Что такое рабочая точка в двигателях внутреннего сгорания - Журнал "Автопарк"
Auto-park24.ru

Журнал "Автопарк"
3 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Что такое рабочая точка в двигателях внутреннего сгорания

Циклы двигателей внутреннего сгорания

Здравствуйте! Двигатель внутреннего сгорания (ДВС) — это тепловая машина, в которой подвод теплоты к рабочему телу осуществляется за счет сжигания топлива внутри самого двигателя. Рабочим телом в таких двигателях является на первом этапе воздух или смесь воздуха с легковоспламеняемым топливом, а на втором этапе — продукты сгорания. В поршневых двигателях внутреннего сгорания подвод теплоты происходит непосредственно в цилиндре в процессе сгорания топлива. Эти двигатели имеют сравнительно высокую экономичность, малые габариты и вес, приходящийся на единицу мощности, и поэтому в основном применяются в качестве транспортных двигателей: в авиации, автомобильном, водном и железнодорожном транспорте. Кроме того, они используются в стационарных энергетических установках малой мощности.

Недостатком поршневых двигателей является необходимость применения кривошипного механизма, предназначенного для преобразования поступательного движения поршня во вращательное. Наличие несбалансированных масс в кривошипном механизме при увеличении числа оборотов приводит к возникновению больших механических нагрузок. Поэтому мощные двигатели внутреннего сгорания выполняются тихоходными, что увеличивает их габариты и вес.

Различные требования, предъявляемые к двигателям внутреннего сгорания в зависимости от их назначения, привели к созданию самых разнообразных типов этих двигателей. Однако с термодинамической точки зрения их можно классифицировать по характеру процессов. Циклы, которые применяются в двигателях, можно подразделить на следующие три вида:

1) цикл с подводом теплоты при постоянном объеме;

2) цикл с подводом теплоты при постоянном давлении;

3) смешанный цикл, в котором теплота подводится при постоянном объеме и при постоянном давлении.

Цикл с подводом теплоты в процессе при постоянном объеме.

Особенностью двигателей, работающих по этому циклу, является внешнее приготовление рабочей смеси, которая затем подается в цилиндр, где сжимается и воспламеняется от электрической искры, причем сгорание происходит очень быстро и процесс можно рассматривать как происходящий при постоянном объеме. Так как внешнее смесеобразование осуществляется при низкой температуре, двигатель может работать только на легких топливах, которые хорошо смешиваются с воздухом. Такой двигатель впервые был построен в 1876 г. немецким изобретателем Отто и работал на газовой смеси.

Теоретический цикл с подводом теплоты при υ = const состоит из двух адиабат и двух изохор (рис. 2). В процессе 1—2 происходит адиабатное сжатие рабочей смеси, которая в точке 2 воспламеняется с помощью электрической искры и сгорает в процессе 2—3 при постоянном объеме. В процессе 3—4 адиабатного расширения продуктов сгорания топлива происходит перемещение поршня и производится работа расширения. В точке 4 открывается выхлопной клапан, и давление в цилиндре падает до атмосферного pa.

При этом часть отработавших продуктов сгорания покидает полость цилиндра. В дальнейшем в результате возвратно-поступательного движения поршня выталкиваются остатки продуктов сгорания и всасывается следующая порция рабочей смеси. На теоретической диаграмме (рис. 2) эти процессы совпадают с изобарой ра, однако условно их совмещают с изохорным процессом 4—1, в котором отводится количество теплоты q2, фактически уносимой вместе с удаляемыми газами.

Реальные циклы двигателей внутреннего сгорания заметно отличаются от теоретических, поэтому при теоретическом анализе вводятся также и другие допущения. В качестве рабочего тела при исследовании циклов двигателей внутреннего сгорания принимается идеальный газ, количество и свойства которого неизменны (в действительности они изменяются в результате сгорания распыленного топлива).

Процессы сжатия и расширения не являются адиабатными, потому что в реальном двигателе существует трение и происходит теплообмен между стенками цилиндра и газом. Процесс 2—3 в действительности также отличается от изохорного из-за перемещения поршня за время горения топлива. Вследствие развития всех процессов во времени определенные точки перехода от одного процесса к другому (точки 1, 2, 3 и 4) в реальных циклах отсутствуют, и процессы сменяют друг друга постепенно (рис. 1).

Однако при термодинамическом анализе циклов двигателей внутреннего сгорания эти отклонения от идеальных условий не учитываются, что существенно упрощает теоретическое исследование циклов.

В соответствии с формулой

термический к. п. д. цикла с подводом теплоты при постоянном объеме возрастает с увеличением степени сжатия ε, которая равна отношению υ1/υ2 (рис.2) и показывает, во сколько раз уменьшается объем рабочей смеси при ее сжатии. Однако величина ε ограничивается температурой самовоспламенения рабочей смеси.

Если в процессе адиабатного сжатия 1—2 температура в цилиндре превысит температуру самовоспламенения, то рабочая смесь воспламенится преждевременно, что не только снизит экономичность двигателя, но и приведет к весьма опасным перегрузкам. Поэтому степень сжатия в двигателях со сгоранием при υ = const не превышает ε = 6—9 (выбирается в зависимости от свойств топлива).

Цикл с подводом теплоты при постоянном давлении.

