Лекция № 6. Термодинамические циклы, общие принципы работы, классификация поршневых двигателей

 

В качестве рабочего тела в тепловом двигателе внутреннего сгорания выступает воздух и его смесь с парами топлива и (или) продуктами сгорания топлива. Если рассматривать цилиндр поршневого двигателя, как термодинамическую систему, то подвод тепла в нашу систему производится не из вне, от окружающей среды - абстрактно, а конкретно за счет выделения тепловой энергии входе протекания химических реакций горения топлива, подаваемого в цилиндр. При таком подводе тепла происходит повышение температуры и давления рабочего тела. Далее газ, расширяясь, производит работу и, затем, удаляется в атмосферу. Таким образом, мы можем рассматривать две группы процессов, которые образуют цикл двигателя. Процессы газообмена происходят в открытой термодинамической системе, а индикаторные процессы, а именно - сжатие, подвод теплоты и расширение – в закрытой. Рабочее тело является реальным газом, а состояние системы в самом общем случае – неравновесное. Однако такой подход несколько затрудняет термодинамический анализ системы. Поэтому для термодинамического анализа двигателя введем допущение о равновесности происходящих процессов, а так же о том, что рабочее тело – идеальный газ. Процессы газообмена заменим отводом тепла в окружающую среду при постоянном объеме. Тогда мы получим уже ранее упоминавшиеся идеальные циклы с обратимыми процессами.

На самом деле существуют три идеальных цикла, по которым работают поршневые двигатели внутреннего сгорания, и которые являются моделями индикаторных процессов. Цикл Отто - цикл с подводом тепла при постоянном объеме, присущий искровым бензиновым двигателям. Цикл Дизеля с подводом теплоты при постоянном давлении – по этому циклу работают двигатели с самовоспламенением от сжатия, но с пневматическим распыливанием топлива, которое в настоящее время практически не используются. Современные дизельные двигатели имеют механическое распыливание топлива и работают по циклу со смешанным подводом теплоты, когда часть теплоты в цикле подводится при постоянном объеме, а часть – при постоянном давлении. Обозначим в трех рассматриваемых циклах характерные точки: – начало сжатия; – конец сжатия; – точка окончания подвода тепла - начала расширения или точка максимального давления и температуры; точка – конец расширения и, наконец, точка , в которой при смешанном подводе теплоты изохора переходит в изобару.

Теперь определимся с объемами. Обозначим тот объем, который описывает поршень при своем движении в цилиндре - и назовем его рабочим объемом цилиндра; тот объем, который образуется в верхней части цилиндра при нахождении поршня в крайнем верхнем положении, обозначим и назовем его объемом камеры сжатия. А тот объем, который открывается (образуется) в цилиндре при нахождении поршня в крайнем нижнем положении обозначим и назовем его полным объемом цилиндра, который равен

Тогда определим как степень сжатия , отношение полного объема цилиндра к объему .

Далее пусть отношение давления в точке к давлению в точке будет называться степенью повышения давления .

Отношение объема цилиндра в точке к объему в точке (минимальному объему ) назовем степенью предварительного расширения, .

В качестве еще одного допущения примем неизменной теплоемкость идеального газа – рабочего тела. Тогда можем вывести теоретическую зависимость для термического КПД любого цикла, определив количество подвода и отвода тепла через произведение теплоемкости рабочего тела на разность температур в соответствующих точках идеального цикла со смешанным подводом тепла:

Если далее выразить все температуры в выражении для термического КПД через температуру, в какой либо одной точке, то после преобразований получится, что

Тогда при , термический КПД цикла Дизеля определится как:

А при , КПД цикла Отто равен:

Для сравнения циклов поршневых ДВС по экономичности очень удобны к использованию диаграммы , в которых площадь диаграммы определяет количество тепла, используемого в цикле.

Из приведенных выше зависимостей видно, что решающее влияние на термический коэффициент полезного действия теплового двигателя оказывает степень сжатия. При этом термический КПД возрастает с ростом , что и видно на приведенном рис. 7.1.

