Устройство современного двигателя

Рабочий цикл четырехтактного дизельного двигателя

Рабочий цикл авто с дизельным двигателем отличается тем, что при такте впуска в цилиндр двигателя поступает очищенный воздух, а не горючая смесь, как в карбюраторном двигателе.

Первый такт — впуск.

Устройство двигателя современного

автомобиля, устройство систем и механизмов

Поршень перемещается от ВМТ к НМТ, через открытый впускной клапан в цилиндр поступает очищенный воздух (из-за разрежения, создаваемого поршнем). Воздух перемешивается с небольшим количеством оставшихся от предыдущего цикла отработавших газов, температура повышается и в конце такта впуска достигает 300—320 К, а давление 0.08—0.09 МПа. Коэффициент наполнения цилиндра 0,9 и выше, т. е. больше, чем у карбюраторного двигателя.

Работа четырехтактного одноцилиндрового дизельного двигателя:

а — впуск воздуха; б — сжатие; в — рабочий ход; г — выпуск отработавших газов; 1— цилиндр; 2 — топливный насос, 3 — поршень: 4 — форсунка, 5 — впускной клапан, 6 — выпускной клапан

Второй такт — сжатие.

Как устроен простейший двигатель?

Устройство двигателя для детей

Поршень движется от НМТ к ВМТ, впускной и выпускной клапаны закрыты. Давление и температура воздуха увеличиваются и в конце такта составляют соответственно 3—5 МПа и 800—900 К. Степень сжатия регламентируется исправностью деталей КШМ и равна 17—21.

Третий такт — рабочий ход.

В конце такта сжатия (20—30 градусов угла поворота коленчатого вала ло прихода поршня в ВМТ) с помощью насоса через форсунку в цилиндр под высоким давлением (15—20 МПа) в мелкораспыленном виде впрыскивается порция топлива. Топливо от соприкосновения с нагретым воздухом испаряется, его пары перемешиваются с нагретым воздухом и воспламеняются. При сгорании топлива, вследствие подвода большого количества теплоты, резко увеличиваются лишение и температура образовавшихся газов. В начале такта расширения давление газов составляет 7—8 МПа. а температура 2100—2300 К. Под действием давления поршень перемешается от ВМТ к НМТ, совершая полезную работу. Объем цилиндра увеличивается, давление и температура газов снижаются и при подходе поршня к НМТ составляют 0,2-0,4 МПа .

Четвертый такт — выпуск.

Поршень перемещается от НМТ к ВМТ. Через открытый выпускной клапан отработавшие газы выталкиваются через выпускной трубопровод в окружающую среду. В конце такта выпуска давление газов равно 0,11 -0,12 МПа, температура 850—1200. После этого рабочий цикл дизеля повторяется.
В двухтактных двигателях время, отводимое на рабочий цикл, используется более полно, так как процессы выпуска и впуска совмещены по времени с процессами сжатия и рабочего хода. Рабочий цикл происходит за 360 градусов (один оборот коленчатого вала).

При движении поршня от ВМТ к НМТ одновременно происходят процессы расширения и выпуска с продувкой цилиндра, а при обратном движении от НМТ к ВМ1 впуск и сжатие. Изменения параметров цикла (давление и температура) соответствуют изменениям параметров четырехтактного двигателя.
Сравнение рабочих циклов четырех- , двухтактных двигателей показывает, что при одинаковых размерах цилиндра и частоте вращения коленчатого вала мощность двухтактных двигателей выше в 1.5—1,7 раза. Он проще по конструкции и компактнее.
К недостаткам двухтактного двигателя следует отнести ограниченное время газообмена, что ухудшает очистку цилиндра от отработавших газов, увеличивает потери части свежею заряда, снижает экономичность.

Особенности рабочего процесса двигателя Дизеля

Схема рабочего цикла четырехтактного одноцилиндрового дизеля:

Рис. 2. а – впуск воздуха; 6 – сжатие воздуха; в – рабочий ход; г – выпуск отработавших газов;

1 – ци­линдр; 2 – топливный насос; 3 – поршень; 4 – форсунка; 5 – впускной клапан; 6 – выпускной клапан

Рабочий цикл четырехтактного дизеля, как и рабочий цикл четырехтактного карбюраторного двигателя, состоит из четырех этапов: впуска, сжатия, расширения или рабочего хода, и выпуска. Однако рабочий цикл существенно отличается от рабочего цикла карбюраторного двигателя.

