Принцип действия ДВС

Принцип действия практически всех тепловых двигателей (за исключением паровых) одинаков: сжимается в цилиндре холодное рабочее тело, расширяется горячее, после подвода теплоты, затем следует отвод теплоты. Процессы, происходящие в цилиндре, наглядно описываются индикаторной диаграммой, представляющей графическую зависимость изменения давления над поршнем от объема надпоршневого пространства или хода поршня (рис.2). Название диаграммы происходит от наименования прибора - индикатора, регистрирующего указанную зависимость при испытаниях двигателя. Характерные точки индикаторной диаграммы принято обозначать строго определенными буквами латинского алфавита: a, с, z, b, r.

Реализация рабочего цикла, изображенного на индикаторной диаграмме, осуществляется при перемещении поршня в цилиндре из одного крайнего положения в другое (рис.1). Крайние положения поршня называют, соответственно, верхней мертвой точкой (ВМТ) и нижней мертвой точкой (НМТ); ход поршня от одной мертвой точки к другой - рабочим ходом поршня; процесс, происходящий в цилиндре за рабочий ход - тактом. Важным показателем рабочего цикла является степень сжатия - отношение полного объема V_a к объему камеры сгорания V_c.

Рабочий цикл представляет совокупность тактов, происходящих в цилиндре в определенной последовательности. Работа двигателя осуществляется путем непрерывного повторения рабочих циклов в каждом цилиндре. В каждом рабочем цикле в цилиндре сжигается определенная порция горючей смеси. В бензиновых двигателях горючая смесь необходимого состава приготовляется вне цилиндра, в карбюраторе, а в дизелях - внутри цилиндра.

Для сжигания 1 кг бензина требуется около 15 кг воздуха, примерно такое же соотношение и для дизельного топлива.

Рис.1. Рабочий чикл четырехтактного ДВС: I – впуск свежего заряда; II – сжатие; III – рабочий ход; IV – выпуск отработавших газов.

Двигатели, в которых рабочий цикл совершается за четыре хода поршня (такта), относят к четырехтактным, в двухтактных рабочий цикл содержит два такта. Оба типа двигателей выпускаются как с принудительным зажиганием горючей смеси (цикл Отто), так и с воспламенением от сжатия (цикл Дизеля).

Рассмотрим работу четырехтактного двигателя, работающего по циклу Отто (рис.5, слева) - рабочий цикл состоит из четырех тактов: впуск, сжатие, рабочий ход, выпуск.

Впуск горючей смеси, приготовленной в карбюраторе или впрыснутой во впускной канал, осуществляется за счет разрежения, образующегося при перемещении поршня от ВМТ к НМТ и увеличения объема надпоршневого пространства. На индикаторной диаграмме (рис.2) такту впуска соответствует линия r-а. Давление в конце впуска р_а @ 0,9р_о, где р_о-давление окружающей среды, температура свежего заряда Т_а увеличивается за счет контакта с нагретыми деталями и остаточными газами в цилиндре. Обратим внимание на обозначение термодинамических параметров: индекс “а” обозначает конец впуска, аналогично “с”- конец сжатия и т.п. За такт впуска коленчатый вал поворачивается на угол от 0 до 180^°, а ход поршня будет равен двум радиусам кривошипа коленвала S = 2r.

Сжатие - второй такт, при этом поршень перемещается из НМТ в ВМТ, объем уменьшается, давление и температура заряда возрастают (линия а-с, рис.2). Такт сжатия в тепловых двигателях необходим для увеличения работы цикла. Заметим, что рабочим телом при сжатии является не горючая смесь, а рабочая смесь, которая содержит также некоторый процент остаточных газов. Коленчатый вал за такт сжатия поворачивается от 180 до 360°. Температура Т_с (600...750К) и давление р_с (1,5...2,0МПа) рабочего тела в конце сжатия зависят в основном от Т_а и р_а, а также от степени сжатия.

Рабочий ход осуществляется за счет резкого возрастания температуры и давления продуктов сгорания, так как в конце такта сжатия рабочая смесь воспламеняется с помощью электрической искры.

Горение части смеси происходит мгновенно.

В двигателях с принудительным воспламенением горючей смеси в зазоре между электродами свечи зажигания при прохождении искры возникает температура около 10000 ^°С, смесь воспламеняется и фронт пламени распространяется по камере сгорания. При использовании обогащенной смеси скорость фронта пламени достигает около 200

Рис.2. Индикаторная диаграмма: а – впуск; б – сжатие; в – сгорание и расширение; г – выпуск

м/с, это и обусловливает получение максимальной мощности. Бедные смеси горят со скоростью примерно 20 м/с,

процесс горения растягивается до начала такта впуска очередного цикла, что вызывает появление “хлопков” в карбюратор.

Свойства бензо-воздушной смеси и характер процесса ее горения порождают опасность детонации (взрыва), что ограничивает величину степени сжатия. При детонации скорость фронта пламени превышает 2000 м/с, в несколько раз возрастают давление и температура газов, нагрузки на детали двигателя, что приводит к их разрушению. Причиной детонации может быть несоответствие детонационной стойкости бензина величине степени сжатия, а также перегрузка и перегрев двигателя, слишком раннее зажигание. В современных бензиновых двигателях с электронным управлением топливоподачей степень сжатия доведена до 11...12.

Максимальное давление цикла р_z в современных двигателях достигает 8...8,5 МПа. Температура Т_z часто превышает 2800 К.

Рис.3. Индикаторная диаграмма бензинового двигателя и дизеля

В этом такте совершается полезная работа цикла при перемещении поршня от ВМТ к НМТ, что соответствует повороту коленчатого вала от 360 до 540^°, линия с-z-b на индикаторной диаграмме (см.рис.2).

Выпуск (линия b-r) осуществляется при перемещении поршня от НМТ к ВМТ, коленчатый вал поворачивается от 540 до 720^°. В начале открытия выпускного клапана температура отработавших газов Т_b составляет 1300...1500 К, давление р_b - 0,35...0,5 МПа. Газы покидают цилиндр со скоростью, близкой к сверхзвуковой (400...600 м/с), чем и объясняется высокая интенсивность шума выпуска и необходимость его глушения.

Таким образом, рабочий цикл четырехтактного двигателя совершается за два оборота коленчатого вала (720^°). Следует обратить внимание на быстродействие каждого цикла, включающего четыре такта. Например, при частоте вращения коленчатого вала 6000 мин^-1 выполняется 3000 циклов в минуту, в секунду - 50 циклов, то есть продолжительность цикла - 0,02 с, время такта - 0,005 с.

Рабочий цикл двигателя с воспламенением от сжатия (цикл Дизеля) состоит из таких же тактов, как и в двигателе цикла Отто, но это только внешняя схожесть. Основная разница начинается с такта впуска. В цикле Дизеля цилиндр заполняется чистым воздухом, а не горючей смесью. Потери давления на впуске меньше, чем в карбюраторном двигателе из-за отсутствия карбюратора во впускном тракте. Дизели отличаются высокими значениями степени сжатия e=14...23. В дизеле, в отличие от бензинового двигателя, как уже было замечено, применяется внутреннее смесеобразование: в конце такта сжатия в раскаленный воздух впрыскивается тонкораспыленное дизельное топливо под высоким давлением, частицы топлива тщательно смешиваются с воздухом, прогреваются, частично испаряются и воспламеняются в объеме, причем впрыскивание топлива продолжается в пламя, благодаря чему в начале рабочего хода некоторое время поддерживается постоянное давление в цилиндре (z-z^’ на рис.3, справа). В дизелях процесс горения принципиально отличается, он имеет многостадийный цепной характер. Процесс горения более продолжительный, чем в бензиновых двигателях.

Максимальное давление цикла Р_z в дизелях достигает 8...13 МПа. Однако, максимальная температура Т_z=1800...1900 К в дизелях ниже, чем в карбюраторных двигателях, вследствие их работы на обедненной горючей смеси.

Такт выпуска осуществляется практически так же, как в двигателях с принудительным зажиганием.

В термодинамике используются идеальные циклы ДВС, так как исследование реальных циклов представляет определённые сложности.
При этом принимаются следующие допущения:

a) рабочее тело - идеальный газ с постоянной теплоёмкостью;

b) количество рабочего тела принимается постоянным;

c) подвод и отвод теплоты осуществляется с помощью внешних
источников;

d) разность температур между источником теплоты и рабочим

телом бесконечно мала.

Все современные ДВС по особенностям реального процесса сгорания топлива описываются тремя идеальными циклами:

1. со сгоранием смеси при постоянном объёме;

2. со сгоранием смесипри постоянном давлении;

3. сосмешанным горением: частично при постоянном объёме

и частично при постоянном давлении.