В двигателях, работающих по этому циклу, сжатию подвергается не рабочая смесь, а воздух, температура которого в конце процесса сжатия (точка 2 на рис. 3) превышает температуру самовоспламенения топлива и составляет 600—800° С. Благодаря этому подаваемое в цилиндр распыленное жидкое топливо, смешиваясь с воздухом, самовоспламеняется и горит, причем подача топлива регулируется таким образом, чтобы горение шло при постоянном давлении (изобара 2—3). Распыливание подаваемого в цилиндр топлива производится сжатым воздухом (давление 5—9 МПа), поступающим из специального компрессора (такие двигатели часто называют компрессорными). В процессе 3—4 происходит адиабатное расширение продуктов сгорания, а процесс 4—1 аналогичен такому же в цикле со сгоранием при υ=const. Этот цикл был впервые предложен и осуществлен Дизелем.

Ввиду того что сжатию подвергается только воздух, преждевременное воспламенение (детонация) топлива исключается, двигатели работают с большими степенями сжатия (порядка 15—20) и имеют большой к. п. д. Так как образование горючей смеси происходит при высокой температуре, в этих двигателях сжигаются более тяжелые виды топлива.

Недостатком этих двигателей является наличие компрессора высокого давления, снижающего надежность, а также усложняющего конструкцию и потребляющего некоторую часть мощности двигателя. Поэтому они в настоящее время вытеснены бескомпрессорными двигателями, в которых распыливание топлива осуществляется топливным насосом.

Смешанный цикл.

Двигатели, работающие по смешанному циклу, являются более совершенными по сравнению с двигателями с изобарным сгоранием, так как у них отсутствует компрессор. Первый патент на бескомпрессорный двигатель высокого давления был выдан в 1901 г. русскому инженеру Г. В. Тринклеру. Однако эти двигатели получили широкое распространение значительно позже, когда удалось осуществить тонкое распыливание топлива с помощью топливного насоса и форсунок специальной конструкции. В настоящее время по смешанному циклу работают преимущественно транспортные двигатели, в которых используется тяжелое топливо.

В смешанном цикле, как и в цикле с изобарным сгоранием, сжатию подвергается воздух. Топливо подается в цилиндр с помощью насоса в конце сжатия (точка 2 на рис. 4) при давлении 30—150 МПа и вследствие высокой температуры воздуха самовоспламеняется. Подача топлива под большим давлением создает благоприятные условия для хорошего распиливания и перемешивания его с воздухом, что обеспечивает достаточно полное сгорание топлива и повышение экономичности двигателя. Процесс горения идет сначала при постоянном объеме (изохора 2—3), а затем при постоянном давлении (изобара 3—3′).

Сравнение циклов.

Как уже отмечалось раньше, сравнение экономичности двигателей целесообразно проводить с помощью Ts-диаграммы, так как эта диаграмма позволяет по соответствующим площадям определить количество теплоты. На рис. 5 выполнено сравнение рассмотренных выше циклов двигателей при одинаковом количестве отводимой теплоты q2, которой соответствует площадь 1—4—b—a—1, и одинаковых максимальных параметрах цикла в точке 3.

Степень сжатия для цикла со сгоранием топлива при p = const (определяется положением точки 2″ в конце адиабатного сжатия воздуха) больше, чем для цикла со сгоранием при υ = const (точка 2). Это соответствует действительным условиям работы двигателей, так как отличительной особенностью и преимуществом двигателей с подводом тепла при р = const является возможность использования больших степеней сжатия.

Поэтому целесообразно сопоставить двигатели при одинаковых максимальных давлениях и температурах (точка 3 на рис. 2—4), поскольку эти параметры определяют величину механических и термических напряжений, а следовательно, и конструктивные особенности двигателей.При одинаковых максимальных параметрах в цикле 1—2″— 3—4—1 (рис. 5) с подводом теплоты при p = const работа, равная площади цикла, больше работы в цикле 1—2—3—4—1 с подводом теплоты при υ=const. Так как количество отводимой теплоты q2, которой соответствует площадь 1—4—b—а—1, в обоих циклах одинаково, то термический к. п. д. в условиях одинаковых максимальных параметров для цикла с подводом теплоты при p = const выше.

Термический к. п. д. смешанного цикла 1—2’—3’—3 —4—1 имеет среднее значение между термическими коэффициентами полезного действия рассмотренных циклов. В действительности для смешанного цикла и цикла Дизеля оптимальная степень сжатия одинакова и составляет ε = 16—18, поэтому бескомпрессорные двигатели работают при более высоких максимальных параметрах (точка 3 на рис. 5 расположена выше) и, следовательно, являются наиболее экономичными. Исп. литература: 1) Теплоэнергетика и теплотехника, Общие вопросы, Справочник под ред. В.А. Григорьева и В.М. Зорина, Москва, «Энергия», 1980. 2)Теплотехника, Бондарев В.А., Процкий А.Е., Гринкевич Р.Н. Минск, изд. 2-е,»Вышейшая школа», 1976.

Кривошипно-шатунный механизм двигателя внутреннего сгорания: устройство, назначение, как работает

Кривошипно-шатунный механизм (КШМ) представляет собой важный механизм автомобильного двигателя, который преобразовывает поступательные движения поршневой системы во вращательное движение коленчатого вала двигателя, от которого, в свою очередь, это движение передается на колеса автомобиля, что и приводит машину в движение.

Принцип работы кривошипно-шатунного механизма

Под давлением газов, которые образуются в цилиндрах двигателя при сгорании топливно-воздушной смеси, поршень совершает поступательное движение по направлению к коленчатому валу.

Важные детали механизма, а именно: поршень, шатун и вал помогают преобразовывать движения поступательного характера в движения вращательного, что в свою очередь запускает вращение колес автомобиля.

В обратном порядке взаимодействие вала и поршня выглядит следующим образом: вал при вращательном движении через детали механизма – вал, шатун и поршень, преобразовывает энергию в поступательное поршневое движение.

