ПОРШНЕВЫЕ ДВИГАТЕЛИ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Конструктивная схема и принцип работы поршневого ДВС

Энергетические установки автомобилей содержат в своем составе, как правило, двигатель внутреннего сгорания (ДВС). Двигатель вместе с систе­мами, агрегатами и узлами, обеспечивающими его работу в составе шасси автомобиля, называют силовой установкой (СУ).

Основу конструктивной схемы поршневого ДВС (рис. 15.16) составляет Расширительная машина, состоящая из цилиндра и поршня. Принцип работы двигателя основан на основных положениях термодинамики цик­лических процессов, основу которых составляет второй закон.

При движении поршня объем цилиндра расширительной машины из­меняется. В цилиндр периодически поступает новое рабочее тело (воздух

Рис. 15.16. Конструктивная схема бензинового двигателя

T!

Бензин

Система зажигания

Карбюратор

I:

Или горючая смесь) и удаляется отработавшее рабочее тело (смесь отра­ботавших газов). В ходе циклического процесса рабочее тело претерпева­ет химическое изменение, делающее его непригодным для дальнейшего использования. Это обусловлено тем, что в процессе сгорания топлива расходуется кислород, необходимый в дальнейшем для осуществления повторных циклов работы. Поэтому его в дальнейшем выбрасывают из цилиндра расширительной машины.

Протекание рабочего цикла в поршневых ДВС осуществляется по одной схеме, но имеет некоторые особенности только в приготовлении горючей смеси.

Рассмотрим протекание рабочего цикла бензинового двигателя (рис. 15.16). Пусть кривошип находится в положении 1. В этом случае поршень будет находиться на максимальном удалении от оси вращения кривошипа, т. е. выше он подняться уже не может. Такое положение поршня, при котором он находится на максимальном удалении от оси вра­щения кривошипа (коленчатого вала), называют верхней мертвой точкой (ВМТ). В ВМТ скорость поршня равна нулю (отсюда название — мертвая точка). При положении поршня в ВМТ объем цилиндра расширительной машины минимальный. Этот минимальный объем цилиндра VFnin — Vc называют объемом камеры сжатия (сгорания).

Проанализируем рабочий цикл двигателя, начиная от положения порш­ня в ВМТ. Такой анализ удобно проводить, используя графическую заг висимость давления рабочего тела от объема цилиндра расширительной машины (рис. 15.17), которую называют индикаторной диаграммой.

Для преобразования возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение коленчатого вала используется кривошипно — ша­тунный механизм (рис. 15.16), состоящий из кривошипа и шатуна. Для управления процессами газообмена в состав ДВС входит также меха­низм газораспределения, состоящий из впускных и выпускных клапанов и привода к ним. Горючая смесь в бензиновом двигателе воспламеняется

Поршень находится в ВМТ Поршень находится Ж- *нмг ВМТ Ход поршня НМТ Рис. 15.17. Индикаторная диаграмма четырехтактного бензинового двигателя

Принудительно с помощью специальной системы зажигания, включаю­щей, как правило, свечу, источник электрической энергии (аккумулятор), устройство для преобразования электрической энергии низкого напряже­ния в электрическую энергию высокого напряжения (катушка зажигания), устройство для синхронизации работы системы зажигания с работой дви­гателя (распределитель).

Если в бензиновых двигателях горючая смесь готовится вне цилиндра двигателя (в карбюраторе), то в дизельных двигателях горючая смесь готовится в цилиндре двигателя. Поэтому бензиновые двигатели называют еще двигателями с внешним смесеобразованием, а дизельные двигатели — двигателями с внутренним смесеобразованием.

Индикаторная диаграмма представляет графическую зависимость дав­ления рабочего тела р в цилиндре двигателя от его объема V (рис. 15.17).

При положении поршня в ВМТ (кривошип находится в точке 1\ Рис. 15.17) впускной клапан открыт. Этому положению поршня и механиз­ма газораспределения на индикаторной диаграмме соответствует точка г. Объем рабочего тела равен минимуму (Vmin = Vc).

При повороте кривошипа из положения 1 в положение 2 (см. также рис. 15.16) поршень переместится в нижнюю мертвую точку (НМТ). Объем цилиндра V^ заключенный между ВМТ и НМТ, называется рабочим объ­емом. Поэтому при перемещении поршня из ВМТ в НМТ объем цилиндра увеличивается на величину Vh. В рабочем объеме цилиндра «работает» поршень расширительной машины.

Величину, численно равную

Va = VG + Vhi (15.85)

Называют полным объемом цилиндра.

Величина, численно равная отношению полного объема цилиндра Va к объему камеры сжатия Vc называется степенью сжатия рабочего тела в цилиндре двигателя (обозначается е):

Е = £ = + (15.86)

Степень сжатия рабочего тела в цилиндре бензинового двигателя при­мерно равна е = 8… 10. Чем больше степень сжатия рабочего тела, тем выше КПД двигателя. Однако степень сжатия рабочего тела в бензиновых двигателях ограничена самопроизвольным взрывным сгоранием горючей смеси (детонацией), которое может возникать при большом значении сте­пени сжатия.

