Робочий цикл чотиритактного карбюраторного двигуна

У циліндр карбюраторного двигуна повітря з паливом вводять у вигляді пальної суміші. Робочий цикл чотиритактного двигуна відбувається так.

Такт впуску. Поршень 3 рухається від ВМТ, до НМТ (Рис. 2, а), створюючи розрідження в порожнині циліндра над поршнем. Впускний клапан 2 відкритий, отже, циліндр через, впускну трубу, карбюратор та повітроочисник сполучається з навколишнім повітрям. Внаслідок зниження тиску в циліндрі; в нього спрямовується струмінь повітря. Проходячи через карбюратор, повітря розпорошує паливо, змішується з ним і в циліндр надходить у вигляді пальної суміші. Заповнення циліндра пальною сумішшю триває протягом усього ходу поршня до НМТ і закінчується в момент закриття впускного клапана.

Пальна суміш, заповнюючи циліндр, перемішується з залишками газів, що не встигли вийти з циліндра після попереднього циклу, і утворює робочу суміш.

Якщо в прямокутній системі координат по осі ординат відкладати тиск Р в циліндрі, по осі абсцис — об'єм циліндра V над поршнем, процес впуску можна графічно зобразити кривою rа, що проходить нижче від лінії атмосферного тиску. Тиск газів у циліндрі під час впуску не перевищує 0,09 МПа (0,9 кгс/см2).

Такт стиснення .Під дією обертального моменту колінчастого вала після НМТ поршень починає рухатись до ВМТ. У цей час впускний клапан закривається (випускний клапан теж закритий), і поршень під час руху стискує суміш у циліндрі. На Рис. 2,а процес стиснення схематично зображено кривою ас. У міру зменшення об'єму робочої суміші її тиск і температура збільшуються, а часточки палива добре перемішуються з повітрям. Чим більший ступінь стиснення, тим більші температура і тиск у кінці такту стиснення. У кінці такту стиснення між електродами свічки проскакує електрична іскра, і робоча суміш займається. Момент проскакування іскри на кривій стиснення позначено буквою с. Теплова енергія, яка виділяється під час згоряння робочої суміші, спричинює різке підвищення температури і тиску газів, що утворилися при цьому, основний період згоряння робочої суміші на діаграмі (Рис. 2,в) схематично зображено кривою сz. Під час згоряння тиск газів підвищується до 3 – 3,5 МПа (30—35 кгс/см2), а температура — до 2500 °С.

Рис. 2. Схема роботи чотиритактного карбюраторного двигуна.

Робочий хід (такт розширення). Впускний і випускний клапани закриті, і поршень від ВМТ під дією сили тиску газів рухається до НМТ і з допомогою шатуна 4 обертає колінчастий вал двигуна створюючи на ньому обертальний момент. З віддаленням поршня від ВМТ об'єм газів у циліндрі збільшується, а їх тиск і температура зменшується.

Процес стиснення і розширення газів у циліндрі під час стиску і робочого ходу нагадує адіабатичний процес з тією тільки відмінністю що від газів у циліндрі двигуна частина теплової енергії відводиться на нагрівання деталей (поршня, свічки, стінок циліндра і камери згоряння). Робочий хід зображено на діаграмі кривою zb (Рис. 2, в).

Такт випуску. Коли поршень під час робочого ходу підходить до НМТ, відкривається випускний клапан 1, і відпрацьовані гази, які мають ще значний тиск (3—4 кгс/см2), починають виходити в атмосферу. Далі поршень рухається від НМТ до ВМТ, виштовхуючи відпрацьовані гази з циліндра. Процес випуску показано на діаграмі кривою br (Рис. 2, г).. Слідом за тактом випуску йде такт впуску, і робочий цикл повторюється.

3.Робочий цикл чотиритактного дизеля

Впуск. Поршень рухається від ВМТ до НМТ і, діючи як насос, створює розрідження у циліндрі. Під впливом різниці тиску з навколишнього середовища у порожнину циліндра через відкритий впускний клапан засмоктується повітря, випускний клапан закритий. Після досягнення НМТ поршень йде до ВМТ, впускний клапан закривається (впуск закінчено). Тиск у циліндрі наприкінці такту становить 0,08—0,09 МПа, температура повітря внаслідок стикання з нагрітими деталями і змішування з продуктами згоряння підвищується до 30—50°С.

Стиск Обидва клапани закриті. Поршень рухається до ВМТ, стискуючи повітря у циліндрі. При наближенні поршня до ВМТ тиск у циліндрі підвищується до 3,5—4 МПа, температура — до 600—700°С. Доза дизельного палива, що впорскується форсункою , змішується з повітрям, тобто створюється суміш, яка одразу ж спалахує, оскільки її температура значно вища за температуру самозаймання дизельного палива. Температура газів підвищується до 1800-2000°С, тиск - до 6-9 МПа.