Читать еще:  Что будет если крутить стартер при работающем двигателе

Как устроен кривошипно-шатунный механизм

Механизм состоит из деталей, как подвижных, так и неподвижных.

Детали подвижного типа:

  • поршень;
  • маслосъемное кольцо (1);
  • компрессионные кольца (2);
  • поршневой палец (3);
  • стопорное кольцо (4);
  • шатун;
  • крышка шатуна (5);
  • крепежный болт (6);
  • вкладыши (7);
  • втулка (8);
  • коленчатый вал;
  • шатунная шейка (9);
  • противовес (10);
  • коренная шейка (11);
  • маховик

Детали неподвижного типа:

  • блок и головка цилиндров;

Поршень с кольцами и пальцем

Поршень – это небольшая цилиндрическая деталь, изготовленная из алюминиевого сплава. Его основным назначением является преобразование давления выделяемых газов в поступательное движение, передаваемое в шатун. Возвратно-поступательное движение обеспечивается за счет гильзы.

Поршень состоит из юбки, головки и дна (днища). Дно может иметь разную форму (выпуклую, вогнутую или плоскую), в нем содержится камера сгорания. На головке расположены небольшие канавки для поршневых колец (маслосъемных и компрессионных).

Кольца компрессионного типа предотвращают возможное попадание газов в двигательный картер, а кольца малосъемного типа предназначены для удаления лишнего масла со стенок цилиндра.

Юбка оснащена специальными бобышками с отверстиями, для установления поршневого пальца, соединяющий поршень и шатун.

Шатун

Шатун – еще одна деталь КШМ, которая изготавливается из стали методом штамповки или ковки, оснащенная шарнирными соединениями. Шатун предназначен для передачи энергии движения от поршня к валу.

Шатун складывается из верхней, разборной нижней головки и стержня. Верхняя головка соединяется с поршневым пальцем. Нижнюю разборную головку можно соединять с шейкой вала с помощью крышек (шатунных).

Кривошип (колено)

К любому кривошипу (колено) крепится шатун поршня. Зачастую кривошип располагается от оси шеек в определенном радиусе, что определяет ход поршня. Именно эта деталь дала название кривошипно-шатунному механизму.

Коленчатый вал

Еще одна подвижная деталь механизма сложной конфигурации, изготовленная из чугуна или стали. Основным назначением вала является преобразование поступательного поршневого движения поршня во вращательный момент.

Коленчатый вал складывается из шеек (коренных, шатунных), щек (соединяющих шейки) и противовесов. Щеки создают равновесие при работе всего механизма. Внутри шейки и щеки оснащены небольшими отверстиями, через которые под давлением происходит подача масла.

Маховик

Маховик, как правило, установлен на конце вала. Изготавливается из чугуна. Маховик предназначен для повышения равномерного вращения вала для запуска двигателя с помощью стартера.

В настоящее время чаще применяются маховики двухмассового типа – два диска, которые достаточно плотно соединены между собой.

Блок цилиндров

Это неподвижная деталь КШМ, которая изготавливается из чугуна или алюминия. Блок предназначен для направления поршней, именно в них осуществляется весь рабочий процесс.

Блок цилиндров может быть оснащен рубашками охлаждения, постелями для подшипников (распределительного и коленчатого вала), точкой крепления.

Головка цилиндров

Эта деталь оснащена камерой сгорания, каналами (впускными и выпускными), отверстиями для свечей зажигания, втулками и седлами. Головка цилиндров изготавливается из алюминия.

Как и блок, головка также имеет рубашку охлаждения, которая соединяется с рубашкой цилиндра. А вот герметичность этого соединения обеспечивается специальная прокладка.

Закрывается головка небольшой штампованной крышкой, при этом между ними устанавливается резиновая прокладка, устойчивая к воздействию масел.

Поршень, гильза цилиндров и шатун образуют то, что автомобилисты обычно называют цилиндр. Двигатель может иметь от одного до 16, а иногда и больше цилиндров. Чем больше цилиндров, тем больше общий рабочий объем двигателя и, соответственно, тем больше его мощность. Но нужно понимать, что при этом одновременно с мощностью растет и расход топлива. Цилиндры в двигателе могут располагаться по различным компоновочным схемам:

  • рядная (оси всех цилиндров располагаются в одной плоскости)
  • V-образная компоновка (оси цилиндров располагаются под углом 60 или 120 градусов в двух плоскостях)
  • оппозитная компоновка (оси цилиндров располагаются под углом 180 градусов)
  • VR-компоновка (аналогично V-образной, но плоскости располагаются под небольшим углом относительно друг друга)
  • W-образная компоновка представляет собой совмещение на одном коленчатом валу двух VR-компоновок, расположенных V-образно со смещением относительно вертикали

От компоновочной схемы зависит балансировка двигателя, а так же его размер. Наилучшей балансировкой обладает оппозитный двигатель, однако он редко используется на автомобилях из-за конструктивных особенностей.

Так же отличным балансом обладает рядный шестицилиндровый двигатель, но его применение на современных автомобилях практически невозможно из-за его громоздкости. Наибольшее распространение получили V-образные и W-образные двигатели из-за наилучшего сочетания динамических характеристик и конструктивных особенностей.

Особенности условий работы ДВС автомобилей, тракторов и ДСМ

Несмотря на общий принцип работы ДВС, они имеют специфические особенности с учётом их применения на объектах назначения и условий работы самого объекта. В этом отношении условия эксплуатации ДВС автомобилей и ДСМ не похожи на условия работы стационарных, судовых и тепловозных ДВС.

