Дійсний цикл поршневих двигунів внутрішнього згорання

1.2 Дійсний цикл поршневих двигунів внутрішнього згорання

Дійсним циклом поршневого двигуна внутрішнього згорання називають комплекс процесів, що періодично повторюються і здійснюються з метою перетворення термохімічної енергії палива в механічну роботу.

Зміну тиску газів в циліндрі працюючого двигуна визначають з допомогою спеціального приладу – індикатора тиску, а отриману при цьому діаграму в координатах тиск – об’єм (p – V) або тиск – кут повороту колінчастого вала (р – j) називають індикаторною діаграмою.

Індикаторна діаграма дійсного циклу чотиритактного бензинового двигуна наведена на рис.2. Цей цикл здійснюється за два оберти колінчастого вала або чотири такти (ходи поршня), під час яких в циліндрі відбуваються наступні процеси.

Процес впуску паливної суміші починається в точці а¢, що відповідає початку відкриття впускного клапана, коли поршень ще не дійшов до в.м.т. Закінчується впуск в точці а¢¢, коли впускний клапан повністю закрився, а поршень пройшов н. м. т. Середній тиск газів в циліндрі на протязі впуску діє по напрямку руху поршня до н.м.т.; по значенню він менший за атмосферний р₀, який перешкоджає руху поршня.

Процес стиску заряду проходить після закінчення впуску (точка а¢¢) і супроводжується підвищенням температури і тиску заряду. При наближенні поршня до в.м.т. паливна суміш запалюється електричною іскрою (точка d).

Процес горіння починається в точці d. В цей момент поршень на більшості режимів роботи двигуна ще не доходить до в.м.т. Момент закінчення цього процесу може знаходитись достатньо далеко після в.м.т. Прийнято вважати, що цей процес закінчується в точці z₁. На протязі процесу горіння температура і тиск в циліндрі досягають найбільших значень.

Процес розширення триває від точки z до точки b¢. При розширенні палива теплова енергія, що виділилась в результаті згорання палива, перетворюється в механічну.

Процес випуску починається в точці b¢, що відповідає початку відкриття випускного клапана. Закінчується процес в точці b¢¢, після того, як поршень пройде в.м.т. і випускний клапан закриється.

Процеси, під час яких проходить заміна робочого тіла – впуск і випуск називаються процесами газообміну.

Поділ дійсного циклу на процеси дещо умовний, так як між закінченням попереднього і початком наступного процесів немає чіткої межі.

Рис. 2 Індикаторна діаграма дійсного циклу

1.2.1 Процеси газообміну

Від кількості і складу свіжого заряду в значній мірі залежить отримана в циклі робота, а відповідно, потужність двигуна. Кількість пальної суміші, що поступає в циліндри на протязі процесу впуску залежить від того, наскільки добре циліндри очищаються від відпрацьованих газів під час випуску в попередньому циклі. Таким чином впуск і випуск тісно взаємозв’язані.

Випуск відпрацьованих газів починається в кінці розширення з випередженням 40 – 70⁰ до приходу поршня в н.м.т.

В цей момент тиск в циліндрі р » 0,4...0,6 МПа. Перший період процесу випуску називається періодом вільного випуску і закінчується біля н.м.т., коли випускний клапан є відкритим менше ніж на половину від свого максимального підйому.

Під час другого періоду, тобто при русі поршня від н.м.т. до в.м.т., випуск відбувається під дією поршня.

У випускній і впускній системах двигуна виникають коливальні процеси. Природа коливальних процесів в системах випуску і впуску має багато спільного. Досвід показує, що для кращого газообміну впускний клапан потрібно почати відкривати приблизно за 10 – 30⁰ до приходу поршня в в.м.т., а випускний клапан закривати 10⁰ – 50⁰ після в.м.т. Період, коли одночасно відкриті обидва клапани, називають перекриттям клапанів. Під час перекриття клапанів в залежності від співвідношення значень тиску в циліндрі p, у впускному p_В і випускному p_P трубках гази можуть рухатися в різних напрямках. В оптимальному випадку при p_B<p_P<p через впускний клапан в циліндр поступає свіжий заряд, а через випускний виходять відпрацьовані гази.

Через деякий час після відкриття впускного клапана тиск в циліндрі і перед клапаном вирівнюються і з цього моменту починається впуск.

Тиск в циліндрі в кінці газообміну

p_а = p_В – Dp_а,

де p_В – тиск у впускному трубопроводі, Dp_а – опір впускної системи.

Опір впускної системи визначається за залежністю

Dp_а = k₁×w² = k₂×n²,

де k₁ i k₂ – коефіцієнти пропорціональності, w – швидкість пальної суміші у впускній системі (w = 40 – 80 ^м/_с), n – частота обертання колінчастого вала.

Наближено опір впускної системи може бути визначений за емпіричною формулою

Dp_а = (0,05 – 0,1) p_В.

Для дизелів приймаються нижчі значення коефіцієнта у даній залежності, для бензинових двигунів – вищі.

Орієнтовні значення основних параметрів газообміну, визначених експериментально, наведені в таблиці 1.

