История создания многотопливных двигателей

 

Процесс впуска. Впуск горючей  смеси осуществляется после выпуска  из цилиндров отработавших газов  от предыдущего цикла. Впускной клапан открывается с некоторым опережением  до ВМТ (точка 1), чтобы получить к  моменту прихода поршня к ВМТ  большее проходное сечение у  клапана. Впуск горючей смеси  осуществляется за два периода. В  первый период смесь поступает при  перемещении поршня от ВМТ к НМТ  вследствие разряжения, создающегося в цилиндре (линия ra). Во второй период впуск смеси происходит при перемещении поршня от НМТ к ВМТ в течение некоторого времени, соответствующего 40 - 70 поворота коленчатого вала за счет разности давлений (po-pa), и скоростного напора смеси (линия a2). Впуск горючей смеси заканчивается закрытием впускного клапана (точка 2). Процесс впуска на диаграмме изображается линией ra2. Горючая смесь, поступившая в цилиндр, смешивается с остаточными газами от предыдущего цикла и образует горючую смесь. Давление смеси в цилиндре в течение процесса впуска составляет 70 - 90 кПа и зависит от гидравлических потерь во впускной системе двигателя. Температура смеси в конце процесса впуска повышается до 340 - 350 К вследствие соприкосновения ее с нагретыми деталями двигателя и смешивания с остаточными газами, имеющими температуру 900 - 1000 К.

 

Процесс сжатия. Сжатие рабочей  смеси, находящейся в цилиндре двигателя, происходит при закрытых клапанах и  перемещении поршня в ВМТ. Процесс  сжатия протекает при наличии  теплообмена между рабочей смесью и стенками (цилиндра, головки и  днища поршня). В начале сжатия температура  рабочей смеси ниже температуры  стенок, поэтому теплота передается смеси от стенок. По мере дальнейшего  сжатия температура смеси повышается и становится выше температуры стенок, поэтому теплота от смеси передается стенкам. Таким образом процесс сжатия осуществляется по политропе, средний показатель которой n =1. 33.... 1. 38. Процесс сжатия заканчивается в момент воспламенения рабочей смеси (точка 3). Процесс сжатия на диаграмме изображается кривой 23. Давление рабочей смеси в цилиндре в конце сжатия 0. 8 - 1. 5 МПа, а температура 600 - 750 К. Процесс сгорания. Сгорание рабочей смеси начинается раньше прихода поршня к ВМТ (точка 3), т. е. когда сжатая смесь воспламеняется от электрической искры. После воспламенения фронт пламени горящей свечи от свечи распространяется по всему объему камеры сгорания со скоростью 40 - 50 м/с. Несмотря на такую высокую скорость сгорания, смесь успевает сгореть за время, пока коленчатый вал повернется на 30 - 35 . При сгорании рабочей смеси выделяется большое количество теплоты на участке, соответствующим 10 - 15 до ВМТ и 15 - 20 после НМТ, вследствие чего давление и температура образующихся в цилиндре газов быстро возрастают.

 

Процесс сгорания на диаграмме  изображается линией 3z. В конце сгорания (точка z) давление газов достигает 3 - 5 МПа, а температура 2500 - 2800 К. Процесс расширения. Тепловое расширение газов, находящихся в цилиндре двигателя, происходит после окончания процесса сгорания (точка z) при перемещении поршня к НМТ. Газы, расширяясь, совершают полезную работу. Процесс теплового расширения протекает при интенсивном теплообмене между газами и стенками (цилиндра, головки и днища поршня). В начале расширения происходит догорание рабочей смеси, вследствие чего образующиеся газы получают теплоту. Газы в течение всего процесса теплового расширения отдают теплоту стенкам. Температура газов в процессе расширения уменьшается, следовательно, изменяется перепад температуры между газами и стенками. Процесс теплового расширения, заканчивающийся в момент открытия выпускного клапана (точка 4), на диаграмме изображается кривой z4. Процесс теплового расширения происходит по политре, средний показатель которой n2=1. 23.... 1. 31. Давление газов в цилиндре в конце расширения 0. 35 0. 5 МПа, а температура 1200 - 1500 К.