В цилиндр дизеля поступает чистый воздух, а не горючая смесь. Воздух сжимается с высокой степенью сжатия (1622) вследствие чего повышается его давление и температура. В конце сжатия в раскаленный воздух из форсунки впрыскивается мелко распыленное топливо, воспламеняющееся не от электрической искры, а от соприкосновения с раскаленным воздухом. Поэтому дизель иногда называют двигателем с воспламенением от сжатия.

Первый такт — наполнение цилиндра воздухом. При движении поршня, (рис. 3, а) от в. м. т. до н. м. т. в цилиндре создается разрежение. Впускной клапан 5 открывается, и цилиндр наполняется воздухом, который предварительно проходит через воздухоочиститель. Давление воздуха в цилиндр (у прогретого двигателя) при такте впуска составляет 80—90 кН/м г (0,8— 0.9 кгс/см 2 ), а температура до 50–80 °С.

Второй такт — сжатие воздуха. Поршень (рис.2, б) движется от н. м, т. до в. м. т., впускной 5 и выпускной 6 клапаны закрыты. Объем воздуха умень­шается, а его давление и температура увеличиваются. Дизели работают с высокими степенями сжатия — от 13 до 22. В конце сжатия давление воз­духа внутри цилиндра повышается до 4000—5000 кН/м 2 (40—50 кгс/см 3 ), а температура до 600—70 °С. Для надежной работы двигателя температура сжатого воздуха в цилиндре дизеля должна быть значительно выше темпе­ратуры самовоспламенения топлива.

Третий такт — рабочий ход. Оба клапана (рис. 9, в) закрыты. При поло­жении поршня около в. м. т. в сильно нагретый и сжатый воздух из фор­сунки. 4 впрыскивается мелко распыленное топливо под большим давлением 13 000—18 500 кН/м 2 (130—185 кгс/см 2 ), создаваемым топливным насосом 2. Топливо перемешивается с воздухом, нагревается и воспламеняется. Часть топлива сгорает при движении поршня к в. м, т., т. е. в конце такта сжатия, а другая часть при движении поршня вниз в начале такта расширения. Обра­зующиеся при сгорании топлива газы увеличивают внутри цилиндра двига­теля давление до 6000—8000 кН/м 2 (60—80 кгс/см 2 ) и температуру до 1800 — 2000° С. Горячие газы расширяются и давят на поршень 3, который пере­мещается от в. м. т. до н. м. т., совершая рабочий ход.

Четвертый такт — выпуск. Поршень 3 перемещается от н. м. т. до в. м. т. (рис. 9, г) и через открытый клапан 6 вытесняет отработавшие газы из цилиндра. Давление и температура в конце выпуска соответственно равны 110—120 кН/м* (1,1 — 1,2 кгс/см 2 ) и 600—700 °С. После такта выпуска рабо­чий цикл дизеля повторяется в рассмотренной последовательности.

Рабочие процессы дизелей

Образование рабочей смеси и распиливание топлива. В дизелях подача топлива и его распыливание в объеме камеры сжатия цилиндра осуществляются топливоподающей системой.

На смесеобразование и сгорание топлива в каждом цикле рабочего процесса дизеля отводятся тысячные доли секунды, в течение которых топливо, поступив в цилиндр, должно пройти стадию подготовки к воспламенению — капли топлива должны нагреться, испариться (топливо горит в парообразном состоянии), пары топлива должны перемещаться с воздухом и затем сгореть. Для полного сгорания необходимо равномерное распределение топлива в среде сжатого воздуха. Оно достигается распыливанием топлива при помощи форсунки в объеме камеры сгорания. Для быстрой подготовки к воспламенению капли топлива должны иметь минимальные размеры и быть однородными по величине. Дальнобойность струи капель должна быть связана с формой камеры сгорания. Капли распыленного топлива должны обладать такой кинетической энергией, при которой они не будут концентрироваться у форсунки, но и не будут попадать на стенки цилиндра и крышки, не испарившись.

Применяются несколько различных конструктивных способов образования рабочей смеси в дизелях.

Дизели с непосредственным (или струйным) распыливанием топлива.