Робочий хід. Обидва клапани залишаються закритими. Під дією тиску газів, що згоряють, поршень рухається до НМТ і, тиснучи через шатун на кривошип колінчастого вала , обертає його, тобто виконується робота.

Наприкінці ходу поршня, біля НМТ, тиск газів знижується до 0,4—0,5 МПа, температура — до 700—900°С. У цей час відкривається випускний клапан , через значний перепад тиску в циліндрі та зовні починається вихід газів.

Випуск. Поршень, після зупинки у НМТ, знову рухається до ВМТ. Зменшуючи надпоршневий об'єм, поршень виштовхує із циліндра через відкритий випускний клапан продукти згоряння, які залишилися. Тиск у циліндрі становить 0,11—0,12 МПа, температура 400—500°С. Після проходження поршнем ВМТ випускний клапан закривається (випуск закінчено).

Отже, робочим є тільки один такт, інші (впуск, стиск, випуск) — допоміжні.

4. Показники робочого циклу та основні показники роботи двигуна

Процеси, що відбуваються в циліндрах двигуна, характеризуються такими показниками: середнім індикаторним тиском, індикаторною потужністю, індикаторним коефіцієнтом корисної дії (ККД), індикаторною питомою витратою палива.

Середній індикаторний тискLi— це умовний сталий тиск у

циліндрі двигуна, який за один хід поршня виконує роботу, що дорівнює роботі газів упродовж циклу. Згідно з таким визначенням, індикаторну роботу циклу можна подати формулою

Li = PiFS, (1)

де Рі — середній індикаторний тиск; F — площа днища поршня; S — хід поршня.

Водночас середній індикаторний тиск дорівнює роботі, виконаній за цикл, що припадає на одиницю робочого об'єму циліндра:

(2)

де Vh = FS.

Індикаторна потужністьNi — це робота, що здійснюється газами в циліндрах двигуна за одиницю часу (потужність, відповідна індикаторній роботі циклу):

(3)

де n — частота обертання колінчастого вала, хв.-1; і —кількість циліндрів двигуна; t— коефіцієнт тактності двигуна (кількість ходів поршня за цикл: для двотактного — 2, для чотиритактного — 4).

Індикаторна питома витрата паливаqі— це витрата палива, віднесена до індикаторної потужності двигуна:

(4)

де Gn — годинна витрата палива, кг/год.

Ефективність тепловикористання в двигунах визначає індикаторний ККДηi — відношення індикаторної роботи до енергії, що міститься у витрачуваному для її отримання паливі:

(5)

У сучасних автотракторних двигунах за номінального режиму роботи індикаторний ККД становить: для карбюраторних — 0,28 - 0,38; дизельних — 0,42 - 0,52; газових — 0,26 - 0,34.

Частина індикаторної потужності двигуна витрачається на зменшення механічних втрат (тертя, втрати під час газообміну, привід допоміжних механізмів, таких як вентилятор, генератор, насоси тощо, вентиляційні втрати, зумовлені рухом деталей двигуна з великими швидкостями в середовищі повітряно-оливної емульсії і повітря).

Показники двигуна, в яких враховано вищезгадані втрати, називають ефективними.

Середній ефективний тиск Ре — умовний сталий тиск у циліндрі двигуна, який за один хід поршня здійснює роботу, що дорівнює ефективній роботі за цикл. Середній ефективний тиск характеризує роботу, яку отримують за один цикл з одиниці робочого об'єму циліндра:

(6)

де Le = Li - LM; LM — робота механічних втрат.

Показник механічних втрат у двигуні — механічний ККД

(7)

Ефективна потужністьNe — потужність, що відбирається від колінчастого вала двигуна. Вона менша за індикаторну на величину втрат потужності на компенсування механічних втрат:

(8)

Аналогічно індикаторній, формулу для обчислення ефективної потужності двигуна можна записати так:

(9)

Крутний момент Мк — середній за цикл момент, що передається від колінчастого вала, — можна визначити за залежністю для ефективної потужності:

(10)

де ω = pn/30 — кутова швидкість колінчастого вала. Після відповідної підстановки отримаємо

(11)

Ефективну питому витрату палива qe визначають як

(12)

Ефективний ККДη е визначають як відношення кількості теплоти, перетвореної на роботу на колінчастому валу двигуна Qe, до кількості теплоти, підведеної за цикл QЦ:

(13)

З використанням індикаторного та механічного ККД цей по казник виражають так:

ηe = ηi ηm.