При перемещении поршня от ВМТ к НМТ при открытом впускном клапане происходит впуск горючей смеси (смеси топлива с воздухом). Так как при движении поршня к НМТ объем цилиндра увеличивается, то в цилиндре расширительной машины давление поступившего рабочего тела несколько понижается. При движении поршня к НМТ в цилиндре возникает разрежение, т. е. давление рабочего тела в цилиндре несколько меньше атмосферного. Из-за этой небольшой разности давлений воздух из окружающей среды движется внутрь цилиндра расширительной машины (происходит всасывание воздуха). В бензиновых двигателях на пути движе­ния воздуха установлен карбюратор (рис. 15.16), в котором он смешивается с бензином в определенном соотношении. На выходе из карбюратора получается горючая смесь.

Теоретическими и экспериментальными исследованиями установлено, что для сгорания 1 кг бензина требуется примерно 15 кг воздуха. Реально для окисления топлива требуется кислород, который в достаточном ко­личестве (примерно 21%) имеется в воздухе. Нетрудно установить, что в 1 кг воздуха содержится примерно 200 г кислорода (примерно 1/5 часть). Поэтому в 15 кг воздуха содержится примерно 3 кг кислорода. Таким образом, для сгорания 1 кг бензина требуется примерно 3 кг кислорода или 15 кг воздуха. Нетрудно установить, что для сгорания 1 г бензина требуется 15 г воздуха.

Минимальная масса воздуха М0, необходимая для полного сгорания данной массы топлива, называется теоретически необходимой массой Воздуха. Тогда для 1 кг бензина теоретически необходимая масса воздуха равна 15 кг:

5 кг воздуха кг топлива

Легко установить, что для 1 г бензина теоретически необходимая масса Воздуха равна 15 г. Для полного сгорания 0.5 г бензина теоретически уже требуется 7.5 г воздуха.

Если бензин находится в смеси с теоретически необходимой массой Воздуха, то после его окисления в продуктах сгорания отсутствует сво­бодный кислород. В большинстве случаев топливо смешивают с большей массой воздуха Л/, чем теоретически требуется для его полного сгорания. Величину, численно равную

ДМ = М-М0, (15.87)

Назовем избыточной массой воздуха.

В исключительных случаях может иметь место случай, когда для полного сгорания топлива нет достаточного количества воздуха. В этом случае величину, численно равную

ДМ = М0-М, (15.88)

Назовем недостаточной массой воздуха.

При недостатке воздуха сгорает не все топливо. Такое явление непол­ного сгорания топлива в цилиндре расширительной машины ДВС недопу­стимо.

В тех случаях, когда нет возможности обеспечить полное сгорание топ­лива путем идеального его смешивания с воздухом, в цилиндр двигателя подают больше воздуха, чем теоретически требуется для полного сгорания данной порции топлива. Массу воздуха, находящегося в смеси с бензином, оценивают относительной величиной, называемой коэффициентом избыт­ка воздуха:

(15.89)

Где М — масса воздуха, фактически находящегося в смеси с данной мас­сой топлива (бензина); М0 ~ масса воздуха, теоретически требуемая для полного сгорания данной массы топлива (бензина).

Величина коэффициента избытка воздуха должна быть не меньше единицы (а ^1.0). Например, в цилиндр двигателя поступает 0.1 г бензина. Если для сгорания 1 г бензина теоретически требуется 15 г воздуха, то для сгорания 0.1 г бензина теоретически требуется в 10 раз меньше воздуха:

15 Г 1С

М0 = = 1.5 г воздуха.

Если же в смеси с бензином находится 3 г воздуха, то коэффициент избытка воздуха равен 2:

«-££-10.

1.5 г

Благодаря карбюратору, применяемому в бензиновом двигателе, горю­чая смесь готовится с высоким качеством (а « 1).

Таким образом, при движении поршня от ВМТ к НМТ при открытом впускном клапане в бензиновом двигателе происходит впуск горючей смеси. Движение поршня между мертвыми точками, называют тактом. Поэтому при впуске горючей смеси поршень совершает такт впуска. Расстояние 5, проходимое поршнем при движении между мертвыми точками, называют Ходом поршня.

На индикаторной диаграмме (рис. 15.17) линия r-а условно отражает процесс впуска горючей смеси в цилиндр двигателя. При впуске давление рабочего тела (горючей смеси) в цилиндре несколько меньше атмосферного давления, а поэтому линия R-а на индикаторной диаграмме располагается несколько ниже условной линии р0 = Idem.

В точке а такт впуска прекращается (поршень останавливается), а процесс впуска не прекращается. Такту впуска на индикаторной диаграмме соответствует линия R-а. В такте впуска поршень, проходя расстояние 5, увеличивает объем цилиндра на величину, равную

Vh = ^S, (15.90)

Где D — диаметр цилиндра; 5 — ход поршня.

