Автомобильные двигатели (АД) (стр. 4 )

Бензиновые двигатели работают по циклу ОТТО, когда при положении поршня в ВМТ топливо сгорает почти мгновенно при постоянном объеме Vc = const по изохорному процессу с–z на (рис. 2).

Такт – «впуск». Линия впуска r–a располагается ниже линии атмосферного давления (Ро), ввиду гидравлических сопротивлений устройств на линии впуска.

Такт – «сжатие». Линия сжатия а–с характеризует повышение давления,

которое достигает наибольшей величины в точке с. Точка с соответствует моменту искрового разряда между электродами свечи зажигания и началу процесса сгорания топлива. Сжатие рабочей смеси происходит по адиабатному процессу.

Рис. 2. Индикаторная диаграмма действительного цикла бензинового

четырёхтактного двигателя

Рис. 3. Диаграмма фаз газораспределения

Такт – «рабочий ход» включает процессы сгорания топлива и расширения продуктов сгорания и соответственно линию сгорания с–z, характеризую­щую резкое повышение давления почти при постоянном объеме до макси­мального в точке z, и линию расширения газов z–b. Расширение газов соответствует политропному процессу.

Такту «выпуск» соответствует линия выпуска b–r, которая располагается выше линии, соответствующей атмосферному давлению, ввиду гидравлических сопротивлений устройств на линии выпуска.

При осуществлении реальных процессов газообмена в четырехтактных АД открытие и закрытие впускных и выпускных клапанов газораспредели­тельного механизма осуществляется при положениях поршня, отличных от его положений в ВМТ и НМТ. На рис. 3 показана типичная диаграмма фаз га­зораспределения АД.

Под фазами газораспределения понимают моменты начала открытия и конца закрытия клапанов, выраженные в градусах угла поворота коленчатого вала относительно мертвых точек.

Одноименные точки на диаграммах фаз газораспределения и индика­торной (рис. 2 и 3) соответствуют моментам открытия (точки a1 и b1) и закры­тия (точки а2 и b2) соответственно впускных и выпускных клапанов. Положе­ние точек открытия и закрытия клапанов на диаграмме фаз газораспределе­ния (рис. 3) определяется величинами соответствующих углов фаз газорас­пределения:

β0 – угол открытия впускного клапана до ВМТ;

βз – угол закрытия впускного клапана после НМТ;

φ0 – угол открытия выпускного клапана до НМТ;

φз – угол закрытия выпускного клапана после ВМТ.

В этом случае линии реальных процессов на индикаторной диаграмме (рис. 2) будут определяться следующими характерными точками их начала и кон­ца:

-  процесс впуска происходит при открытом впускном клапане (точки a1 и а2) по линии a1 –r–а–а2;

-  процесс сжатия происходит при закрытых клапанах по линии а2–с;

-  процесс сгорания происходит при закрытых клапанах по линии с–z;

-  процесс расширения происходит при закрытых клапанах по линии z–b1;

-  процесс выпуска происходит при открытом выпускном клапане (точ­ки b1 и b2) по линии b1 –b–r–b2.

Таким образом, согласно диаграммы фаз газораспределения клапаны открываются со значительным опережением и закрываются с запаздыванием относительно ВМТ и НМТ, при этом существует угол перекрытия клапанов, когда одновременно открыты впускной и выпускной клапаны.

Наличие опережения и запаздывания, а также перекрытия клапанов создает условия для повышения их пропускной способности, а следовательно, улучшения очистки от отработавших газов и наполнения цилиндров свежим зарядом.

Опережение открытия впускного клапана обеспечивает достаточное проходное сечение к началу поступления свежего заряда в цилиндр и улучшает наполнение цилиндра. Запаздывание закрытия впускного клапана дает возможность использовать инерцию впускного потока смеси и происходит дозарядка цилиндра.

Выпускной клапан открывается с опережением в точке b1, когда в ци­линдре имеется избыточное давление 0,3–0,5 МПа, и газы с большой скоро­стью выходят из цилиндра, улучшая его очистку от отработавших газов. При запаздывании закрытия выпускного клапана для очистки цилиндра исполь­зуется отсасывающее действие потока газов в выпускном трубопроводе.

1.6.2  Индикаторная диаграмма четырехтактного дизельного

двигателя в координатах р – V

Индикаторная диаграмма рабочего цикла одноцилиндрового дизельно­го АД, как и бензинового, представляет графическую зависимость давления газов (рабочего тела) от объема внутренней полости цилиндра по всем тактам (рис. 2).

