Действительные циклы двигателей внутреннего сгорания.

Действительные рабочие циклы, протекающие при работе реальных поршневых ДВС, существенно отличаются от теоретических или термодинамических циклов. Эти отличия определяются следующим: изменением химического состава рабочего тела в течение цикла; сменой рабочего тела от цикла к циклу; сообщением теплоты рабочему телу по сложным закономерностям, определяемым процессом сгорания; наличием теплообмена между рабочим телом и стенками цилиндра.

Таким образом, в действительном цикле происходят процессы, вызывающие дополнительные по сравнению с теоретическим циклом потери теплоты. В результате КПД действительного цикла меньше КПД теоретического.

Рабочий цикл в цилиндре двигателя характеризуется изменением температуры и давления рабочего тела. Изменение давления газов за цикл может быть представлено графически в виде индикаторной диаграммы. Индикаторная диаграмма используется для изучения и анализа процессов, протекающих в цилиндре двигателей. Она может быть получена с помощью специального прибора — индикатора давления, который регистрирует зависимость давления в цилиндре от угла поворота коленчатого вала . Такая диаграмма называется «развернутой». Полученную индикаторную диаграмму можно с учетом связи между ходом поршня и углом поворота коленчатого вала перестроить в координатах . В этом случае она называется «свернутой». Типичная индикаторная диаграмма четырехтактного карбюраторного двигателя в координатах представлена на рис.2.6, а в координатах на рис.2.7. Сплошными линиями на диаграмме показано изменение давления в цилиндре при подаче топлива, а штриховыми — без подачи топлива.

Площадь «свернутой» диаграммы, «ограниченная линиями сжатия, сгорания и расширения, соответствует действительной индикаторной работе цикла .

Эффективность использования теплоты в действительном цикле определяется индикаторным КПД, представляющим собой отношение теплоты, преобразованной в полезную цикловую работу , к теплоте , введенной в двигатель с топливом, т.е. . Сравнительную оценку степени использования теплоты в действительном и теоретическом циклах обычно проводят по относительному КПД

Действительный цикл четырехтактного карбюраторного двигателя. В четырехтактном карбюраторном двигателе рабочий цикл протекает в течение двух оборотов коленчатого вала.

В карбюраторном двигателе (рис.2.7) с момента начала открытия впускного клапана (точка ) в надпоршневую полость цилиндра из карбюратора поступает горючая смесь. Процесс впуска горючей смеси заканчивается в момент закрытия впускного клапана (точка ). В процессе впуска (линия ) давление понижается вследствие наличия гидравлических сопротивлений при движении воздуха и горючей смеси по впускной системе. В цилиндре двигателя горючая смесь перемешивается с продуктами сгорания, оставшимися от предыдущего цикла, и образуется рабочая смесь.

Сжатие рабочей смеси осуществляется с момента закрытия впускного клапана (линия ). В процессе сжатия вследствие того, что температура рабочей смеси отличается от температуры теплопередающих поверхностей (стенок цилиндра, камеры сгорания и днища поршня), происходит теплообмен между рабочей смесью и этими поверхностями.

Воспламенение рабочей смеси в цилиндре карбюраторного двигателя осуществляется электрической искрой (см. рис.2.6, точка ). Фронт пламени после воспламенения смеси с высокой скоростью (30—50 м/с) распространяется от свечи зажигания по всему объему камеры сгорания. Наибольший эффект использования теплоты достигается в момент, когда основная масса рабочей смеси сгорает при положении поршня вблизи ВМТ в начале такта расширения. Поэтому смесь воспламеняют с некоторым опережением, т. е. до прихода поршня в ВМТ. В этом случае процесс сгорания протекает с интенсивным выделением теплоты на участке, соответствующем повороту коленчатого вала на до ВМТ и после ВМТ. При этом температура и давление в цилиндре быстро возрастают.

Процесс расширения (рабочий ход) значительно отличается от теоретического вследствие догорания топлива и теплообмена газов со стенками, в результате которого теплота отводится в охлаждающую среду.

Процесс удаления отработавших газов из цилиндра двигателя начинается с момента открытия выпускного клапана (точка ). При этом в начале выпуска давление газа значительно выше атмосферного, что обеспечивает его интенсивное истечение из цилиндра. В дальнейшем при перемещении поршня от НМТ к ВМТ происходит принудительное удаление отработавших газов. Определенное количество отработавших газов (остаточных) остается в цилиндре. Процесс выпуска заканчивается в момент, когда закроется выпускной клапан (точка ).

Действительный цикл четырехтактного дизеля. Рабочий цикл четырехтактного дизеля (рис.2.8) включает те же процессы, что и цикл четырехтактного карбюраторного двигателя. Однако цикл дизеля имеет некоторые отличительные особенности. В четырехтактном дизеле при открытии впускного клапана (точка ) в цилиндр поступает только воздух. Процесс впуска заканчивается в точке , когда впускной клапан закрывается. После закрытия впускного клапана в цилиндре дизеля (как и в карбюраторном двигателе) совершается процесс сжатия при движении поршня от НМТ к ВМТ. При этом наблюдается теплообмен между поступившим в цилиндр воздушным зарядом и стенками. В отличие от карбюраторного двигателя в цилиндре дизеля сжимается воздух и остаточные газы.

При приближении поршня к ВМТ (точка т) в камеру сгорания цилиндра дизеля впрыскивается топливо. К этому моменту температура сжатого воздуха достаточно высока и превышает температуру самовоспламенения топлива. Впрыскивание топлива, как правило, заканчивается, когда в камере развивается процесс сгорания. Следовательно, условия перемешивания топлива с воздухом в дизеле по сравнению с карбюраторным двигателем значительно сложнее.

При открытии выпускного клапана (точка ) начинается выпуск отработавших газов, который заканчивается, когда клапан закрывается (точка ).

Действительный цикл двухтактного двигателя. В двухтактных двигателях рабочий цикл осуществляется за один оборот коленчатого вала. Применение двухтактного цикла наиболее целесообразно для дизелей. Индикаторная диаграмма такого дизеля представлена на рис.2.9.

Впрыскивание топлива, его распыливание, смешение с воздухом, воспламенение и сгорание протекают, как и в четырехтактном дизеле. В конце такта расширения за 40—50° до НМТ открываются выпускные клапаны (точка ) при давлении в цилиндре 0,3—0,5 МПа, и начинается выпуск отработавших газов. Давление в цилиндре падает. В точке когда давление в цилиндре ниже давления продувки , поршень открывает продувочные окна; в цилиндр через эти окна под давлением начинает поступать воздух, вытесняющий продукты сгорания (прямоточная продувка). При перемещении поршня к ВМТ продувочные окна закрываются (точка ), продувка прекращается, и до момента закрытия выпускных клапанов (точка ) продолжается очистка полости цилиндра от отработавших газов. В процессе продувки и после ее окончания до закрытия выпускных клапанов) часть свежего заряда «уходит» в выпускную систему. В отдельных случаях выпуск отработавшего газа заканчивается раньше, чем впуск. За период времени, когда открыты продувочные окна, происходит дозарядка (наддув) цилиндра. С момента закрытия поршнем продувочных окон начинается процесс сжатия.

В двухтактных двигателях впуск свежего заряда и выпуск отработавшего газа (процесс газообмена) осуществляется при приближении поршня к НМТ. Для очистки цилиндра от отработавшего газа используется воздух, поступающий от специального продувочного насоса (компрессора). Часть воздуха удаляется из цилиндра вместе с отработавшим газом.