Топливо впрыскивается форсункой 1 (рис. 4.2, а) непосредственно в камеру сжатия цилиндра под высоким давлением -от 20-30 МПа (в начале впрыска) и до 60-80 МПа. При выходе из отверстий форсунки струйки распыленного топлива расширяются. Средняя плотность их от одного поперечного сечения к другому меняется; в пределах каждого сечения в середине струи плотность больше, чем на ее периферии. В результате на внешней поверхности струи имеется избыток кислорода воздуха, тогда как в середине струи его не хватает для горения топлива.

Хорошее качество смесеобразования при непосредственном (струйном) вводе топлива достигается в основном соответствием формы камеры сгорания форме и распределению струй топлива. Достоинствами системы непосредственной подачи топлива в цилиндр надо считать малую величину поверхности охлаждения камеры сгорания и хорошие пусковые качества двигателя. К недостаткам струйной системы относятся: необходимость значительного избытка воздуха, ухудшение качества распыливания при снижении частоты вращения коленчатого вала и высокие давления впрыска, усложняющие работу топливной аппаратуры.

Дизели с вихревыми камерами. Хорошее смесеобразование при относительно низких давлениях распыливания обеспечивается в двигателях с вихревыми камерами. Вихревая камера 2 (рис. 4.2, б) — полость, расположенная в крышке цилиндра 3, соединяется с внутренним пространством цилиндра каналом и составляет часть объема камеры сжатия. Форсунка 1 установлена в вихревой камере. В процессе наполнения часть массы воздуха поступает через канал в камеру 2 и в конце сжатия завихривается в ней. Благодаря завихрению («вращению») воздуха в камере топливо, впрыснутое форсункой, хорошо перемешивается с воздухом. Недостатками этого способа следует считать сложность устройства цилиндровой крышки и ее повышенный нагрев, а преимуществом — малое влияние на качество смесеобразования изменений нагрузки и частоты вращения вала двигателя.

Рис. 4.2. Схемы способов образования рабочей смеси в дизелях:

а — струйное (непосредственное) распыливанне топлива; б — с вихревой камерой; в — с предкамерой

Предкамерные дизели. Топливо распыливается форсункой 1 (рис. 4.2, в) при сравнительно небольшом давлении — 7-10 МПа — в предкамере 4, помещенной в крышке 3 цилиндра и отделенной от камеры сжатия отверстием небольшого диаметра.

В такте сжатия воздух из цилиндра перетекает в предкамеру 4 через ее отверстие. Топливо, впрыснутое форсункой 1 в предкамеру, воспламеняется, и часть его сгорает. Вследствие этого давление в предкамере резко возрастает и оказывается выше давления в остальном объеме цилиндра, поэтому продукты сгорания с большой скоростью выходят из предкамеры, увлекая с собой в цилиндр двигателя и несгоревшую часть топлива, где она догорает. Этим обеспечивается хорошее перемешивание топлива с воздухом и его полное сгорание. Однако пуск такого двигателя в холодном состоянии оказывается затруднительным из-за того, что воздух, проходя через небольшое отверстие в предкамеру, успевает охладиться настолько, что топливо в нем не воспламеняется. Поэтому для пуска прибегают к искусственному зажиганию при помощи спиралей накаливания или других нагревательных устройств. Недостатком предка мерных дизелей надо считать также повышенный расход топлива из-за потерь тепла и снижения давления при проходе воздуха и газа через отверстия предкамеры.

Продувка двухтактных дизелей.

