Вопрос. Анализ индикаторной диаграммы 4-х тактного дизельного двс С наддувом.

Условия горения

Для горения требуется 3 вещи: что-то, что может гореть, достаточное количество кислорода в воздухе и источник воспламенения. Существуют два пути воспламенения: вещество может загораться от пламени или от искры, или может воспламеняться от нагрева. Если солярку аккуратно нагревать в фарфоровой чашке без доступа к нему пламени, то при определенной температуре его пары воспламеняются. Температура, при которой это происходит, называется температурой самовоспламенения. В дизельном двигателе воспламенение происходит аналогичным образом, но где дизельный двигатель берет высокую температуру, необходимую для такого воспламенения? Если стоять около работающего воздушного компрессора, то можно обнаружить, что компрессор нагревается. Это происходит из-за нагревания воздуха при его сжатии. Аналогичным образом дизельный двигатель сжимает воздух, поднимая его температуру до необходимой для самовоспламенения. Давление воздуха в цилиндре превышает 30 кгс/см², когда поршень находится в ВМТ. По мере роста давления, температура воздуха в цилиндре растет. В то же время, температура самовоспламенения дизельного топлива снижается с увеличением давления. Это означает, что чем выше давление, тем легче воспламеняется воздушно-топливная смесь.

Механизм горения

Топливо впрыскивается в цилиндр из форсунки, затем оно распыляется и самовоспламеняется. Пламя распространяется по всему цилиндру. В этот момент впрыск прекращается, но не сгоревшее топливо продолжает гореть. Процесс горения в дизельном двигателе продолжается очень короткое время и может разбит на 4 периода в соответствии с процессами, происходящем в каждом из них:

· - период задержки воспламенения;

· - период распространения пламени;

· - период прямого горения;

· - период догорания.

Период задержки воспламенения

Период от начала впрыска до момента начала горения называется периодом задержки воспламенения. Рассмотрим его более детально. Топливо впрыскивается форсунками в виде тумана в воздух, нагретый до высокой температуры и находящийся под высоким давлением. Этот туман состоит из множества капель. Даже, несмотря на то, что солярка впрыскивается в очень горячий воздух, она не воспламеняется немедленно, т.к. должна сначала испариться под действием высокой температуры. По мере испарения происходит ее перемешивание с воздухом и нагреваение до температуры самовоспламенения. Период задержки воспламенения - это период подготовки горения, во время которого горючее впрыскивается в разогретый воздух, перемешивается с ним и разогревается до температуры самовоспламенения. Этот период должен быть как можно короче, т.к. он оказывает существенное влияние на последующие периоды горения.

Период распространения пламени

Период от начала воспламенения до момента, когда пламя распространится на все топливо, впрыснутое в цилиндр во время периода задержки воспламенения, называется периодом распространения пламени. Смесь воздуха и топлива образуется в период задержки воспламенения, но воздух не перемешивается полностью с соляркой с самого начала. Воздушнотопливная смесь воспламеняется там, где топливо уже перемешалось с воздухом. В этот период происходит резкое увеличение температуры, и, как следствие, давления в цилиндре.

Период прямого горения

Форсунка продолжает впрыскивать горючее, которое сгорает немедленно после контакта с открытым пламенем в камере сгорания. В этот момент пламя уже распространилось по всей камере. Период от момента, когда пламя распространилось по всей камере сгорания до момента окончания впрыска горючего, называется периодом прямого горения. В это время давление в цилиндре достигает максимальной величины. Момент воспламенения регулируется таким образом, чтобы максимальная величина давления достигалась приблизительно при 10 градусах после ВМТ.

Период догорания

Период от конца впрыска до момента окончания горения, называется периодом догорания. Горение продолжается и после окончания впрыска. Несгоревшее горючее должно полностью сгореть в этот период. Поршень движется вниз во время этого периода, это позволяет воздуху в камере сгорания расширяться, в результате чего давление и температура падает.

Для нормального и полного сгорания дизельному двигателю требуется две вещи: достаточно высокое давление в камере сгорания, чтобы топливо могло самовоспламеняться и правильный впрыск. Правильный впрыск означает, что солярка впрыскивается в нужный момент и в нужном количестве. Попробуем разобраться, что же произойдет, если какое-то из этих условий не будет выполнено.