На рис. 15.17 видно, что S = 2R = отрезок 1-2.

Масса, поступившего в цилиндр рабочего тела, равна

M = PVh, (15.91)

Где р — плотность рабочего тела.

С целью упрощения расчетов предполагают, что в процессе впуска в цилиндр поступает не смесь топлива с воздухом, а только воздух. В этом случае плотность рабочего тела можно определить на основании уравнения состоянии идеального газа:

PV = mR0T\ P=yR0T = pR0T;

Где р — давление рабочего тела в цилиндре двигателя; Ro — удельная га­зовая постоянная воздуха; Т — температура рабочего тела в цилиндре двигателя.

Бели положить, что р = ра и Т = Та, последнее выражение можно записать в виде:

Учитывая, что ра = (0.8…0.9)ро, выражение (15.92) можно предста­вить в виде:

(15.93)

Бели бы в процессе впуска впускная система двигателя не оказывала сопротивление воздушному потоку, то в цилиндр двигателя поступила бы следующая масса воздуха:

Мо=РоУк=якУн■ (1594)

Фактически из-за влияния впускной системы в цилиндр двигателя поступает следующая масса воздуха:

<15-95)

При впуске горючая смесь подогревается от деталей, которые сами нагреваются при работе двигателя, а поэтому Та > Т0. В бензиновых двигателях подогрев горючей смеси в процессе впуска примерно равен ДГ = Га-То = 0…20°С.

Следовательно, для такта впуска можно записать, что ра < р0 и Та > Т0. Сравнивая выражения (15.94) и (15.95), легко установить, что на такте впуска в цилиндр двигателя фактически поступает меньше воздуха (горю­чей смеси), чем могло бы поступить (М < М0). Это явление отрицательно влияет на показатели двигателя. Чем меньше бензина сгорает в цилиндре двигателя, тем меньше выделяется тепловой энергии. В итоге двигатель меньше энергии преобразует из тепловой формы в механическую форму. Чтобы компенсировать этот недостаток, впускной клапан не закрывают в момент прихода поршня в НМТ (точка а; рис. 15.17).

В точке а2 (рис. 15.17) начинается второй такт движения поршня (от НМТ к ВМТ), в результате чего объем цилиндра уменьшается. Благодаря тому, что впускной клапан, хотя и закрывается, но еще не закрыт, в цилиндр двигателя по инерции поступает дополнительная масса рабочего тела ДМ. В момент, когда давление рабочего тела в цилиндре двигателя становится равным атмосферному (точка а2; рис. 15.17), впускной клапан полностью закрывается. Таким образом, к моменту закрытия впускного клапана в цилиндр двигателя поступает следующая масса рабочего тела (воздуха):

Ма2 = М + ДМ, (15.96)

Явление, когда на участке а-а2 (рис. 15.17) в цилиндр поступает до­полнительная масса воздуха (горючей смеси) ДМ, называется дозарядкой. Величину, численно равную отношению массы воздуха (рабочего тела) Ма2, поступившего к моменту закрытия впускного клапана (точка а2; рис. 15.17) к массе рабочего тела М, поступившего в цилиндр двигателя к моменту прихода поршня в НМТ (точка рс = ра£П1\ рис. 15.17), называют Коэффициентом дозарядки:

Ма2 _ М + ДМ _ 1 , ДМ

Его величина численно равна r/fl03 = 1.02… 1.15. При отсутствии дозарядки впускной клапан закрывается в точке а (рис. 15.17), а поэтому

Цдоз = 1.0.

Отношение массы рабочего тела Ма2, поступившего в цилиндр двига­теля к моменту закрытия впускного клапана к массе воздуха (рабочего тела) М0, которая могла бы теоретически поступить в него при давлении Ро и температуре Т0, соответствующих параметрам окружающей среды, называют коэффициентом наполнения г/нап:

Т?„ап = ^г. (15.98)

Для бензиновых двигателей его значение находится в пределах г/нап = 0.75…0.85. Так как коэффициент наполнения меньше единицы, то это означает, что в процессе наполнения цилиндра двигателя горючей смесью (воздухом) его рабочий объем используется неэффективно.

Теоретически сжатие рабочей смеси1 начинается в точке а (рис. 15.17), а фактически оно начинается в точке а2. Следовательно, такт сжатия начинается в точке а, а процесс сжатия — в точке а2.

В процессе сжатия а2-с (рис. 15.17) давление и температура рабочей смеси (смеси бензина с воздухом и остаточными газами) увеличиваются. При подходе поршня к ВМТ (точка т) между электродами свечи зажи­гания возникает электрический разряд (искра). Температура плазмы в искровом разряде составляет примерно 10000 К. От искры с минималь­ной задержкой воспламеняется рабочая смесь. Фронт пламени от свечи распространяется во все стороны.

