Тема. 2 Принцип работы четырехтактного и двухтактного двигателя с наддувом и без.

 

Четырехтактный ДВС.

Четырехтактный ДВС На рис. 2.1 показана схема работы четырехтактного тронкового дизеля без наддува (четырехтактные двигатели крейцкопфного типа вообще не строят).

Рис. 2.1. Принцип работы четырехтактного ДВС

 

1-й такт – впуск или наполнение. Поршень 1 движется от ВМТ к НМТ. При нисходящем ходе поршня через впускной патрубок 3 и расположенный в крышке впускной клапан 2 в цилиндр поступает воздух, так как давление в цилиндре из-за увеличения объема цилиндра становится ниже давления воздуха (или рабочей смеси в карбюраторном двигателе) перед впускным патрубком р_о. Впускной клапан открывается несколько раньше ВМТ (точка r), т. е, с углом опережения 20…50° до ВМТ, что создает более благоприятные условия для поступления воздуха в начале наполнения. Впускной клапан закрывается после НМТ (точка а'), так как в момент прихода поршня в НМТ (точка а) давление газа в цилиндре еще ниже, чем в впускном патрубке. Поступлению воздуха в рабочий цилиндр в этот период способствует и инерционный подпор воздуха, поступающего в цилиндр- Поэтому впускной клапан закрывается с углом запаздывания 20...45° после НМТ.

Углы опережения и запаздывания определяют опытным путем. Угол поворота коленчатого вала (ПКВ), соответствующий всему процессу наполнения, составляет примерно 220...275° ПКВ.

Отличительная особенность дизеля с наддувом заключается в том, что за время 1-го такта свежий заряд воздуха засасывается не из окружающей среды, а поступает во впускной патрубок при повышенном давлении из специального компрессора. В современных судовых дизелях компрессор приводится в движение газовой турбиной, работающей на отработавших газах двигателя. Агрегат, состоящий из газовой турбины и компрессора, называют турбокомпрессором. В дизелях с наддувом линия наполнения обычно идет выше линии выпуска (4-го такта).

2-й такт – сжатие. При обратном ходе поршня к ВМТ с момента закрытия впускного клапана поступающий в цилиндр свежий заряд воздуха сжимается, в результате чего повышается его температура до уровня, необходимого для самовоспламенения топлива. Топливо в цилиндр впрыскивается форсункой 4 с некоторым опережением до ВМТ (точка n) при высоком давлении, обеспечивающей качественное распыливание топлива. Опережение вспрыскивания топлива до ВМТ необходимо для подготовки его к самовоспламенению в момент прихода поршня в район ВМТ. В этом случае создаются наиболее благоприятные условия для работы дизеля с высокой экономичностью. Угол впрыска на номинальном режиме в МОД обычно равен 1...9°, а в СОД – 8...16° до ВМТ. Момент воспламенения (точка с) на рисунке показан в ВМТ, однако он может быть и несколько смещен относительно ВМТ, т. е, воспламенение топлива может начаться раньше или позднее ВМТ.

3-й такт – сгорание и расширение (рабочий ход). Поршень движется от ВМТ к НМТ. Распыленное топливо, смешанное с горячим воздухом, воспламеняется и сгорает, в результате чего резко повышается давление газов (точка z), а затем начинается их расширение. Газы, действуя на поршень во время рабочего хода, совершают полезную работу, которая через кривошнпно-шатунный механизм передается потребителю энергии. Процесс расширения заканчивается в момент начала открытия выпускного клапана 5 (точка b ’), которое происходит с опережением 20...40°. Некоторое уменьшение полезной работы расширения газа по сравнению с тем, когда клапан стал бы открываться в НМТ, компенсируется снижением затрачиваемой работы на следующем такте.

4-й такт – выпуск. Поршень движется от НМТ к ВМТ, выталкивая отработавшие газы из цилиндра. Давление газов в цилиндре в данный момент несколько выше давления после выпускного клапана. Чтобы полностью удалить отработавшие газы из цилиндра, выпускной клапан закрывается после прохода поршнем ВМТ, при этом угол запаздывания закрытия составляет 10...60° ПКВ. Поэтому в течение времени, соответствующего углу 30...110° ПКВ, одновременно открыты впускной и выпускной клапаны. Это улучшает процесс очистки камеры сгорания от отработавших газов, особенно в дизелях с наддувом, так как давление наддувочного воздуха в данный период выше давления отработавших газов.

Таким образом, выпускной клапан открыт в период, соответствующий 210...280° ПКВ.

Принцип работы четырехтактного карбюраторного двигателя отличается от дизеля тем, что рабочая смесь – топливо и воздух – приготовляется вне цилиндра (в карбюраторе) и поступает в цилиндр в период 1-го такта; смесь воспламеняется в районе ВМТ от электрической искры.