Индикаторная диаграмма также содержит линии соответствующих процессов (тактов) и их характерные точки. Но в отличие от бензинового двигателя в дизеле рабочая смесь сгорает частично по линии c–z' (рис. 2) с резким повышением давления за счет быстрого сгорания (при почти посто­янном объеме) и частично по линии z'–z при почти постоянном давлении. Это определяется тем, что в конце впрыска через форсунку топливо подается уже в пламя камеры сгорания, и горение протекает медленнее при недостатке кислорода и при увеличивающимся объеме рабочего тела. Поэтому давление в цилиндре падает медленно. Поэтому дизельные двигатели работают по смешанному циклу Тринклера.

1.6.3  Работа многоцилиндрового двигателя

У одноцилиндрового двигателя коленчатый вал вращается неравно­мерно: ускоренно во время такта расширения и замедленно при остальных, несмотря на наличие маховика. Сгорание большого заряда горючей смеси, необходимого для получения нужной мощности, создает резкую, ударную нагрузку на детали КШМ, что вызывает значительный износ и вибрацию всего двигателя. Кроме того, у одноцилиндрового двигателя плохая приеми­стость, т. е. способность быстро увеличивать обороты коленчатого вала.

Чтобы устранить эти недостатки одноцилиндровых двигателей, на ав­томобилях устанавливают многоцилиндровые ДВС, у которых такт «расшире­ния» (рабочий ход) происходит чаще в зависимости от числа цилиндров, что обусловливает более равномерное вращение коленчатого вала и позволяет уменьшить размеры маховика. Кроме того, чтобы многоцилиндровый АД ра­ботал более равномерно, такты (рабочий ход) должны следовать через рав­ные промежутки времени или равные угловые интервалы. Для определения равного углового интервала, выраженного в градусах поворота коленчатого вала, продолжительность цикла Т, выраженного также в градусах поворота коленчатого вала, относят к числу цилиндров i, т. е. γ = T/i град.

Для четырехтактного АД Т = 720°, а для двухтактных Т = 360°. Таким образом, за рабочий цикл рабочие ходы совершатся во всех цилиндрах АД.

Последовательность чередования одноименных тактов, например ра­бочего хода, в цилиндрах двигателя называется порядком работы цилиндров двигателя. Порядок работы зависит от расположения цилиндров, взаимного положения кривошипов коленчатого вала и последовательности открытия и закрытия клапанов ГРМ.

Последовательность чередования тактов в зависимости от угла поворота коленчатого вала изображается в виде схемы или таблицы.

Порядок работы цилиндров обозначается на двигателе цифрами, и им пользуются при установке зажигания и регулировке клапанов.

1.7  Мощностные и экономические показатели работы

автомобильных двигателей

Для оценки степени совершенства рабочего цикла и работы АД, а так­же для сравнения двигателей по их экономичности и эффективности исполь­зования рабочего объема цилиндра используются различные показатели.

1.7.1  Показатели, характеризующие рабочий цикл

Рабочий цикл АД графически представляется в виде индикаторной диаграммы в координатах р – V, поэтому индикаторная диаграмма служит для оценки эффективности использования рабочего объема цилиндра двигателя и степени преобразования выделяемой теплоты в полезную работу внутри цилиндра с помощью индикаторных показателей.

Так как индикаторная диаграмма является р – V-диаграммой, то ее площадь, заключенная между линиями сжатия и расширения, графически изображает в некотором масштабе работу, совершаемую газами в цилиндре двигателя за один рабочий цикл.

Площадь индикаторной диаграммы, заключенная между линиями, со­ответствующими тактам «впуска» и «выпуска», эквивалентна работе, затраченной на процессы газообмена («насосные» потери), которые относятся к механи­ческим потерям.

В качестве индикаторных показателей рабочего цикла АД используют­ся: среднее индикаторное давление, индикаторная мощность, индикаторный КПД, индикаторный удельный расход топлива.

Среднее индикаторное давление. Под средним индикаторным давлени­ем pi (МПа) понимается такое условное постоянное давление газов, которое, действуя на поршень, производит за рабочий ход S (м) индикаторную работу Wi (Дж), равную работе газа в цилиндре двигателя за один рабочий цикл.

Работа газов за цикл в одном цилиндре двигателя определяется по формуле:

Wi = pi ·F · S = pi · Vh,

(1)

где F – площадь поршня, м2;

Vh – рабочий объем цилиндра, м3.

Из уравнения (1) получаем pi = Wi/Vh.

Таким образом, среднее индикаторное давление представляет собой индикаторную работу за цикл, отнесенную к единице рабочего объема ци­линдра. Этот показатель дает оценку степени использования рабочего объема цилиндра.

Среднее индикаторное давление можно определить графически по ин­дикаторной диаграмме. При этом определяют площадь диаграммы Fi (рис. 2) и на длине диаграммы, равной ходу поршня (соответствующего рабочему объему цилиндра Vh), как на основании строят прямоугольник 1–2–3–4, площадь которого должна быть равной Fi (м2). Тогда высота этого прямо­угольникам 1–4 будет равна среднему индикаторному давлению в масштабе индикаторной диаграммы.