Действительный рабочий цикл 4-тактного двигателя с искровым зажиганием (ДсИЗ)

Рассмотрим рабочий цикл 4-тактного двигателя с искровым зажиганием (ДсИЗ). В таком двигателе приготовление смеси в основном происходит вне цилиндра. Движение воздуха по впускному тракту двигателя создается в такте впуска за счет насосного действия двигателя. Причём, смесь, поступающая в цилиндр должна быть по возможности однородной.

В частности, в двигателе с карбюраторной системой питания этот процесс начинается в карбюраторе, который выполняет следующие функции: · подача топлива во впускной воздушный тракт; · его дозирование (отмеривание) в соответствии с режимом работы; · распыливание топлива и первоначальное его смешение с воздухом; · изменение количества смеси в зависимости от режима работы.

Основные элементы карбюратора: диффузор, топливный жиклёр, распылитель, дроссельная заслонка (ДЗ). Диффузор представляет собой комбинацию сужающегося сопла, в котором происходит местное увеличение скорости и создаётся разрежение, и расширяющей части, которая собственно и является диффузором и служит для плавного восстановления давления. Под действием разрежения топливо через топливный жиклёр и распылитель поступает в узкое сечение диффузора. Поплавковая камера служит местным резервуаром топлива и обеспечивает его примерно постоянный уровень относительно места установки топливного жиклёра. Дроссельная заслонка (ДЗ) изменяет количество смеси, поступающей в двигатель, изменяя тем самым мощность ДВС. При этом в двигателях с традиционной организацией рабочего процесса состав смеси изменяется в очень узких пределах от a = 0,90 при полной нагрузке, до. a = 1,20 при частичной нагрузке.бюратор фактически представляет собой дозатор-смеситель прямого действия. Расход воздуха (G_в) и расход топлива (G_т) в первом приближении определяются одной и той же величиной – разрежением в диффузоре Dр_д. Открытие ДЗ приводит к увеличению расхода воздуха, что увеличивает его скорость в диффузоре, вызывая увеличение разрежения и, как следствие этого, увеличение расхода топлива.

В системах с впрыскиванием бензина (СВ) во впускной тракт топливо с помощью форсунки под небольшим давлением подаётся в зону впускного клапана. Количество подаваемого топлива зависит от длительности управляющего импульса, который поступает от электронного блока управления. Блок управления, в свою очередь, получает сигналы от различных датчиков, и в первую очередь, - от датчика расхода воздуха. Управление топливоподачей носит косвенный характер. Увеличение расхода воздуха (например, в результате открытия дроссельной заслонки) фиксируется расходомером воздуха, преобразуясь в электрический сигнал напряжения. Он поступает на блок управления, который в соответствии с изменившимся расходом воздуха, даёт команду на увеличения времени открытого состояния форсунок, что приводит к соответствующему увеличению расхода топлива. Косвенное управление подачей топлива обеспечивает большую точность его дозирования и более равномерное распределение топлива по цилиндрам двигателя. Это в свою очередь обеспечивает эффективное выполнение высоких требований к экологическим показателям двигателя.

	Схема на стр 11

Но, независимо от способа подачи топлива, карбюраторная система или СВ, рабочий процесс в самих цилиндрах протекает аналогично.

	Схема на стр 11а

 

Рассмотрим индикаторную диаграмму 4-хтактного ДсИЗ.

Процесс впуска начинается до прихода поршня в ВМТ в момент начала открытия впускного клапана (а¢^¢). Опережение начала открытия впускного клапана обеспечивает наличие некоторого проходного сечения канала в ВМТ, что улучшает наполнение двигателя. В основной части процесса впуска поршень перемещается от ВМТ к НМТ (линия r-a), и заполнение цилиндра происходит за счёт разрежения, создаваемого движущимся к НМТ поршнем. При этом освобождающаяся надпоршневая полость цилиндра заполняется горючей смесью (смесь воздуха с парами топлива), поступающей из впускного трубопровода под действием перепада давления (р₀ – р_а). Среднее давление в цилиндре в процессе впуска меньше атмосферного, поэтому для реализации наполнения необходима затрата энергии. Величина давления в цилиндре р_а определяется потерями во впускном такте ДВС и зависит от скоростного режима и от положения ДЗ. На номинальном режиме р_а = (0,8…0,9) р₀.

Закрывается впускной клапан в точке (а¢¢) уже после прохождения НМТ, что обеспечивает на некоторых режимах, так называемую, дозарядку цилиндра. Количество горючей смеси, поступившей в цилиндр к моменту закрытя впускного клапана, называют свежим зарядом.

Но к моменту начала впуска в объеме камеры сгорания V_с находятся продукты сгорания, оставшиеся от предыдущего цикла - остаточные газы. Совокупность горючей смеси с остаточными газами называют рабочей смесью.