Неправильное давление или впрыск топлива

Низкая компрессия

В дизельном двигателе необходимая температура воспламенения достигается за счет сжатия воздуха в цилиндре. Когда давление в цилиндре низкое, температура сжатого воздуха также остается низкой. Иными словами, требуется больше времени, чтобы топливовоздушная смесь достигла температуры воспламенения.

Низкая компрессия вызывает увеличение периода задержки воспламенения. Смесь топлива с воздухом рано или поздно воспламенится, но количество топлива в этом случае будет больше нормального. Одновременно воспламенится большое количество топлива, что вызовет чрезмерный и быстрый рост давления и температуры в камере сгорания. Такое резкое увеличение давления вызывает ударную воздушную волну, действующую на днище поршня и стенки цилиндра. Действие ударной волны вызывает "металлический" звук, также называемый дизельным стуком.

Еще более низкое давление может также вызывать белый дым. Когда давление в цилиндре очень низкое, самовоспламенение не происходит до достижения ВМТ. Т.к. поршень уже идет вниз, температура падает и пламя не успевает распространиться в период распространения пламени. Испарение топлива продолжается в периодах прямого горения и догорания. Несгоревшее топливо выбрасывается из цилиндра в конце периода догорания. Именно поэтому виден белый дым.

Ранний впрыск

Если горючее впрыскивается слишком рано, также возникает характерный дизельный стук. Слишком ранний впрыск означает, что топливо впрыскивается в камеру сгорания тогда, когда температура воздуха еще не достигла нужного уровня. Капли солярки не испаряются также быстро, как в случае нормального горения и требуется больше времени, чтобы горючее воспламенилось. Это приводит к увеличению периода задержки воспламенения. Когда же топливо воспламеняется, одновременно загорается сразу большое его количество. Это и вызывает дизельный стук, который мы слышим.

Поздний впрыск

Белый дым может также быть вызван поздним впрыском. Давление и температура в камере сгорания достигает нужного уровня, но поздний впрыск не оставляет достаточного времени топливу, чтобы испариться. Воспламенение топлива происходит уже после ВМТ. Т.к. давление и температура в камере сгорания начинают немедленно падать, пламя не успевает распространиться по всей камере сгорания и период распространения пламени и горения, вскоре, прекращаются. Испарение продолжается и несгоревшее топливо выбрасывается из цилиндра. В результате мы видим белый дым из выхлопной трубы.

Низкое давление топлива

Дизельный стук может быть вызван, также, низким давлением впрыска. Если топливо впрыскивается при нормальном давлении, то оно распространяется нормально. Но, если давления впрыска низкое – горючее не распыляется нормально и величина капель топлива больше, чем надо. Большие капли не могут нормально испаряться и требуется больше времени, чтобы топливовоздушная смесь воспламенялась. Это вызывает увеличение периода задержки воспламенения. При воспламенении загорается сразу большое количество топлива, что вызывает дизельный стук.

Большой объем впрыска

И, наконец, давайте разберемся, почему может появиться черный дым, если количество впрыскиваемого горючего больше нормального. Если в камеру сгорания впрыскивается нормальное количество топлива, его капли полностью перемешиваются с воздухом и топливо сгорает до конца. Но, если количество впрыскиваемого горючего больше нормального, то, т.к. в камере находится ограниченное количество кислорода, кислород полностью выгорает в период прямого горения. Оставшееся топливо не может перемешаться с кислородом из-за его отсутствия и превращается в углерод, который и вызывает черный дым.

 

По дисциплине «Силовые агрегаты»

7 вопрос. Анализ процесса расширения и выпуска.

Ответ. В теоретическом цикле предполагают, что выпуск отработавших газов происходит мгновенно с приходом поршня в и. м. т. Газы, выходя из цилиндра под действием разности давлений продолжают расширяться до тех пор, пока их давление не будет равно давлению окружающей среды.

Вместе с газами удаляется часть теплоты. Однако без этого согласно второму закону термодинамики невозможно преобразовать теплоту в механическую работу.