Без удаления продуктов сгорания из цилиндров и без заполнения их каждый раз новым зарядом воздуха невозможно обеспечить работу двигателя. В четырехтактном дизеле удаление продуктов сгорания и наполнение цилиндра воздухом осуществляются поршнем за два отдельных такта. В отличие от четырехтактного дизеля в двухтактном отсутствуют впуск и выпуск как самостоятельные такты, требующие одного оборота вала. Эти процессы осуществляются в небольшие периоды двух основных тактов сжатия и расширения. Поэтому в двухтактных дизелях продувку и наполнение цилиндра осуществляют подачей в цилиндр предварительно сжатого воздуха, который вытесняет продукты сгорания и заполняет объем цилиндра. Простейшая схема продувки (петлевая) представлена на рис. 4.3, а. Во впускной коллектор 4 нагнетателем непрерывно подается сжатый воздух. Коллектор сообщается с продувочными окнами 3 в стенках цилиндра. Более высокие выпускные окна 2 соединяют цилиндр с выпускной трубой 1. Когда под давлением продуктов сгорания поршень движется вниз, он сначала своим телом открывает выпускные окна, чем обеспечивает быстрое падение давления в цилиндре до давления продувки. После этого начинают открываться продувочные окна. Этим предотвращается появление встречного потока газов из цилиндра во впускной коллектор. При движении поршня вверх сначала поршень закрывает продувочные окна, а потом — и выпускные. За время открытия продувочных окон объем цилиндра заполняется воздухом. Пока выпускные окна не закрылись полностью, происходит продувка: часть воздуха выходит из цилиндра; затем с момента закрытия выпускных окон и до прихода поршня в в.м.т. происходит сжатие. Недостатком этой схемы является возможность «застоя» продуктов сгорания в «углах» цилиндра, у крышки.

Рис. 4.3. Способы продувки двухтактных дизелей:

а — петлевая; б-прямоточная двухпоршневая 68

Лучшая очистка цилиндра получается при прямоточной продувке, когда воздух и продукты сгорания движутся в одном направлении — прямым потоком. Прямоточная двухпоршневая продувка осуществляется в двигателях с противоположно движущимися поршнями (рис. 4.3,6). Здесь воздух, входя через продувочные окна 1, движется сплошным столбом по всему сечению цилиндра, вытесняя впереди себя продукты сгорания через выпускные окна 3. Нижний поршень открывает выпускные окна 3, а верхний — продувочные 1. Подбором высоты окон и взаимного расположения верхнего и нижнего кривошипов обеспечивается начало выпуска продуктов сгорания раньше начала продувки. Форсунки 2, размещенные в средней части цилиндра, подают топливо в камеру сгорания, которая образуется поршнями в период их сближения. При расхождении поршней нижний поршень открывает выпускные окна, через которые продукты сгорания выходят из цилиндра. Давление в цилиндре падает. К этому времени верхний поршень начинает открывать продувочные окна. Воздух под давлением поступает в цилиндр, выталкивая продукты сгорания. В дизелях типа Д100 нижний вал при вращении опережает верхний на 12°, поэтому между продувкой и сжатием в этих дизелях происходит дозарядка цилиндра, т. е. продолжается поступление воздуха в цилиндр после закрытия выпускных окон.

Прямоточную продувку имеет также двухтактный дизель с клапанно-щелевым газораспределением (см. рис. 4.1,6). При движении поршня вниз в конце хода расширения сначала открываются выпускные клапаны 6, через которые продукты сгорания выходят в выпускной коллектор. После того как часть газов выйдет из цилиндра, поршень открывает окна 11 и начинается продувка. Для лучшей очистки цилиндра от газов потоку воздуха придают вращательное движение за счет наклона продувочных окон к оси цилиндра.

Наддув дизелей. Так как работа, которую можно получить от дизеля при данных размерах его цилиндров, находится в прямой зависимости от количества сжигаемого топлива, а последнее зависит от массы воздуха в объеме цилиндра, то для повышения мощности дизеля применяют наддув, т. е. подачу в цилиндр воздуха под давлением выше атмосферного.

Наддув позволяет при том же объеме цилиндра, а следовательно, при почти тех же габаритах и массе двигателя увеличить его мощность в 1,5-2,5 раза. Сжатие и подача в цилиндры наддувочного воздуха могут осуществляться либо приводными (от вала дизеля), либо газотурбинными нагнетателями. Устройство и работа нагнетателей рассмотрены в гл. 6. Дизели с газотурбинным наддувом представляют собой комбинированную теплосиловую установку. Рабочий цикл установки отличается продолженным расширением продуктов сгорания почти до атмосферного давления в газовой турбине. Возможны два случая осуществления продолженного расширения. В первом случае турбина на впуске работает в импульсном режиме при переменном давлении отработавших газов и при раздельном их выпуске из каждого цилиндра непосредственно в турбину. Во втором случае перед турбиной поддерживается постоянное давление, что достигается наличием общего выпускного коллектора у дизеля.

