламеняется и сгорает. В  конце сгорания давление газов достигает 5.5 - 11 МПа, а температура 1800 - 2400 К.  

 Процесс  расширения. Тепловое расширение  газов, находящихся в цилиндре,  начинается после окончания процесса сгорания и заканчивается в момент закрытия выпускного клапана. В начале расширения происходит догорание топлива. Процесс теплового расширения протекает аналогично процессу теплового расширения газов в карбюраторном двигателе. Давление газов в цилиндре к концу расширения 0.3 - 0.5 МПа, а температура 1000 - 1300 К.  

 Процесс  выпуска.  Выпуск отработавших газов начинается при открытии

выпускного  клапана и  заканчивается в момент закрытия выпускного клапана.    Процесс  выпуска  отработавших газов происходит  также,  как  и  процесс  выпуска  газов  в   карбюраторном двигателе. Давление газов в цилиндре в процессе выталкивания 0.11 - 0.12 МПа,  температура газов в конце процесса выпуска 700 - 900 К.

Рабочие циклы  двухтактных двигателей  

 Рабочий  цикл  двухтактного двигателя совершается за два такта, или за один оборот коленчатого вала.  

 Рассмотрим  рабочий  цикл  двухтактного  карбюраторного  двигателя с

кривошипно-камерной продувкой.  

 Процесс  сжатия горючей смеси,  находящейся в цилиндре, начинается с

момента  закрытия  поршнем  окон  цилиндра при перемещении поршня от  НМТ  к  ВМТ.  Процесс  сжатия  протекает  также,  как  и  в четырехтактном  карбюраторном  двигателе.  

 Процесс  сгорания происходит аналогично  процессу сгорания в четырехтактном  карбюраторном  двигателе.  

 Процесс  теплового  расширения  газов, находящихся в цилиндре, начинается после окончания процесса сгорания и заканчивается в момент открытия выпускных окон. Процесс теплового расширения происходит аналогично процессу   расширения газов в четырехтактном карбюраторном двигателе.  

 Процесс  выпуска  отработавших   газов   начинается   при   открытии

выпускных окон, т.е. за 60 - 65 до прихода поршня в НМТ, и заканчивается через 60 - 65 после прохода поршнем  НМТ. По мере открытия выпускного окна давление в цилиндре резко снижается, а за 50 - 55 до прихода поршня в НМТ  открываются  продувочные  окна и горючая смесь, ранее поступившая  в  кривошипную  камеру  и  сжатая  опускающимся  поршнем, начинает  поступать  в  цилиндр.  Период, в течение которого происходит одновременно два процесса - впуск горючей  смеси  и  выпуск отработавших  газов -  называют  продувкой.  Во время продувки горючая смесь вытесняет отработавшие газы и частично уносится вместе с ними.

При   дальнейшем   перемещении   к  ВМТ  поршень  перекрывает  сначала

продувочные окна, прекращая доступ горючей смеси  в  цилиндр из  кривошипной  камеры,  а  затем  выпускные и начинается в цилиндре процесс сжатия.

ПОКАЗАТЕЛИ, ХАРАКТЕРИЗУЮЩИЕ  РАБОТУ ДВИГАТЕЛЕЙ

Среднее индикаторное давление и индикаторная мощность  

 Под  средним  индикаторным  давлением  Pi  понимают  такое  условное

постоянное  давление,  которое  действуя  на  поршень в течение одного

рабочего  хода,  совершает работу,  равную индикаторной работе газов  в

цилиндре  за рабочий цикл.  

 Согласно  определению,  среднее индикаторное  давление  -  отношение

индикаторной  работы  газов  за  цикл  Li  к  единице  рабочего объема

цилиндра Vh, т.е. Pi=Li/Vh.  

 При  наличии  индикаторной  диаграммы,  снятой  с двигателя, среднее   индикаторное   давление   можно   определить    по    высоте прямоугольника,  построенного на основании Vh,  площадь которого равна полезной  площади  индикаторной  диаграммы,  представляющей  собой   в некотором масштабе индикаторную работу Li.  

 Определить  с помощью планиметра  полезную  площадь  F  индикаторной

диаграммы (м^2) и длину l индикаторной диаграммы (м),  соответствующую

рабочему  объему  цилиндра,  находят  значение  среднего  индикаторного

давления  Pi=F*m/l,  где  m - масштаб давления индикаторной диаграммы,

Па/м.  

 Средние  индикаторные    давления   при   номинальной   нагрузке   у четырехтактных   карбюраторных   двигателей   0.8  -  1.2 МПа, у четырехтактных дизелей 0.7 - 1.1 МПа,  у двухтактных дизелей 0.6 - 0.9 МПа.