Особенности работы дизельного двигателя

Схема рабочего цикла дизельного двигателя предусматривает самовоспламенение топлива от горячего возду­ха без какого-либо постороннего источника воспламенения.

По этой схеме рабочий цилиндр двигателя во время такта впуска заполняется не горючей смесью, а воздухом. Воздух затем под­вергается сжатию и сильно нагревается. В конце процесса сжа­тия в цилиндр, в нагретый воздух, через форсунку при большом давлении впрыскивается топливо. При этом топливо мелко распыливается, испаряется и перемешивается с воздухом, образуя горючую смесь. Процесс сгорания начинается с самовоспламене­ния смеси при высокой температуре, которая достигается в про­цессе сжатия воздуха. Все остальные процессы — сгорание, рас­ширение газов и их удаление из камер сгорания — по второй схеме рабочего цикла происходят так же, как и по первой схеме.

Таким образом, характерным отличием второй схемы рабо­чего цикла от первой является самовоспламенение топлива. Двигатели, рабочий цикл у которых протекает по такой схеме, называют дизелями. Процесс образования горючей смеси в ди­зелях происходит внутри цилиндра. Для достижения высоких температур в дизельном двигателе приходится сжимать воздух во много раз больше (в 15—17 раз), чем сжимают топливо-воз-душную смесь в двигателе с принудительным воспламенением (в 7—9 раз). Более высокая степень сжатия в дизеле обеспечи­вает и более высокий коэффициент полезного действия в та­ких двигателях. Для совершения одной и той же работы в дизе­ле расходуется топлива примерно на 25—30 % меньше, чем в двигателе с принудительным зажиганием. Высокая степень сжа­тия в дизеле обусловливает и высокие давления и нагрузки, что требует применения более прочных деталей. При одной и той же мощности материалоемкость дизельного двигателя обычно боль­ше. Тем не менее дизельные двигатели находят все большее применение в автомобилестроении.

Описанные выше двигатели с принудительным зажиганием и дизели называют четырехтактными: за один оборот колен­чатого вала происходят впуск и сжатие, за следующий обо­рот—расширение и выпуск. Но существуют и двухтактные дви­гатели, у них некоторые процессы совмещены, и весь цикл про­текает за один оборот коленчатого вала. В конце такта расши­рения открывается выпускное окно, куда выводятся отработавшие газы, и затем открывается впускное окно, через которое в цилиндр поступает горючая смесь или воздух (в ди­зеле). Поршень доходит до нижней мертвой точки и начинает подниматься вверх, перекрывает впускное и выпускное окна, и смесь или воздух в цилиндре сжимается. Перед подходом поршня к верхней мертвой точке в камеру сгорания подается искра или с помощью форсунки впрыскивается топливо (в ди­зелях); вновь начинается процесс расширения. Такие двухтакт­ные двигатели устанавливают на мотоциклах, на моторных лод­ках и в других видах техники. Эти двигатели менее экономичны, чем четырехтактные, но они имеют и преимущества.

Роторно-поршневой двигатель. Для роторно-поршневого двигателя топливовоздушная смесь готовится в карбюраторе, поэтому он относится к двигателям с внешним смесеобразованием. В качестве горючего применяется топливо с большим содержанием легких фракций углеводородов — бензин.

Принципиальная схема роторно-поршневого двигателя приведена на рис. 3.

В рабочий цилиндр 1 двигателя, имеющий сложную овальную форму, помещен трехгранный ротор 5, вращающийся на внутреннем эксцентрике 2. Вершины ротора имеют уплотнения со стенками цилиндра 7 и при его вращении безотрывно скользят по ним. Стороны ротора, имеющие выпуклые сфероидальные поверхности, образуют совместно со стенками цилиндра три замкнутые полости, в которых протекает рабочий цикл двигателя. Объем каждой серповидной полости за один оборот эксцентрика ротора изменяется дважды от минимального до максимального. Это свойство рабочих полостей используется для наполнения их рабочим телом в виде топливовоздушной смеси, ее воспламенения, расширения и выпуска продуктов сгорания. В полости, где протекает процесс горения и расширения, располагается свеча зажигания, которая создает электрическую искру в момент максимально сжатия топливовоздушной смеси. Вращение ротора происходит под действием разности давлений на его боковые поверхности со стороны рабочего тела серповидных полостях. В настоящее время роторно-поршневые двигатели не нашли широкого применения на железнодорожном транспорте главным образом из-за их малой мощности, однако в дальнейшем они могут иметь перспективны в автомобилестроении из-за простоты конструкции, малых габаритных размеров и массы.