Если бы степень сжатия е бензинового двигателя была бы больше 11… 12, то рабочая смесь сама воспламенилась бы (без принудительного воспламенения). Причиной самовоспламенения рабочей смеси является вы­сокая ее температура, которая растет из-за сильного сжатия. При сжатии происходит преобразование энергии из механической формы в тепловую форму. Внутренняя энергия рабочей смеси при сжатии увеличивается. Это означает, что температура рабочей смеси возрастает. С ростом температу­ры рабочей смеси увеличивается скорость хаотического движения молекул. При сжатии средние скорости движения молекул воздуха и топлива уве­личиваются. При очень больших скоростях происходят такие соударения, что молекулы топлива (бензина) «распадаются» на атомы углерода С и водорода Н. Этот распад происходит во всем объеме камеры сгорания (сжатия). Поэтому в момент распада молекул топлива начинается мгно­венная реакция их окисления по всему объему камеры сжатия. В момент распада мгновенно начинается реакция окисления углерода и водорода, что приводит к мгновенному выделению большого количества энергии в тепловой форме. Рабочее тело мгновенно нагревается, в результате чего его давление резко увеличивается. Такое резкое увеличение давления рабочего тела создает ударные нагрузки в деталях кривошипно-шатунного механиз­ма двигателя. Ударный характер нагрузок приводит также к разрушению поршня расширительной машины.

Такое мгновенное сгорание бензина называют детонацией. Чтобы не допустить детонации, при конструировании двигателя предусматривают ряд мероприятий. Одним из них является ограничение степени сжатия рабочего тела е. Вместе с тем, чем больше степень сжатия рабочего тела, тем больше КПД цикла. Поэтому на практике степень сжатия стремятся увеличить до возможного предела. Для исключения детонации также улучшают свойства бензина — повышают его октановое число (04). Чем больше ОЧ бензина, тем сильнее его молекулы сопротивляются самопро­извольному распаду при сильном сжатии.

При ограничении степени сжатия самопроизвольное воспламенение бен­зина не происходит, а поэтому его воспламеняют принудительно с помощью электрической свечи.

В точке с (рис. 15.17) процесс и такт сжатия завершаются. Точка с является расчетной. После точки т линия индикаторной диаграммы поднимается, так как начался процесс сгорания топлива (бензина). Реально процесс и такт сжатия завершаются в точке d.

Значения параметров состояния рабочего тела в конце процесса сжатия (в расчетной точке с; рис. 15.17) определяют по формулам:

Рс = Р*гП1; (15.99)

Тс = ТаеП1-\ (15.100)

Где рс, Тс — соответственно давление и температура рабочего тела в рас­четной точке с; ра, Та — соответственно давление и температура рабочего тела в расчетной точке а; е — степень сжатия рабочего тела; щ — среднее значение показателя политропы сжатия рабочего тела.

Ниже приведены значения параметров состояния рабочего тела в конце процесса сжатия для бензиновых двигателей:

Параметр	Значение параметра
Степень сжатия е Средний показатель политропы сжатия m Давление в конце процесса сжатия рс, МПа Температура в конце процесса сжатия Тс, К	6…10 1.3… 1.37 0.9… 1.5 550… 750

Площадь фигуры D—E—A—C (рис. 15.17) эквивалентна механической энер­гии, затраченной на сжатие рабочего тела. Иногда ее называют работой сжатия Waк.

В точке с начинается процесс расширения рабочего тела, в ходе которого поршень перемещается от ВМТ к НМТ, совершая третий такт движения. В начале процесса расширения давление рабочего тела резко возрастает, достигая максимума в точке Z (рис. 15.17). Это обусловлено тем, что в начальный момент времени сгорает большая масса топлива. В дальнейшем процесс сгорания топлива (бензина) замедляется из-за недостаточного количества кислорода, который интенсивно расходуется в начальной фазе горения. Чем больше давление рабочего тела в цилиндре, тем большая сила приложена к поршню. В любой момент времени на поршень действует сила Р, равная

P = pFn=p~, (15.101)

Где р—давление рабочего тела в рассматриваемый момент времени; Fn — Площадь поршня; D — диаметр поршня (цилиндра).

По мере перемещения поршня к НМТ объем цилиндра увеличивается, а скорость сгорания бензина уменьшается. Это приводит к тому, что, начиная с точки Z (рис. 15.17), давление рабочего тела все время понижается.

Следует заметить, что в начале процесса расширения одновременно идет процесс сгорания топлива (эти процессы накладываются друг на друга). Процесс сгорания (окисления) топлива приводит к изменению химического состава рабочего тела. Если до начала горения топлива в цилиндре находится смесь топлива с воздухом и небольшим количеством остаточных газов, то в процессе сгорания топлива количество воздуха уменьшается, так как образуются совершенно другие газы. В результате
изменения химического состава несколько изменяются и физические свой­ства рабочего тела.

Если до сгорания топлива рабочее тело представляло смесь молекул одного состава, то после сгорания топлива рабочее тело уже представляет смесь молекул другого состава. Степень влияния такого преобразования химического состава рабочего тела на его физические свойства оценивается с помощью коэффициента молекулярного изменения /?, величина которого для бензиновых двигателей находится в диапазоне /? = 1.07… 1.11.

