Особенности действительного четырехтактного цикла дизеля

Отличия действительного цикла дизеля от действительного цикла ДсИЗ определяются: · способом смесеобразования; · способом воспламенения;

· способом регулирования.

1) В дизеле в цилиндры двигателя поступает чистый воздух.

2) Степень сжатия в дизеле в среднем в 2 раза выше, чем в ДсИЗ.

3) Подача топлива в цилиндр происходит в конце такта сжатия под давлением.

4) Высокое давление топлива (р_вп = 60,0…100 МПа) создается периодически в топливном насосе высокого давления (ТНВД), который выполняет следующие функции:

· создание высокого давления;

· подачу топлива;

· дозирование топлива;

· регулирование момента подачи относительно ВМТ.

Традиционная система топливоподачи в дизеле включает в себя (рис.): плунжер 1, втулку 2 с впускным 3 и выпускным 4 окнами, нагнетательный клапан (НК) 5, топливопровод высокого давления (ТВД) 6, форсунку 7 и с иглой 8 и распылителм 9

см схему на стр 17

1-плунжер

2-втулка

3,4 –впускное и выпускное

окна плунжера

5- НК

6-ТВД

7-форсунка

8- игла форсунки

9-распылитель

Плунжер приводится в действие от кулачкового валика, движение которого связано с вращением коленчатого вала (КВ). Плунжер совершает возвратно-поступательное движение (прямое – под действием кулачка и обратное – под действием возвратной пружины).

В начале движения плунжера топливо с помощью топливоподкачивающего насоса (ТПН) под давлением через открытое наполнительное окно втулки поступает из линии низкого давления (ЛНД) в полость втулки.

При своем движении плунжер своей верхней кромкой перекрывает впускное окно, и давление над ним начинает возрастать. Под действием этого давления открывается НК, и топливо попадает в ТВД. Высокое давление достигает иглы форсунки и, преодолевая силу запорной пружины, перемещает ее вверх. Топливо через распылитель впрыскивается в камеру сгорания (КС).

Плунжер имеет винтовой паз, с которым рабочая полость втулки (пространство над плунжером) сообщается через осевой и радиальный каналы. При прямом движении плунжера винтовая кромка совместится с отсечным отверстием во втулке, полость втулки сообщается с ЛНД, давление над плунжером падает, вслед за ним падает давление в ТВД и у иглы форсунки. Форсунка садится в седло под действием силы пружины. Подача прекращается.

Количество подаваемого топлива регулируется поворотом плунжера вокруг оси; в этом случае меняется положение винтовой кромки относительно отсечного окна, и подача топлива прекращается раньше или позже.

5) Процесс смесеобразования происходит в цилиндре дизеля за счет кинетических энергий воздушного заряда (Е_В) и топливных струй (Е_Т). Общая энергия смесеобразования Е_СМ = Е_В + Е_Т. Величина Ет определяется давлением топлива. Кинетическая энергия воздушного заряда Ев создается за счёт вихревого движения воздуха при впуске, которое сохраняется при сжатии и перетекания заряда из надпоршневого объёма в КС при сжатии. Это справедливо для дизелей, у которых камера сгорания формируется углублением в днище поршня: их называют неразделёнными камерами сгорания (НР-КС). Такой тип КС преимущественно используется в настоящее время. В ранее применявшихся разделённых камерах сгорания (Р-КС) (рис.) энергия воздушного заряда создавалась в такте сжатия за счёт перетекания заряда из основной КС во вспомогательную: последняя сформирована в головке цилиндра, а основная образуется выемкой в поршне и объёмом над поршневого пространства между поршнем и головкой цилиндра. (схема на стр.19).

6) Смесь в цилиндре неоднородна, что исключает или затрудняет полное сгорание топлива. Поэтому коэффициент избытка воздуха для дизелей на номинальном режиме значительно выше, чем у ДсИЗ.

a_н = 1,3…1,6, т.е. смесь более бедная.

Особенности протекания рабочего процесса дизеля отражаются на величинах давлений и температур в характерных точках цикла, а также на характере протекания самих процессов.

Процесс впуска

Гидравлические потери во впускной системе заметно меньше, чем в ДсИЗ (отсутствие диффузора и ДЗ), и практически не изменяются при изменении нагрузки двигателя. Вследствие этого давление в конце впуска в точке «а» больше, чем в ДсИЗ и составляет р_а = (0,85…0,92) р_о.