Для условий эксплуатации автомобильных ДВС характерны следующие особенности.

· Широкий диапазон нагрузок и частот вращения, а также их частая смена. Это приводит к частой работе на так называемых неустановившихся режимах (НУР), что выражается в быстрой смене скоростного и нагрузочного режимов. Число переключений передач составляет 400…600 на 100 км пробега даже при умеренной плотности движения. Доля неустановившихся режимов работы (НУР) в условиях городского движения автомобиля доходит до 50%; из них разгоны составляют до 50%. На этих режимах потребляется до 50 % топлива и выделяется 80% токсичных компонентов ОГ.

· Невысокая средняя нагрузка и частота вращения. Среднее значение крутящего момента на валу составляет Мк ср = (0,3…0,5) Мк max, а среднее значение частоты вращения nср = (0.5…0.7) nном, где Мк max и nном максимальное значение крутящего момента и номинальное значение частоты вращения. Это указывает на длительную работу на частичных нагрузках и на режимах холостого хода (ХХ).

Для условий эксплуатации ДВС тракторов и ДСМ также характерны широкий диапазон нагрузок и частая их смена. Но характер отличается от аналогичных условий автомобильных ДВС.

· Более высокая средняя нагрузка: по крутящему моменту Мк ср = (0,6…0,7) Мк max,

· При эксплуатации на некоторых машинах частота вращения двигателя изменяется мало, что диктуется требованиями условий работы объекта назначения и обеспечивается работой регулятора.

· Частота смены внешней нагрузки, вызывающая необходимость адекватного изменения мощности самого двигателя лежит в пределах f = 0,10…10 Гц.

· Число включений различных вспомогательных механизмов, нагружающих двигатель, составляет до 1500 в час. Например, переключение передач 80 в час, число включений сцепления до 100 в час.

· Частые пуски двигателя (до 80 за 10 часов работы).

· Частый выход на режимы полной нагрузки (до 60…70% времени – работа на режиме полной нагрузки).

· Высокая запылённость воздуха в окружающей среде. Для условий работы автомобилей (исключая работу в карьерах) запылённость составляет 0,12 г/м 3 . Для условий работы бульдозеров, скреперов и грейдеров — 0,4…1,0 г/м 3 , т.е. в 4…8 раз выше.

Требования к ДВС автомобилей и ДСМ

Анализ условий работы ДВС автомобилей, тракторов и ДСМ позволяет сформулировать основные требования к ДВС подобного назначения.

1) Регулируемость – способность изменять мощность при изменении внешней нагрузки.

2) Быстрая адаптация к изменению внешней нагрузки или к изменению положения органа управления, т.е. высокие динамические свойства.

4) Высокие экологические показатели.

5) Высокая надёжность.

6) Быстрый запуск двигателя.

7) Минимальные габариты и масса

8) Простота обслуживания.

Необходимо отметить, что требования высокой экономичности, высоких экологических показателей и надёжности должны обеспечиваться в широком диапазоне его скоростных и нагрузочных режимов, а также при частой их смене.

Двигатели внутреннего сгорания, применяемые в качестве силовых установок для автомобилей, тракторов и ДСМ, в значительной мере удовлетворяют указанным требованиям.

Вместе с тем им присущи следующие недостатки.

1) Ограниченная агрегатная мощность, вызванная цикличностью рабочего процесса. Под эти показателем понимается отношение массы двигателя на единицу мощности. В настоящее время этот показатель 4…6 кг/кВт, (в начале века ХХ века 20…40 кг/кВт). По этому показателю они уступают газотурбинным двигателям.

2) Высокий уровень шума.

3) Высокая частота вращения при пуске двигателя.

4) Токсичность ОГ.

5) Наличие значительных вращающихся масс (ВМ) и возвратно-поступательно движущихся и масс (ВПДМ) является причиной неуравновешенности ДВС.

6) Неблагоприятная естественная тяговая характеристика ДВС, исключающая возможность его непосредственного соединения с колесами транспортной машины.

По всем этим показателям они уступают газотурбинным установкам (ГТД).

За 150 лет своего существования поршневые ДВС показали перспективность их конструкции и резервы их совершенствования.

Классификация ДВС

1) По способу осуществления рабочего цикла ДВС подразделяются на: 4-тактные

и 2-тактные, в которых рабочий цикл совершается соответственно за два оборота КВ и за один оборот КВ.

2) По способу регулирования мощности:

· ДВС с количественным регулированием, когда изменяется количество смеси при слабом изменении ее состава (качества).

· ДВС с качественным регулированием, когда изменяется состав смеси при слабом изменении ее количества.

3) По способу смесеобразования:

· с внешним смесеобразованием, когда смесь воздуха с топливом создаётся преимущественно вне цилиндра; подача топлива осуществляется во впускной воздушный тракт;

· с внутренним смесеобразованием, когда смесь топлива с воздухом создаётся непосредственно в цилиндре; соответственно подача топлива осуществляется непосредственно в цилиндр.

4).По способу воспламенения горючей смеси:

· с принудительным зажиганием (от искрового разряда);

· с воспламенением от сжатия (вследствие повышения температуры заряда при сжатии);

· газодизельные или бензодизельные.

4) По виду применяемого топлива: · легкого топлива (бензины); · тяжелого топлива (дизельное топливо); · газовые (сжиженный газ или сжатый природный газ); · многотопливные.

Под понятием двигатель с искровым зажиганием (ДсИЗ) понимается двигатель лёгкого топлива, с внешним смесеобразованием; с воспламенением от искры; с количественным регулированием.

