Файл: Колоколов А.А. Двигатели внутреннего сгорания изотермического подвижного состава учебник.pdf

Таким образом, при одинаковом количестве оборотов вала число цик­ лов в единицу времени в двухтактных двигателях оказывается в два раза больше, чем в четырехтактных. Отношение числа рабочих циклов i в единицу времени к числу оборотов вала п называется коэффициен­ том тактности двигателя:

i

п

В двухтактных карбюраторных и газовых двигателях продувка цилиндра производится готовой смесью. Это вызывает непроизводи­ тельный ее расход и снижает экономичность двигателя. Поэтому двух­ тактный процесс в этих двигателях имеет незначительное применение.

В двигателях с подачей топлива в цилиндр в конце сжатия, т. е. в дизелях, двухтактный процесс имеет весьма широкое применение наряду с четырехтактным.

§17. Действительный процесс работы четырехтактного двигателя

Схема четырехтактного дизеля и график действительных процес­

За начальную точку действительного цикла примем мертвое поло­ жение поршня — точку 6 (для вертикального двигателя — верхняя мертвая точка). В этот момент камера сжатия цилиндра заполнена остаточными газами сгорания, давление которых в зависимости от сопротивления выпускной системы двигателя бывает 1,05105 — 1,15 • 105 я/ж2 .

50

При движении поршня вправо впускной клапан А удерживается распределительным механизмом в открытом положении. Вследствие образующегося разрежения 0,05 • 105 —0,15 • 105 н/м2 происходит всасывание воздуха в цилиндр. После прохождения поршнем правого мертвого положения впускной клапан закрывается, и при обратном движении поршня происходит сжатие воздуха (процесс 1—2).

В отличие от теоретического цикла процесс сжатия в действитель­ ности протекает с теплообменом между сжимаемым воздухом и стен­ ками цилиндра, а следовательно, отклоняется по своим свойствам от адиабатного. В начальный период сжатия тепло от более горячих сте­ нок цилиндра переходит к воздуху, дополнительно повышая его тем­ пературу. В конечный период сжатия температура воздуха оказывает­ ся выше температуры стенок и тепло от воздуха переходит к стенкам цилиндра.

Исследование индикаторных диаграмм дизелей показывает, что

двигателя показатель пх процесса сжатия уменьшается. Это понижает температуру и давление воздуха в конце сжатия, ухудшает процесс сгорания и даже может служить причиной невоспламеняемости топлива.

Степень сжатия е в дизелях выбирается с расчетом получения тем­ пературы в конце сжатия на 200—300° С больше, чем температура са­ мовоспламенения топлива, что обеспечивает надежное самовоспла­ менение при запуске холодного двигателя.

Топливо, подаваемое в цилиндр, в конце сжатия воспламеняется и сгорает не сразу. В первый период, не сопровождающийся еще выде­ лением тепла, поступающее в цилиндр топливо проходит стадию фи­ зико-химической подготовки к воспламенению. Длительность этого периода зависит от ряда факторов, главнейшими из которых являются: давление и температура в цилиндре, интенсивность вихревого движе­ ния воздуха и топлива и его физи­

51

Эта фаза соответствует участку 2—3 диаграммы. Рабочий процесс проте­ кает наиболее благоприятно, когда максимальное давление в цилиндре достигается после верхней мертвой точки на 6 —10° поворота вала.

Скорость возрастания давления за период второй фазы сгорания

ствие быстрого увеличения объема газов. Однако температура газов продолжает еще повышаться и достигает наивысшего значения не­ сколько позже. Период между моментами максимальных давления и температуры (точка 4) характеризует третью фазу сгорания. За это время коленчатый вал повернется на угол %.

Последняя, четвертая фаза сгорания от точки 4 до точки 5 проте­ кает при догорании остатка топлива и сопровождается снижением как давления, так и температуры газов. Эта фаза соответствует углу пово­ рота вала ср'. Условия протекания четвертой, замедленной фазы сго­ рания весьма неблагоприятны, так как в цилиндре содержатся уже в основном продукты сгорания топлива, температура и давление сни­ жены. Это вызывает химическую неполноту сгорания, рост температу­ ры выхлопных газов и понижение экономичности двигателя. Для со­ поставления на рисунке показано штриховой линией протекание про­ цесса при отсутствии подачи в цилиндр топлива.

Учитывая период задержки воспламенения и время, необходимое для сгорания, подача топлива форсункой должна начинаться до при­ хода поршня в мертвое положение (точка 2 на рис. 29). Угол, на кото­ рый колено вала в этот момент не дошло до мертвого положения, назы­ вается углом опережения подачи. Наивыгоднейший угол в зависимо­ сти от конструкции двигателя и применяемого топлива указывается заводом-изготовителем и бывает обычно в пределах 5—35°.