Основными оценочными параметрами теоретического цикла являются: термический КПД и среднее индикаторное давление. Термический КПД характеризует теплоиспользование (экономичность) в цикле, а среднее индикаторное давление — механическую отдачу цикла.

Термический КПД % представляет собой отношение теплоты, превращенной в полезную работу, к теплоте, сообщенной газам.

В дизеле работа газов эквивалентна разности количества теплоты, введенной в цилиндр при V = const и р = const, и теплоты, уносимой с отработавшими газами.

Среднее индикаторное давление можно определить, если задана графически зависимость давления, газа от занимаемого объема. Тогда работа, совершаемая газом при его расширении или необходимая для его сжатия, эквивалентна площади, лежащей под линией зависимости р от V.

 

 

По дисциплине «Силовые агрегаты»

8 вопрос. Коэффициент остаточных газов γ_г. Влияние различных факторов на степень очистки цилиндра от продуктов сгорания.

Ответ. Коэффициент остаточных газов γ_г. Коэффициент остаточных газов. Заряд цилиндра к началу сжатия представляет собой смесь воздуха и остаточных газов, остающихся в цилиндре вследствие несовершенства очистки его от продуктов сгора­ния. В расчетах рабочих процессов дизеля относительное количество остаточных газов оценивают коэффициентом остаточных газов?r = Mr/L (где Мr— количество остаточных газов). Под остаточными газами имеются в виду «чистые» продукты сгорания, образующиеся при (альфа) = 1. Коэффициент остаточных газов является критерием оценки каче­ства очистки цилиндра от продуктов сгорания.

Его значения составля­ют для дизелей: четырехтактных 0,01 — 0,04; двухтактных с прямоточ­ными схемами газообмена 0,04 — 0,09; двухтактных с контурными схе­мами газообмена 0,07—0,1.

Ответ. Влияние различных факторов на степень очистки цилиндра от продуктов сгорания. Дело в том, что у двухтактных дизелей очистка цилиндров от продуктов сгорания производится сжатым воздухом. Поэтому в двухтактном двигателе в отличие от четырехтактного обязательным условием для организации рабочего процесса (прежде всего для пуска дизеля) является установка приводного центробежного компрессора. Кроме того, при пуске дизеля и при малых нагрузках, когда энергии отработавших газов недостаточно для наддува дизеля только от турбокомпрессора, подача воздуха в цилиндры осуществляется главным образом приводным центробежным компрессором. Вот почему на дизелях 11Д-45, 10Д-100 пришлось установить еще один компрессор, приводимый в движение от коленчатого вала.

Рис. 35. Схема двухступенчатого комбинированного наддува

Охлаждение воздуха при высоком наддуве до поступления его в цилиндры позволяет увеличить плотность воздуха и понизить температуру газа в цилиндре, тем самым снизить тепловую и механическую напряженность деталей цилиндропоршневой группы дизеля. Поэтому охлаждение наддувочного воздуха находит все более широкое применение в современных тепловозных дизелях.

По дисциплине «Силовые агрегаты»

9 вопрос. Индикаторные показатели ДВС. Показатели рабочего процесса двигателя внутреннего сгорания подразделяются на индикаторные(внутренние) и эффективные (внешние). Индикаторные показатели работы двигателя характеризуют совершенство рабочего процесса с учетом только тепловых потерь в рабочем цилиндре двигателя. К индикаторным показателям относятся: индикаторная работа и среднее индикаторное давление, индикаторная мощность и индикаторный КПД.

Полезную индикаторную работу газов за цикл можно определить из расчетной теоретической диаграммы цикла.
Если работу двигателя за цикл отнести к рабочему объму цилиндра, то получим так называемое среднее индикаторное давление, представляющее собой удельную работу цикла. То есть под средним индикаторным давлением подразумевают такое условное постоянное по величине избыточное среднее давление, которое, оказывая воздействие на поршень, совершает за один ход работу, эквивалентную работе газов в цилиндре за цикл.
Индикаторной мощностью называется мощность, соответствующая работе замкнутого цикла.
Индикаторным КПД учитываются все тепловые потери в действительном цикле, он определяется отношением индикаторной работы в цилиндре к количеству теплоты, подведенной с топливом для совершения этой работы.