За номінального режиму роботи ефективний ККД автотракторних двигунів становить: карбюраторних — 0,25-0,35; дизельних — 0,35 - 0,40; газових — 0,23 - 0,30. При цьому питома ефективна витрата палива карбюраторними двигунами - 300- 370, дизельними - 220 - 270 г/кВт год).

5. Тепловий баланс двигуна

Рівняння балансу характеризує в абсолютних чи відносних величинах розподіл теплоти, що вводиться в двигун. Користуючись ним, можна оцінити теплову напруженість деталей двигуна, розрахувати систему охолодження, визначити резерви у використанні теплоти відпрацьованих газів тощо. Загальний вигляд рівняння в абсолютних величинах такий:

де Q — кількість теплоти, що виділяється під час згоряння введеного в двигун палива за певний час; Qe — теплота, еквівалентна ефективній роботі; Qox+M — теплота, що відводиться системами охолодження і мащення; Qr — теплота, що втрачається з випускними газами (їх температура і теплоємність вищі, ніж свіжого заряду; в дизелі з турбонаддувом частка теплоти відпрацьованих газів використовується в газовій турбіні); QH 3 — теплота, що не виділяється в двигуні внаслідок неповного згоряння; Qзал — залишковий член рівняння.

Найраціональніше двигун витрачає теплоту у режимі його повного завантаження.

Теплова напруженість деталей двигуна характеризується загальним температурним рівнем, перепадом температур у певних зонах, тепловими потоками та їх розподілом. У реальних умовах роботи двигунів температура у верхній зоні циліндрів може перевищувати припустимий рівень, що посилює окислювальні процеси в оливі та нагароутворення (погіршуються умови для підтримання стійкої оливної плівки, втрачається рухливість поршневих кілець).

6. Визначення основних розмірів двигуна

Коли відомі (внаслідок розрахунків або вибору за прототипом) ефективна потужність двигуна, номінальна частота обертання колінчастого вала, кількість циліндрів, відношення ходу поршня S до діаметра циліндра D і середній ефективний тиск Ре можна визначити основні конструкційні параметри двигуна — діаметр циліндра та хід поршня. Всі інші параметри кореляційно пов'язані з основними.

Середній індикаторний тиск визначають за індикаторною діаграмою, яку отримують за результатами теплового розрахунку для номінального режиму роботи аналітичним або графічним методом (перший точніший). Внаслідок відмінності справжніх циклів від теоретичних площа основної частини індикаторної діаграми справжнього циклу менша за площу основної частини — теоретичного циклу. Практично вважають, що де μ — коефіцієнт повноти діаграми (для карбюраторних двигунів — 0,97, для дизельних — 0,92). Згідно з формулою (9),

Водночас

Невідомі D і S визначають за рівнянням r = S/D

Коефіцієнт зв'язку r вибирають, зважаючи на таке: зі зменшенням r знижуються висота й маса двигуна, середня швидкість поршня і, як наслідок, зростає механічний ККД, зменшується зношення, поліпшується наповнення циліндрів. Двигуни з r < 1 називають короткоходовими, а з r > 1 — довгоходовими. Коефіцієнт r сучасних карбюраторних двигунів - 0,85 - 0,95, дизельних — 1,0 - 1,2.

2.Питання для закріплення матеріалу.

1. Які відмінності між горючою сумішшю і робочою сумішшю 2. Яка частина робочого циклу двигуна називається тактом? 3.Дайте визначення термінам ВМТ та НМТ. 4. Який зв’язок між ходом поршня і радіусом кривошипа ? 5. Який з об’ємів циліндра найбільший повний, робочий чи камери згоряння? 6. Дайте визначення терміну „ступінь стиску”. Яке значення цього параметру у сучасних двигунів? 7. Чим відрізняється робочий процес чотиритактного дизельного і карбюраторного двигунів? 8. Яка різниця між індикаторною і ефективною потужністю двигуна? 9. Що характеризує механічний ККД двигуна? 10. Дайте визначення індикаторного ККД двигуна. 11 .Яких значень набуває питома ефективна витрата палива у карбюраторних і дизельних двигунів? 12. На якому режимі роботи двигун найраціональніше витрачає енергію палива? 13. Які дані необхідні для теоретичного визначення ходу поршня і діаметру циліндра двигуна?

3. Рекомендована література.

Л-1, с.22-33, Л-4 с. 14-22, Л-5 с. 28-42, Л-8 с. 13-15, 151-152.


 

Лекція 3. Кривошипно-шатунний механізм

двигунів внутрішнього зГоряння