Идеальные циклы комбинированных силовых установок приведены на рис. 4.4. Цикл при раздельном выпуске 1-2-3-4-5-6-7- 8 состоит из следующих процессов: 1-2 — адиабатическое сжатие в наддувочном агрегате, 2-3 — сжатие в цилиндре дизеля, 3-4-5 — смешанный подвод тепла, 5-6 — адиабатическое расширение в цилиндре дизеля, 6-7-8 — продолженное расширение и 8-1 — отвод тепла при постоянном давлении, заменяющий собой процесс истечения отработавших газов в атмосферу.

Цикл с постоянным давлением перед турбиной 1-2-3-4-5-6-2- 7-8 отличается тем, что после расширения в цилиндре происходит отвод тепла 6-2 при постоянном объеме, заменяющий собой процесс выпуска из цилиндра, а затем подвод того же количества тепла в турбине при постоянном давлении 2-7.

Круговые диаграммы газораспределения. В действительных рабочих процессах дизелей в отличие от идеальных моменты открытия и закрытия клапанов и подачи топлива не совпадают по времени с положениями поршня в мертвых точках, а отклоняются от них. Реальные фазы газораспределения наглядно представляются круговыми диаграммами (рис. 4.5).

Рис. 4.4. Идеальные циклы комбинированных двигателей с продолженным расширением

В четырехтактных дизелях (см. рис. 4.5, а), чтобы обеспечить лучшее наполнение цилиндра свежим воздухом и осуществить продувку цилиндра, впускной клапан начинает открываться заблаговременно- еще тогда, когда кривошип вала на угол А не дошел до своего верхнего вертикального положения. Это опережение открытия впускного клапана (точка 1) обеспечивает его полное открытие к в.м.т.

Запаздывание закрытия впускного клапана (угол В и точка 2) предусматривают для того, чтобы в конце хода наполнения клапан был бы еще достаточно открыт и обеспечивал проход воздуха в цилиндр по инерции и тогда, когда поршень начнет двигаться вверх (дозарядка).

Опережение открытия выпускного клапана (угол С и точка 5) уменьшает работу на выталкивание отработавших газов поршнем. Период очистки рабочего цилиндра разделяется на выпуск газов при открывшемся выпускном клапане за счет их избыточного давления и выталкивание газов поршнем при его движении от н.м.т. к в.м.т. Опережение открытия выпускного клапана делается таким,чтобы выпуск закончился до прихода поршня в н.м.т. и выталкивание протекало с меньшим противодавлением газов на поршень.

Запаздывание закрытия выпускного клапана (угол О и точка 6) обеспечивает более полную очистку цилиндра от остаточных газов. Так как впускной клапан открывается с опережением (точка 1), а выпускной закрывается с запаздыванием (точка б), то во время поворота кривошипа на дуге 1-6 оба клапана открыты одновременно, что обеспечивает продувку цилиндра и очистку его от газов.

Так как необходимо некоторое время для подготовки топлива к самовоспламенению, то его подача начинается не в начале рабочего хода, а в конце сжатия за угол К (точка 3) до прихода кривошипа в в.м.т. Этот угол называется углом предварения (опережения) подачи топлива. Подача топлива заканчивается в точке 4.

Рис. 4.5. Круговые диаграммы газораспределения:

а — четырехтактного дизеля; б — двухтактного дизеля с противоположно движущимися поршнями

Двухтактные дизели с противоположно движущимися поршнями. Отсчет углов на диаграмме газораспределения дизеля типа Д100 (рис. 4.5, б) ведется по положению кривошипа нижнего поршня от внутренней мертвой точки (в.м.т.). При движении поршня вниз выпускные окна начинают открываться (точка 5), когда кривошип не дошел на определенный угол — 56° — до наружной мертвой точки (н.м.т.). С этого момента в течение времени поворота кривошипа на 16° происходит свободный выпуск газов из цилиндра.

За 40° до н.м.т. (нижнего поршня) верхний поршень открывает продувочные окна (точка 6) и на протяжении 96° поворота кривошипа осуществляется продувка цилиндра. Продувка прекратится после поворота на 56° за н.м.т. (точка 1) при закрытии выпускных окон. Продувочные окна после этого еще открыты: происходит дозарядка цилиндра в течение поворота кривошипа на 8°. С этого момента (точка 2) начинается сжатие. Топливо подается в цилиндр также с некоторым опережением (точка 3).