По дисциплине «Силовые агрегаты»

Эффективная мощность

Эффективная мощность N_e — это мощность на коленчатом валу двигателя, передаваемая трансмиссии. Эффективная мощность меньше индикаторной на величину мощности N_м, затрачиваемой на преодоление механических потерь:

N_e = N_i - N_м

По аналогии с индикаторной мощностью эффективную мощность (кВт) можно рассчитать по следующей формуле:

N_e = р_еV_hni/(30Τ_дв).

Механический КПД

Механический КПД n_м — оценочный показатель механических потерь в двигателе:

n_м = L_eL_i = р_е/р_i = M_e/M_i = N_e/N_i.

При работе автомобильных двигателей на номинальном режиме значение находится в следующих пределах: для четырехтактных карбюраторных двигателей 0,7...0,85; для четырехтактных дизелей без наддува 0,7...0,82, с наддувом 0,8—0,9; для газовых двигателей 0,75...0,85; для двухтактных высокооборотных дизелей 0,7-0,85.

Рис. 8.4. Формирование двухмассовой динамической модели КШМ

 

Первая замещающая масса m_j сосредоточена в точке сопряжения поршня с шатуном и совершает возвратно-поступательное дви­жение с кинематическими параметрами поршня, вторая m_r рас­полагается в точке сопряжения шатуна с кривошипом и вращает­ся равномерно с угловой скоростью ω.

Детали поршневой группы совершают прямолинейное возврат­но-поступательное движение вдоль оси цилиндра. Так как центр масс поршневой группы практически совпадает с осью поршне­вого пальца, то для определения силы инерции Р_jп достаточно знать массу поршневой группы m_п, которую можно сосредоточить в данной точке, и ускорение центра масс j, которое равно уско­рению поршня: Р_jп = - m_п j.

 

Кривошип коленчатого вала совершает равномерное вращатель­ное движение. Конструктивно он состоит из совокупности двух половин коренной шейки, двух щек и шатунной шейки. При рав­номерном вращении на каждый из указанных элементов криво­шипа действует центробежная сила, пропорциональная его массе и центростремительному ускорению.

В эквивалентной модели кривошип заменяют массой m_к, от­стоящей от оси вращения на расстоянии r. Значение массы m_к определяют из условия равенства создаваемой ею центробежной силы сумме центробежных сил масс элементов кривошипа: K_к = K_rш.ш + 2K_rщ или m_кrω² = m_ш.шrω² + 2m_щρ_щω², откуда получим m_к = m_ш.ш + 2m_щρ_щω²/r.

Элементы шатунной группы совершают сложное плоскопараллельное движение. В двухмассовой модели КШМ массу шатунной группы m_ш разделяют на две замещающие массы: m_ш.п, сосредоточенную на оси поршневого пальца, и m_ш.к, отнесенную к оси шатунной шейки коленчатого вала. При этом необходимо выполнить следу­ющие условия:

1) сумма масс, сосредоточенных в замещающих точках модели шатуна, должна быть равна массе замещаемого звена КШМ: m_ш.п + m_ш.к = m_ш

2) положение центра масс элемента реального КШМ и заме­щающего его в модели должно быть неизменным. Тогда m_ш.п = m_ш l_ш.к/l_ш и m_ш.к = m_ш l_ш.п/l_ш.

Выполнение этих двух условий обеспечивает статическую эк­вивалентность замещающей системы реальному КШМ;

3) условие динамической эквивалентности замещающей мо­дели обеспечивается при равенстве суммы моментов инерции масс, расположенных в характерных точках модели. Данное условие для двухмассовых моделей шатунов существующих двигателей обыч­но не выполняется, в расчетах им пренебрегают из-за его малых численных значений.

Окончательно объединив массы всех звеньев КШМ в замеща­ющих точках динамической модели КШМ, получим:

массу, сосредоточенную на оси пальца и совершающую возврат­но-поступательное движение вдоль оси цилиндра, m_j = m_п + m_ш.п;

массу, расположенную на оси шатунной шейки и совершаю­щую вращательное движение вокруг оси коленчатого вала, m_r = m_к + m_ш.к. Для V-образных ДВС с двумя шатунами, расположен­ными на одной шатунной шейке коленчатого вала, m_r = m_к + 2m_ш.к.