 

 

Рис.7.1. Влияние степени сжатия на термический КПД

поршневого двигателя

 

В двигателях, работающих с самовоспламенением от сжатия, ограничение на максимальные температуры и давления накладывает, в основном прочность (термическая и механическая) деталей. Поэтому, для начала проанализируем циклы ДВС с одинаковыми параметрами в точке , где развиваются наивысшие значение давления. Исходя из того факта, что средой, куда отводится теплота от цикла, является атмосфера, то изохору отвода тепла положим во всех рассматриваемых случаях одну и ту же.

 

 

Рис. 7.2. Сравнение эффективности циклов

при условии постоянства параметров рабочего тела

в точке максимального давления.

 

Принимая во внимание то, что изохора в диаграмме идет круче, чем изобара, из графиков рис.7.2 видим, что максимальное количество тепла используется в цикле Дизеля, т.е. он и имеет наибольший термический КПД в наших условиях сравнения. Минимальный, из рассматриваемых циклов, термический КПД имеет цикл Отто, а цикл со смешанным подводом теплоты занимает среднее положение.

Теперь проведем аналогичные рассуждения, применительно к циклу с изохорным подводом тепла – для двигателей с принудительным воспламенением. В машинах, работающих по циклу Отто, в отличие от дизельных, максимальные давления и температуры будут ограничиваться уже иным параметром, а именно – отсутствием детонации. А это ограничение не позволяет увеличивать степень сжатия свыше определенных пределов. Тогда логично будет провести следующее сравнение циклов из условия равенства параметров в точке диаграммы. Как следует из диаграмм рис 7.2., при таких условиях сравнения, наибольший термический КПД будет иметь цикл Отто, наименьший – цикл Дизеля, а цикл со смешанным подводом теплоты опять будет занимать промежуточное положение

 

.

Рис 7.3. Сравнение эффективности циклов

при условии постоянства степени сжатия

 

Далее, определим из диаграмм, какое влияние на КПД цикла имеют степень предварительного расширения и степень повышения давления.

Рис. 7.4. Сравнение эффективности циклов

при изменении степени повышения давления

 

При проведении сравнения циклов в диаграмме, рис.7.4, видно, что при изохорном подводе тепла, степень повышения давления не оказывает влияния на термический кпд цикла ввиду того, что с повышением средней температуры подвода тепла, по мере увеличения степени повышения давления, адекватно увеличивается и средняя температура отвода тепла. При этом следует помнить, что изохоры подвода и отвода тепла эквидистантны.

Рассмотрим степень предварительного расширения. Из диаграммы рис. 7.5. видим, что для цикла Дизеля увеличение степени предварительного расширения приводит к понижению термического КПД цикла. И это связано с тем, изобара проходит более полого, чем изохора, а, следовательно, средняя интегральная температура подвода тепла в этом случае возрастает несколько медленнее, чем средняя температура отвода.

 

 

Рис. 7.5.Влияние степени предварительного расширения

на термический КПД цикла

 

Рассматривая цикл со смешанным подводом тепла, и принимая во внимание проведенный анализ, можно констатировать, что увеличение части подведенного тепла при постоянном давлении (т.е. увеличение степени предварительного расширения) не желательно с точки зрения достижения высокого термического КПД. Визуализация этого утверждения произведена на рис. 7.6 с Т-s диаграммой цикла со смешанным подводом тепла.

Рис 7.6. Сравнение циклов со смешанным подводом тепла

при разной степени предварительного расширения

 

После краткого обзора термодинамических аспектов рассматриваемой проблемы, переходим к рассмотрению основных принципов работы поршневых ДВС.

