Рабочий цикл дизеля и терминология

[Greck 794]

Дизельный двигатель - это двигатель с внутренним смесеобразованием и воспламенением топлива от сжатия. Автомобильные дизельные двигатели только четырехтактные, поскольку они по сравнению с двухтактными более экономичны, более долговечны и менее требовательны к качеству топлива. Рабочий цикл четырехтактного двигателя осуществляется за 4 хода поршня (такта) или за 2 оборота коленчатого вала двигателя. Рабочим циклом называется ряд последовательно протекающих процессов, повторяющихся в каждом цилиндре и обеспечивающих преобразование тепловой энергии сгорающего топлива в механическую работу, проявляющуюся во вращении коленчатого вала двигателя. Он состоит из 5 рабочих процессов впуска воздуха в цилиндр, сжатия воздуха с вспрыском топлива в конце такта сжатия и воспламенением его от температуры сжатого воздуха, сгорания топливо-воздушной смеси, расширения отработавших газов и выпуска отработавших газов. 4 такта, за которые происходит рабочий цикл: впуск, сжатие, рабочий ход и выпуск. Рабочий ход состоит из двух рабочих процессов сгорания топливо-воздушной смеси и расширения продуктов сгорания. Поршень перемещается между двумя крайними положениями, называемыми мертвыми точками. Верхней мертвой точкой (ВМТ) называется положение поршня, при котором он максимально удален от оси коленчатого вала двигателя. Нижней мертвой точкой (НМТ) называется положение поршня, при котором он максимально приближен к оси коленчатого вала двигателя. Расстояние между ВМТ и НМТ называется ходом поршня. Ход поршня соответствует повороту коленчатого вала двигателя на 180 (пол-оборота). Объем, освобождаемый в цилиндре при перемещении поршня от ВМТ к НМТ, называется рабочим объемом цилиндра. Сумма рабочих объемов всех цилиндров называется рабочим объемом двигателя. Он измеряется в кубических сантиметрах или в литрах, в этом случае он называется литражом двигателя. Пространство в цилиндре над поршнем при его положении в ВМТ называется камерой сгорания. Сумма рабочего объема цилиндра и объема камеры сгорания называется полным объемом цилиндра. Отношение полного объема цилиндра к объему камеры сгорания называется степенью сжатия.

Во время впуска воздух подается в цилиндр через открытый впускной клапан и в конце такта давление в цилиндре двигателя без турбокомпрессора несколько ниже атмосферного, а температура воздуха из-за соприкосновения с нагретыми стенками цилиндра достигает 40-150 °С. Использование турбокомпрессора способствует повышению степени заполнения цилиндра в такте впуска. С изменением направления движения поршня от НМТ к ВМТ начинается такт сжатия. В дизельных двигателях японских автомобилей степень сжатия составляет 17-23. Давление в конце такта сжатия возрастает примерно до 50 кг/см2, а температура превышает 700 °С. В конце такта сжатия в цилиндр впрыскивается топливо под давлением 100-200 кг/см2. Топливо смешивается с воздухом и самовоспламеняется. В процессе горения давление возрастает в несколько раз, а температура повышается примерно до 2000 °С. Скорость нарастания давления определяет характер работы дизеля. Работа дизеля при нарастании давления выше примерно 0,5 МПа на градус поворота коленчатого вала двигателя называется жесткой работой дизеля. Значительное влияние на характер работы дизеля оказывает период задержки воспламенения топлива. При значительной длительности периода задержки воспламенения топливо хорошо подготавливается к сгоранию и сгорает с резким нарастанием давления, т.е. реализуется жесткий режим работы дизеля, при котором возникающие ударные нагрузки воздействуют на элементы двигателя, увеличивая скорость их износа. При снижении длительности периода задержки воспламенения режим становится мягче, но значительное его снижение приводит к ухудшению процесса горения, падению мощности и экономичности двигателя. Длительность периода задержки воспламенения топлива характеризуется цетановым числом (условная единица самовоспламеняемости топлива). Чем меньше цетановое число, тем больше период задержки воспламенения топлива. Цетановое число топлива д.б. не ниже 45 и не выше 50. Использование топлива с цетановым числом ниже 45 приводит к жесткой работе дизеля, а с цетановым числом выше 50 - к уменьшению полноты сгорания топлива и, как следствие, к потере экономичности двигателя и снижению мощности. Следует учитывать, что повышение цетанового числа улучшает условия пуска дизеля. Для полного сгорания топлива на 1 кг топлива требуется 14,7 кг воздуха. Такой состав топливо-воздушной смеси называется стехиометрическим. Для такой смеси коэффициент избытка воздуха принимается равным 1. Коэффициент избытка воздуха характеризует обеднение или обогащение смеси. Например, смесь с коэффициентом избытка воздуха = 0,8 это смесь, содержащая 1 кг топлива и 0,8x14,7 = 11,76 кг воздуха, т.е. обогащенная смесь, а смесь с коэффициентом избытка воздуха = 1,2, это смесь, содержащая 1,2x14,7 = 17,64 кг воздуха и 1 кг топлива, т.е.обедненная смесь. При работе на обогащенной смеси топливо сгорает не полностью и в выхлопных газах повышается содержание вредных примесей. Дизельные двигатели работают только на обедненных смесях, поэтому выхлопные газы дизельного двигателя содержат меньшее количество вредных примесей по сравнению с бензиновыми двигателями. Более высокие температура и давление в цилиндре дизельного двигателя способствуют более полному сгоранию топлива, что обеспечивает более высокую экономичность дизельного двигателя по сравнению с бензиновым.