 

Процесс выпуска. Выпуск отработавших газов начинается при открытии выпускного клапана (точка 4), т. е. за 40 - 60 до прихода  поршня в НМТ. Выпуск газов из цилиндра осуществляется за два периода. В  первый период выпуск газов происходит при перемещении поршня от точки 4 до НМТ за счет того, что давление газов в цилиндре значительно  выше атмосферного (линия 4в). В этот период из цилиндра удаляется около 60% отработавших газов со скоростью 500 - 600 м/с. Во второй период выпуск газов происходит при перемещении поршня от НМТ до точки 5 (закрытие выпускного клапана) за счет выталкивающего действия поршня и инерции движущихся газов (линия в5). Выпуск отработавших газов заканчивается в момент закрытия выпускного клапана (точка 5), т. е. через 10 - 20 после прихода поршня в ВМТ. Процесс выпуска на диаграмме изображается линией 4в ч5. Давление газов в цилиндре в процессе выталкивания 0. 11 0. 12 МПа, температура газов в конце процесса выпуска 90 - 1100 К [6].

 

    Рабочий цикл  четырехтактного двигателя

 

Рабочий цикл дизеля существенно  отличается от рабочего цикла карбюраторного двигателя способом образования  и воспламенения рабочей смеси. На рис. 6, б приведена индикаторная диаграмма четырехтактного дизеля.

 

Процесс впуска. Впуск воздуха  начинается при открытом впускном клапане (точка r) и заканчивается в момент закрытия его (точка 2). Впускной клапан открывается в точке 1. Процесс впуска воздуха происходит также, как и впуск горючей смеси в карбюраторном двигателе. Процесс впуска на диаграмме изображается линией ra2. Давление воздуха в цилиндре в течении процесса впуска составляет 80 - 95 кПа и зависит от гидравлических потерь во впускной системе двигателя. Температура воздуха в конце процесса выпуска повышается до 320 - 350 К за счет соприкосновения его с нагретыми деталями двигателя и смешивания с остаточными газами.

 

Процесс сжатия. Сжатие воздуха, находящегося в цилиндре, начинается после закрытия впускного клапана (точка 2) и заканчивается в момент впрыска топлива в камеру сгорания (точка 3). Процесс сжатия происходит аналогично сжатию рабочей смеси  в карбюраторном двигателе, на диаграмме  он изображается кривой 23. Давление воздуха  в цилиндре в конце сжатия 3. 5 - 6 МПа, а температура 820 - 980 К.

 

Процесс сгорания. Сгорание топлива начинается с момента  начала подачи топлива в цилиндр (точка 3), т. е. за 15 - 30 до прихода поршня в ВМТ. В этот момент температура  сжатого воздуха на 150 - 200 С выше температуры самовоспламенения. топливо, поступившее в мелкораспыленном состоянии в цилиндр, воспламеняется не мгновенно, а с задержкой в течение некоторого времени (0. 001 - 0. 003 с), называемого периодом задержки воспламенения. В этот период топливо прогревается, перемешивается с воздухом и испаряется, т. е. образуется рабочая смесь. Подготовленное топливо воспламеняется и сгорает. Процесс сгорания на диаграмме изображается линией 3z. В конце сгорания давление газов достигает 5. 5 - 11 МПа, а температура 1800 - 2400 К.

 

Процесс расширения. Тепловое расширение газов, находящихся в  цилиндре, начинается после окончания  процесса сгорания (точка z) и заканчивается в момент закрытия выпускного клапана (точка 4). В начале расширения происходит догорание топлива. Процесс теплового расширения протекает аналогично процессу теплового расширения газов в карбюраторном двигателе. Процесс теплового расширения на диаграмме изображается кривой z4. Давление газов в цилиндре к конце расширения 0. 3 - 0. 5 МПа, а температура 1000 - 1300 К.

 

Процесс выпуска. Выпуск отработавших газов начинается при открытии выпускного клапана (точка 4) и заканчивается  в момент закрытия выпускного клапана (точка 5). Процесс выпуска отработавших газов происходит также, как и процесс выпуска газов в карбюраторном двигателе, на диаграмме он изображается линией 4br5. Давление газов в цилиндре в процессе выталкивания 0. 11 - 0. 12 МПа, температура газов в конце процесса выпуска 700 - 900 К [6].

