Общая организация цикла дизельного двигателя

Ранее отмечалось, чем выше степень сжатия рабочего тела в цикле, тем больше КПД цикла, выше его эффективность. В бензиновом двигателе, тем не менее, невозможно реализовать высокую степень сжатия рабочего тела. Причиной, обусловившей такое ограничение, является детонация бензина. При большом сжатии смеси бензина с воздухом (е > 11) происходит его самовоспламенение и мгновенное сгорание. Давление рабочего тела нарастает так быстро, что носит ударный характер. Такое воздействие рабочего тела на стенки расширительной машины может разрушить ее.

Решение проблемы было найдено простым способом. Для исключения самовоспламенения топлива сначала в расширительной машине теплового двигателя сжимают не горючую смесь (смесь топлива с воздухом), а воздух. В процессе сжатия температура воздуха возрастает и в некоторый момент времени становится больше температуры самовоспламенения топлива, но в расширительной машине топливо пока отсутствует. В момент подхода поршня к ВМТ в цилиндр расширительной машине впрыскивается топ­ливо, которое воспламеняется от сильно нагретого воздуха. Для впрыска топлива в цилиндр расширительной машины оно сжимается в специальном насосе. Давление топлива в насосе должно превышать давление воздуха в цилиндре расширительной машины, так как только в этом случае топливо будет поступать в цилиндр. При поступлении топлива в цилиндр расши­рительной машины происходит его распыление с помощью специального устройства, называемого форсункой. В процессе распыления струя топ­лива измельчается на мельчайшие частички. Чем больше частичек, тем больше площадь их контакта с сильно нагретым при сжатии воздухом. От площади контакта частичек с воздухом зависит скорость их испарения. Для быстрого сгорания топлива его необходимо перевести в газообразное (паровое) состояние и быстро смешать с воздухом. Таким образом, в данном случае горючая смесь готовится внутри цилиндра расширительной машины, поэтому такие двигатели называют двигателями с внутренним смесеобразованием или дизельными двигателями. В них сгорание топлива происходит несколько медленнее, чем в двигателях с внешним смесеобразо­ванием (бензиновых двигателях). Это позволяет в некотором приближении рассматривать цикл таких двигателей как близкий к идеализированному циклу со смешанным процессом подвода тепловой энергии к рабочему телу.

Рис. 10.23. Конструктивная схема дизельного двигателя

Рассмотрим общую схему протекания такого цикла. Конструктивная схема дизельного двигателя представлена на рис. 10.23.

Топливный насос создает давление топлива, превышающее максималь­ное давление воздуха при сжатии. С помощью форсунки производится распыление топлива во время впрыска.

При положении поршня в ВМТ объем цилиндра минимален и равен объему камеры сжатия Vc (рис. 10.24, 10.25). При вращении кривошипа и открытом впускном клапане происходит впуск воздуха в цилиндр расши­рительной машины. При повороте кривошипа на угол <р —► 180° происходит процесс впуска r-а. Поршень совершает первый такт, называемый тактом впуска. Если впускная система не оказывает сопротивления потоку воз­духа, то в процессе впуска давление воздуха будет равно атмосферному давлению р0. В момент прихода поршня в НМТ (<р = 180°) закрывается впускной клапан.

Дальнейшее вращение кривошипа коленчатого вала (<р —► 360°) приво­дит к перемещению поршня к ВМТ, в результате чего воздух в цилиндре расширительной машины сжимается. Поршень совершает такт сжатия. На сжатие рабочего тела затрачивается энергия в механической форме в количестве W^. В процессе сжатия воздуха а-с при подходе поршня к ВМТ (точка т) происходит впрыск топлива. К моменту прихода поршня в ВМТ (точка с) происходит воспламенение топлива от сильно нагретого воздуха. Топливо впрыскивается заранее (до прихода поршня в ВМТ) для обеспечения его испарения и воспламенения в момент прихода поршня в

Р

Рис. 10.24. Упрощенная индикаторная диаграмма четырехтактного цикла ди­зельного двигателя

Максимальное давление рабочего тела в цикле

U——-17-й оборот кривошипа————-

ВМТ

2-й оборот кривошипа |———

Угол поворота кривошипа, град

ВМТ

Va У

Рг

Рь

Рг

Рис. 10.25. Развернутая по углу поворота кривошипа индикаторная диаграмма цикла четырехтактного дизельного двигателя

ВМТ. Вначале топливо горит быстро, что позволяет рассматривать процесс с-у как изохорный. В дальнейшем скорость сгорания топлива замедляется и в течение некоторого промежутка времени его можно рассматривать изо­барным (процесс Y—Z). В процессе Y—Z—B происходит расширение рабочего тела. Поршень совершает такт расширения. Кривошип коленчатого вала поворачивается на угол (р —► 540°. В процессе расширения от рабочего тела отводится энергия в механической форме, т. е. рабочее тело совершает полезную работу Wpacui.

В точке b (поршень находится в НМТ) открывается выпускной клапан и давление в цилиндре двигателя резко падает (процесс Ь-а). Отработавшее

Va

Рис. 10.26. Индикаторная диаграмма действительного цикла четырехтактного дизельного двигателя

Тело самостоятельно покидает пространство цилиндра расширительной машины. Дальнейшее вращение кривошипа приводит к выталкиванию от­работавшего рабочего тела из цилиндра расширительной машины (процесс а-r). Поршень совершает такт выпуска (Ip —> 720°). В точке г выпускной клапан закрывается, а впускной открывается. В дальнейшем весь процесс повторяется. Если выпускная система не оказывает сопротивление потоку отработавших газов, то давление рабочего тела в процессе выпуска равно атмосферному давлению р0. Диаграмма фаз газораспределения такого упрощенного цикла подобна диаграмме, показанной на рис. 10.13.