Под понятием дизель понимается двигатель тяжёлого топлива; с внутренним смесеобразованием; с воспламенением от сжатия; с качественным регулированием.

5) По способу охлаждения в зависимости от вида внешнего теплоносителя различают двигатели: · с жидкостным охлаждением; · с воздушным охлаждением.

Читать еще:  Горит лампочка давления масла на двигателе змз 406

6. Действительный рабочий цикл: основные определения и конструктивные параметры ДВС

6.1. Основные определения

Действительным циклом ПДВС называется последовательность периодически повторяющихся процессов, осуществляемых с целью превращения части термохимической энергии топлива в механическую работу.

Рабочий цикл ПДВС состоит из 5 основных процессов: впуска, сжатия, сгорания, расширения, выпуска. Все процессы в ДВС осуществляются при перемещении поршня в цилиндре двигателя, в результате чего изменяется объем надпоршневого пространства.

Преобразование возвратно-поступательного движения поршня во вращательное реализуется с помощью кривошипно-шатунного механизма (КШМ).

Мёртвыми точками КШМ называют положение КШМ, при котором ось шатуна лежит в плоскости кривошипа КВ. При этих положениях сила, приложенная к поршню, не может вызвать вращательное движение КВ. Мёртвым точкам соответствуют крайние положения поршня в цилиндре.

Крайнее положение поршня, при котором его расстояние от оси КВ достигает максимума, называется верхней мёртвой точкой (ВМТ)..

Крайнее положение поршня, при котором его расстояние от оси КВ достигает минимума, называют нижней мёртвой точкой (НМТ).

Ход поршня S – расстояние между крайними его положениями в цилиндре, те. расстояние, которое проходит поршень при его движении между верхней и нижней мёртвыми точками. От величины хода поршня существенно зависит его средняя скорость сп при перемещении поршня между мёртвыми точками, которая в значительной мере определяет износ двигателя. Величина скорости поршня зависит от значения хода поршня S (м) и частоты вращения коленчатого вала n (мин -1 ): cп = S×n/30 м/с.

Часть рабочего цикла, осуществляемая при перемещении поршня между ВМТ и НМТ, называют тактом. Такту присваивается название процесса, который является по длительности доминирующим при данном перемещении поршня между мёртвыми точками.

В связи с этим различают такты: впуска, сжатия, расширения (или рабочего хода) и выпуска. При этом длительность процессов впуска и выпуска больше длительности соответствующих тактов. Напротив, длительность процессов сжатия и расширения меньше длительности соответствующих тактов.

В многоцилиндровых двигателях последовательность чередования одноимённых тактов в разных цилиндрах называется порядком работы двигателя. При этом нумерация цилиндров осуществляется со стороны, противоположной валу отбора мощности. Для двух рядных двигателей отсчёт сначала ведётся по правому блоку (если смотреть со стороны отбора мощности), а потом – по левому. От порядка работы цилиндров существенно зависит равномерность работы двигателя.

При перемещении поршня происходит изменение объём внутренней полости цилиндра.

Объём Vс внутренней полости цилиндра при положении поршня в ВМТ называют объёмом сжатия или камерой сжатия (КС).

Объём Vа внутренней полости цилиндра при положении поршня в НМТ, называют полным объемом цилиндра.

Объём Vh, описываемый поршнем при его движении от ВМТ к НМТ, называют рабочим объемом цилиндра.

Отношение Va/Vc = e называют степенью сжатия. Этот конструктивный параметр влияет на экономические показатели двигателя.

Величина рабочего объёма определяется как произведение хода поршня S на площадь поршня А: Vh = S×A = S×(p×D 2 /4), где D – диаметр цилиндра.

Диаметр цилиндра оказывает существенное влияние как на организацию рабочего процесса в двигателе, так и на динамические нагрузки. Известно, что масса поршня пропорциональна кубу диаметра цилиндра, т.е. mп

D 3 . Это является причиной больших значений сил инерции возвратно-поступательно движущихся масс.

Отношение хода поршня S к диаметру цилиндра D называется коэффициентом короткоходности K =S/D.

При совершении рабочего цикла в ДВС давление в цилиндре изменяется. Для анализа рабочих процессов в ДВС широко используется зависимость давления газов в цилиндре (р) от текущего объема надпоршневого пространства (Vх), освобождаемого поршнем. Эта зависимость рг = f(Vх) называется индикаторной диаграммой. Учитывая, что объем однозначно связан с перемещением поршня Sх. Индикаторная диаграмма может строиться в координатах рг = f(Sх).

С помощью индикаторной диаграммы определяются газовые силы, действующие на детали КШМ.

Для реализации рабочего цикла необходимо заполнение цилиндра свежей смесью и освобождение цилиндра от продуктов сгорания. Эти функции выполняет механизм газораспределения (МГР), открывающий и закрывающий в необходимые моменты цикла впускные и выпускные клапаны.

Моменты начала открытия и конца закрытия впускных и выпускных клапанов относительно мёртвых точек, выраженные в градусах ПКВ, называют фазами газораспределения (ФГР).

Количества воздуха и топлива, поступившие в цилиндр за один рабочий цикл, называются соответственно цикловыми зарядами воздуха и топлива (GВЦ, GТЦ). Соотношение топлива и воздуха в цилиндре называют составом смеси.

Для, так называемого, полного сгорания 1 кг топлива минимально требуется l кг количества воздуха ( l = 14.9 кг в/кг т для бензинов и l = 14,4 кг в/кг т — для дизельного топлива). Соответственно, количество воздуха, теоретически необходимого для полного сгорания всего топлива, составит (l ×Gтц).