Сила, прилагаемая к поршню при расширении продуктов сгорания топлива, разлагается на две составляющие, одна из которых прижимает поршень к стенкам цилиндра в направлении, перпендикулярном поршневому пальцу, и вызывает износ поршня и цилиндра преимущественно в этом направлении, а другая направлена по шатуну и также разлагается на две составляющие, одна из которых воздействует на опоры коленчатого вала, а вторая создает крутящий момент двигателя, равный произведению этой силы на радиус кривошипа коленчатого вала. Крутящий мо/Аент измеряется в ньютонометрах (Н-м). Таким образом расширяющиеся продукты сгорания топлива производят работу по перемещению поршня. Работа, произведенная в единицу времени, называется мощностью. Она измеряется в киловаттах (кВт) или в лошадиных силах (л.с). Мощность, развиваемая газами внутри цилиндра, называется индикаторной мощностью двигателя. Мощность, снимаемая с коленчатого вала двигателя, называется эффективной мощностью двигателя. Она несколько ниже индикаторной мощности, что обусловлено частичной потерей индикаторной мощности, например, на преодоление сил трения в узлах двигателя. Отношение эффективной мощности к индикаторной называется механическим коэффициентом полезного действия. Его значение обычно составляет 0,8-0,9. Отношение часового расхода топлива к эффективной мощности называется удельным расходом топлива. Он измеряется в граммах на киловатт-час (г/кВт.час) и характеризует топливную экономичность двигателя.

В конце рабочего хода поршня давление газов снижается до 3-5 кг/см2, а температура снижается примерно до 1500 "С. В НМТ поршень изменяет направление движения и при перемещении к ВМТ выталкивает отработавшие газы из цилиндра через открытый выпускной клапан. Давление в конце такта выпуска составляет примерно 1-1,2 кг/см2, а температура - на уровне 500 °С. Избыточное давление по сравнению с атмосферным вызывается сопротивлением выходных каналов двигателя проходящему потоку воздуха.

 

 

Описанные процессы повторяются поочередно во всех цилиндрах двигателя. Последовательность прохождения одного определенного процесса, например, рабочего хода, в цилиндрах называется последовательностью работы цилиндров. Полезная работа производится только в течение рабочего хода поршня, а все остальные этапы являются подготовительными и осуществляются за счет инерции маховика и за счет рабочих ходов, осуществляемых в других цилиндрах, что делает работу двигателя более плавной.

 

Заполнение цилиндра воздухом и выпуск отработавших газов осуществляется через открывающиеся в определенные моменты впускные и выпускные клапаны. Моменты открывания и закрывания клапанов выражаются в градусах поворота коленчатого вала двигателя относительно ВМТ и НМТ и называются фазами газораспределения. Учитывая, что время заполнения цилиндра воздухом и время выпуска отработавших газов в современных двигателях составляет тысячные доли секунды, конструкторы стремятся по возможности увеличить эти параметры для улучшения наполнения цилиндров воздухом и лучшего освобождения цилиндров от отработавших газов. Для этого впускной клапан открывается за 10-30 градусов по углу поворота коленчатого вала двигателя до момента достижения поршнем ВМТ и закрывается с задержкой относительно момента прохождения поршнем НМТ на 50-70 градусов, т.е. длительность открытого состояния впускного клапана составляет 230-280 градусов по углу поворота коленчатого вала двигателя. Выпускной клапан открывается за 45-60 градусов до НМТ и закрывается с задержкой относительно ВМТ от 0 до 15 градусов по углу поворота коленчатого вала двигателя, т.е. длительность открытого состояния выпускного клапана составляет 230-250 градусов по углу поворота коленчатого вала двигателя. Обычно порядок работы клапанов изображается в виде круговой диаграммы, которую называют диаграммой фаз газораспределения. В справочниках обычно приводится угол положения коленчатогб вала двигателя относительно ВМТ, при котором открывается впускной клапан. Такие данные для некоторых двигателей (в градусах до ВМТ) приведены в таблице.

 

 

Двигатель Угол, град

3B 17

4D56 20

PN 13

RD28 14

SD33 28

DL 25

GL11 16