В соответствии с принятой моделью КШМ первая замещаю­щая масса m_j, движущаяся неравномерно с кинематическими па­раметрами поршня, вызывает силу инерции Р_j = - m_j j, а вторая масса m_r, вращающаяся равномерно с угловой скоростью криво­шипа, создает центробежную силу инерции К_r= К_rш + К_к = - m_rrω².

Сила инерции Р_j уравновешивается реакциями опор, на кото­рые установлен двигатель. Будучи переменной по значению и на­правлению, она, если не предусмотреть специальных мероприя­тий, может быть причиной внешней неуравновешенности двига­теля (см. рис. 8.3, б).

При анализе динамики и особенно уравновешенности двига­теля с учетом полученной ранее зависимости ускорения у от угла поворота кривошипа φ силу Р_jпредставляют в виде суммы сил инерции первого (Р_jI) и второго (Р_jII) порядка:

где С = - m_jrω².

Центробежная сила инерции К_r= - m_rrω² от вращающихся масс КШМ представляет собой постоянный по величине вектор, на­правленный по радиусу кривошипа и вращающийся с постоянной угловой скоростью ω. Сила К_r передается на опоры двигателя, вызывая переменные по величине реакции (см. рис. 8.3, в). Таким образом, сила К_r, как и сила Р_j, может являться причиной внешней неуравновешенности ДВС.

Суммарные силы и моменты, действующие в механизме. Силы Р_г и Р_j, имеющие общую точку приложения к системе и единую линию действия, при динамическом анализе КШМ заменяют суммарной силой, являющейся алгебраической суммой: Р_Σ = Р_г + Р_j (рис. 8.5, а).

Рис. 8.5. Силы в КШМ: а - расчетная схема; б — зависимость сил в КШМ от угла поворота коленчатого вала

 

Для анализа действия силы Р_Σ на элементы КШМ ее расклады­вают на две составляющие: S и N. Сила S действует вдоль оси шатуна и вызывает повторно-переменное сжатие-растяжение его элементов. Сила N перпендикулярна оси цилиндра и прижимает поршень к его зеркалу. Действие силы S на сопряжение шатун-кривошип можно оценить, перенеся ее вдоль оси шатуна в точку их шарнирного сочленения (S') и разложив на нормальную силу К, направленную по оси кривошипа, и тангенциальную силу Т.

 

Силы К и Т воздействуют на коренные опоры коленчатого вала. Для анализа их действия силы переносят в центр коренной опоры (силы К', Т' и Т"). Пара сил Т и Т' на плече r создает крутящий момент М_к, который далее передается на маховик, где совершает полезную работу. Сумма сил К' и T" дает силу S", которая, в свою очередь, раскладывается на две составляющие: N' и .

Очевидно, что N' = - N и = Р_Σ. Силы N и N' на плече h создают опрокиды­вающий момент М_опр = Nh, который далее передается на опоры двигателя и уравновешивается их реакциями. М_опр и вызываемые им реакции опор изменяются по времени и могут быть причиной внешней неуравновешенности двигателя.

Основные соотношения для рассмотренных сил и моментов имеют следующий вид:

На шатунную шейку кривошипа действуют сила S', направлен­ная по оси шатуна, и центробежная сила К_rш, действующая по радиусу кривошипа. Результирующая сила R_ш.ш (рис. 8.5, б), нагру­жающая шатунную шейку, определяется как векторная сумма этих двух сил.

Коренные шейки кривошипа одноцилиндрового двигателя на­гружаются силой и центробежной силой инерции масс кривошипа . Их результирующая сила , дей­ствующая на кривошип, воспринимается двумя коренными опо­рами. Поэтому сила, действующая на каждую коренную шейку, равна половине результирующей силы и направлена в противо­положную сторону.

Использование противовесов приводит к изменению нагруженности коренной шейки.