Состав смеси в ДВС принято характеризовать коэффициентом избытка воздуха a, представляющим отношение действительного количества воздуха, оставшегося в цилиндре после закрытия впускного клапана (или поступившего в цилиндр) к теоретически необходимому для полного сгорания всего поданного топлива.

При a =1 в смеси содержится минимальное количество воздуха, необходимое для полного сгорания топлива (стехиометрическая смесь). В этом случае в продуктах сгорания углеводородного топлива содержатся только продукты полного окисления горючих компонентов топлива (СО2, Н2О) и азот (N2), но и при этом отсутствует свободный кислород (О2).

При a 1 воздуха, больше, чем необходимо для полного сгорания топлива (бедная смесь). Тогда к составу продуктов сгорания стехиометрической смеси добавляется свободный кислород (О2).

Характер протекания процессов, формирующих рабочий цикл (РЦ), в значительной степени зависит от: · способа его организации в части газообмена; · способа организации смесеобразования и · способа воспламенения смеси.

Принцип работы 4 тактного дизельного двигателя

Рабочий цикл двигателя

Рабочим циклом называется совокупность периодически повторяющихся в определенной последовательности процессов, протекающих в каждом цилиндре двигателя, в результате которых тепловая энергия переходит в работу.
Тактом называется процесс, происходящий в цилиндре при перемещении поршня от одной мертвой точки к другой.

Если рабочий цикл совершается за четыре хода поршня, чему соответствует два оборота коленчатого вала, то двигатель с таким циклом называется четырехтактным. Каждый такт такого двигателя имеет свое наименование и свои особенности.

Рис.2. Рабочий цикл четырёхтактного дизеля: 1-топливный насос; 2-поршень; 3-форсунка; 4-воздухоочиститсль; 5-впускной клапан; 6-выпускной клапан; 7-цилиндр

Такт впуска. При перемещении поршня от ВМТ до НМТ над ним освобождается пространство, куда через открывающийся впускной клапан 5 (рис.2) поступает чистый воздух у дизеля или смесь воздуха с мелко распыленным бензином (горючая смесь). Поступивший свежий заряд смешивается с остатками отработавших газов от предыдущего такта (такая смесь называется рабочей). При подходе к НМТ давление в цилиндре вследствие сопротивления во впускном трубопроводе, ниже атмосферного и составляет 0,07. 0,09. Температура газов в конце этого такта достигается 40. 70°С у дизеля и 70. 13О°С у карбюраторного двигателя.

Такт сжатия. При перемещении поршня от НМТ к ВМТ впускной клапан закрывается и поступивший в цилиндр воздух или рабочая смесь сжимается, вследствие чего их температура и давление повышаются. Величина повышения давления и температуры определяется степенью сжатия двигателя. У дизеля температура в конце такта сжатия достигает 550. 750°С, а давление 4. 5МПа; у карбюраторного двигателя рабочая смесь нагревается до 300. 430°, а давление составляет 0,8. 1.5МПа.

Такт расширения. При подходе поршня к ВМТ в цилиндр дизеля через форсунку впрыскивается топливо, которое, перемещаясь с нагретым и сжатым воздухом, сгорает; при этом давление газов в цилиндре возрастает до 6. 9 МПа, а их температура поднимается до 1800. 2000° С. Под действием давления расширяющихся газов поршень перемещается от ВМТ к НМТ. В конце этого такта температура газов понижается до 700. 900° С, а давление до 0,3. 0,5МПа.

В карбюраторном двигателе при подходе поршня к ВМТ сжатия горючая смесь воспламеняется от электрической искры, возникающей между электродами свечи, ввернутой в цилиндра. От сгорания смеси давление газов возрастает до 3,5. 5 МПа, а температура до 2100. 2400°. К концу такта расширения у карбюраторного двигателя температура газов снижается до 900. 1200°, а давление до 0,3. 0,35 МПа.

Такт выпуска. При перемещении поршня от НМТ к ВМТ открывается выпускной клапан, и отработавшие газы выталкиваются из цилиндра в атмосферу. При этом давление газов к концу такта снижается до 0,11. 0,12 МПа, а температура до 500. 700°С у дизеля и 300. 400° у карбюраторного двигателя.

Таким образом, в четырехтактном двигателе только один такт расширения — ход поршня под действием давления газов поворачивает коленчатый вал и совершает полезную работу; этот ход называется рабочим. Остальные такты — впуска, сжатия и выпуска — называются вспомогательными. После такта выпуска рабочий цикл двигателя повторяется.

Двигатели внутреннего сгорания. Цикл Дизеля.

Степень сжатия ε в цикле может быть повышена, если сжимать не горючую смесь, а чистый воздух, и затем после окончания процесса сжатия вводить в цилиндр горючее. Именно на этом принципе основан цикл Дизеля (названный по имени немецкого инженера Р. Дизеля, построившего в 1897 г. двигатель, работавший по этому циклу). Схема двигателя, работающего по циклу Дизеля, и индикаторная диаграмма этого двигателя представлены на рисунке ниже. В процессе а-1 в цилиндр двигателя засасывается чистый атмосферный воздух; в процессе 1-2 осуществляется адиабатное сжатие этого воздуха до давления р2 (степень сжатия в двигателях с циклом Дизеля обычно достигает ε = 15÷16). Затем начинается процесс расширения воздуха и одновременно через специальную форсунку впрыскивается топливо (керосин, соляровое масло). За счет высокой температуры сжатого воздуха топливо воспламеняется и сгорает при постоянном давлении, что обеспечивается расширением газа от v2 к v3 при постоянном давлении. Поэтому цикл Дизеля называют циклом со сгоранием при постоянном давлении.