Так как с увеличением давления рабочего тела увеличивается сила, приложенная к поршню, то растет также сила, приложенная к остальным деталям двигателя. Прежде всего, будут приложены большие усилия к шатуну, кривошипу коленчатого вала. Очень большие нагрузки на пор­шень, шатун или другие детали могут вывести их из строя. Поэтому на практике стараются выполнить компромиссное решение — обеспечение высокой надежности работы двигателя при высоком давлении рабочего тела. Максимальная сила Р прикладывается к поршню в момент, когда давление рабочего тела достигает максимума (точка Z\ рис. 15.17). Поэтому на практике величину pz ограничивают сверху.

(15.103)

Величину Л, численно равную отношению

(15.102)

Называют степенью повышения давления рабочего тела при сгорании топ­лива. Для бензиновых двигателей степень повышения давления рабочего тела находится в пределах Л = 3.0… 4.0. Из выражения (15.102) получаем:

Pz = Арс.

Температуру рабочего тела в точке Z (рис. 15.17) определяют на основе сложных зависимостей, учитывающих термодинамику окисления топлива. Подробно такие зависимости рассматриваются в специальной литературе.

В современных бензиновых двигателях максимальное значение темпе­ратуры рабочего тела в точке Z заключено в пределах Tz = 2400… 2900 К.

В процессе расширения C—Z—B поршень перемещается под действием силы Р, определяемой выражением (15.101). В процессе расширения C—Z—B Рабочее тело совершает работу над поршнем. Через шатун сила Рш пе­редается на кривошип коленчатого вала, создавая вращающий момент Мкр, равный произведению силы Рш на кратчайшее расстояние H до оси вращения кривошипа.

Так как сила Р переменна (она зависит от давления р рабочего тела), то и сила Рш, действующая на шатун, также переменна. В этом случае переменной величиной будет и крутящий момент двигателя Мкр.

При подходе поршня к НМТ (точка рис. 15.17) начинает открываться впускной клапан. Это делается преднамеренно с целью обеспечения макси­мально возможного удаления отработавшего тела из цилиндра двигателя. В точке bi давление рабочего тела больше атмосферного. При открытии выпускного клапана отработавшее тело с большой скоростью устремляется на выход, так как давление окружающей среды значительно меньше. Теоретически линия расширения должна заканчиваться в точке 6′, но
практически она заканчивается в точке Ь. Это обусловлено ранним откры­тием выпускного клапана. В точке Ь завершается как процесс расширения рабочего тела, так и такт расширения, совершаемый поршнем.

Такт расширения является единственным, в ходе которого поршень перемещается под действием силы давления рабочего тела. В этом случае говорят, что рабочее тело совершает положительную работу расширения Wpacm — Площадь фигуры D—O—Z—B—E (рис. 15.17) под линией расширения О-Z—B эквивалентна работе расширения WpBCm.

Значения параметров состояния рабочего тела в конце процесса расши­рения определяют по формулам:

= (15.104)

= (15.105)

Еп2 — 1

Где рь, Ть — соответственно давление и температура рабочего тела в кон­це процесса расширения (точка 6); pz, Tz — соответственно давление и температура рабочего тела в точке Z\ п2 — среднее значение показателя политропы расширения.

Ориентировочные значения параметров состояния рабочего тела в кон­це процесса расширения для бензиновых двигателей приведены ниже:

Параметр	Значение
Средний показатель политропы расширения п2 Давление рабочего тела рь, МПа Температура рабочего тела Ть, К	1.24… 1.32 0.4… 0.5 1300… 1700

В точке b поршень начинает движение от НМТ к ВМТ, совершая такт выпуска, хотя процесс выпуска уже начался в точке Это четвертый такт, совершаемый поршнем. При движении поршня к ВМТ происходит выталкивание отработавшего тела через выпускной канал в окружающую среду. Давление отработавших газов в процессе выпуска остается выше атмосферного. Поэтому линия выпуска Ь-г располагается выше линии р0 = Idem.

При подходе поршня к ВМТ (точка а\) начинает открываться впускной клапан, хотя процесс выпуска отработавшего тела еще не завершился. Такое ранее открытие впускного клапана обеспечивает лучшее наполнение цилиндра горючей смесью в дальнейшем. В точке г (ВМТ) такт выпуска завершается, хотя выпускной клапан еще не закрыт. Выпускной клапан закрывается в точке Ь2. Это означает, что от точки а^ до точки Ъ2 идут два процесса одновременно — процесс выпуска и процесс впуска (линия ai-r-62). На участке индикаторной диаграммы Ai~R—B2 впускной и вы­пускной клапаны находятся в открытом состоянии. Такое одновременное состояние клапанов называется перекрытием.

Ранее открытие (точка 61) и позднее закрытие (точка 62) выпускного клапана обеспечивает высокую степень удаления отработавшего тела из ци­линдра двигателя. На участке г-Ь2 отработавшие газы покидают цилиндр
по инерции. Раннее открытие (точка ai) и позднее закрытие (точка а2) Обеспечивает высокую степень наполнения цилиндра двигателя горючей смесью (рабочим телом). На участке а-а2 рабочее тело поступает в цилиндр также по инерции.