· На температуру Т_а в конце такта впуска оказывают влияние:

· подогрев заряда во ВТ; (DТ) ­;

· охлаждение из-за испарения топлива (DТ_и);

· подогрев в цилиндре из-за остаточных газов (DТ_g).

В дизеле из-за более высокой температуры деталей подогрев во ВТ больше, и отсутствует охлаждение из-за испарения топлива, что повышает Т_а, но меньше подогрев из-за остаточных газов ввиду их меньшего количества из-за большей степени сжатия. В итоге значение Т_а в дизелях остаётся примерно на том же уровне, что и в ДсИЗ, т.е. Т_а = 310…-350^о К.

Процесс сжатия

Назначение процесса сжатия аналогично его назначению в ДсИЗ. Возможность реализации более высокого значения степени сжатия объясняется неоднородностью состава смеси в цилиндре, что исключает вероятность появления детонации, характерной для ДсИЗ.

Процесс сжатия в дизеле характеризуется большими расчётными значениями параметров в конце сжатия из-за большей степени сжатия и отсутствия потерь теплоты на испарение топлива в процессе сжатия. В итоге давление и температура конца такта сжатия заметно выше, чем в ДсИЗ, и составляют: р_с = 3,5…6,0 МПа и Т_с = 700…900 К.

В конце такта сжатия в камеру сгорания под большим давлением впрыскивается топливо. Топливо, проходя через отверстия в распылителях форсунок и встречая сопротивление воздуха, дробится на капли и образует совокупность движущихся капель, называемую топливным факелом. Угол ПКВ от момента начала подачи топлива до ВМТ называют углом опережения впрыскивания (УОВ).

Вследствие начала процесса сгорания фактическое давление в ВМТ превышает расчётное: р_с¢ = (1,05…1,10)×р₀. Это меньше, чем в ДсИЗ, так как на данном участке в дизеле выделяется значительно меньшее количество энергии.

Процесс сгорания

В дизелях подготовка топливно-воздушной смеси (ТВС) происходит за короткий интервал, предшествующий сгоранию основной части топлива. Этот интервал называют периодом задержки воспламенения (ПЗВ) – отрезок времени или угол ПКВ от момента начала подачи топлива до появления первых очагов воспламенения За этот период происходит частичное распыливание топлива (его дробление на капли, что увеличивает поверхность испарения), нагрев капель, частичное их испарение, перегрев паров и их частичное смешение с воздухом с образованием участков с составом смеси, близким с стехиометрическому.

Воспламенение топлива в дизеле происходи вследствие повышения температуры воздуха в камере сгорания в процессе сжатия.

В отличие от ДсИЗ, в дизеле имеет место объёмное воспламенение смеси. Оно происходит в тех объёмах КС, где топливо успело перемешаться с воздухом и образовать с ним смесь подходящего состава за отрезок времени, соответствующий ПЗВ Такими участками являются, как правило, внешние границы топливного факела.. После воспламенения пламя быстро распространяется по этому участку подготовленной смеси.

.Но значительная часть топлива впрыскивается в цилиндр и проходит стадии процесса смесеобразования уже непосредственно в процессе горения. Высокая температура в цилиндре приводит к малой длительности ПЗВ, и скорость сгорания лимитируется смешением топлива с воздухом. Такое сгорание называется диффузионным и характерно только для горения неоднородных смесей. В целом горение развивается медленнее, чем в ДсИЗ.

Процессы подачи топлива, смесеобразования и сгорания в дизеле по месту и времени протекания неотделимы друг от друга и накладываются друг на друга. Значительная часть топлива впрыскивается в цилиндр уже в процессе сгорания и горит уже при заметном увеличении объёма. Таким образом, в зоне ВМТ сгорает значительно меньшая часть топлива, чем в ДсИЗ Процессы смесеобразования не прекращаются после прекращения подачи топлива. Сгорание на этой стадии также является диффузионным, но протекает более медленно, так как смешение остатков топлива с остатками неиспользованного воздуха происходит в менее благоприятных условиях при наличии в цилиндре большого количества продуктов сгорания.