Читать еще:  Ваз двигатель дворников работает а дворники не крутятся

После того как процесс ввода топлива в цилиндр заканчивается (точка 3), дальнейшее расширение рабочего тела происходит по адиабате 3-4. В состоянии, соответствующем точке 4, открывается выхлопной клапан цилиндра, давление в цилиндре снижается до атмосферного (по изохоре 4-5) и газ выталкивается из цилиндра в атмосферу (линия 5-b); таким образом, цикл Дизеля — это четырехтактный цикл.

Рабочие циклы двигателей

Рабочий цикл четырехтактного карбюраторного двигателя

Работа двигателя внутреннего сгорания может быть представлена в виде систематически повторяющихся процессов, которые принято называть рабочими циклами. Рабочим циклом двигателя называется ряд последовательных, периодических повторяющихся процессов в цилиндрах, в результате которых тепловая энергия топлива преобразуется в механическую работу. При этом каждый полный рабочий цикл может быть разделен на одинаковые (повторяющиеся) части – такты.

Часть рабочего цикла, совершаемого за время движения поршня от одной мертвой точки до другой, т. е. за один ход поршня, называется тактом . Двигатели, рабочий цикл которых совершается за четыре хода поршня (два оборота коленчатого вала), называются четырехтактными. В головке блока цилиндров, над камерой сгорания (рис. 1) карбюраторного двигателя устанавливаются впускной 4 и выпускной 6 клапаны, управляемые газораспределительным механизмом, а также свеча зажигания 5.

Рабочий цикл карбюраторного четырехтактного двигателя состоит из последовательных тактов впуска, сжатия, расширения и выпуска.

Такт впуска

В результате вращения коленчатого вала при пуске двигателя (вручную или с помощью специального устройства — например, заводной рукоятки или электродвигателя — стартера) поршень совершает движение от верхней мертвой точки (ВМТ) к нижней мертвой точке (НМТ). При этом впускной клапан 4 открыт, а выпускной клапан 6 закрыт. Так как объем цилиндра при движении поршня вниз (к НМТ) быстро увеличивается, давление над поршнем уменьшается до 0,07. 0,09 МПа, т. е. внутри цилиндра создается вакуум – избыточное разрежение. Впускной клапан 3 сообщается со специальным устройством – карбюратором, который приготавливает горючую смесь из топлива и воздуха. Вследствие разности давлений в карбюраторе и цилиндре горючая смесь всасывается через открытый впускной клапан в цилиндр двигателя.

Если двигатель уже работает, то горючая смесь, попадая в цилиндр из карбюратора, смешивается с остаточными продуктами сгорания от предыдущего цикла, и образует рабочую смесь. Смешиваясь с остаточными продуктами сгорания и соприкасаясь с нагретыми деталями цилиндра, рабочая смесь нагревается до температуры 75. 125 ˚С.

Такт сжатия

При подходе поршня к НМТ впускной клапан закрывается. Далее поршень начинает перемещаться вверх (к ВМТ), сжимая смесь воздуха, топлива и остаточных продуктов сгорания, которые не были удалены из цилиндра при выпуске. При движении поршня от НМТ к ВМТ вследствие сокращения объема цилиндра при закрытых клапанах повышаются давление, при этом возрастает температура рабочей смеси (в соответствии с законом Гей-Люссака). В конце такта сжатия давление внутри цилиндра повышается до 0,9…1,5 МПа, а температура смеси достигает 270-480 ˚С. В этот момент к электродам свечи зажигания 5 подводится высокое напряжение, которые вызывает между ними искровой разряд, результате чего рабочая смесь воспламеняется и сгорает. В процессе сгорания топлива выделяется большое количество теплоты, из-за чего температура газов (продуктов сгорания) повышается до 2200-2500 ˚С, и давление внутри цилиндра достигает 3,0…4,5 МПа. Газы начинают расширяться, перемещая поршень вниз, к НМТ.

Такт расширения (рабочий ход)

Под давлением расширяющихся газов поршень движется от ВМТ к НМТ (при этом оба клапана закрыты). В этот промежуток времени (такт) происходит преобразование тепловой энергии в полезную работу, поэтому ход поршня в такте расширения называют рабочим ходом. При движении поршня к НМТ объем цилиндра увеличивается, вследствие чего давление уменьшается до 0,3…0,4 МПа, а температура газов снижается до 900…1200 ˚С.

Такт выпуска

При подходе поршня к НМТ открывается выпускной клапан 6, в результате чего продукты сгорания рабочей смеси вырываются наружу из цилиндра. При дальнейшем вращении коленчатого вала поршень начинает перемещаться от НМТ к ВМТ. Выталкивая отработавшие газы через открытый выпускной клапан, выпускной канал 7 и выпускную трубу в окружающую среду. К концу такта выпуска давление в цилиндре составляет 0,11…0,12 МПа, а температура – 600…900 ˚С.

При подходе поршня к ВМТ выпускной клапан закрывается, впускной открывается и начинается такт впуска, дающий начало новому рабочему циклу.

1. Рабочий цикл четырехтактного бензинового двигателя
Рабочий цикл двигателя
— это комплекс последовательно чередующихся процессов внутри цилиндра, в результате которых энергия топлива преобразуется в механическую работу.

Двигатели, в цилиндрах которых рабочий цикл совершается за два оборота коленчатого вала (за четыре хода поршня), называют четырехтактными

. Если рабочий цикл совершается за один оборот коленчатого вала (за два хода поршня), то двигатели называют
двухтактными
.