Заметим, что в процессе выпуска не все отработавшее тело удаляется за пределы цилиндра двигателя. Следовательно, часть газов, в которых отсутствует кислород, необходимый для горения топлива, остается в цилин­дре двигателя. Эти отработавшие газы не способны поддерживать горение топлива, а поэтому они нежелательны.

Чем больше отработавших газов остается в цилиндре двигателя, тем меньше горючей смеси поступает в него. Это явление снижает эффектив­ность работы двигателя. Поэтому при проектировании двигателя уделяют внимание вопросам очистки цилиндров двигателя от отработавших газов и наполнению их новым зарядом.

Степень очистки цилиндра двигателя от отработавших газов оценивают относительной величиной г)^, называемой коэффициентом остаточных газов:

Г/ост = хг-> (15-106)

Где Мг — масса остаточных газов, остающихся в цилиндре двигателя после выпуска; Ма2 — масса рабочего тела, поступившего в цилиндр к моменту закрытия впускного клапана (точка а2; рис. 15.17).

Для бензиновых двигателей величина коэффициента остаточных газов находится в пределах г/^ = 0.04… 0.08.

Таким образом, рабочий цикл двигателя включает пять процессов:

• процесс впуска г-а-а2\

• процесс сжатия A-d\

• процесс сгорания M—D—Z—K\

• процесс расширения D—Z—B;

• процесс выпуска Ьг-Ь-г-Ь2.

При осуществлении рабочим телом цикла поршень совершает четыре движения между крайними точками:

• такт впуска r-a;

• такт сжатия c-d;

• такт расширения d-z-b]

• такт выпуска 6-7*.

Так как в ходе циклического процесса рабочее тело совершает большую работу Wpacn, над поршнем, чем поршень над рабочим телом в процессе сжатия И^сж, то результирующая (полезная) работа цикла представляет собой величину, равную:

(15.107)

Результирующая работа Wn с геометрической точки зрения эквивалент­на площади фигуры A—C—Z—B—A (рис. 15.17)

W= w — w П — rr расш yy с

Полезную работу цикла Wn называют индикаторной работой

Рассмотрим протекание рабочего цикла в дизельном двигателе, кон­структивная схема которого показана на рис. 15.18. Основным его отли­чием от бензинового двигателя является наличие специального топлив­ного насоса высокого давления, с помощью которого дизельное топливо впрыскивается в цилиндр двигателя. Таким образом, если в бензиновом двигателе горючая смесь готовится вне цилиндра двигателя, то в дизельном двигателе, наоборот, горючая смесь готовится в цилиндре двигателя при впрыске топлива. Такое введение раздельной подачи топлива и воздуха позволяет в дизельных двигателях увеличить степень сжатия рабочего тела почти в два раза. В этом случае повышается его КПД. Поэтому дизельные двигатели имеют больший по сравнению с бензиновыми двигателями КПД.

Пусть кривошип коленчатого вала находится в положении 1 (рис. 15.18 и рис. 15.19). В этом случае поршень будет находиться в ВМТ, что соот­ветствует на индикаторной диаграмме точке г. При вращении кривошипа поршень будет двигаться от ВМТ к НМТ, увеличивая объем цилиндра. При открытом впускном клапане из-за разрежения в цилиндр будет поступать из окружающей среды воздух (не горючая смесь, как в бензиновом двигате­ле). Давление воздуха р в цилиндре двигателя во время впуска несколько меньше атмосферного р0. Давление воздуха в конце такта впуска (точка а) будет примерно равно ра = (0.8…0.9)ро. Понижение давления воздуха во время впуска обусловлено сопротивлением, оказываемым воздушному потоку впускными каналами. В процессе впуска поршень совершает первый такт, называемый тактом впуска. В момент прихода поршня в НМТ

Отработавшие Газы ▲ 1

Форсунка Плунжера 2 Рис. 15.18. Конструктивная схема дизельного двигателя

Поршень находится В ВМТ

(точка а) впускной клапан не закрывается, хотя поршень начинает такт сжатия (второй такт движения). При движении поршня от НМТ к ВМТ происходит сжатие воздуха (рабочего тела). На участке а-а2 в цилиндр двигателя по инерции поступает еще некоторое количество воздуха. Как известно, это явление называют дозарлдкой. Влияние дозарядки на напол­нение цилиндра воздухом оценивают с помощью коэффициента дозарядки У7доз, который определяется по формуле (15.97). Для дизельных двигателей он примерно равен 77доз = 1.02… 1.15.

В точке а2, когда давление воздуха в цилиндре двигателя становится равным атмосферному давлению (поэтому точка а2 расположена на линии Ро = idem), впускной клапан закрывается. Дальнейшая задержка клапана в открытом состоянии приводит к отрицательному эффекту — выбросу воздуха во впускной канал.