Для обеспечения цикличности своей работы, поршневой ДВС должен периодически производить наполнение цилиндра свежим зарядом, сжатие свежего заряда цилиндра, сжигание цикловой подачи топлива (что соответствует подводу теплоты с точки зрения термодинамики) и очистку цилиндра от отработавших газов. Это происходит при поступательном движении поршня в цилиндре, которое преобразуется кривошипно-шатунным механизмом во вращательное движение коленчатого вала. Возвратно-поступательное движение поршня совершается в пределах рабочего хода поршня. При этом наиболее удаленное положение поршня от оси коленчатого вала (когда ось кривошипа совпадает с осью цилиндра) называется верхней мертвой точкой (ВМТ), а, соответственно, наиболее приближенное положение поршня к оси коленчатого вала (при этом ось кривошипа также совпадает с осью вала) называется нижней мертвой точкой (НМТ). При этом следует иметь ввиду, что высказывание о совпадении осей (во фронтальной плоскости) корректно только в том случае, если механизм не дезоксирован, т.е. ось цилиндра или ось поршневого пальца (узел сочленения поршня с шатуном) находится в плоскости оси вращения коленчатого вала. Очень часто в нереверсивных двигателях дезоксаж вводится для уменьшения максимальных нормальных сил, действующих со стороны поршня на поверхность цилиндра.

В НМТ и ВМТ движение поршня замедляется и в пределах 10…15^о ПКВ перемещение поршня минимально. Движение поршня между МТ называют тактом работы двигателя, при этом коленчатый вал двигателя совершает пол оборота, или проворачивается на 180^о. Если работающий двигатель совершает полный цикл за четыре такта или два полных оборота двигателя, то такой двигатель называется четырехтактным. Если же цикл совершается за один оборот коленчатого вала или два такта, то его называют двухтактным. Высказывание о такте, как о движение поршня между мертвыми точками, носит некоторую долю условности и не совсем точно. Рассмотрим подробно такты работы четырехтактного двигателя. И начнем рассмотрения с такта впуска (наполнения цилиндра или всасывания свежего заряда).

Наполнением цилиндра двигателя свежим зарядом, равно как и удалением продуктов сгорания – отработавших газов из цилиндра управляет система газораспределения двигателя, которая в определенные моменты времени цикла производит открытие и закрытие впускных и выпускных органов газораспределения. В большинстве конструкций двигателей, в качестве органов газораспределения выступают клапана. Те угловые положения коленчатого вала двигателя, в которых происходит последовательное открытие и закрытие клапанов механизма газораспределения, называются фазами газораспределения. Открытие впускного клапана и, следовательно, начало такта наполнения происходит до того, как поршень приходит в ВМТ и закрывается выпускной клапан. При этом угол поворота коленчатого вала (ПКВ), при котором начинается открытие впускного клапана, (фаза открытия) может составлять 15…40 и более град. ПКВ и зависит от конструкции двигателя и используемой системы наддува. Это делается в целях обеспечения более полной очистки цилиндра от отработавших газов, так как за счет инерции потока отработавших газов, покидающих цилиндр, происходит ижжектирование в цилиндр свежего заряда.

После прохода поршнем ВМТ, приблизительно на 15…40 град ПКВ происходит закрытие выпускного клапана, а поршень своим движением

 

Рис. 7.7. Такт наполнения цилиндра, такт впуска

 

вниз высвобождает объем в надпоршневом пространстве и цилиндр начинает наполняться рабочим телом, рис 7.7. При этом воздух поступает в цилиндр под действием перепада давлений между впускным каналом и надпоршневым пространством цилиндра. В том случае, если двигатель с атмосферным всасыванием, то давление в надпоршневом пространстве меньше атмосферного (т.е. в цилиндре образуется разряжение) и поршень совершает отрицательную работу и потребляет либо энергию соседних цилиндров или кинетическую энергию, запасенную движущимися деталями двигателя. Однако в случае использования системы газотурбинного наддува создаются условия, когда давление во впускном канале превышает атмосферное давление и наполнение цилиндра происходит при повышенном давлении и в этом случае поршень движется вниз под действием избыточного давления, совершая положительную работу. После остановки поршня в НМТ впускной клапан не закрывается, а заполнение цилиндра двигателя продолжается и происходит за счет инерции потока воздуха во впускном канале и коллекторе.