 

 

По дисциплине «силовые агрегаты»

Увеличение рабочего объема

Увеличить рабочий объем - это самое простое решение. Чем больше сгорает топлива, тем выше мощность. Осуществляется данная процедура за счет замены коленчатого вала на другой (с большим ходом) или за счет увеличения диаметра цилиндров. Это кардинальное вмешательство, которое приводит к увеличению максимального крутящего момента. Такое увеличение мощности двигателяподходит практически для любой машины.

МИНУСЫ: Данная процедура - не из самых дешевых, и при этом существенно увеличивает габариты и массу конструкции. А также, что совсем нежелательно, приводит к падению общего КПД двигателя и повышению расхода топлива.

Увеличение степени сжатия

Самый простой способ увеличить степень сжатия - это уменьшение объема камеры сгорания путем фрезеровки нижней плоскости головки блока цилиндров (уменьшив ее высоту). Другой способ - установка поршней с более выпуклой верхней частью. Также на степень сжатия влияет установка модифицированного распределительного вала, который позволяет улучшить геометрические показатели степени сжатия за счет запаздывания закрытия впускных клапанов. Увеличение степени сжатия позволяет поднять КПД двигателя, добиться повышения мощности при одновременном снижении расхода бензина.

МИНУС: Возникает необходимость перейти на бензин с более высоким октановым числом и следить за его качеством, т.к. повышается риск детонации.

Чип-тюнинг

Пойти по этому пути увеличения мощностидвигателя можно, только если двигатель имеет впрыск с электронным управлением. Суть чип-тюнинга - в замене программы блока управления надвигателе путем перепрограммирования или замены микросхемы - чипа. Этим способом можно достигнутьувеличения мощности двигателя на 10%.

МИНУСЫ: Практикуемая в таких случаях отмена ограничения максимальных оборотов надвигатель ведет к повышению износа двигателя, а увеличение подачи топлива на переходных режимах подразумевает увеличение расхода топлива. Цена подобной модификации стоит немалых денег.

вопрос. Анализ индикаторной диаграммы 4-х тактного дизельного ДВС с наддувом.

Ответ. Цилиндр двигателя закрыт крышкой, в которой располагаются клапаны для впуска свежего заряда и клапаны выпуска газов. Клапаны удерживаются в закрытом состоянии пружинами и давлением в цилиндре при процессах сжатия, сгорания и расширения. Открытие клапанов в нужные моменты производится газораспределительным механизмом.

Газораспределительный механизм состоит из рычагов, штанг и толкателей, на которые воздействуют кулачки распределительного вала.

Распределительный вал приводится в движение от коленчатого вала двигателя и имеет вдвое меньшую частоту вращения, чем коленчатый вал, вследствие чего каждый клапан открывается один раз за два оборота коленчатого вала. Взаимосвязь газораспределительного механизма с коленчатым валом находится в определенной механической зависимости. Эта зависимость устанавливается заводом—изготовителем двигателя и изображается диаграммой фаз (углов) газораспределения.

Диаграмма фаз газораспределения — паспортная характеристика определенного типа двигателя. Она на графике указывает фазы (углы) положений колена коленчатого вала, при которых происходят изменения термодинамического процесса в наиболее экономичном режиме в цилиндре двигателя. Диаграмма фаз газораспределения является руководящим документом проверки и регулировки поршневого двигателя внутреннего сгорания как при сборке в процессе изготовления, так и при ремонте двигателя.

Изменение давления рабочего тела в цилиндре двигателя за рабочий цикл, который фиксируется специальным прибором — индикатором — на диаграммной бумаге в координатах давления Р и рабочего объема КЛ, называется индикаторной диаграммой.

Рассмотрим термодинамический процесс рабочего цикла в четырехтактном двигателе (рис. 6.5).

Фаза ф;_2 — это угол, описываемый коленом коленчатого вала, при котором клапан впуска открыт. На индикаторной диаграмме

Рис. 6.5. Схема работы четырехтактного двигателя и индикаторные

диаграммы:

/ — начало открытия впускного клапана; 2 — закрытие впускного клапана; 3 — начало подачи топлива; 4 — начало открытия выпускного клапана; 5 — закрытие выпускного клапана; а—г — такты рабочего цикла; Р0 — атмосферное давление; I — точка максимального давления газов в цилиндре

этот процесс изображен линией 1—2 — процесс всасывания свежего заряда.