Оценочным параметром степени совершенства процесса впуска являет­ся коэффициент наполнения г/нап, определяемый по формуле (15.98). Для дизельных двигателей коэффициент наполнения ориентировочно равен *7нап = 0.8… 0.9.

В точке а2 начинается фактический процесс сжатия рабочего тела (воз­духа). При сжатии воздух нагревается. Так как в цилиндре нет топлива, то при любом сжатии воздух не воспламенится. Поэтому рабочее тело (воздух) в цилиндре дизельного двигателя можно сжать сильнее. Степень сжатия е, определяемая по формуле (15.86), для дизельных двигателей находится в пределах 16… 20 (иногда и более). Для дизельных двигателей степень сжатия ограничена как сверху, так и снизу. Ограничение степени сжатия сверху обусловлено допустимыми нагрузками на детали двигателя. Чем больше степень сжатия, тем больше максимальное давление рабо­чего тела pz при сгорании топлива. Поэтому механические нагрузки на детали кривошипно-шатунного механизма с увеличением степени сжатия возрастают. Нагрузка на поршень, определяемая по формуле (15.101), в дизельных двигателях больше, чем в карбюраторных двигателях. Чтобы выдержать большие нагрузки, детали кривошипно-шатунного механизма дизельного двигателя имеют большие размеры и соответственно массу.

Расчетные значения параметров рабочего тела в конце процесса сжатия (точка с) определяют по формулам (15.99) и (15.100). Среднее значение показателя политропы сжатия щ для дизельных двигателей находится в пределах щ = 1.32… 1.38.

При подходе поршня к ВМТ (точка га) начинается впрыск дизельного топлива с помощью топливного насоса высокого давления (рис. 15.18). В цилиндре двигателя находится сильно сжатый воздух, имеющий высокую температуру. Впрыск топлива осуществляется при давлении 19… 21 МПа. Такие высокие давления впрыска обусловлены тем, что в цилиндре двига­теля рабочее тело находится под высоким давлением, которое необходимо преодолеть, иначе топливо не поступит в цилиндр. Форсунка обеспечивает мелкий распыл топлива. Чем мельче распыл топлива, тем быстрее оно ис­паряется и распределяется по всему объему камеры сжатия. Для испарения топлива требуется некоторое время, а поэтому его горение начинается чуть позже точки га начала впрыска (рис. 15.19). Из-за сильного нагрева возду­ха дизельное топливо самовоспламеняется. Поэтому дизельные двигатели еще называют двигателями с самовоспламенением топлива.

При атмосферном давлении (р0 = 0.1 МПа) дизельное топливо самовос­пламеняется при температуре 270…336°С. С повышением давления тем­пература самовоспламенения дизельного топлива снижается. Ниже при­ведена зависимость между давлением и температурой самовоспламенения дизельного топлива:

Давление среды, МПа	0.3	0.9	1.5	3.0
Температура самовоспламенения дизельного топлива, °С	400	262	210	200

Сгорание топлива в конце процесса сжатия приводит к тому, что давление рабочего тела резко повышается. В этом случае процесс сжатия идет не по теоретической линии га-с, а по линии га-с7. В точке d процесс сжатия заканчивается. Поршень завершает второй такт движения.

Площадь фигуры A—O—D—E—A (рис. 15.19) эквивалентна механической энергии Wok, затраченной на сжатие рабочего тела. Иногда эту работу называют отрицательной, указывая тем самым, что механическая энергия передается от окружающей среды к рабочему телу. Иногда величину W^ называют работой сжатия.

В результате сгорания топлива резко увеличивается давление рабочего тела. Под действием силы давления рабочего тела поршень начинает двигаться к НМТ, совершая третий такт движения — такт расширения. В начале такта расширения (линия c-z) давление рабочего тела резко воз­растает, что обусловлено интенсивным горением топлива. В последующем давление рабочего тела резко уменьшается, что вызвано замедлением про­цесса сгорания топлива (мало кислорода) и увеличением объема цилиндра.

Степень повышения давления рабочего тела при сгорании топлива, определяемая выражением (15.102), для дизельных двигателей ориенти­ровочно равна Л = 1.6…2.5. Ориентировочные значения максимального давления рабочего тела при сгорании топлива для дизельных двигателей равны рг = 5.0… 12.0 МПа.

Максимальную температуру рабочего тела Тг также как и в бензиновых двигателях, определяют на основе сложных зависимостей, учитывающих термодинамику процесса сгорания топлива. Эти зависимости рассматри­ваются в специальной литературе. Максимальное значение температуры рабочего тела Тг в цикле дизельного двигателя примерно равно Тг — 1800…2300 К.

Величину р, численно равную отношению (см. рис. 15.19)

V/ V/

Pvv=tc> (15108)

Называют степенью предварительного расширения. Для дизельных двига­телей ее значение примерно равно р = 1.1… 1.6.

По мере приближения поршня к НМТ давление рабочего тела зна­чительно уменьшается, так как в точке к горение топлива практически прекращается.