Рис. 3. Схема роторно-поршневого двигателя:

1 — рабочий цилиндр; 2 — эксцентрик; 3 — выпускной коллектор; 4 — впускной коллектор; 5 — ротор; 6 — свеча зажигания; 7— уплотнение

 

Для анализа поршневых ДВС используют два основных теоретических цикла:

1.Цикл с подводом теплоты при постоянном объеме теоретический для карбюраторных и газовых двигателей.

2. Смешанный цикл с подводом теплоты при постоянном объеме и части теплоты при постоянном давлении теоретический цикл для безкомпрессорных дизелей.

Отвод теплоты у этих циклов осуществляется при постоянном объеме.

 

Пример. Рассчитать к.п.д. двигателя внутреннего сгорания с подводом теплоты при постоянном объеме, термодинамический цикл которого состоит из следующих процессов (см. рис. 3.5): 1-2 - изохорический подвод теплоты при сгорании топлива в цилиндре двигателя; 2-3 - адиабатическое расширение рабочего тела; 3-4 - изохорический отвод теплоты при выбросе отработанного газа в атмосферу; 4-1 - адиабатическое сжатие рабочего тела. Подвод теплоты производится при постоянном объеме , а отвод - при объеме . Считать, что рабочее тело можно рассматривать как идеальный газ с показателем адиабаты, равным .

Рис. 3.5. Термодинамический цикл двигателя внутреннего сгорания

Решение: В соответствии с выражениями (2.55) и (2.61) подведенная и отведенная в изохорических процессах 1-2 и 3-4 теплота может быть определена по формулам:

 

,

 

.

Тогда на основании выражения (3.2) имеем:

 

.

Использование формулы (2.86) для адиабатических процессов 2-3 и 4-1 позволяет получить следующие соотношения:

 

,

 

.

Подстановка полученных из этих формул выражений для температур и в выражение для к.п.д. дает

 

.

Таким образом к.п.д. двигателя внутреннего сгорания зависит от отношения объемов рабочего тела , которое называется степенью сжатия и является одной из основных характеристик двигателя.

 

Действительные циклы ДВС". Отличие действительных циклов от теоретических. Индикаторные диаграммы

 

Действительные циклы, совершающиеся в цилиндрах реальных двигателей, существенно отличаются от рассмотренных теоретических циклов. В действительном цикле состав и количество газа не постоянны. После окончания каждого действительного цикла отработавший газ не остается в цилиндре, а удаляется из него, уступая место новому заряду, т.е. действительный цикл по существу является разомкнутым. В действительном цикле процессы сжатия и расширения протекают при наличии теплообмена между газом и стенками цилиндра, т.е. по политропам с переменными показателями. Процесс сгорания, протекающий при переменном объеме и давлении, характеризуется конечными скоростями и заканчивается по линии расширения. Теплоемкость рабочего тела в действительном цикле не остается постоянной. В действительном цикле имеют место тепловые и гидравлические потери при процессах наполнения цилиндра свежим зарядом и его освобождения от отработавших газов. Действительные циклы двигателей изображается в виде индикаторной диаграммы в «p-v» координатах, которые получают экспериментальным путем с помощью специального прибора, называемого индикатором.

Рассмотрим действительный цикл четырехтактного двигателя, состоящий из процессов впуска, сжатия, сгорания, расширения и выпуска, которые совершаются за четыре такта (хода поршня) или за два оборота коленчатого вала. В индикаторной диаграмме процессы сжатия и расширения являются термодинамическими, а впуска и выпуска при которых изменяется масса рабочего тела - механическими.

Индикаторная диаграмма четырехтактных двигателей представлена на рис.3.1.

