ЦИКЛЫ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Принято, что идеальный цикл представляет собою совокупность последовательных процессов, совершаемых рабочим телом - идеальным газом - в цилиндре такой же идеальной машины. Эта условность позволяет устанавливать степень приближения цикла действительной машины, независимо от ее конструктивных особенностей, к идеальной.

Двигатели внутреннего сгорания могут работать по одному из следующих трех циклов: с быстрым, постепенным и смешанным сгоранием.

В первом случае тепло сообщается рабочему телу при постоянном объеме (V=const), во втором - при постоянном давлении (р = const), а смешанный цикл характеризуется подводом тепла к рабочему телу частично при постоянном объеме и переменном давлении, а затем частично при переменном объеме и постоянном давлении.

К характерным особенностям двигателей, работающих со сгоранием при р = const и по смешанному циклу, относятся: высокая степень сжатия (ε = 12 ÷ 20), самовоспламенение топлива в результате высокого сжатия и применение тяжелых сортов топлива.

Все карбюраторные, газовые и газогенераторные двигатели относятся к двигателям быстрого сгорания, так как воспламенение рабочей смеси у них происходит настолько быстро, что поршень не успевает сколько-нибудь существенно переместиться в цилиндре.

РАБОЧИЕ ЦИКЛЫ ДВИГАТЕЛЕЙ

Четырехтактный двигатель низкого сжатия. У четырехтактного двигателя рабочий процесс, как указывалось, происходит за четыре хода поршня, или, что то же, за два оборота коленчатого вала. Чтобы наглядно представить характер протекания процессов в рабочем цилиндре, пользуются индикаторной диаграммой, построенной в координатах давление - объем, характеризующих состояние газа в каждой точке объема цилиндра.

I такт - всасывание. Поршень движется от в. м. т. к н. м. т. Объем над поршнем увеличивается, в результате чего в цилиндре образуется разрежение. Горючая смесь через открытый всасывающий клапан заполняет цилиндр. Давление газов при всасывании ниже атмосферного, что объясняется сопротивлением карбюратора и впускного трубопровода, и составляет 0,8-0,9 бар. Температура смеси в конце такта будет примерно на 20-30° С больше температуры окружающего воздуха.

На индикаторной диаграмме процесс всасывания изображается линией ab (рис. 2).

II такт - сжатие. Поршень движется от н. м. т. к в. м. т. при закрытых всех клапанах. Давление внутри цилиндра повышается до 6-12 бар, а температура смеси достигает 300-400° С.

На индикаторной диаграмме процесс сжатия изображается линией bс.

В карбюраторных двигателях воспламенение горючей смеси происходит при помощи электрической искры; в этом случае высокого сжатия не требуется, так как повышение степени сжатия горючей смеси может даже привести к ее преждевременному воспламенению или самовоспламенению, что вредно отражается на работе двигателя.

III такт - рабочий ход. Горючая смесь в цилиндре, как указывалось, воспламеняется электрической искрой и, сгорая, выделяет большое количество тепла. Сгорание происходит при постоянном объеме.

На индикаторной диаграмме процесс сгорания изобразится линией cz.

В конце сгорания температура газов в цилиндре в зависимости от нагрузки возрастает до 1800° С, а давление - до 40 бар и выше. Под действием давления расширяющихся газов поршень движется к н. м. т. При этом давление газов в цилиндре падает до 4,5 бар, а температура снижается до 1150-1450° С.

На индикаторной диаграмме рабочий ход изображается линией zd.

IV такт - выпуск. После расширения газов поршень движется к в. м. т. Через открытый выпускной клапан из цилиндра удаляются отработавшие газы. В среднем давление газов при выпуске равно 1,2 бар, температура - около 500° С.

На индикаторной диаграмме выпуск характеризуется линией da.

Затем цикл повторяется в том же порядке.

Таким образом, из четырех тактов цикла лишь один является рабочим, а остальные три - вспомогательными.

Двухтактный двигатель. В двухтактном двигателе рабочий цикл совершается за один оборот коленчатого вала. Наполнение цилин­дра горючей смесью, сжатие и сгорание ее, а также расширение и выпуск газов происходят за два хода поршня. При этом выпуск продуктов сгорания и зарядка горючей смесью совершаются лишь на некоторой части рабочего хода поршня. На рис. 3 показана нижняя часть индикаторной диаграммы и схема двухтактного дви­гателя с кривошипо-камерной продувкой.

Во время хода поршня на участке Нп' от н. м. т. к в. м. т. в цилиндре происходит продувка и зарядка цилиндра горючей смесью (или воздухом) и удаление отработавших газов; затем на участке п'b' продолжается выпуск газов, после чего начинается сжатие горючей смеси (у карбюраторных двигателей) или воздуха (у дизелей) с последующим воспламенением горючей смеси. В картере в этот период происходит всасывание горючей смеси или воздуха через клапан 5.

При движении поршня от в. м. т. к н. м. т. в цилиндре вначале происходит сгорание горючей смеси и расширение продуктов сгорания, а затем выпуск отработавших газов (участок bпН) и продувка (участок пН). В картере в этот период осуществляется сжатие и перепуск горючей смеси или воздуха в цилиндр.

При прямоточной продувке продувочный воздух движется только в одном направлении (снизу вверх или сверху вниз) от .впускных к выпускным окнам (или выпускным клапанам).

При клапанно-щелевом распределении отработавшие газы удаляются через один или несколько выпускных клапанов, расположенных в крышке рабочего цилиндра; открытие и закрытие клапанов производится специальным механизмом. Продувочный воздух поступает через расположенные равномерно по всей окружности цилиндра окна, которые открываются при приближении поршня к н. м. т. Продувочный воздух движется снизу вверх от окон к клапанам, вытесняя отработавшие газы.

Прямоточные типы продувок обеспечивают наилучшую очистку и наполнение рабочего цилиндра двигателя.

Индикаторная диаграмма двухтактного дизеля, работающего по смешанному циклу, изображена на рис. 6.

Четырехтактный дизель. К дизелям относятся двигатели высокого сжатия с самовоспламенением топлива.

Рабочий цикл четырехтактного дизеля (рис. 7) осуществляется в такой последовательности:

I такт - всасывание. Поршень движется от в. м. т. к н. м. т. при открытом всасывающем клапане. В цилиндр при этом засасывается  воздух  из  атмосферы. Давление воздуха в конце такта всасывания достигает 0,85-0,90 бар. Температура воздуха в конце такта будет примерно на 20-30° выше температуры окружающей среды.

 

Сгорание топлива у компрессорных дизелей проходит при по­стоянном давлении (рис. 8), у бескомпрессорных дизелей (рис. 9) - по смешанному циклу (при р и V = const).

Образующиеся при этом газы достигают давление в 40-80 бар при температуре до 1800 °С. Поршень, перемещаясь вниз, осу­ществляет  рабочий  ход.

В конце такта расширения давление снижается до 2,5-4,5 бар при температуре  газов - до 600-700° С.

На индикаторных диаграммах рабочий ход изображается ли­ниями czd (рис. 8) и zz¹d (рис. 9).

IV такт - выпуск. Поршень движется от н. м. т. к в. м. т., выталкивая отработавшие газы из цилиндра через открытый вы­пускной клапан. Давление отработавших газов будет порядка 1,1-1,2 бар,   а температура - 400-550° С.

На индикаторных диаграммах выпуск отработавших газов изображается  линией  da.

После этого рабочий цикл повторяется.

В двигателях для лучшей очистки цилиндра от продуктов сго­рания и наиболее полного заполнения его воздухом несколько уве­личивают продолжительность процессов впуска и очистки цилин­дров, в связи с чем открытие всасывающих и выпускных клапанов производится до мертвой точки (с опережением), а закрытие - за мертвой точкой (с запаздыванием). Для большей надежности и эффективности сгорания топлива его воспламенение осуществляется до мертвой точки (с опережением).

Фазы газораспределения, т. е. моменты откры­тия и закрытия всасывающих и выпускных клапанов и моменты подачи топлива, выражаются в градусах поворота коленчатого вала и обычно изображаются в виде круговой диаграммы (рис. 10 и  11).