Второй такт - сжатие заряда цилиндра, рис. 7.8, начинается после того, когда поршень начал движение от ВМТ к НМТ, а впускной клапан закрылся. Это происходит приблизительно на 15 град. ПКВ после НМТ, таким образом, в двигателях фактически рабочий объем цилиндра используется не полностью, а частично. При этом отдельным параметром выделяют эффективную степень сжатия, которая равна отношению объема цилиндра при нахождении поршня в положении, когда закрылся впускной клапан к объему камеры сгорания, камеры сжатия или к объему цилиндра при нахождении поршня в ВМТ. При движении поршня от НМТ к ВМТ объем цилиндра уменьшается и, следовательно, увеличивается давление и температура рабочего тела.

Рис. 7.8. Такт сжатия заряда цилиндра

 

Необходимо отметить, что в отличие от идеального цикла, в котором мы полагали изоэнтропийное (адиабатное) сжатие свежего заряда цилиндра, в реальном цикле двигателя сжатие рабочего тела происходит при постоянном изменении энтропии. При этом, в начале такта сжатия, температура рабочего тела оказывается ниже, чем температура стенки цилиндра (которая в отдельных точках может достигать 300 и более ^оС), следовательно, на этой стадии процесс идет с подводом тепла в цикл, т.е. с увеличением энтропии. На более поздних стадиях процесса сжатия, с увеличением температуры рабочего тела, температурное состояние заряда цилиндра оказывается таковым, что начинается теплоотвод от более горячего рабочего тела в стенку цилиндра, что обуславливает протекание процессов с уменьшением энтропии.

Конструкция дизельного двигателя такова, что при приближении поршня к ВМТ такта сжатия в цилиндре создаются такие температурные условия, которые обеспечивают гарантированное самовоспламенение топлива, подающегося в цилиндр приблизительно за 28…15 град ПКВ до достижения поршнем ВМТ.

Топливо в цилиндр современного дизельного двигателя подается под очень высоким давлением (до 175 МПа) и, следовательно, поток топлива имеет достаточно высокую скорость истечения. Попадая в плотную среду камеры сгорания, струя топлива испытывает действие сил сопротивления движению (сил лобового сопротивления), в результате действия которых площадь фронта струи начинает увеличиваться. В какой-то момент времени, силы поверхностного натяжения во фронте струи оказываются не способными сохранить целостность потока и струя начинает дробиться на мелкие фрагменты, формируя топливный факел. В топливном факеле происходит ряд процессов, которые предопределяют дальнейшее протекание сгорания топлива и, собственно, процесс подвода тепла в цикл. Рассмотрим эти процессы коротко и в основном.

Мелкие фрагменты раздробленного потока (капли топлива), обладая высокой скоростью и кинетической энергией, продолжают движение в плотной среде камеры сгорания. За движущейся каплей образуется зона разряжения, в которую происходит инжектирование воздуха из окружающего пространства. В результате этого, факел топлива по мере продвижения в камере сгорания увеличивает площадь фронта и свой объем, образуя форму конуса. Летящие в высокотемпературной среде камеры сгорания капли топлива испаряются, а пары топлива перемешиваются с воздухом, который инжектируется в факел. Таким образом, в объеме факела формируется определенное поле концентраций топливовоздушной смеси. Кроме того, нужно иметь ввиду, что протекание процессов испарения капель топлива, требует определенного количества тепловой энергии, потребление которой происходит за счет внутренней энергии заряда цилиндра, а, следовательно, локальные температуры в объеме факела оказываются более низкими, чем в окружающей среде.

Поскольку в объеме факела, как мы уже выяснили, давление среды и ее плотность оказываются несколько меньшими, чем в объеме камеры сгорания, капли топлива способны двигаться в объеме факела с большей скоростью, чем капли, находящиеся во фронте факела. Поэтому, достигая фронта факела, капли тормозятся, соприкасаясь с более плотной и нагретой средой, а процесс испарения капель, достигших фронта, несколько интенсифицируется. Вместе с тем, как очевидно, происходит постоянная подпитка фронта факела каплями топлива (пока идет впрыск цикловой подачи топлива) и в результате этого фронт факела продвигается по камере сгорания. При этом возможна такая ситуация, когда вновь поступающие капли во фронт топливного факела отбрасывают затормозившиеся капли и пары топлива и тогда факел приобретает структуру “ёлочки”.