Полезная работа, полученная за периоды 2-го и 3-го тактов, определяется площадью a с zba (площадь с наклонной штриховкой, см, 4-й такт). Но во время 1-го такта двигатель затрачивает работу (с учетом атмосферного давления р_о под поршнем), равную площади над кривой r ' ma до горизонтальной линии, соответствующей давлению р_о. За время 4-го такта двигатель затрачивает работу на выталкивание отработавших газов, равную площади под кривой brr' до горизонтальной линии р_о. Следовательно, в четырехтактном двигателе без наддува работа так называемых «насосных» ходов, т. е. 1-го и 4-го тактов, когда двигатель выполняет роль насоса, является отрицательной (эта работа на индикаторной диаграмме показана площадью с вертикальной штриховкой) и должна быть вычтена из полезной работы, равной разности работ в период 3-го и 2-го тактов, В реальных условиях работа насосных ходов очень мала, в связи с чем эту работу условно относят к механическим потерям, В дизелях с наддувом, если давление наддувочного воздуха, поступающего в цилиндр, выше среднего давления газов в цилиндре в период выталкивания их поршнем, работа насосных ходов становится положительной.

Двухтактный ДВС.

В двухтактных двигателях очистка рабочего цилиндра от продуктов сгорания и наполнение его свежим зарядом, т. е, процессы газообмена, происходят только в тот период, когда поршень находится в районе НМТ при открытых органах газообмена. Очистка цилиндра от отработавших газов при этом осуществляется не поршнем, а предварительно сжатым воздухом (в дизелях) или горючей смесью (в карбюраторных и газовых двигателях). Предварительное сжатие воздуха или смеси происходит в специальном продувочном или наддувочном компрессоре. В процессе газообмена в двухтактных двигателях некоторая часть свежего заряда неизбежно удаляется из цилиндра вместе с отработавшими газами через выпускные органы. В связи с этим подача продувочного или наддувочного компрессора должна быть достаточной, чтобы компенсировать эту утечку заряда.

Выпуск газов из цилиндра происходит через окна или через клапан (количество клапанов может быть от 1 до 4). Впуск (продувка) свежего заряда в цилиндр в современных двигателях осуществляется только через окна. Выпускные и продувочные окна размещены в нижней части втулки рабочего цилиндра, а выпускные клапаны – в крышке цилиндра.

Схема работы двухтактного дизеля с контурной продувкой, т. е. когда выпуск и продувка происходят через окна, показана на рис. 2.2. Рабочий цикл имеет два такта.

1-й такт – ход поршня от НМТ (точка m) до ВМТ. Вначале поршень 6 перекрывает продувочные окна 1 (точка d'), прекращая тем самым поступление свежего заряда в рабочий цилиндр, а затем поршень перекрывает и выпускные окна 5 (точка b '), после чего начинается процесс сжатия воздуха в цилиндре, который заканчивается, когда поршень придет в ВМТ (точка с). Точка n соответствует моменту начала впрыскивания топлива форсункой 3 в цилиндр. Следовательно, в течение 1-го такта в цилиндре заканчиваются выпуск, продувка и наполнение цилиндра, после чего происходит сжатие свежего заряда и начинается впрыскивание топлива.

Рис. 2.2. Принцип работы двухтактного ДВС

 

2-й такт – ход поршня от ВМТ до НМТ. В районе ВМТ форсункой впрыскивается топливо, которое воспламеняется и сгорает, при этом давление газов достигает максимального значения (точка z) и начинается их расширение. Процесс расширения газов заканчивается в момент начала открытия поршнем 6 выпускных окон 5 (точка b), после чего начинается выпуск отработавших газов из цилиндра за счет перепада давления газа в цилиндре и выпускном коллекторе 4. Затем поршень открывает продувочные окна 1 (точка d) и происходят продувка и наполнение цилиндра свежим зарядом. Продувка начнется только после того, как давление газов в цилиндре станет ниже давления воздуха р_s в продувочном ресивере 2.

Таким образом, в течение 2-го такта в цилиндре происходят впрыскивание топлива, его сгорание, расширение газов, выпуск отработавших газов, продувка и наполнение свежим зарядом. Во время этого такта осуществляется рабочий ход, обеспечивающий полезную работу.

Индикаторная диаграмма, представленная на рис. 2, одинакова как для дизеля без наддува, так и для дизеля с наддувом. Полезная работа цикла определяется площадью диаграммы md ' b 'с zbdm.

Работа газов в цилиндре положительна в период 2-го такта и отрицательна во время 1-го такта.