Рис. 3.1 Индикаторные диаграммы четырехтактных двигателей: а - карбюраторного; б - дизельного

 

Процесс впуска в двигателях предназначен для зарядки цилиндров топливовоздушпой смесью или только воздухом (в дизелях). Впускной клапан открывается с некоторым опережением, до В.М.Т. (точка г), чтобы получить к моменту прихода поршня в Н.М.Т. большее проходное сечение у клапана. Впуск свежего заряда в цилиндр осуществляется за два периода. В первом периоде заряд поступает при перемещении поршня от В.М.Т. к Н.М.Т. вследствие разряжения, создающегося в цилиндре (линия r-а). Во второй период впуск смеси происходит при перемещении поршня Н.М.Т. к В.М.Т. в течении 40...70° повороте колен.вала за счет разности давления (Р_о-Р_а) и скоростного напора заряда (линия а-а^//). Впуск заканчивается в момент закрытия впускного клапана (точка а^//). Процесс впуска на индикаторной диаграмме изображается линией r-а-а".

Процесс сжатия в двигателях внутреннего сгорания расширяет температурные пределы цикла, что повышает термический кпд, создает лучшие термодинамические условия для сгорания рабочей смеси. Сжатие происходит при закрытых клапанах и заканчивается в момент воспламенения рабочей смеси (точка с). Процесс сжатия на диаграмме изображается политропой а- а^// - с^/ -с.

Процесс сгорания и последующего расширения газов являются главными рабочего цикла ДВС. Именно в этих процессах осуществляется превращение химической энергии топлива сначала в тепловую, а затем и в механическую работу.

Сжимаемая по политропному процессу рабочая смесь с некоторым опережением по отношению к В.М.Т.(точки с^/) для карбюраторных двигателей (рис.3.1 а) зажигается искрой от электрозаряда. Пламя от очага воспламенения распространяется по всему объему камеры сгорания с большой скоростью (30 - 50 м/с) обеспечивая выделение теплоты в близи В.М.Т. При этом давление и температура существенно возрастают и формируется высокий термодинамический потенциал рабочего тела. Продолжительность процесса сгорания составляет около 30...40° поворота коленчатого вала; при этом резко повышаются давление и температура.

В процессе расширения газов получается полезная работа, давление и температура понижаются по закону политропы. К моменту открытия выпускного клапана (точки в^/) давление тазов в цилиндре больше, чем давление окружающей среды, и в начальной стадии выпуска, отработавшие газы выходят из цилиндра с критической скоростью; после Н.М.Т. газы выталкиваются из цилиндра поршнем. Процесс выпуска (очистки) цилиндра от отработавших газов (линия в^/ r^/ r а^/) заканчивается к моменту закрытия выпускного клапана (точка а').

Для четырехтактного дизельного двигателя со свободным впуском (без наддува) точка с^/ (рис.3.16) отмечает момент начала впрыскивания топлива в пространство сжатия. Далее происходит перемешивание распыленного топлива с воздухом, нагревание его, испарение, химические преобразования и воспламенения за счет высокой температуры сжатого воздуха. Сгорание топлива сначала сопровождается резким повышением давления и температуры, а затем происходит дальнейшее повышение температуры при сравнительно незначительном повышении давления (участок Z рис.3.16).

После сгорания происходит политропное расширение (линии Z - в), которое заканчивается в момент открытия выпускного клапана (точка в^/).

Выпуск отработавших газов занимает полный ход поршня и, кроме того, часть рабочего хода и впуска (участок в^/ r^/ r а^/).

На рис.3.1 приведены индикаторные диаграммы, характеризующие протекание действительного цикла для 4^х-тактных двигателей при нормальном техническом состоянии. Вид диаграммы (рис.3.1а) может существенно измениться при нарушении регулировок состава смеси и опережения зажигания, применением бензиновых топлив с низкой детонационной стойкостью и по другим причинам. Процесс сгорания и его отражения на индикаторной диаграмме (рис.3.16) существенно зависит от степени сжатия, физико-химических свойств топлива, состава смеси, угла опережения впрыска топлива, характера топливоподачи, интенсивности завихрения и других факторов.

Индикаторная диаграмма может быть использована в целях диагностирования протекания рабочего цикла.