Описанные выше процессы формирования и развития топливного факела происходят приблизительно за 10^о поворота коленчатого вала, при движении поршня к ВМТ такта сжатия. Одновременно с этими гидродинамическими процессами начинают протекать химические процессы окисления с образованием свободных радикалов, причем эти процессы носят характер цепных реакций.

Вся эта череда происходящих в камере сгорания процессов называется периодом задержки самовоспламенения и является первой фазой процесса сгорания топлива в дизельном двигателе.

Таким образом, в результате протекания первой фазы процесса сгорания – тепловыделения, в объеме камеры сгорания двигателя происходит накопление подготовленной к сгоранию топливовоздушной смеси.

Видимое сгорание начинается вблизи ВМТ, за несколько градусов ПКВ до начала движения поршня к НМТ.

С точки зрения термодинамики, сгорание топлива есть ни что иное, как подвод теплоты в цикле поршневого ДВС. Причем в современном дизельном двигателе сгорание - подвод тепла в цикл, следует рассматривать как двухступенчатое. Сначала сгорает топливовоздушная смесь, которая накопилась в камере сгорания за период задержки самовоспламенения. Это вторая фаза процесса сгорания, которую определяет быстротекущий процесс сгорания подготовленной топливовоздушной смеси. Поэтому вторая фаза процесса сгорания в дизельном двигателе носит название быстрого или кинетического сгорания. Процессы второй фазы сгорания происходят при нахождении поршня вблизи ВМТ, когда поршень имеет минимальное перемещение, а объем цилиндра (камеры сгорания) остается практически постоянным. Таким образом, сначала подвод тепла в цикл дизельного двигателя происходит при постоянном объеме цилиндра, или с точки зрения термодинамики – по изохоре.

После сгорания топливовоздушной смеси, которая была подготовлена за период задержки самовоспламенения, начинается третья фаза процесса сгорания, так называемое диффузионное сгорание топлива. Третья фаза это относительно вялотекущий процесс сгорания капель или пристеночной пленки поданного в цилиндр топлива. Этот этап сгорания происходит, когда поршень движется к НМТ под действием давления рабочего тела, высвобождая определенный объем цилиндра и производя полезную работу. С движением поршня от НМТ начинается третий такт работы двигателя – рабочий ход или расширение, рис. 7.9. Не смотря на то, что в цилиндре двигателя происходит увеличение объема, давление рабочего тела некоторый промежуток времени изменяется не значительно за счет продолжающегося подвода тепла в цикле. Таким образом, в дизельном двигателе условно реализуется процесс подвода тепла при постоянном давлении.

 

Рис. 7.9. Такт расширения – рабочий ход

 