Фаза ф2-3 — это угол, описываемый коленом коленчатого вала, при котором оба клапана закрыты. На индикаторной диаграмме наблюдается процесс сжатия свежего заряда, при этом температура его достигает 500... 700 °С.

Фаза у3_4 — это угол, описываемый коленом коленчатого вала при закрытых клапанах впуска и выпуска. Точка 3 находится вблизи ВМТ. С этого момента в цилиндр двигателя подается топливо в мелкораспыленном виде, которое активно (при 7 = 500...700°С) испаряется, воспламеняется и сгорает. Этот процесс длится тысячные доли секунды. В цилиндре резко возрастают температура (»1700°С) и давление (Р^ образовавшихся газов, вследствие чего колено коленчатого вала успевает пройти ВМТ, и сила, равная произведению давления газов на площадь поршня, раскручивает коленчатый вал. Этот процесс расширения газов называют рабочим ходом поршня, и он заканчивается при положении колена коленчатого вала в точке 4.

Фаза ц>4_5 — это угол, описываемый коленом коленчатого вала, при котором открыт клапан выпуска. На индикаторной диаграмме этот процесс — выпуск отработавших газов — изображен линией 4—5. В позиции колена коленчатого

вала 5 клапан выпуска закрывается, а клапан впуска открывается. Этим завершается рабочий цикл и начинается следующий.

Весь рабочий цикл совершился за четыре такта, поэтому такой двигатель называют четырехтактным.

Создание комбинированных двигателей явилось новым этапом в развитии ДВС. Цель создания комбинированных двигателей — получение более экономичного и мощного двигателя при малых его габаритах. Потребность в таких двигателях особенно велика на железнодорожном транспорте. Увеличение мощности двигателя при тех же габаритах осуществляется за счет компрессорного наддува. В комбинированном двигателе в качестве компрессорных машин используются почти все виды компрессоров, а в качестве расширительной машины применяется только газовая турбина.

Благодаря наддуву в цилиндры подается на каждый рабочий цикл больше воздуха, чем при всасывании, что дает возможность сжигать большее количество топлива. Это позволяет получать при одинаковых с обычным дизелем размерах цилиндров и той же частоте вращения вала большую мощность.

При сжатии в нагнетателе воздух нагревается, его удельный объем возрастает, что значительно уменьшает воздушный заряд в цилиндре; поэтому в дизелях со средним и высоким наддувом обязательно применяют охлаждение наддувочного воздуха перед поступлением его в цилиндры.

Охлаждение воздуха на каждые 10 °С дает увеличение мощности дизеля на 3...4% и снижение удельного расхода топлива примерно на 1,5...2,0 г/(кВт-ч). Экономичность комбинированного двигателя с наддувом повышается также вследствие увеличения механического КПД и дополнительного использования теплоты отработавших газов.

Индикаторная диаграмма комбинированного четырехтактного дизеля с газотурбинным наддувом представлена на рис. 6.6.

В двигателях с наддувом процесс зарядки цилиндра происходит иначе, чем у дизеля без наддува. Турбокомпрессор засасывает воздух при атмосферном давлении Р0 и сжимает его до давления Рк. Сжатый в компрессоре воздух проходит через охладитель и впускной коллектор. На пути от турбокомпрессора до цилиндра давление воздуха снижается от Рк до Ра, поэтому линия давления впуска расположена ниже линии Рк и выше линии Р0.

После заполнения цилиндра воздухом начинается процесс сжатия, который на индикаторной диаграмме изображен кривой 2— 3.

Рис. 6.6. Индикаторная диаграмма четырехтактного дизеля с газотурбинным наддувом:

Р0— атмосферное давление; Р„ — давление в период наполнения; Рг — давление в цилиндре в период выпуска; Рк — давление воздуха в наддувочном коллекторе; Кс — объем камеры сжатия; КЛ — рабочий объем; К„ — полный объем цилиндра; 1 — 5 — процесс продувки: 1 — открытие клапанов впуска; 2 — закрытие клапанов впуска; 3 — впрыск топлива в цилиндр; 4 — открытие клапанов выпуска; 5— закрытие клапанов выпуска; I — точка максимального давления газов в цилиндре

В конце сжатия в цилиндр впрыскивается через форсунку топливо, которое воспламеняется в точке 3. Процесс сгорания показан линией 3—1, а расширение газов происходит по кривой г— 4. В точке 4 открываются выпускные клапаны, и отработавшие газы выталкиваются в газовую турбину при давлении Рт. Газы проходят через направляющий аппарат на лопатки турбины, а затем выбрасываются в атмосферу. На диаграмме линия выпуска газа из цилиндра расположена выше атмосферной и ниже линии наполнения.

В четырехтактных двигателях энергии отработавших газов вполне достаточно, чтобы нагнетатель сжимал воздух до давления Рк, более высокого, чем Рт. В результате наддува площадь индикаторной диаграммы, а следовательно, и мощность двигателя значительно возрастают.

 

 

По дисциплине «Силовые агрегаты»

2 вопрос. Параметры, характеризующие процесс впуска и их влияние на P_а, T_а.

Ответ. Процесс впуска

Давление и температура остаточных газов в начале впуска зависит главным образом от проходного сечения и коэффициента сопротивления выпускной системы, а также от числа оборотов двигателя. С увеличением числа оборотов давление остаточных газов возрастает. Это объясняется тем, что с увеличением оборотов продолжительность процесса выпуска сокращается, а скорость газов в выпускной системе увеличивается. С увеличением сопротивления выпускной системы давление остаточных газов возрастает, наполнение цилиндров ухудшается и мощность двигателя понижается.

Давление остаточных газов в начале впуска для двигателя без глушителя составляет по опытным данным:

,

где Р₀ — давление окружающей среды.

Меньшие значения здесь относятся к малым и средним оборотам, большие – к оборотам двигателя, соответствующим максимальной мощности.

При установке глушителя давление остаточных газов возрастает.

Температура остаточных газов в начале впуска зависит главным образом от состава смеси и числа оборотов двигателя. С увеличением числа оборотов температура остаточных газов возрастает. Происходит это в основном вследствие ухудшения охлаждения продуктов сгорания из-за сокращения продолжительности цикла. По опытным данным, температура остаточных газов T_r в начале впуска при оборотах двигателя, соответствующих максимальной мощности, находится в следующих пределах: у карбюраторных двигателей 900–1200 К, у дизельных двигателей 600–800 К.

Действительное количество свежего заряда, поступившего в цилиндр двигателя за период впуска, значительно меньше теоретически возможного количества, которое могло бы заполнить рабочий объем цилиндра.

Качество газообмена оценивается не абсолютным, а относительным количеством свежего заряда, поступившего в цилиндр при впуске.

Отношение количества свежего заряда, поступившего в цилиндр за один цикл, к количеству, который имел бы заряд, заполняющий рабочий объем цилиндра при давлении и температуре на входе в систему впуска (Р_о, Т_о), называется коэффициентом наполнения.

.

У карбюраторных двигателей количество топлива, содержащегося в заряде, по сравнению с количеством воздуха сравнительно невелико. Поэтому коэффициент наполнения часто определяют по отношению количеств воздуха. Ошибка при этом не превышает 1–2%.

У карбюраторных и дизельных двигателей, работающих без наддува, параметры свежего заряда при поступлении его в систему впускасовпадают с параметрами окружающей среды (при расчетах двигателей без наддува принимают Р_о = 0.101 МПа; Т₀ =273 +15 = 288 К).

Количество газов, заполняющих цилиндр двигателя в конце впуска, составляет:

.

Характеристические уравнения для M_a, M₀, M_r имеют следующий вид:

; ; ,

где: Р_a, Т_a – давление и температура газов в конце впуска;

R_a, R₀, R_r – соответствующие газовые постоянные.

После подстановки характеристических уравнений в уравнение для M_a получим

.

Если допустить равенство газовых постоянных R_a, R₀, R_r и разделить обе части полученного выражения на V_c, можно написать

.

Учитывая, что

,

после соответствующих преобразований получим:

.

Коэффициент наполнения зависит главным образом от давления и температуры газов в конце впуска, числа оборотов и нагрузки двигателя (рис. 2.4).

С понижением давления и повышением температуры заряда коэффициент