Следствием этого является и то, что степень повышения давления в цикле l = p_z /p = 1,4…2,2, что меньше соответствующих значений в ДсИЗ. Но максимальные давления в цикле дизеля больше, чем в ДсИЗ, и составляют р_z = 6,0…10 МПа, что объясняется более высокой степенью сжатия.

В то же время максимальная температура цикла дизеля T_z меньше, чем в ДсИЗ, и составляет T_z = 1800…2300 K, что объясняется меньшей концентрацией топлива в смеси, т.е. более бедным составом смеси.

Процесс сгорания в дизеле, также как и в ДсИЗ, завершается в такте расширения, хотя видимого окончания на индикаторной диаграмме не имеет.

Процесс расширения

Процесс расширения является частью такта одноимённого названия. Характер его протекания аналогичен тому, что имел место в ДсИЗ. Однако максимум давления в процессе сгорания в дизеле достигается несколько позднее, чем в ДсИЗ и соответствует 15…20° ПКВ после ВМТ. Аналогично максимум температуры наступает позднее (на 8…12° ПКВ) относительно момента достижения максимума давления. Расчётные термодинамические параметры рабочего тела в конце такта расширения составляют р_b = 0,20…0,4 МПа и Т_b = 1000-1200⁰ К, что значительно ниже соответствующих значений в ДсИЗ. Это объясняется большей степенью сжатия и, соответственно, большей степенью последующего расширения продуктов сгорания. Для температуры конца такта расширения Т_b это также объясняется более низким значением максимальной температуры цикла. Т _z.

Процесс расширения (реальный) заканчивается раньше такта расширения в момент начала открытия выпускного клапана, т.е. аналогично тому, что имело место в ДсИЗ..

Процесс выпуска

Процесс выпуска начинается с момента начала открытия выпускного клапана, а такт выпуска протекает при движении поршня от НМТ до ВМТ. Принципиальных особенностей по сравнению с таким же процессом в ДсИЗ не имеет. Давление в конце выпуска р_r определяется так же, как и в ДсИЗ, величиной гидравлических потерь в выпускной системе и составляет р_r = (1,05…1,20)× р_о. Температура рабочего тела в конце выпуска лежит в пределах Т_r = 700…900⁰ K. Т.е ниже, чем в ДсИЗ, что объясняется более низкой температурой конца такта расширения Т_b.

Выводы

1. Неоднородность смеси в цилиндре дизеля, впрыск топлива в цилиндр непосредственно перед сгоранием исключает детонационные явления в процессе сгорания, что позволяет иметь большую степень сжатия e. Более высокая степень сжатия обеспечивает дизелю более высокий интервал температур рабочего цикла, больший КПД и большую экономичность по сравнению с ДсИЗ.

2. Впрыскивание топлива в цилиндр непосредственно перед сгоранием и неоднородность смеси внутри цилиндра позволяют изменять мощность дизеля изменением состава смеси, т.е. количества топлива при почти неизменном количестве воздуха, что называется качественным регулированием. Это связано с тем, что неоднородность смеси в цилиндре дизеля предполагает наличие в КС зон с составом смеси, пригодным для сгорания. При этом уменьшение подачи топлива, реализуемое за счёт ее хвостовой части, приводит к сокращению длительности заключительной фазы сгорания, приближая процесс сгорания к ВМТ. В результате этого возрастает степень последующего расширения продуктов сгорания и, связанное с этим повышение термического КПД цикла. И является одной из причин улучшения экономичности дизеля при его работе на частичных нагрузках.

3. С учётом того, что в дизеле вблизи ВМТ сгорает меньшая часть топлива, то при идеализации цикла дизеля действительный процесс подвода теплоты частично циклом с подводом теплоты частично при постоянном объёме V =onst и частично при при постоянном давлении р = const.

4. В то же время, неоднородность состава смеси в цилиндре дизеля не позволяет иметь на номинальном режиме состав смеси, близкий к стехиометрическому, т. к. из-за неполноты сгорания резко ухудшается экономичность, возрастает теплонапряжённость деталей дизеля и дымность продуктов сгорания. В результате при прочих равных условиях и одинаковых рабочих объёмах двигателя дизели по сравнению с ДсИЗ имеют меньшую мощность.

5. Более высокие давления цикла требуют более тяжелых деталей КШМ, что увеличивает массу дизеля по сравнению с ДсИЗ той же мощности.