Принцип работы поршневого четырёхтактного двигателя внутреннего сгорания
Рассмотрим цикл работы четырехтактного поршневого двигателя (рис. 1).
Рис. 1. Схема работы четырехтактного двигателя
1. В первом такте – впуске – поршень движется от верхней мёртвой точки (ВМТ) к нижней мёртвой точке (НМТ). При этом впускной клапан открыт и смесь (карбюраторный двигатель) или воздух (двигатель с непосредственным впрыском топлива) поступают в цилиндр.
2. В течение второго такта – сжатия - топливовоздушная смесь сжимается в соответствии с политропической зависимостью pV n = Сonst, в которой показатель степени n зависит, главным образом, от состава всасываемой смеси (n ≈ 1,20…1,35). Кроме давления на входе конечное давление определяется степенью сжатия*, т. е отношением объемов цилиндра над поршнем в начале и в конце сжатия. В конце такта сжатия давление смеси составляет 8…20 кгс/см2, а температура 200…400°С.
При положении поршня, близком к верхней мёртвой точке сжатая газовая смесь воспламеняется электрической искрой и сгорает практически при постоянном объеме. Температура и давление при сгорании очень большие (30…60 кгс/см2 и 1600…2200°С., так как газовая смесь близка к стехиометрической (т.е. горючее полностью сгорает в процессе химической реакции с имеющимся в цилиндре кислородом воздуха), что делает тепловой КПД цикла достаточно высоким. Тепловой КПД для заданного состава смеси является функцией степени сжатия и, в отличие от газотурбинных двигателей, не зависит от частоты вращения ротора двигателя.
|
|
3. В процессе третьего такта - рабочего хода,сгорающий и расширяющийся газ передает тепловую энергию поршню: происходит преобразование тепловой энергии в механическую. Механическая энергия при помощи шатуна и коленчатого вала напрямую или через механический редуктор сообщается винту. Процесс расширения газа в цилиндре опять протекает в соответствии с политропическим процессом: pV n = Сonst.
4. В четвёртом такте – выпуске, происходит движение поршня от НМТ к ВМТ при открытом выпускном клапане. Отработавшие газы вытесняются поршнем в выхлопной патрубок. Этот процесс происходит практически при постоянном объеме.
Индикаторная диаграмма
Индикаторная диаграмма – зависимость давления рабочего тела от объёма цилиндра (рис. 2) – является наиболее информативным источником, позволяющим анализировать процессы, происходящие в цилиндре двигателя внутреннего сгорания. Такты работы двигателя, осуществляющиеся за четыре хода поршня от ВМТ до НМТ показаны на индикаторной диаграмме в координатах p – V следующими отрезками кривой:
r0 – a0 – такт впуска;
a0 – c – такт сжатия;
c – z – b0 – такт рабочего хода (расширения);
|
|
b0 – r0 – такт выпуска.
На диаграмме отмечены следующие характерные точки:
b, r – моменты открытия и закрытия выпускного клапана, соответственно;
u, a – моменты открытия и закрытия впускного клапана, соответственно;
Площадь диаграммы, определяющая работу за цикл, состоит из площади, соответствующей положительной индикаторной работе, полученной за такты сжатия и рабочего хода, и площади, соответствующей отрицательной работе, затрачиваемой на очистку и наполнение цилиндра в тактах впуска и выпуска. Отрицательную работу цикла обычно относят к механическим потерям в двигателе.
Таким образом, общая энергия, сообщаемая валу поршневого двигателя за один цикл L, может быть определена алгебраическим сложением работы тактов L = Lвп + Lсж + Lрх + Lвып. Мощность, передаваемая валу, определится произведением этой суммы на количество тактов рабочего хода в единицу времени (n/2) и на число цилиндров двигателя i:
. (1)
Рис. 2. Типичная индикаторная диаграмма четырехтактного
двигателя внутреннего сгорания
Определенная таким образом мощность двигателя называется средней индикаторной мощностью.
|
|
Индикаторная диаграмма позволяет разделить цикл четырехтактного двигателя на следующие процессы:
u – r0 – r – a0 – a – впуск;
a – θ – c ' – сжатие;
θ – c ' – c – z – f – смесеобразование и сгорание;
z – f – b – расширение;
b – b0 – u – r0 – r – выпуск.
Приведенная типичная индикаторная диаграмма справедлива и для дизельного двигателя. В этом случае точка θ будет соответствовать моменту подачи топлива в цилиндр.