Такт впуска

(рис. 1, а). При вращения коленчатого вала 8 (за пол-оборота) поршень перемещается от ВМТ к НМТ. При этом впускной клапан 4 открыт, а выпускной клапан 6 закрыт. При движении поршня вниз объем над ним увеличивается, поэтому в цилиндре 2 создается разрежение, равное 0,07 ÷ 0,095 МПа, в результате чего свежая горючая смесь, состоящая из паров бензина и воздуха, засасывается через впускной газопровод 3 в цилиндр. Свежая рабочая смесь в результате соприкосновения с нагретыми деталями и остаточными газами имеет температуру в конце такта впуска 75 ÷ 125°С.

Рисунок 1 — Рабочий цикл четырехтактного одноцилиндрового

а — такт впуска; б — такт сжатия; в — такт расширения (рабочий ход); г — такт выпуска; 1 — поршень; 2 — цилиндр; 3 — газопровод; 4 — впускной клапан; 5 — свеча зажигания; 6 — выпускной клапан; 7— газопровод; 8 — шатун; 9 — колен­чатый вал.

Такт сжатия

(рис. 1, б). При дальнейшем вращении коленчатого вала поршень пе­ремещается от НМТ к ВМТ. При этом впускной клапан 4 закрывается, а выпускной клапан 6 закрыт. По мере сжатия горючей смеси повышается ее температура и давление. В зависимости от степени сжатия давление в цилиндре в конце такта сжатия может составлять 0,8 ÷ 1,5 МПа, а температура газов — 300 ÷ 450°С.

Такт расширения, или рабочий ход

(рис. 1, в). В конце такта сжа­тия горючая смесь воспламеняется от электрической искры, воз­никающей между электродами свечи зажигания 5, и быстро сго­рает, в результате чего температура и давление образующихся га­зов резко возрастают и поршень перемещается от ВМТ к НМТ. Максимальное давление газов на поршень при сгорании для кар­бюраторных двигателей составляет 3,5 ÷ 5 МПа, а температура га­зов — 2100 ÷ 2400 °С.

При такте расширения шарнирно связанный с поршнем ша­тун 8 совершает сложное движение и через кривошип передает вращение коленчатому валу. При расширении газы совершают полезную работу, поэтому ход поршня при этом такте коленчато­го вала называют рабочим ходом. В конце рабочего хода поршня давление в цилиндре составляет 0,3 ÷ 0,75 МПа, а температура — 900 ÷ 1200 °С.

Такт выпуска

(рис. 1, г). Коленчатый вал 9 через шатун пере­мещает поршень от НМТ к ВМТ. При этом выпускной клапан 6 открыт, и продукты сгорания выталкиваются из цилиндра в ат­мосферу через выпускной газопровод 7. В начале такта выпуска продуктов сгорания давление в цилиндре значительно выше ат­мосферного, но к концу такта оно составляет 0,105 ÷ 0,120 МПа. Температура газов в начале такта выпуска составляет 750 ÷ 900 °С, а в конце — 500 ÷ 600°С. Полностью очистить цилиндры двигате­ля от продуктов сгорания практически невозможно (слишком мало времени), поэтому при последующем впуске свежая горючая смесь перемешивается с остаточными отработавшими газами и называется рабочей смесью. По отношению к рабочему ходу такты впуска, сжатия и выпуска являются вспомогательными.

Рабочий цикл ДВС: что нужно знать

Если рассматривать принцип работы двигателя внутреннего сгорания, топливо в таких агрегатах сгорает в закрытой камере (камера сгорания), куда подается готовая топливно-воздушная смесь или воздух и топливо по отдельности (дизельные агрегаты и моторы с прямым впрыском).

Работа такого мотора основана на том, что во время сгорания топлива происходит расширение газов. Указанные газы становятся причиной роста давления в цилиндре, благодаря чему поршень получает «толчок». Затем энергия, переданная на поршень, преобразуется в механическую работу. Давайте рассмотрим принцип работы двигателя, а также рабочие циклы более подробно.

Двигатели, которые устанавливаются на автомобили, обычно работают по четырехтактному циклу (четырехтактный двигатель). Это значит, рабочий цикл совершается за два оборота коленвала и четыре хода поршня. Работу такого ДВС можно разделить на такты: такт впуска, такт сжатия, такт рабочего хода, такт выпуска.

Как работает четырехтактный бензиновый двигатель

Чтобы было понятнее, начнем с того, что когда поршень в цилиндре во время работы ДВС начинает занимать крайние положения (максимально приближен или удален по отношению к оси коленчатого вала), эти положения принято называть ВМТ и НМТ. ВМТ означает верхняя мертвая точка, тогда как НМТ значит нижняя мертвая точка. Теперь вернемся к тактам.

Работа четырехтактного дизельного ДВС

Хотя дизель конструктивно похож на бензиновый мотор, в дизельных двигателях изначально сжимается только воздух, после чего прямо в камеру сгорания впрыскивается дизтопливо. При этом воспламенение такой смеси происходит самостоятельно (под большим давлением, а также в результате контакта с нагретым от сильного сжатия воздухом).

Простыми словами, воздух сначала сжимается и нагревается, в среднем, до 650 градусов по Цельсию. В самом конце такта сжатия в камеру сгорания топливная форсунка впрыскивает солярку, затем смесь дизтоплива и воздуха самовоспламеняется.

С учетом данной особенности на такте впуска (поршень движется из ВМТ в НМТ), за счет разряжения в цилиндр подается воздух через открытый впускной клапан. Давление и температура воздуха в этот момент имеют низкие показатели.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector