Рабочий цикл в четырехтактном двигателе

1й такт—впуск. В начале 1го такта пор­шень находится в положении, близком к в.м.т. Камера сгорания заполнена продуктами сгорания от предыдуще­го процесса, давл. которых несколько больше атмос­ферного. На индикаторной диаграмме нач. по­ложению поршня соответствует точка r (рис. а). При вращении коленвала (в напр. стрелки) ша­тун перемещает поршень к н.м.т., а распределительный механизм открывает впускной клапан и сообщает надпоршневое пространство цилиндра двигателя с впуск­ным трубопроводом. В рез-те движения поршня к н.м.т. цилиндр заполняется свежим зарядом.

2 такт—сжатие.

При обр-м движении поршня к в.м.т. (рис. б) производится сжатие посту­пившего в цилиндр заряда. Давление и температура сжи­маемого заряда при этом повышаются, и при некотором перемещении поршня от н. м. т. давление в цилиндре ста­новится одинаковым с давлением впуска p_k (точка т на индикаторной диаграмме).

3й такт - сгорание и расширение. Третий такт происходит при ходе поршня от в.м.т. к н.м.т. (рис. в).

В начале такта интенсивно сгорает топливо, поступившее в цилиндр и подготовленное к этому в конце второго такта. Вследствие выделения большого к-ва теплоты темп-ра и давл. в цилиндре резко повы­шаются, несмотря на нек-е увеличение внутрицилиндрового объема (участок сz на индикаторной диа­грамме). Под действием давления происходит дальней­шее перемещение поршня к н.м.т. и расширение газов. Во время расширения газы совершают полезную работу, поэтому третий такт называют также рабочим ходом. На индикаторной диаграмме третьему такту соответст­вует линия czb.

4й такт—выпуск. Во время 4ого такта происходит очистка цилиндра от выпускных газов (рис. г ). Поршень, перемещаясь от н.м.т. к в.м.т., вытесняет газы из цилиндра через открытый выпускной клапан. Выпускной клапан начинает открываться в тот момент, когда поршень не доходит до н.м.т на 40-60° угла поворота коленчатого вала.

Действительный цикл двухтактного двигателя реализуется за два перемещения поршня между ВМТ и НМТ, что соответствует одному обороту коленчатого вала. На рис. 1. приведена схема 2тактного двигателя. Основу его конструкции составляют КШМ 1, продувочный нагнетатель 2, выпускное 3 и продувочное 4 окна. Здесь же приведена его индикаторная диаграмма.

Первый такт (φ = 0...180°) состоит из следующих процессов: c'z — часть процесса сгорания; zl — процесс расширения. Точка 1 индикаторной диаграммы соответствует началу открытия поршнем выпускного окна 3, после чего начинается свободное истечение ОГ. При дальнейшем движении поршня в сторону НМТ он открывает продувочное окно 4 (точка 2 диаграммы), после чего вплоть до достижения НМТ (точка а диаграммы) через продувочное и выпускное окна осуществляется продувка цилиндра свежим зарядом, а давление в цилиндре устанавливается на уровне давления р_К создаваемого нагнетателем (р_К>р₀).

Рис. 1. Схема и индикаторная диаграмма двухтактного двигателя

Продувка продолжается и в начале второго такта работы двигателя (φ = 180...360°) при движении поршня вверх до полного перекрытия поршнем продувочного окна (точка 3). После этого вплоть до полного закрытия выпускного окна осуществляется вытеснение части заряда, находящегося в надпоршневом пространстве (точка 4). Далее следует процесс сжатия 4f, в конце которого (точка f) в карбюраторном двигателе подается электрическая искра, в дизеле начинается впрыскивание топлива и происходит процесс сгорания.

Отличительной особенностью двухтактного двигателя является то, что не весь рабочий объем цилиндра V_h используется для расширения; часть его V_П, называемая потерянным объемом, используется для организации процессов газообмена. Отношение φ = V_П/V_h называется долей потерянного объема, и в зависимости от схемы продувки φ = 0,1...0,28. В связи с этим в двухтактных двигателях различают степени сжатия: действительную ε_Д = = (V_С + V’_h)/V_C и геометрическую ε = (V_С + V_h)/V_C. Здесь V’_h = V_h - V_П — объем цилиндра, используемый для расширения рабочего тела. Очевидно, что ε > ε_Д.

7. Тепловой расчет дизельного ДВС. Расчетные зависимости, порядок рабо­ты.

Топливо. В соответствии с ГОСТ 305-82 для рассчитываемого двигателя принимаем ди­зельное топливо. Цетановое число топлива – не менее 45. Средний элементный состав дизельного топлива: C=0,870; H=0,126; O=0,004.

Низшая теплота сгорания топлива:

.

Параметры рабочего тела. Теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг топлива: кмоль возд./кг топл., кг возд./кг топл.

Коэффициент избытка воздуха для дизеля с наддувом: , , , .

Количество свежего заряда: .

Количество отдельных компонентов продуктов сгорания: , , , кмоль/кг топл.

Общее количество продуктов сгорания: кмоль/кг топл.

Параметры окружающей среды и остаточные газы. Атмосферные условия: p₀ =0,1 МПа; T₀ =293 K. Давление окружающей среды для дизелей с наддувом: p_k =0,15 МПа.

Температура окружающей среды для дизелей с наддувом:

К, где n_k – показатель политропы сжатия, для центробежного нагнетателя с охлаждаемым корпусом принят n_k =1,65.

Температура и давление остаточных газов. При наддуве температурный режим двига­теля повышается и увеличивает значения T_r и p_r. Для дизелей с наддувом можно принять: , .

Процесс впуска. Температура подогрева свежего заряда. Рассчитываемый двигатель не имеет специального устройства для подогрева свежего заряда. При наддуве за счет уменьше­ния температурного перепада между деталями двигателя и температурой наддувочного возду­ха величина подогрева сокращается. Для дизелей с наддувом принимаем Δ T =10 °C. Плотность заряда на впуске: кг/м³.

Потери давления на впуске в двигателе: МПа, где и м/с приняты в соответствии со скоростным режи­мом двигателя и с учетом небольших гидравлических сопротивлений во впускной системе ди­зеля.

Давление в конце впуска: МПа.

Коэффициент остаточных газов: .

Температура в конце впуска: .

Коэффициент наполнения: .

Процесс сжатия. Средние показатели адиабаты и политропы сжатия. При работе дизеля на номинальном режиме можно с достаточной степенью точности принять показатели полит­ропы сжатия приблизительно равным показателю адиабаты, который определяется по номо­грамме; при ε =12,6 и T_a =371 К: k₁» n₁ =1,368.

Давление и температура в конце сжатия: , .

Средняя мольная теплоемкость в конце сжатия:

а) воздуха: , где °С;

б) остаточных газов (определяется по таблице методом интерполяции) при t _c и α.

в) рабочей смеси: .

Процесс сгорания. Коэффициент молекулярного изменения свежей смеси: .

Коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси: .

Теплота сгорания рабочей смеси: кДж/кмоль раб. см.

Средняя мольная теплоемкость продуктов сгорания: .

.

Коэффициент использования теплоты для современных дизелей с неразделенными каме­рами сгорания и хорошо организованным струйным смесеобразованием можно принять ζ _z=0,86.

Степень повышения давления в дизеле в основном зависит от величины цикловой подачи топлива. С целью снижения газовых нагрузок на детали кривошипно-шатунного механизма целесообразно иметь максимальное давление сгорания не выше 11-12 МПа. В связи с этим це­лесообразно для дизеля с наддувом принять l =1,5.

Температура в конце видимого процесса сгорания: .

Максимальное давление сгорания: .

Степень предварительного расширения: .

Процесс расширения. Степень последующего расширения: .

Средний показатель адиабаты расширения определяем по номограмме.

Давление и температура в конце расширения: , .

Проверка ранее принятой температуры остаточных газов: .

Индикаторные параметры рабочего цикла. Теоретическое среднее индикаторное дав­ление: .

Среднее индикаторное давление: , где φ_И =0,95 – коэффициент полноты диаграммы,

Индикаторный КПД: .

Индикаторный удельный расход топлива: .

Эффективные показатели двигателя. Среднее давление механических потерь: , где v_п.ср. – средняя скорость поршня принимается предварительно;

Среднее эффективное давление и механический КПД: , .

Эффективный КПД и эффективный удельный расход топлива: , .

Основные параметры цилиндра и двигателя. Параметры цилиндра рассчитываем для частоты вращения при номинальной эффективной мощности. Литраж двигателя: .

Рабочий объем цилиндра: .

Диаметр и ход поршня дизеля, как правило, выполняются с отношением хода поршня к диа­метру цилиндра . Однако уменьшение для дизеля, так же как и для карбюратор­ного двигателя, снижает скорость поршня и повышает . В связи с этим целесообразно при­нять : .

По принятым значениям S и D определяем основные параметры и показатели двигателя: ; ; .

Проверка ранее принятой средней скорости поршня: – допус­тимо.

; ; ; .