Так как в дизельных двигателях горючая смесь готовится в цилиндре (двигатель с внутренним смесеобразованием), то на ее приготовление отводится очень мало времени (не более 0.003… 0.004 секунды). За это время топливо не успевает испариться и равномерно распределиться по объему камеры сжатия (сгорания). Поэтому в камере сгорания возникают зоны, где много топлива и мало воздуха. В этих зонах может иметь место неполное сгорание топлива. Для обеспечения полного сгорания топлива в дизельных двигателях увеличивают подачу воздуха, т. е. в цилиндре двигателя находится значительно больше воздуха, тем теоретически тре­буется для полного сгорания топлива. Коэффициент избытка воздуха, определяемый выражением (15.89), в дизельном двигателе больше 1. Для дизельных двигателей коэффициент избытка воздуха находится в пределах а = 1.25…2.0 в зависимости от конструкции камеры сгорания и других технических факторов.

Как и в бензиновом двигателе, в дизельном двигателе при сгорании топлива рабочее тело претерпевает химические изменения. Такое измене­ние химического состава рабочего тела оказывает незначительное влияние на протекание рабочего цикла двигателя. Как и в бензиновых двигателях, изменение химического состава рабочего тела в процессе сгорания топлива оценивается с помощью коэффициента молекулярного изменения /?, вели­чина которого находится в пределах /? = 1.03… 1.04.

В точке bi (рис. 15.19) начинает открываться выпускной клапан, в результате чего давление рабочего тела резко уменьшается. Газы из ци­линдра двигателя выходят в окружающую среду. Точка b на индикаторной диаграмме соответствует положению поршня в НМТ.

Площадь фигуры c-z-b-e-d-c эквивалентна работе расширения Wpacm, Совершаемой рабочим телом в процессе расширения. Бели из работы рас­ширения Wpacnj вычесть работу сжатия W^, то получим полезную работу Цикла Wn:

Wn = Wpecm-WQK. (15.109)

Полезная работа цикла Wn эквивалентна площади фигуры a-c-z-b-a. Как известно, полезную работу цикла называют индикаторной работой

(wB = w{).

Параметры состояния рабочего тела в точке b (рис. 15.19) определяют по формулам:

Pz

Рь = 5^

(15.110)

Т

ГГ1 1 г

Где S = Vb/Vb = Е/р — степень последующего расширения рабочего тела; е — степень сжатия двигателя; р = Vz/Vc — степень предварительного расшире­ния рабочего тела при сгорании топлива; п2 — среднее значение показателя политропы расширения.

Для автотракторных дизельных двигателей значения этих величин приведены ниже:

Показатель	Значение
Давление рабочего тела рь> МПа Температура рабочего тела Ть, К Средний показатель политропы расширения п2	0.2… 0.5 1000… 1400 1.18… 1.28

Таким образом, процесс выпуска начинается в точке bi, а такт выпус­ка—в точке 6. На такте выпуска поршень движется от НМТ к ВМТ, выталкивая отработавшее тело. Так как органы газообмена оказывают сопротивление газовому потоку, то давление газов в цилиндре двигателя в процессе выпуска несколько больше атмосферного. Поэтому линия выпуска b-r (рис. 15.19) проходит выше условной линии атмосферного давления Р0 = idem.

В точке di при подходе поршня к ВМТ начинает открываться впускной клапан (выпускной клапан остается еще открытым). В точке г такт выпус­ка завершается, а процесс выпуска еще продолжается. После прохождения ВМТ поршень вновь совершает такт впуска. При этом по инерции отра­ботавшие газы продолжают выходить из цилиндра двигателя. В точке Ь?

Впускной клапан закрывается, а поэтому процесс выпуска в этой точке завершается. На участке ai-r-b^ имеет место перекрытие клапанов, в результате которого происходят процессы впуска-выпуска одновременно. После точки £>2 идет только процесс впуска.

Степень очистки цилиндра двигателя от отработавших газов в ре­зультате осуществления процессов газообмена оценивается коэффициентом остаточных газов, определяемым по формуле (15.106). Для дизельных двигателей его значение находится в пределах г]^ = 0.03… 0.06.

Таким образом, для цикла дизельного двигателя характерны те же процессы, что и для бензинового двигателя (рис. 15.19):

• процесс впуска ai-r-b2-a-a2\

• процесс сжатия A2-d\

• процесс расширения D—Z-b\

• процесс сгорания M—D—Z—K\

• процесс выпуска bi~b-r-b2.

При этом поршень совершает четыре такта:

• такт впуска г-а;

• такт сжатия A-d \

• такт расширения D—Z-b\

• такт выпуска Ь-г.

В двухтактных двигателях рабочий цикл состоит из тех же процессов, что и рабочий цикл четырехтактных двигателей. Однако при осуществ­лении рабочего цикла в двухтактном двигателе поршень совершает всего два хода (такта). Основные зависимости, полученные для четырехтактных двигателей, справедливы и для двухтактных двигателей.