На диаграмме обозначены:
Vc – объем камеры сгорания (объем цилиндра над поршнем, находящимся в ВМТ);
Va – полный объем цилиндра (объем цилиндра над поршнем в начале такта сжатия);
Vn – рабочий объем цилиндра, Vn = Va – Vc.
Степень сжатия .
Такт и процесс впуска
Назначение такта впуска состоит в том, чтобы наполнить рабочий объем цилиндра горючей смесью, представляющей собой газообразную смесь паров топлива с воздухом.
В момент начала такта впуска поршень находится в ВМТ, а объем камеры сгорания заполнен оставшимися от предыдущего такта (выпуска) продуктами сгорания, имеющими температуру tпс = 1000…1100 ºС и давление pпс ≈ 1,05 кг/см2.
В такте впуска коленчатый вал поворачивается на угол от 0º до 180º, при этом впускной клапан открыт. При движении поршня от ВМТ к НМТ в цилиндрах двигателя создается некоторое разряжение. Разность давлений между давлением внутри цилиндра pа является причиной поступления наружного воздуха в цилиндр. Наполнение цилиндра горючей смесью происходит до тех пор, пока имеется разность между давлением в цилиндре и давлением окружающей среды ∆ p = p0 – pа.
|
|
В момент, когда поршень достигнет НМТ, цилиндр будет заполнен вошедшей горючей смесью и оставшимися в камере сгорания продуктами сгорания. Свежей горючей смесью наполняется только рабочий объем цилиндра Vn, так как объем камеры сгорания Vс к моменту начала такта впуска был заполнен продуктами сгорания с давлением, превышающим атмосферное на 0,05…0,10 кГ/см2.
Чем большее количество горючей смеси будет введено внутрь цилиндра за такт впуска, тем больше теплоты выделится при сгорании, тем выше поднимется давление в цилиндре и, следовательно, тем большая работа будет получена за один цикл.
Всасывание горючей смеси в цилиндр двигателя происходит за довольно короткий промежуток времени, при этом поршень движется с большой скоростью. В этих условиях движение смеси во всасывающих трубопроводах будет сопровождаться потерями из – за гидравлических сопротивлений. Потери будут тем больше, чем больше скорость движения горючей смеси. При характерных скоростях движения смеси, составляющих в поршневых двигателях 50…70 м/сек, сопротивления становятся столь значительными, что вызывают большие потери напора смеси по пути ее движения в цилиндр. В результате этого к моменту прихода поршня в НМТ давление над поршнем будет меньше наружного и составит приблизительно pа = (0,8…0,9) ∙ p0. Линия r0 – a0, представляющая такт впуска на индикаторной диаграмме (рис. 2.) расположится ниже уровня атмосферного давления (рис. 3.).
Рис. 3. Линия r0 – a0, представляющая такт впуска на индикаторной диаграмме
В реальных условиях работы двигателя, когда в конце такта впуска поршень переместится в НМТ, давление внутри цилиндра меньше атмосферного, и смесь еще продолжает поступать в цилиндр. Прекратить процесс впуска, т.е. закрыть впускной клапан в этот момент нецелесообразно, так как в цилиндр еще возможно дополнительное поступление смеси, несмотря на то, что поршень начинает свое обратное движение к ВМТ. Для лучшего наполнения цилиндра целесообразно держать впускной клапан открытым до тех пор, пока давление внутри цилиндра не сравняется с наружным. Кроме того, поступление смеси в цилиндр еще возможно и после выравнивания давления в цилиндре с атмосферным за счет инерции струи. Это позволяет закрыть впускной клапан с большим запозданием (точка «а» на рис. 3.) и увеличить продолжительность процесса впуска.
Угол, на который поворачивается коленчатый вал, от НМТ до момента закрытия впускного клапана, называется углом запаздывания закрытия впускного клапана. Этот угол для конкретного двигателя подбирается опытным путем по максимальной мощности и соответствующего ей числу оборотов.
Открытие впускного клапана происходит не сразу, а постепенно. В начальный момент (точки «и» на рис. 2. и рис. 3.) – еще в такте выпуска, впускной клапан открывается настолько незначительно, что давление остаточных газов в цилиндре не может преодолеть сопротивление потока воздуха в образовавшейся узкой щели между клапаном и его седлом. С другой стороны в целях улучшения наполнения цилиндра, желательно, чтобы при образовании растяжения в нем во время движения поршня от ВМТ к НМТ, впускной клапан был уже открыт, чтобы впуск смеси под влиянием разряжения в цилиндре стал более эффективным. Поэтому в поршневых двигателях впускные клапаны открываются не в ВМТ, а на 10…15º раньше.