 

    Рабочие циклы  двухтактных двигателей

 

Рабочий цикл двухтактного двигателя  совершается за два такта, или  за один оборот коленчатого вала.

 

Рассмотрим рабочий цикл двухтактного карбюраторного двигателя  с кривошипно-камерной продувкой, индикаторная диаграмма которого приведена на рис. 7.

 

Процесс сжатия горючей смеси, находящейся в цилиндре, начинается с момента закрытия поршнем окон цилиндра (точка 2) при перемещении  поршня от НМТ к ВМТ. Процесс сжатия протекает также, как и в четырехтактном карбюраторном двигателе, на диаграмме изображается кривой 23.

 

Процесс сгорания происходит аналогично процессу сгорания в четырехтактном карбюраторном двигателе, на диаграмме  изображается линией 3z. Процесс теплового  расширения газов, находящихся в  цилиндре, начинается после окончания  процесса сгорания (точка z) и заканчивается в момент открытия выпускных окон (точка 4). Процесс теплового расширения происходит аналогично процессу расширения газов в четырехтактном карбюраторном двигателе, на диаграмме изображается кривой z4.

 

Процесс выпуска отработавших газов начинается при открытии выпускных  окон (точка 4), т. е. за 60 - 65 до прихода  поршня в НМТ, и заканчивается  через 60 65 после прохода поршнем  НМТ, на диаграмме изображается линией 462. По мере открытия выпускного окна давление в цилиндре резко снижается (линия 45), а за 50 - 55 до прихода поршня в  НМТ открываются продувочные  окна (точка 5) и горючая смесь, ранее  поступившая в кривошипную камеру и сжатая опускающимся поршнем, начинает поступать в цилиндр. Период (561), в течение которого происходит одновременно два процесса - впуск горючей смеси  и выпуск отработавших газов, - называют продувкой. Во время продувки горючая  смесь вытесняет отработавшие газы и частично уносится вместе с ними. При дальнейшем перемещении к  ВМТ поршень перекрывает сначала  продувочные окна (точка 1), прекращая  доступ горючей смеси в цилиндр  из кривошипной камеры, а затем  выпускные (точка 2) и начинается в  цилиндре процесс сжатия [6]. На столбиковой  диаграмме на рис. 8 наиболее четко  выражены перепады температуры в  цилиндре карбюраторного двигателя  в каждом такте.

 

    ПОКАЗАТЕЛИ, ХАРАКТЕРИЗУЮЩИЕ  РАБОТУ ДВИГАТЕЛЕЙ

    Среднее индикаторное  давление и индикаторная мощность

 

Под средним индикаторным давлением Pi понимают такое условное постоянное давление, которое действуя на поршень в течение одного рабочего хода, совершает работу, равную индикаторной работе газов в цилиндре за рабочий цикл. Согласно определению, среднее индикаторное давление - отношение индикаторной работы газов за цикл Li к единице рабочего объема цилиндра Vh, т. е. Pi=Li/Vh. При наличии индикаторной диаграммы, снятой с двигателя (рис. 9), среднее индикаторное давление можно определить по высоте прямоугольника, построенного на основании Vh, площадь которого равна полезной площади индикаторной диаграммы, представляющей собой в некотором масштабе индикаторную работу Li. Определить с помощью планиметра полезную площадь F индикаторной диаграммы (м^2) и длину l индикаторной диаграммы (м), соответствующую рабочему объему цилиндра, находят значение среднего индикаторного давления Pi=F*m/l, где m - масштаб давления индикаторной диаграммы, Па/м.

 

Средние индикаторные давления при номинальной нагрузке у четырехтактных карбюраторных двигателей 0. 8 - 1. 2 МПа, у четырехтактных дизелей 0. 7 - 1. 1 МПа, у двухтактных дизелей 0. 6 - 0. 9 МПа.

 

Индикаторной мощностью  Ni называют работу, совершаемую газами в цилиндрах двигателя в единицу времени.

 

Индикаторная работа (Дж), совершаемая газами в одном цилиндре за один рабочий цикл, Li=Pi*Vh.

 

Так как число рабочих  циклов, совершаемых двигателем в  секунду, равно 2n/T, то индикаторная мощность (кВт) одного цилиндра Ni=(2/T)*Pi*Vh*n*10^-3, где n частота вращения коленчатого вала, 1/с, T - тактность двигателя - число тактов за цикл (T=4 - для четырехтактных двигателей и T=2 - для двухтактных). Индикаторная мощность многоцилиндрового двигателя при числе цилиндров i Ni=(2/T)*Pi*Vh*n*i*10^-3 [6].

 

    Эффективная мощность  и средние эффективные давления

 

Эффективной мощностью Ne называют мощность, снимаемую с коленчатого вала двигателя для получения полезной работы.

 

Эффективная мощность меньше индикаторной Ni на величину мощности механических потерь Nm, т. е. Ne=Ni-Nm.

 

Мощность механических потерь затрачивается на трение и приведение в действие кривошипно-шатунного  механизма и механизма газораспределения, вентилятора, жидкостного, масляного  и топливного насосов, генератора тока и других вспомогательных механизмов и приборов.

 

Механические потери в  двигателе оцениваются механическим КПД nm, которое представляет собой отношение эффективной мощности к индикаторной, т. е. Nm=Ne/Ni=(Ni-Nm)/Ni=1-Nm/Ni.

 

Для современных двигателей механический КПД составляет 0. 72 - 0. 9. Зная величину механического КПД  можно определить эффективную мощность Ne=nm*Ni. Аналогично индикаторной мощности определяют мощность механических потерь Nm=2/T*Pm*Vh*ni*10^-3, где Pm - среднее давление механических потерь, т. е. часть среднего индикаторного давления, которая расходуется на преодоление трения и на привод вспомогательных механизмов и приборов.

 

Согласно экспериментальным  данным для дизелей Pm=1. 13+0. 1*ст; для карбюраторных двигателей Pm=0. 35+0. 12*ст; где ст - средняя скорость поршня, м/с. Разность между средним индикаторным давлением Pi и средним давлением механических потерь Pm называют средним эффективным давлением Pe, т. е. Pe=Pi-Pm.

 

Эффективная мощность двигателя  Ne=(2/T)*Pe*Vh*ni*10^-3, откуда среднее эффективное давление Pe=10^3*Ne*T/(2Vh*ni).

 

Среднее эффективное давление при нормальной нагрузке у четырехтактных карбюраторных двигателе 0. 75 - 0. 95 МПа, у четырехтактных дизелей 0. 6 - 0. 8 МПа, у двухтактных 0. 5 - 0. 75 МПа [6].

 

    Индикаторный КПД  и удельный индикаторный расход  топлива

 

Экономичность действительного  рабочего цикла двигателя определяют индикаторным КПД ni и удельным индикаторным расходом топлива gi. Индикаторный КПД оценивает степень использования теплоты в действительном цикле с учетом всех тепловых потерь и представляет собой отношение теплоты Qi, эквивалентной полезной индикаторной работе, ко всей затраченной теплоте Q, т. е. ni=Qi/Q (а). Теплота (кВт), эквивалентная индикаторной работе за 1 с, Qi=Ni. Теплота (кВт), затраченная на работу двигателя в течение 1 с, Q=Gт*(Q^p)н, где Gт - расход топлива, кг/с; (Q^p)н - низшая теплота сгорания топлива, кДж/кг. Подставляя значение Qi и Q в равенство (а), получим ni=Ni/Gт*(Q^p)н (1). Удельный индикаторный расход топлива [кг/кВт*ч] представляет собой отношение секундного расхода топлива Gт к индикаторной мощности Ni, т. е. gi=(Gт/Ni)*3600, или [г/(кВт*ч)] gi=(Gт/Ni)*3. 6*10^6.

 

Значение индикаторного  КПД и удельного индикаторного  расхода топлива для современных  двигателей при их работе на номинальном  режиме приведены в табл. 1 на рис. 10 [6].