Температура смеси в конце впуска (Т_а) зависит от: · подогрева заряда от нагретых деталей (КС); · охлаждения вследствие испарения топлива; · подогрева заряда от остаточных газов. На номинальном режиме Т_а = 310…350 К.

Совершенство процесса наполнения оценивается коэффициентом наполнения (h_v), Он представляет собой отношение действительного количества поступившей в цилиндр к концу процесса впуска смеси, к тому его количеству, которое разместилось бы в рабочем объеме (объем V_с заполнен остаточными газами), если бы температура (Т_а) и давление (р_а) в конце впуска были бы равны температуре и давлению на входе во впускную систему. р_к и Т_к., Для ДВС без наддува принимают р_к = р₀ и Т_к = Т₀.

h_v = G_вц / (V_h r_o), где r_о – плотность воздуха на входе во впускную систему._. Для ДсИЗ без наддува на номинальном режиме h_v = 0,75…0,85.

Количество остаточных газов характеризуется коэффициентом остаточных газов. Его значение определяется отношением числа киломолей остаточных газов к числу киломолей свежей смеси: g = M_r/ М₁.

Коэффициент остаточных газов увеличивается с увеличением относительного объёма камеры сгорания (т.е. с уменьшением степени сжатия), а также с увеличением давления р_r и уменьшением температуры Т_r остаточных газов., т.е: g = M_r/ М₁ = f (V_c, p_r, T_r).

Процесс впуска заканчивается уже в такте сжатия в момент закрытия впускного клапана (в т. а¢¢). Этот момент соответствует углу поворота коленчатого вала на 45…55° после НМТ. Столь позднее закрытие впускного клапана объясняется возможностью на некоторых режимах работы двигателя заметно повысить его наполнения за счёт волновых явлений во впускном тракте (динамический наддув). Поступление дополнительного заряда воздуха или смеси в цилиндр учитывается коэффициентом дозарядки, представляющим собой отношение числа киломолей свежего заряда в момент закрытия впускного клапана М₁ к числу киломолей заряда в конце такта впуска М_1а, т. е. j₁,= М₁ / М_1а. Величина дозарядки зависит от частоты вращения вала двигателя, от длины впускного трубопровода и от угла запаздывания закрытия впускного клапана.

Такт сжатия протекает при перемещении поршня от НМТ к ВМТ (ас), но сам процесс сжатия начинается в т. a ” после закрытия впускного клапана. Поршень, перемещаясь от НМТ к ВМТ, уменьшает объем надпоршневого пространства и сжимает рабочую смесь. Расчётные параметры рабочего тела в конце такта сжатия (в т. с) зависят от значения степени сжатия ε и от условий теплообмена со стенками в процессе сжатия. При ε = 7…12 они лежат в пределах

р_с = 0,9…1,5 МПа и Т_с = 550…750 К.

При реализации действительного цикла давление в ВМТ (т. с’) выше расчётного на 15…25%, что является следствием повышения давления в результате начавшегося процесса сгорания (после момента подачи искрового заряда).

Угол ПКВ от момента подачи искрового заряда до прихода поршня в ВМТ называют углом опережения зажигания (УОЗ). Назначение УОЗ – организация процесса выделения теплоты, обеспечивающего оптимальную степень расширения продуктов сгорания и, как следствие этого, максимальную эффективность цикла.

Предварительное сжатие смеси выполняет две функции:

· интенсифицирует процесс воспламенения и сгорания смеси, благодаря повышению давления и температуры, а также концентрации смеси в компактном объеме;

· предопределяет более глубокое расширение рабочего тела и большую возможность использования теплоты, выделившейся при сгорании топлива, т. к. расширяет температурный интервал рабочего цикла и тем самым повышает термический КПД цикла, который существенно зависит от степени расширения.

Диапазон значений степени сжатия в ДсИЗ лежит в пределах ε = 7…12 и ограничивается явлением детонации.

Процесс сгоранияв ДсИЗ

Горением называется химическая реакция компонентов топлива с кислородом воздуха, протекающая в условиях самоускорения и сопровождающаяся появлением пламени. В ДсИЗ начальным актом, инициирующим появления очага горения, является искровой разряд, который приводит к воспламенению смеси. Сам процесс сгорания начинается сразу после подачи искрового заряда, длительность которого не превышает 1,5 мс. Поршень в этот момент ещё не доходит до ВМТ. Поскольку воспламенение в ДсИЗ носит «точечный» характер, то начальный очаг воспламенения очень мал, и в начале процесса сгорания видимого повышения давления не наблюдается. Возрастание давления наблюдается несколько позднее, т. е. уже после формирования развитого очага горения. Этот момент определяется преобладанием выделения теплоты в очаге воспламенения, вызванным химической реакцией, над её отводом в окружающие “холодные” слои горючей смеси. После чего начинается распространение пламени по камере сгорания. Распространение пламени представляет собой движение пламени по рабочей смеси и является самоподдерживающимся или самоускоряющимся процессом. Самоускорение горения частично обеспечивается влиянием температуры, которая увеличивает скорость химических реакций. Но значительную роль играют, так называемые, цепные реакции окисления компонентов топлива, в результате которых (помимо конечных продуктов реакции) образуются промежуточные продукты, обладающие высокой активностью. Продвижению пламени по камере сгорания способствует интенсивное турбулентное движение заряда, созданное ещё при впуске и дополнительно интенсифицированное в процессе сжатия. Турбулизация заряда способствует интенсивной передачи теплоты от пламени к несгоревшей смеси.

Поскольку процесс выделения теплоты начинается ещё до ВМТ, то давление в конце такта сжатия выше расчётного и составляет р_с¢ = (1,15…1,25)×р₀.

В процессе сгорания происходит окисление компонентов топлива кислородом воздуха, что сопровождается выделением тепла и увеличением температуры и давления в цилиндре. Интенсификации горения способствует интенсивное движение заряда в цилиндре, создаваемое ещё на такте впуска и сохраняющееся в тактах сжатия и рабочего хода. Такое горение называется турбулентным, и его скорость составляет 30…40 м/с. Только благодаря интенсивной турбулентности заряда в цилиндре, осуществляется своевременное завершение сгорания. Слишком низкая скорость сгорания приводит к тому, что рабочая смесь в отдалённых объёмах камеры сжимается фронтом пламени. В ней происходит повышение давления и температуры, что, в конечном счёте, может привести к объёмному взрыву, называемому детонацией. Наличие последей ограничивает возможное повышение степени сжатия.

Вблизи ВМТ при повороте кривошипа на угол 10…15^о ПКВ после ВМТ давление достигает максимума. Его расчётное значение составляет подчас р_я = 3,5…6,5 МПа. Максимальное значение температуры рабочего тела достигается позднее (на 5…10° ПКВ)..Её расчётное значение составляет T_я = 2400…2800 K. Отношение расчётного максимального давления цикла p_z к расчетному давлению конца сжатия p_c называют степенью повышения давления в процессе сгорания l = p_z / p_c. Для ДсИЗ l = 3,6…4,2.

Процесс сгорания завершается на такте расширения, хотя видимого окончания на индикаторной диаграмме не имеет.

Такт расширения или рабочего хода происходит при движении поршня от ВМТ к НМТ. Собственно сам процесс расширения является частью такта такого названия. Активная часть такта расширения начинается с момента начала снижения давления. В процессе расширения раскаленные газы, увеличивая свой объем, перемещают поршень от ВМТ к НМТ. Совершается т.н. рабочий ход поршня, который через шатун передает усилие на кривошип КВ, приводя его во вращательное движение. Именно в такте расширения совершается полезная работа.

По завершении такта расширения рабочее тело имеет давление и температуру (расчётные значения) соответственно p_b = 0,35…0,50 МПа и Т_b = 1400…1700 К.

Процесс расширения (реальный) заканчивается раньше такта расширения, т.е. до прихода поршня в НМТ, за счет раннего открытия выпускного клапана (в т. b’). В этот момент в цилиндре сохраняется относительно высокое давление, поэтому истечение продуктов сгорания в атмосферу происходит под действием значительного перепада давлений с критической (звуковой) скоростью, вызывающей характерный шум выхлопа. Благодаря раннему открытию выпускного клапана улучшается очистка цилиндров от отработавших газов (ОГ) (60…70% их количества удаляется еще до прихода поршня в НМТ). Благодаря этому уменьшаются затраты на удаление оставшейся части ОГ в такте выпуска.

Такт выпуска протекает при открытом выпускном клапане и движении поршня от НМТ к ВМТ. Поршень вытесняет при своем движении ОГ в выпускной трубопровод и далее в атмосферу. Ввиду сопротивления выпускной системы выпуск протекает под некоторым избыточным давлением p_r = (1.05…1.25) p₀. ОГ покидают цилиндр с температурой T_r = 900…1100^о K.

После прихода поршня в ВМТ в объеме КС остается часть ОГ, которая называется остаточными газами. Закрывается выпускной клапан после прохождения ВМТ с небольшим запаздыванием (в т. a”) уже на такте впуска. Наличие такого запаздывания обеспечивает наличие некоторого открытого сечения выпускного канала в ВМТ, что улучшает очистку цилиндра.

Только такт расширения является рабочим, а остальные три такта: впуска, сжатия и выпуска – вспомогательными, осуществляются за счет кинетической энергии маховика и коленчатого вала, а также за счет работы других цилиндров.

Основной особенностью, определяющей схему идеализации действительного цикла ДсИЗ, является то обстоятельство, что основная доля тепла выделяется вблизи ВМТ. Поэтому в качестве термодинамической модели ДсИЗ принимается цикл с подводом теплоты при постоянном объёме V = const.