Дизельные двигатели

Тепловой баланс двигателя.

 

Распределение теплоты подведенной к двигателю  с топливом, на полезное использование  и потери дает тепловой баланс двигателя, который называется внешним тепловым балансом. Обычно он составляет для 1 кг жидкого или 1 м куб. газообразного  топлива. В общем виде тепловой баланс двигателя можно записать следующим  образом:

где        - теплота, превращенная в эффективную работу;           - теплота,                унесенная отработавшими газами;         - теплота отведенная охлаждением  двигателя ;        - остаточные, трудноопределимые потери (от химической и механической неполноты сгорания и др.).

В уравнении теплового баланса  двигателя отсутствует слагаемое, учитывающее затраты теплоты  топлива на механические потери. Это объясняется тем, что основное количество теплоты механических потерь (трения) отводится охлаждающей водой и маслом и входит в, а некоторая ее часть включается в остаточные потери.

В зависимости от конструктивных и  эксплуатационных факторов различных  ДВС отдельные составляющие уравнения  теплового баланса двигателя, которое  приведено было выше, имеют примерно такие значения (в процентах от теплового баланса):

      = 22-42 %;         = 25-55 %;            = 10-35 %;          = 2-10%

 

Отдельные составляющие теплового баланса  зависят от нагрузки двигателя. По мере снижения нагрузки от полной до 50% КПД меняется не значительно, на 2-3 % своего максимального значения, но затем резко падает (до нуля на холостом ходу).

Значительная  часть теплоты (до 70%) теряется с отработавшими  газами и с охлаждающей водой (или с воздухом при воздушном  охлаждении).

 

 

 

 

 

КПД цикла Дизеля

, 
где — степень сжатия,

— коэффициент предварительного расширения,

— показатель адиабаты.

Идеальный цикл лишь приблизительно описывает процессы, происходящие в реальном двигателе, но для технических расчётов в  большинстве случаев точность такого приближения удовлетворительна.

 

РАБОЧИЕ ЦИКЛЫ ДИЗЕЛЕЙ

Проследив за процессами, происходящими в цилиндре работающего дизеля,  можно заметить,    что    работа поршня слагается из чередующихся процессов: 1) впуск воздуха; 2) сжатие воздуха; 3) горение впрыснутого топлива, образование газообразных продуктов горения и их расширение; 4) выпуск отработавших газов. Комплекс последовательных процессов, периодически повторяющихся в каждом рабочем цилиндре, называется рабочим циклом двигателя.

Рис. 18 Схематичное изображение рабочих  ходов в дизелях

Как бы ни были разнообразны конструкции дизелей, но упомянутые процессы имеют место в каждом из них. Разница только в том, что  в одних дизелях весь рабочий  цикл совершается за один оборот коленчатого  вала, а в других — за два оборота, т. е. соответственно за два хода (такта) поршня (эти двигатели принято называть двухтактными) и за четыре хода (такта) поршня (эти двигатели принято называть четырехтактными). Таким образом, такт — это часть рабочего цикла. 
Рабочим, так сказать, «мускульным» тактом во всех двигателях внутреннего сгорания является расширение продуктов сгорания топлива в цилиндре. Именно во время этого такта развивается сила, перемещающая поршень. Поэтому такт расширения называют рабочим ходом поршня. Этот такт является движущим началом остальных нерабочих тактов, совершающихся за счет накопленной при рабочем такте энергии. На каждый рабочий ход приходится в двухтактном двигателе один нерабочий ход, а в четырехтактном — три нерабочих хода (рис. 18). На тепловозах применяются и конкурируют между собой двухтактные и четырехтактные   дизели.

Рис. 19. Схема работы четырехтактного  дизеля

Четырехтактный дизель. Первый такт — впуск воздуха (рис. 19). При движении поршня от верхней мертвой точки к нижней (допустим, что поршень движется благодаря вращению коленчатого вала по инерции) под действием специального механизма открыт впускной клапан, давая, таким образом, доступ воздуху в цилиндр; выпускной клапан закрыт. 
Второй такт — сжатие. Пройдя нижнюю мертвую точку, поршень, приводимый в движение коленчатым валом, начинает перемещаться вверх: объем цилиндра уменьшается. Так как оба клапана — впускной и выпускной — в это время закрыты, то поршень сжимает воздух, заполнивший цилиндр. Когда поршень находится около в. м. т., воздух оказывается сжатым до давления 2,94 — 4,9 МПа (30—50 кгс/см2). Этот такт поэтому и называется тактом сжатия. От такого   сжатия   температура   воздуха в   цилиндре   дизеля     повышается   до 500 - 600°С. 
Третий такт — расширение газа. При подходе поршня к верхней мертвой точке в цилиндр через форсунку впрыскивается порция топлива. Давление впрыска топлива (не путать с давлением газов!), доходящее до 98 МПа (1000 кгс/см2), создается топливным насосом (на схеме не показан). В цилиндре происходит перемешивание топлива со сжатым воздухом и самовоспламенение. Процесс горения топлива сопровождается ростом температуры и давления газов. При сгорании топлива температура газов в цилиндре достигает 1500 — 1800° С, а давление повышается (в зависимости от конструкции и мощности дизеля) до 4,9 — 11,7 МПа (50— 120 кгс/см2). Под действием высокого давления газов поршень перемещается к нижней мертвой точке, а продукты сгорания топлива расширяются. Как уже указывалось, этот третий такт является рабочим ходом поршня потому, что только при этом ходе поршень совершает полезную работу. Температура и давление газов после расширения значительно понижаются. В третьем такте так же, как и во втором, впускной и выпускной клапаны   закрыты. 
Четвертый такт — выпуск газов. В конце третьего такта открывается выпускной клапан и начинается выход отработавших газов в коллектор. При обратном движении поршня вверх объем цилиндра уменьшается, газы поршнем выталкиваются через открытый выпускной клапан. Процесс выпуска отработавших газов, т. е. очистки цилиндра для последующего впуска воздуха, заканчивается несколько позже того, как поршень пройдет верхнюю мертвую точку. Для чего это делается, мы скоро узнаем, а пока отметим, что четвертый такт является замыкающим в цикле; после него все такты повторяются сначала:  1)  впуск, 2)  сжатие, 3)  расширение, 4) выпуск и т. д. Итак, в четырехтактном дизеле рабочий цикл осуществляется за четыре хода (такта)   поршня. 
Хорошо ли, что в четырехтактном дизеле только один из тактов — расширение — является рабочим, а три— подготовительными? И да, и нет. Хорошо потому, что цилиндры двигателя тщательно очищаются от отработавших газов. Плохо потому, что на один рабочий такт приходятся три вспомогательных такта, во время которых двигатель не производит работу. Следовательно, в четырехтактных дизелях около 3/4 времени цикла затрачивается на вспомогательные операции — впуск, сжатие и выпуск. Нельзя ли сократить это время, уменьшить продолжительность рабочего цикла?

 

Двухтактный дизель. Изучая процессы, происходящие в работающем дизеле, конструкторы пришли к выводу, что рабочий цикл дизеля можно осуществить и за два хода поршня: при воспламенении и сгорании топлива поршень совершает один ход сверху вниз (рис. 20, а), следующий, обратный ход поршня используется для сжатия новой порции воздуха (рис. 20, б). Для остальных двух процессов отводится гораздо меньше времени, чем раньше: очистка цилиндра и заполнение его воздухом происходят в период, когда поршень находится вблизи н. м. т.