Такт и процесс сжатия
Назначение такта и процесса сжатия состоит в том, чтобы в ходе сжатия рабочей смеси в цилиндре повысить ее температуру и давление и, тем самым, подготовить для более быстрого и полного сгорания. В такте сжатия поршень движется от НМТ к ВМТ. Процесс сжатия начинается в тот момент, когда закрывается впускной клапан (точка «а» на индикаторной диаграмме). При этом выпускной клапан также закрыт. В процессе сжатия объем газа в цилиндре уменьшается, а давление и температура – растут (рис. 4.).
Температура и давление в конце такта и процесса сжатия (точка «с» на индикаторной диаграмме) в основном зависят от степени сжатия εа: чем больше степень сжатия, тем больше температура и давление в конце сжатия. Эта зависимость приведена на рис. 5.
Рис. 4. Линии процессов впуска (u – r0 – a0 – a) и сжатия (а – с)
Рис. 5.
Рис. 6. Влияние величины степени сжатия εа на давление и температуру смеси в конце процесса сжатия [9]
На температуру и давление смеси в процессе сжатия оказывает влияние теплообмен между газообразной смесью и стенками цилиндра и днищем поршня. В начале процесса сжатия абсолютная температура смеси составляет приблизительно 340…360 К. При этом температура стенок цилиндра находится в диапазоне 350…380 К (80…110 ºС), а температура поршня – 470…500 К (200…230 ºС). Поэтому в начале процесса сжатия из-за разности температур теплота будет переходить от цилиндра и поршня к газообразной смеси, что вызовет дополнительное повышение ее давления.
В конце процесса сжатия наступит обратное явление, так как абсолютная температура смеси составит 620…700 К (350…430 ºС), т.е. станет выше температуры цилиндра и поршня, поэтому газообразная смесь будет отдавать теплоту стенкам цилиндра и днищу поршня. Этот отвод теплоты вызывает некоторое падение давления и температуры смеси. Чем интенсивнее протекает теплообмен между горючей смесью и цилиндром с поршнем, тем меньше будут ее температура и давление в конце процесса сжатия. У авиационных поршневых двигателей давление в точке «с» pс достигает 9…12 кг/см2, а абсолютная температура Тс – 700 К (400 ºС). При неизменной степени сжатия на величину температуры и давления смеси в конце процесса сжатия оказывает влияние величина температуры и давления в конце процесса впуска: чем больше pа и Та, тем больше pс и Тс.
Увеличение степени сжатия двигателя εа дает при всех прочих равных условиях следующие преимущества:
1) увеличение мощности двигателя;
2) повышение экономичности двигателя (снижении е удельного расхода топлива – рис. 7.).
Рис. 7. Влияние степени сжатия εа на удельный расход топлива
Увеличение мощности двигателя происходит потому, что ростом степени сжатия повышаются температура и давление смеси в конце процесса сжатия, что улучшает сгорание смеси и увеличивает давление продуктов сгорания. Все это увеличивает механическую работу в процессе расширения рабочего тела в такте рабочего хода. Однако в авиационных поршневых двигателях легкого топлива повышение степени сжатия ограничено значениями εа = 7…8. Это объясняется тем, что при больших значениях степени сжатия появляется детонация горючей смеси (переход от нормального горения смеси со скоростью распространения фронта пламени, составляющей 20…30 м/с, к взрывообразному горению со скоростями 2000…2500 м/с), которая не только уменьшает мощность и экономичность двигателя, но и может вызвать разрушение его деталей.
Работа такта сжатия графически выражается площадью, расположенной под линией сжатия на индикаторной диаграмме (рис. 8., рис. 9.).
Рис. 8. Работа такта сжатия
Эта работа является отрицательной, так как сила, обусловленная действием давления в цилиндре на поршень, направлена в этом такте против движения поршня. Энергия, необходимая для выполнения этой работы берется из кинетической энергии маховика двигателя. Величина отрицательной работы сжатия тем больше, чем выше уровень кривой сжатия. На рис. 9. Представлен график тактов впуска и сжатия для двигателя, оснащенного нагнетателем.
Рис. 9. Такты впуска и сжатия при наддуве
Из сравнения графиков на рис. 8. и рис. 9. видно, что при наддуве достигается более высокое среднее и максимальное давление смеси в такте сжатия, однако в этом случае затрачивается и большая работа.
Дата добавления: 2018-09-22; просмотров: 482; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!