Как отмечалось ранее, при проведении термодинамического анализа идеального цикла со смешанным подводом тепла, для достижения наивысшего термического КПД следует сокращать долю количества тепла, подводимого в изобарном процессе. Однако это утверждение для реального цикла верно только отчасти. Дело в том, что наряду с процессом тепловыделения при сгорании цикловой подачи топлива в реальном цикле неизбежен процесс теплоотвода от рабочего тела в стенки камеры сгорания. Рассматривая совокупность этих процессов можно отметить следующее. С одной стороны увеличение количество теплоты, выделившейся в изохорном процессе, спровоцирует значительный рост температуры заряда цилиндра, в результате чего возрастут коэффициенты теплоотдачи и температурный напор в стенку камеры сгорания, тем самым, увеличивая непроизводительные потери теплоты. Кроме того, такое протекание рабочего процесса дизельного двигателя будет сопряжено с повышенной шумностью работы и с ухудшением экологичности двигателя за счет увеличения эмиссии оксидов азота No_x. С другой стороны, увеличение продолжительности сгорания и увеличение доли количества теплоты, подводимой в изобарном процессе, будет связано с тем, что в цилиндре двигателя длительное время будет поддерживаться температура заряда, близкая к максимальной. При этом воздействие высокой температуры рабочего тела будет происходить на постоянно увеличивающиеся площади поверхности стенки цилиндра, открываемые поршнем при движении его к НМТ. Поэтому перенос сгорания на линию расширения также будет провоцировать рост непроизводительных потерь тепла в стенки цилиндра, а с точки зрения экологичности, такой процесс потенциально способен увеличить риск выброса несгоревших углеводородов. Как очевидно, в противоборстве этих двух тенденций, должен существовать некий оптимум, достижение которого происходит в процессе доводки рабочего процесса каждого конкретного дизельного двигателя. А для оценки характера протекания процессов тепловыделения вводится оценочный параметр, который называется фактором динамичности цикла и представляющий собой отношение количества топлива, поданного в камеру сгорания за период задержки самовоспламенения к полной цикловой подаче топлива. Действительно, чем более короткий процесс впрыска топлива, тем большая часть цикловой подачи подается за период задержки самовоспламенения в цилиндр и участвует в топливоподготовке, тем больше топливовоздушной смеси подготавливается за период задержки самовоспламенения, тем большее количество топлива участвует в процессе кинетического сгорания, тем более динамичным оказывается цикл. Необходимо отметить, что современные электронно-управляемые системы топливоподачи способны оптимизировать вышеописанные процессы за счет организации так называемого предвпрыска, тем самым, управляя фактором динамичности.

После завершения процесса основного сгорания цикловой подачи топлива, поданного в цилиндр (приблизительно 70…90 град ПКВ после ВМТ), поршень продолжает совершение рабочего хода, а в цилиндре происходит догорание остатков топлива. Фаза догорания это последняя четвертая фаза процесса подвода тепла – сгорания в цикле современного дизельного двигателя.

 

Когда поршень приближается к НМТ рабочего хода, давление в цилиндре понижается и приблизительно за 25…15 град ПКВ до НМТ открывается выпускной клапан и начинается последний четвертый такт работы двигателя – так выпуска, рис 7.10. В четвертом такте производится очистка цилиндра – выпуск отработавших газов. К моменту открытия выпускных органов газораспределения, давление газов в цилиндре двигателя таково, что отработавшие газы покидают цилиндр, зачастую, в режиме критического истечения со звуковой скоростью. Этот участок диаграммы можно условно отнести и к рабочему ходу, так как поршень продолжает совершать полезную работу.

После реверса поршня в НМТ и начала движения его к ВМТ такта выпуска отработавшие газы под действием поршня покидают цилиндр двигателя. Этот процесс продолжается до момента открытия впускных органов газораспределения, о которых говорилось в начале рассмотрения принципов работы четырехтактного двигателя. Далее истекающий из цилиндра газ за счет инжектирующего действия струи, продолжает очистку цилиндра от отработавших газов. Тот промежуток времени, когда одновременно оказываются открыты выпускные и впускные клапана, называется фазой перекрытия клапанов, которая для двигателей без наддува составляет приблизительно 35…50 град ПКВ, а для двигателей

Рис 7.10. Такт выпуска

 

с наддувом – до 120 град ПКВ. В фазе перекрытия клапанов происходит доочистка цилиндра от отработавших газов, а в двигателях с наддувом – продувка цилиндров воздухом, что значительно понижает количество остаточных газов в цилиндре. Выпускной клапан закрывается после прохождения поршнем ВМТ такта выпуска и цикл работы четырехтактного двигателя повторяется.

Мы рассмотрели цикл работы четырехтактного поршневого двигателя внутреннего сгорания, у которого цикл повторяется через два оборота коленчатого вала. Очевидно, что рабочий ход, или совершение полезной работы в цикле такого двигателя происходит, соответственно, один раз за 720 град. ПКВ. Не правда ли, было бы весьма заманчиво заставить двигатель совершать полезную работу каждый оборот коленчатого вала и, там самым, получать от двигателя гораздо большую мощность при тех же габаритах и объемах цилиндров. Конструкция такого двигателя существует, и он называется двухтактным.