Рис. 20. Схема работы двухтактного двигателя

Двухтактный дизель так же, как и четырехтактный, имеет цилиндр, поршень, шатунно-кривошипный  механизм. У двухтактных дизелей  нет клапанов: впуск и выпуск осуществляются не через отверстия в крышке цилиндра, открываемые клапанами, а через  специальные окна (щели) в стенке цилиндра (см. рис. 20, б), которые закрываются и открываются самим поршнем во время его перемещения в цилиндре. Поршень двухтактного дизеля сам выполняет функции клапанов. Но, как бы в награду за этот труд, поршень в двухтактном дизеле практически не производит работы по выталкиванию отработавших газов и созданию разрежения в цилиндре двигателя внутреннего сгорания. 
Вот как это достигается. В конце рабочего хода, когда поршень приближается к н.м.т., он сначала открывает выпускные (в нашем случае более высокие) окна, через которые и устремляются отработавшие газы в выпускной коллектор; давление в цилиндре начинает падать. Еще через мгновенье поршень, продолжая двигаться вниз, открывает более низкие продувочные окна, сквозь которые в цилиндр врывается струя сжатого воздуха, подаваемого воздуходувкой. Сжатый воздух выталкивает газы через выпускные окна в атмосферу и заполняет объем цилиндра, частично проходя через него «транзитом». Выпуск газов происходит в тот очень короткий промежуток времени, пока окна не перекроет поршень при своем движении вверх от нижней мертвой точки. При этом закрываются продувочные окна, а затем выпускные. После того как поршень перекроет окна, начнется процесс сжатия воздуха. 
Процесс очистки цилиндра от отработавших газов и наполнения его чистым воздухом получил название продувки.

Наиболее простой  является поперечная (петлевая) продувка (рис. 21, а). Продувочный воздух поступает через продувочные окна, занимающие часть боковой поверхности цилиндра против выпускных окон. При движении вниз (в конце расширения) поршень открывает выпускные окна, через которые газы выпускаются из цилиндра, затем открывает продувочные окна. Давление в цилиндре снижается по сравнению с давлением продувочного воздуха. Поэтому продувочный воздух заполняет цилиндр, вытесняя оставшиеся отработавшие газы.

Рис. 21. Схема продувок: а - поперечная; б - клапанно-щелевая; в - прямоточно-щелевая

После того как  поршень при движении вверх закроет  окна, начнется процесс сжатия воздуха. При таком способе продувки верхнее  пространство цилиндра плохо очищается от отработавших газов. 
Для улучшения очистки приходится большое количество воздуха пропускать через цилиндр, на что затрачивается дополнительная мощность. В этом отношении лучше прямоточная продувка (рис. 21, б), при которой продувочный воздух, поступая через окна, имеющие тангенциальный и радиальный наклоны, направляется к верхней части цилиндра и вместе с газами выходит из цилиндра через выпускные каналы в цилиндровой крышке при открытом выпускном клапане: двигаясь по винтовой линии, воздух образует как бы «воздушный» поршень, который вытесняет отработавшие газы через выпускной клапан в крышке цилиндра. Поэтому такая продувка   называется клапанно-щелевой. Но, удаляя отработавшие газы, часть воздуха также проходит «транзитом» через цилиндр в выпускной тракт. Хотя этот вид продувки и более совершенный, чем поперечная, но продукты сгорания не полностью удаляются из цилиндра, ибо зоны вблизи крышки остаются неочищенными. 
Такая схема продувки применена в тепловозных дизелях  11Д45 и  14Д40. 
На дизелях типа Д100 при встречно-движущихся поршнях применена так называемая прямоточно-щелевая продувка цилиндров (рис. 21, в). В этой схеме сначала нижним поршнем открываются выпускные окна. Осуществляется предварительный выпуск газов. Затем верхний поршень открывает продувочные окна, после чего начинается принудительная продувка цилиндра воздухом, поступающим через впускные окна и движущимся в цилиндре по винтовой линии, как показано стрелками.Образующийся «воздушный» поршень вытесняет отработавшие газы через выпускные окна, расположенные по периметру окружности в нижней части цилиндра. Этот вид продувки наиболее совершенный: вместо металлического поршня в четырехтактном двигателе образующийся в двухтактном дизеле «воздушный поршень» обеспечивает хорошую очистку цилиндра. После закрытия выпускных окон воздух под давлением еще некоторое время продолжает поступать в цилиндр через продувочные окна, благодаря чему осуществляется дозарядка цилиндра. С закрытием продувочных окон начинается сжатие поршнями воздуха. В двухтактном дизеле процессы сжатия воздуха, впрыска топлива, его воспламенения и расширения газов протекают примерно так же, как и в четырехтактном. Таким образом, в двухтактном дизеле рабочий цикл образуется следующими двумя тактами. 
 