Таблиця 1

Параметр	Бензиновий двигун	Дизелі
		без наддуву	з наддувом
Тиск кінця випуску pr, МПа	0,102–0,120	0,102–0,125	(0,75–0,95)pк*
Температура кінця випуску Тr, С	630 – 730	330 – 630	330 – 630
Тиск кінця випуску pа, МПа	0,08 – 0,09	0,08 – 0,09	(0,9–0,96)pк
Температура кінця випуску Та, С	47 – 107	37 – 77	47 – 127

* p_к – тиск наддуву

1.2.2 Процес стиску

При термодинамічному розрахунку процесу стиску вважають, що він протікає на протязі всього ходу поршня від н.м.т. до в.м.т. В теорії поршневих двигунів внутрішнього згорання прийнято вважати, що стиск проходить політропічно з постійним середнім показником n₁ по рівнянню  = const. Тоді тиск заряду в кінці стиску

p_c = p_a,

де e – ступінь стиску.

Температура заряду в кінці стиску

T_c = T_a

Орієнтовні значення параметрів кінця стиску і показника n₁ подані в таблиці 2.

Таблиця 2

Параметр	Бензиновий двигун	Дизелі
		без наддуву	з наддувом*
Ступінь стиску e	6 – 11	15 – 23	12 – 15
Середній показник політропи стиску n1	1,34 – 1,38	1,34 – 1,38	1,34 – 1,38
Тиск в кінці стиску pс, МПа	0,9 – 1,3	2,9 – 6,0	до 8,0
Температура в кінці стиску Тс, С	330 – 480	430 – 630	до 730

* тиск наддуву p_к £ 0,2 МПа

1.2.3 Процес горіння

Горіння є складним фізико-хімічним процесом. На більшу частину показників двигуна впливають, однак, не фізико-хімічні особливості процесу горіння, а закономірності тепловиділення і викликаних ним зміни тиску і температури в циліндрі. Ними визначаються енергетичні і економічні показники циклу, статичні і динамічні навантаження на деталі, що оцінюються максимальним тиском циклу і швидкістю наростання тиску при горінні, теплова напруженість деталей.

Задовільні показники роботи двигуна забезпечуються при тепловиділенні, що починається за 5 – 15⁰ до в.м.т. і завершується через 45 – 50⁰.

Максимальний тиск робочого процесу бензинового двигуна визначається по формулі

p_z = lp_c,

де l – ступінь підвищення тиску в процесі горіння.

Дійсне значення максимального тиску для карбюраторних двигунів рівне

p_zд » 0,85 p_z.

Параметри стану робочого тіла в кінці видимого горіння наведенні в таблиці 3.

Таблиця 3

Параметр	Бензиновий двигун	Дизелі
		однопорожнинні	двопорожнинні
Тиск газів pz, МПа	3 – 5,5	7,5 – 12,5*	5,5 – 7,5
Ступінь підвищення тиску l	3,8 – 4,2	1,7 – 2,1	1,2 – 1,8
Температура Тz, С	2200 – 2500	1500 – 1900	1400 – 1700

* верхні значення для двигунів з наддувом.

1.2.4 Процес розширення

В процесі розширення здійснюється основна частина позитивної роботи циклу. Як і для процесу стиску, дійсний процес з змінним показником політропи може бути замінений умовним з середнім показником, який вибирають так, щоб тиски на початку і в кінці процесу були такими ж, як і в дійсному процесі. Параметри стану робочого тіла в кінці розширення наведені в таблиці 4.

Таблиця 4

Параметр	Бензиновий двигун	Дизель без наддуву
Показник процесу розширення n2	1,23 – 1,34	1,15 – 1,28
Тиск в кінці розширення pr, МПа	0,35 – 0,50	0,2 – 0,4
Температура в кінці розширення Тr, С	930 – 1230	730 – 930

2. Кінематика кривошипно-шатунного механізма

При роботі поршневого двигуна в його кривошипно-шатунному механізмі виникають сили, які визначають умови роботи окремих деталей, а також самого двигуна в цілому.

Величина і характер зміни цих зусиль можуть бути визначені за допомогою рівнянь кінематики і динаміки кривошипно-шатунного механізма. Ці рівняння дозволяють також визначити точне положення для будь-якого кута повороту колінчастого вала, що дуже важливо для розрахунку процесів сучасних автомобільних і тракторних двигунів.

При розгляді кінематики КШМ вважають, що кутова швидкість обертання колінчастого вала w постійна і, відповідно, кут його повороту пропорційний часу t.

В деяких автомобільних і тракторних двигунах застосовують кривошипно-шатунний механізм, у якого вісь циліндра не перетинає вісь колінчастого вала, а зміщена відносно неї на деяку відстань. Такий механізм називають дезаксіальним. Дезаксіал також може бути отриманий зміщенням осі поршневого пальця.

До переваг дезаксіального КШМ слід віднести:

зменшення різниці в тиску поршня на праву і ліву сторони циліндра, що забезпечує більш рівномірне зношування двигуна;

менша швидкість поршня біля В.М.Т., завдяки чому покращується процес згорання робочої суміші;

при нижньому розміщені газорозподільного вала є можливість зменшити відстань між осями колінчастого і газорозподільного валів, а разом з тим діаметри розподільних шестерень і габарити картера привода.