В отличие от четырехтактного двигателя, в двухтактном двигателе полный цикл работы двигателя совершается за два хода поршня между МТ или за один оборот коленчатого вала.

Наряду с преимуществами перед четырехтактным двигателем, главным из которых является повышенная литровая мощность, возможность упразднить механизм газораспределения и др., двухтактный двигатель имеет ряд недостатков. Во-первых, двигатель не способен работать без внешнего источника сжатого воздуха, который необходим для продувки цилиндра. Во-вторых, детали двигателя оказываются гораздо более теплонапряженными, а, следовательно, испытывают большие нагрузки. В-третьих, двухтактный двигатель, ввиду особенности конструкции, продиктованной спецификой организации процессов газообмена, не способен эффективно использовать весь рабочий объем цилиндра. В этой связи двухтактный цикл не способен дать теоретически возможную двукратную прибавку мощности, а реально обеспечивает не более 50…70%. Теперь перейдем непосредственно к рассмотрению двухтактного цикла.

В нижней части гильзы цилиндра двухтактного двигателя изготавливают так называемые окна, через которые в цилиндр подается свежий заряд. Причем профиль впускных окон формирует поток продувочного воздуха таким образом, чтобы максимально очистить цилиндр от продуктов сгорания. Также в нижней части гильзы могут быть выполнены выпускные окна. И в этом случае продувка цилиндра называется петлевой, а процессами газообмена в цилиндре управляет поршень, причем верхняя кромка выпускных окон обязательно расположена выше, чем у впускных. Также существуют конструкции двухтактных двигателей, у которых выпуском управляет специальный клапан, и тогда продувка называется прямоточно-клапанная.

Когда поршень находится в НМТ, Окна газораспределения полностью открыты и имеют максимальное проходное сечение. В это время, через впускные окна в цилиндр подается сжатый воздух, который, определенным образом двигаясь в цилиндре, выталкивает отработавшие газы и одновременно заполняет цилиндр. По мере продвижения поршня от НМТ к ВМТ верхняя часть днища поршня начинает перекрывать впускные и выпускные окна, постепенно уменьшая их проходное сечение. Этот такт называют наполнением-сжатием. Сначала поршень перекрое впускные окна, и подача свежего заряда прекратится. В этот момент неизбежна потеря некоторой части свежего заряда цилиндра через открытые выпускные окна. Этого неприятного и нежелательного явления в работе двухтактного двигателя можно избежать, если ввести в конструкцию выпускные клапана, которые будут управлять процессом выпуска отработавших газов.

После закрытия выпускных органов газораспределения, весь оставшийся ход поршня к ВМТ, а, следовательно, и весь объем цилиндра, который, как мы уже знаем, называется эффективным, участвует в процессе сжатия. Процессы сжатия и подвода тепла-сгорания в цикле двухтактного двигателя практически ничем не отличаются от аналогичных процессов четырехтактного двигателя, которые мы уже, в первом приближении, рассмотрели.

Во втором такте работы двухтактного двигателя происходит рабочий ход, т.е. совершается полезная работа, а часть такта используется для удаления отработавших газов из цилиндров и очитки цилиндра от остаточных отработавших газов. Когда верхняя кромка поршня открывает выпускные окна, давление в цилиндре еще имеет весьма существенное значение до 0,6 МПа. Поэтому отработавшие газы в режиме критического истечения со звуковой скоростью покидают цилиндр и до того момента, когда начнут открываться впускные окна, цилиндр успевает покинуть до 60…70% отработавших газов, а давление успевает понизиться до давления, соизмеримого с давлением во впускном коллекторе двигателя.