Первый такт — сжатие. Пройдя нижнюю мертвую точку, поршень начинает перемещаться вверх, закрывая сначала продувочные, затем выпускные окна. Так как окна закрыты, поршень сжимает воздух, заполнивший цилиндр. При этом температура воздуха повышается до температуры, достаточной для воспламенения топлива. 
Второй такт — рабочий ход. При подходе поршня к верхней мертвой точке в горячий воздух из форсунки впрыскивается дизельное топливо. Происходит самовоспламенение топлива, процесс горения которого сопровождается ростом температуры и давления рабочей смеси. Под действием возрастающего давления газов поршень перемещается к нижней мертвой точке. Этот такт является рабочим. 
Как уже знает читатель, конец второго и начало первого такта занимают процессы очистки и продувки цилиндра, соответствующие тактам выпуска и всасывания в четырехтактном дизеле. Благодаря этим особенностям рабочий цикл двухтактного дизеля осуществляется за два хода поршня или за один оборот (360°) коленчатого вала вместо четырех ходов поршня или двух оборотов (720°) коленчатого вала, как это делается в четырехтактных дизелях.

Рис. 28. Индикаторная диаграмма двухтактного двигателя

 

 

 

 

 

 

Преимущества и недостатки

Бензиновый двигатель является довольно неэффективным и способен преобразовывать всего лишь около 20-30 % энергии топлива в полезную работу. Стандартный дизельный двигатель, однако, обычно имеет коэффициент полезного действия в 30-40 %, дизели с турбо наддувом и промежуточным охлаждением свыше 50 %. Дизельный двигатель из-за использования впрыска высокого давления не предъявляет требований к летучести топлива, что позволяет использовать в нём низкосортные тяжелые масла.

Дизельный двигатель  не может развивать высокие обороты — смесь не успевает догореть в цилиндрах. Это приводит к снижению удельной мощности двигателя на 1 л объёма, а значит, и к снижению удельной мощности на 1 кг массы двигателя. Это послужило причиной малого распространения дизелей в авиации (только некоторые бомбардировщики Юнкерс, а также советский тяжелый бомбардировщик Пе-8 и Ер-2, оснащавшиеся авиационными дизелями АЧ-30 и АЧ-40 конструкции А. Д. Чаромского и Т. М. Мелькумова). На максимальной эксплуатационной мощности смесь в дизеле не догорает, приводя к выбросу облаков сажи.

Дизельный двигатель  не имеет дроссельной заслонки (современные  дизели их уже имеют, так как имеют  необходимость взаимодействовать  с системой EGR, процессом управляет электроника/программистика), регулирование мощности осуществляется регулированием количества впрыскиваемого топлива, так как дизель (исправный) всегда работает на обеднённых смесях (неисправный — чадит). Это приводит к отсутствию снижения давления в цилиндрах на низких оборотах. Потому дизель выдаёт высокий вращающий момент при низких оборотах, что делает автомобиль с дизельным двигателем более «отзывчивым» в движении, чем такой же автомобиль с бензиновым двигателем. По этой причине в настоящее время большинство грузовых автомобилей оборудуются дизельными двигателями. Это является преимуществом также и в двигателях морских судов, так как высокий крутящий момент при низких оборотах делает более лёгким эффективное использование мощности двигателя, а более высокий теоретический КПД даёт более высокую топливную эффективность.

По сравнению  с бензиновыми двигателями, в  выхлопных газах дизельного двигателя, как правило, меньше окиси углерода (СО), но теперь, в связи с применением каталитических конвертеров на бензиновых двигателях, это преимущество не так заметно. Основные токсичные газы, которые присутствуют в выхлопе в заметных количествах — это углеводороды, оксиды азота (NO_х) и сажа (или её производные) в форме чёрного дыма. Они могут привести к астме и раку лёгких. Больше всего загрязняют атмосферу дизели грузовиков и автобусов, которые часто являются старыми и неотрегулированными.