Процесс сгорания заканчивается (точка 3), после чего происходит расширение газов (процесс 3—4). Поскольку имеет место теплообмен между расширяющимися газами и стенками цилиндра, а также до­ полнительное выделение тепла вследствие догорания топлива, про­ цесс расширения, как и процесс сжатия, не является адиабатным и подчиняется обычно уравнению политропы pVn* = const при значе­ нии п 2 = 1,25-7-1,30.

Процесс выпуска (выхлоп) отработавших газов, соответствующий движению поршня влево и открытому клапану В, протекает при среднем давлении газов в цилиндре 1,05 • 105 — 1,1 • 105 н/м2 в за­ висимости от сопротивления выпускной системы (на диаграмме процесс 1—6). Площадь между линиями 6—1 и 5—6 выражает отрицательную работу, затраченную на очистку и заполнение цилиндра (насосная потеря). В обычных условиях эта отрицательная работа незначительна.

52

§ 18. Фазы газораспределения четырехтактного двигателя

Учитывая сопротивление всасывающего и выпускного трактов двигателя, немгновенность открытия и закрытия клапанов и инерцию движущихся потоков воздуха и газов сгорания, целесообразно начи­ нать открытие и заканчивать закрытие клапанов в моменты, не совпа­ дающие с мертвыми положениями поршня. Чтобы не создать излишне­ го разрежения в цилиндре в начале хода всасывания, впускной клапан должен начать открываться несколько раньше чем поршень дойдет до верхней мертвой точки с таким расчетом, чтобы к началу всасы­ вающего движения поршня клапан был уже открыт на достаточную величину. Угол опережения открытия впускного клапана чаще всего бывает в пределах угла поворота коленчатого вала 5—20°, а в неко­ торых случаях и больше.

Когда поршень придет в нижнюю мертвую точку, закончив ход всасывания, в цилиндре наблюдается еще некоторое разрежение, что способствует дальнейшему притоку воздуха из атмосферы в цилиндр. Кроме того, воздушный поток, движущийся во впускном тракте, будет по инерции сохранять некоторое время свою скорость. Для использования остаточного разрежения в цилиндре и инерции всасы­ ваемого воздуха в целях увеличения воздушного заряда цилиндра впускной клапан закрывается с некоторым запаздыванием по отно­ шению к приходу поршня в нижнюю мертвую точку. Этот угол в раз­ личных двигателях может быть 20—60° и более. В конце хода расши­ рения газов давление в цилиндре оказывается еще довольно большим (3 • 105 — 5- 105 н/м2). Если открытие выпускного клапана начать в нижней мертвой точке, то газы, не успев мгновенно выйти из ци­ линдра, будут противодействовать своим давлением движению поршня _ вверх. Чтобы предотвратить это нежелательное явление, выпускной' клапан всегда начинает открываться раньше прихода поршня в ниж­ нюю мертвую точку.

Угол опережения открытия выпускно­ го клапана по отношению к приходу поршня в нижнюю мертвую точку в раз­ личных двигателях может быть 30 — 60°.

Когда поршень при выталкивании га­ зов из цилиндра достигнет верхнего мерт­ вого положения, газы, сохраняя свою инерцию, будут еще некоторое время вы­ ходить из цилиндра. Для уменьшения содержания в цилиндре остаточных газов выпускной клапан закрывается с запазды­ ванием 10 — 30° по отношению к верхней мертвой точке.

53

которого оба клапана оказываются открытыми, называется углом перекрытия клапанов.

На рис. 31 показана диаграмма газораспределения четырехтактного двигателя. Положения колена вала отмечаются так: ОХ — верхнее мертвое положение; OY — нижнее мертвое положение; OA — откры­ тие впускного клапана; ОВ — закрытие впускного клапана; ОС — открытие выпускного клапана; OD — закрытие выпускного клапана; АОХ — угол опережения открытия впускного клапана; YOB — угол запаздывания закрытия впускного клапана; COY — угол опережения открытия выпускного клапана; XOD — угол запаздывания закрытия выпускного клапана; AOD — угол перекрытия клапанов.

Наивыгоднейшие значения всех этих углов определяются экспери­ ментальным путем на основе всесторонних испытаний опытных образ­ цов и указываются заводом-изготовителем в технических характери­ стиках двигателя.

§ 19. Действительный процесс работы двухтактного двигателя

няющий продувочный ресивер 3, входит в Цилиндр, вытесняя при этом сгоревшие газы через выпускные окна в выпускной коллектор 5. При дальнейшем движении вверх поршень закрывает сначала проду­ вочные, а затем выпускные окна, и в цилиндре начинается сжатие воздуха.

Рис. 32 Схема (а) и индикаторная диаграмма (б) двухтакт­ ного двигателя

54