Далее поршнем открываются впускные окна, и в цилиндр начинает под давлением поступать свежий заряд цилиндра, который вытесняет оставшиеся отработавшие газы. Следует иметь ввиду, что, при определенных неблагоприятных условиях на определенных режимах работы двигателя, возможен заброс отработавших газов во впускной канал. Таким образом, происходит процесс продувки цилиндра, при котором свежий заряд вытесняет отработавшие газы, частично с ними перемешиваясь и частично покидая цилиндр через открытые выпускные органы газораспределения. Потеря части сжатого рабочего тела в цикле двухтактного двигателя, как очевидно, является неизбежным. Отношение той массы рабочего тела, которая была использована в цикле к массе рабочего тела, участвующего в цикле называют коэффициентом продувки.

Процесс продувки и наполнения цилиндра свежим зарядом продолжается до тех пор, пока поршень в своем движении от НМТ к ВМТ не перекроет впускные окна и далее цикл повториться.

Рассмотрев основные принципы работы четырехтактных и двухтактных двигателей, мы, в основном, предполагали, что двигатель дизельный, хотя и старались избегать использования термина «воздух», заменяя его для обобщения терминами «свежий заряд цилиндра», «рабочее тело» и т.д. Теперь скажем несколько слов о работе двигателей с принудительным воспламенением, в котором в цилиндр подается не воздух, как в дизеле, а подготовленная топливовоздушная смесь. Топливовоздушная смесь готовиться в специальных устройствах, обеспечивающих состав смеси близкий к стехиометрическому. Если в качестве смесителя используется устройство, называемое карбюратор, то такие двигатели называют карбюраторными. В современных двигателях карбюраторы уже практически не используются, а применяются специальные форсунки, которые распыливают топливо в потоке воздуха на входе в коллектор или впускной канал. Такие системы искровых двигателей, или бензиновых, называются системами впрыска топлива. Если распыление топлива производится одной форсункой во впускной коллектор, сразу для всех цилиндров, то такой впрыск называется центральным или моновпрыском, если подача топлива производится во впускной канал индивидуальной форсункой для каждого цилиндра, то такой впрыск называется распределенным. В последнее время некоторые изготовители начали использовать в искровых двигателях внутрицилиндровый впрыск, когда топливо подается непосредственно в цилиндр двигателя приблизительно за 90…60 град ПКВ до подачи искры.

Таким образом, в цилиндр двигателя с принудительным воспламенением в большинстве конструкций подается не воздух, как это имеет место быть в дизелях, а топливо воздушная смесь, которая имеет, в отличие от дизельного цикла достаточно большое время на подготовку (испарение и перемешивание с воздухом). Такты наполнения и сжатия рабочего тела в искровых двигателях, в основном, аналогичен дизельному, за тем малым исключением, что в качестве рабочего тела вместо воздуха используется топливовоздушная смесь. Приблизительно за 5…7 град ПКВ до ВМТ такта сжатия посредством специальной системы двигателя на специальную свечу зажигания, установленную в цилиндре подается высоковольтное напряжение, порядка 15 кВ. Между электродами высоковольтной свечи происходит пробой зазора, проскакивает искра, ионизируя некоторый объем пространства камеры сгорания (образуется низкотемпературная плазма), что является инициатором сгорания топливовоздушной смеси. Поскольку топливовоздушная смесь уже подготовлена, т.е. капли распыленного топлива успели испариться, а пары достаточно перемешались с воздухом, создав достаточно гомогенизированную смесь, процесс сгорания происходит достаточно быстро (как и кинетическое сгорание в дизельном цикле), обеспечивая с точки зрения термодинамики, подвод тепла в цикл практически при постоянном объеме.

Рабочий ход и такт выпуска отработавших газов в двигателе с принудительным воспламенением также малоотличим от аналогичных тактов дизельного двигателя.

Рассматривая принципы работы двигателей с принудительным воспламенением, следует обратить внимание на некоторые их особенности. Такие двигатели имеют, в основном, внешнее смесеобразование, как следствие, они способны обеспечить высокое качество топливовоздушной смеси, поскольку время, отведенное на эти процессы в двигателях с принудительным воспламенением несоизмеримо с временем протекания процессов смесеобразования в дизельном цикле. Поэтому коэффициент изб

⇐ Предыдущая123456

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: