В четырехтактном двигателе рабочие процессы происходят следующим образом:
- 1. Такт впуска. При движении поршня от ВМТ к НМТ вследствие образующегося разряжения из воздухоочистителя в полость цилиндра через открытый впускной клапан поступает атмосферный воздух. Давление воздуха в цилиндре составляет 0.08 - 0.095 МПа, а температура 40 - 60 С.
- 2. Такт сжатия. Поршень движется от НМТ к ВМТ; впускной и выпускной клапаны закрыты, вследствие этого перемещающийся вверх поршень сжимает поступивший воздух. Для воспламенения топлива необходимо, чтобы температура сжатого воздуха была выше температуры самовоспламенения топлива. При ходе поршня к ВМТ цилиндр через форсунку впрыскивается дизельное топливо, подаваемое топливным насосом.
- 3. Такт расширения, или рабочий ход. Впрыснутое в конце такта сжатия топливо, перемешиваясь с нагретым воздухом, воспламеняется, и начинается процесс сгорания, характеризующийся быстрым повышением температуры и давления. При этом максимальное давление газов достигает 6-9 МПа, а температура 1800-2000 С. Под действием давления газов поршень 2 перемещается от ВМТ в НМТ - происходит рабочий ход. Около НМТ давление снижается до 0.3-0.5 МПа, а температура до 700 - 900 С.
- 4. Такт выпуска. Поршень перемещается от НМТ в ВМТ и через открытый выпускной клапан 6 отработавшие газы выталкиваются из цилиндра. Давление газов снижается до 0.11-0.12 МПа, а температура до 500-700 С. После окончания такта выпуска при дальнейшем вращении коленчатого вала рабочий цикл повторяется в той же последовательности.
Индикаторную диаграмму, снятую с помощью прибора-индикатора, называют индикаторной диаграммой (рис.1).
Рис. 1
Рассмотрим диаграмму:
- 0-1 - заполнение цилиндра воздухом (при внутреннем смесеобразовании) или рабочей смесью (при внешнем смесеобразовании) при давлении несколько ниже атмосферного из-за гидродинамического сопротивления впускных клапанов и всасывающего трубопровода,
- 1-2 - сжатие воздуха или рабочей смеси,
- 2-3"-3 - период горения рабочей смеси,
- 3-4 - рабочий ход поршня (расширение продуктов сгорания), совершается механическая работа,
- 4-5 - выхлоп отработавших газов, падение давления до атмосферного происходит практически при постоянном объеме,
- 5-0 - освобождение цилиндра от продуктов сгорания.
В реальных тепловых двигателях преобразование теплоты в работу связано с протеканием сложных необратимых процессов (имеются трение, химические реакции в рабочем теле, конечные скорости поршня, теплообмен и др.) Термодинамический анализ такого цикла невозможен Гельман В.М., Москвин М.В. Сельскохозяйственные тракторы и автомобили. - М.: Агропромиздат, 1987, ч I и П..
ДЕЙСТВИТЕЛЬНЫЕ ЦИКЛЫ ДВС
Отличие действительных циклов четырехтактных двигателей от теоретических
Наибольший КПД можно теоретически получить только в результате использования термодинамического цикла, варианты которого были рассмотрены в предыдущей главе.
Важнейшие условия протекания термодинамических циклов:
· неизменность рабочего тела;
· отсутствие всяких тепловых и газодинамических потерь, кроме обязательного отвода теплоты холодильником.
В реальных поршневых ДВС механическая работа получается в результате протекания действительных циклов.
Действительным циклом двигателя называется совокупность периодически повторяющихся тепловых, химических и газодинамических процессов, в результате которых термохимическая энергия топлива преобразуется в механическую работу.
Действительные циклы имеют следующие принципиальные отличия от термодинамических циклов:
Действительные циклы являются разомкнутыми, и каждый из них осуществляется с использованием своей порции рабочего тела;
Вместо подвода теплоты в действительных циклах происходит процесс сгорания, который протекает с конечными скоростями;
Изменяется химический состав рабочего тела;
Теплоемкость рабочего тела, представляющего собой реальные газы изменяющегося химического состава, в действительных циклах постоянно меняется;
Идет постоянный теплообмен между рабочим телом и окружающими его деталями.
Все это приводит к дополнительным потерям теплоты, что в свою очередь ведет к снижению КПД действительных циклов.
Индикаторная диаграмма
Если термодинамические циклы изображают зависимость изменения абсолютного давления (р ) от изменения удельного объема (υ ), то действительные циклы изображаются как зависимости изменения давления (р ) от изменения объема (V ) (свернутая индикаторная диаграмма) или изменения давления от угла поворота коленчатого вала (φ), которая называется развернутой индикаторной диаграммой.
На рис. 1 и 2 показаны свернутая и развернутая индикаторные диаграммы четырехтактных двигателей.
Развернутая индикаторная диаграмма может быть получена экспериментально с помощью специального прибора - индикатора давления. Индикаторные диаграммы можно получить и расчетным путем на основе теплового расчета двигателя, но менее точные.
Рис. 1. Свернутая индикаторная диаграмма четырехтактного двигателя
с принудительным воспламенением
Рис. 2. Развернутая индикаторная диаграмма четырехтактного дизеля
Индикаторные диаграммы используются для изучения и анализа процессов, протекающих в цилиндре двигателя. Так, например, площадь свернутой индикаторной диаграммы, ограниченная линиями сжатия, сгорания и расширения, соответствует полезной или индикаторной работе L i действительного цикла. Величиной индикаторной работы характеризуется полезный эффект действительного цикла:
,
(3.1)
где Q 1 - количество подведенной в действительном цикле теплоты;
Q 2 - тепловые потери действительного цикла.
В действительном цикле Q 1 зависит от массы и теплоты сгорания топлива, вводимого в двигатель за цикл.
Степень использования подводимой теплоты (или экономичность действительного цикла) оценивают индикаторным КПД η i , который представляет собой отношение теплоты, преобразованной в полезную работу L i , к теплоте подведенного в двигатель топлива Q 1 :
,
(3.2)
С учетом формулы (1) формулу (2) индикаторного КПД можно записать так:
, (3.3)
Следовательно, теплоиспользование в действительном цикле зависит от величины тепловых потерь. В современных ДВС эти потери составляют 55 –70 %.
Основные составляющие тепловых потерь Q 2 :
Потери теплоты с отработавшими газами в окружающую среду;
Потери теплоты через стенки цилиндра;
Неполнота сгорания топлива из-за местного недостатка кислорода в зонах горения;
Утечка рабочего тела из рабочей полости цилиндра из-за неплотности прилегающих деталей;
Преждевременный выпуск отработавших газов.
Для сравнения степени использования теплоты в действительных и термодинамических циклах используют относительный КПД
.
В автомобильных двигателях η o от 0,65 до 0,8.
Действительный цикл четырехтактного двигателя совершается за два оборота коленчатого вала и состоит из следующих процессов:
Газообмена - впуск свежего заряда (см. рис. 1, кривая frak ) и выпуск отработавших газов (кривая b"b"rd );
Сжатия (кривая аkс"с" );
Сгорания (кривая c"c"zz" );
Расширения (кривая z z"b"b" ).
При впуске свежего заряда поршень движется, освобождая над собой объем, который заполняется смесью воздуха с топливом в карбюраторных двигателях и чистым воздухом в дизелях.
Начало впуска определяется открытием впускного клапана (точка f ), конец впуска - его закрытием (точка k ). Начало и конец выпуска соответствуют открытию и закрытию выпускного клапана соответственно в точках b" и d .
Не заштрихованная зона b"bb" на индикаторной диаграмме соответствует потере индикаторной работы вследствие падения давления в результате открытия выпускного клапана до прихода поршня в НМТ (предварение выпуска).
Сжатие фактически осуществляется с момента закрытия впускного клапана (кривая k-с" ). До закрытия впускного клапана (кривая а-k ) давление в цилиндре остается ниже атмосферного (p 0 ).
В конце процесса сжатия топливо воспламеняется (точка с" ) и быстро сгорает с резким нарастанием давления (точка z ).
Так как воспламенение свежего заряда происходит не в ВМТ, и сгорание протекает при продолжающемся перемещении поршня, расчетные точки с и z не соответствуют реально протекающим процессам сжатия и сгорания. В результате площадь индикаторной диаграммы (заштрихованная зона), а значит и полезная работа цикла меньше термодинамической или расчетной.
Воспламенение свежего заряда в бензиновых и газовых двигателях осуществляется от электрического разряда между электродами искровой свечи.
В дизелях топливо воспламеняется за счет теплоты нагретого от сжатия воздуха.
Образовавшиеся в результате сгорания топлива газообразные продукты создают давление на поршень, вследствие чего совершается такт расширения или рабочий ход. При этом энергия теплового расширения газа преобразуется в механическую работу.
30.09.2014
Рабочий цикл - совокупность тепловых, химических и газодинамических процессов, последовательно, периодически повторяющихся в цилиндре двигателя с целью преобразования тепловой энергии топлива в механическую энергию. Цикл включает пять процессов: впуск, сжатие, сгорание (горение), расширение, выпуск.
На тракторах и автомобилях, применяемых в лесной промышленности и лесном хозяйстве, устанавливаются дизельные и карбюраторные четырехтактные двигатели. Лесотранспортные машины, в основном, оснащаются четырехтактными дизельными двигателями,
В процессе впуска цилиндр двигателя заполняется свежим зарядом, представляющим собой очищенный воздух у дизельного двигателя или горючую смесь очищенного воздуха с топливом (газом) у карбюраторного двигателя и газодизеля. Горючей смесью воздуха с мелкораспыленным топливом, его парами или горючими газами должно обеспечиваться распространение фронта пламени во всем занятом пространстве.
В процессе сжатия в цилиндре сжимается рабочая смесь, состоящая из свежего заряда и остаточных газов (карбюраторные и газовые двигатели) или из свежего заряда, распыленного топлива и остаточных газов (дизели, многотопливные и с впрыском бензина двигатели и газодизели).
Остаточными газами называются продукты сгорания, оставшиеся после завершения предыдущего цикла и участвующие в следующем цикле.
В двигателях с внешним смесеобразованием рабочий цикл протекает за четыре такта: впуска, сжатия, расширения и выпуска. Такт впуска (рис. 4.2а). Поршень 1, под воздействием вращения коленчатого вала 9 и шатуна 5, перемещаясь к НМТ, создает разряжение в цилиндре 2, в результате чего свежий заряд горючей смеси поступает по трубопроводу 3 через впускной клапан 4 в цилиндр 2.
Такт сжатия (рис. 4.2б). После заполнения цилиндра свежим зарядом впускной клапан закрывается, а поршень, перемещаясь к ВМТ, сжимает рабочую смесь. При этом в цилиндре повышаются температура и давление. В конце такта рабочая смесь воспламеняется от искры, возникающей между электродами свечи 5, и начинается процесс сгорания.
Такт расширения или рабочий ход (рис. 4.2e). В результате сгорания рабочей смеси образуются газы (продукты сгорания), температура и давление которых резко возрастают к приходу поршня в ВМТ. Под воздействием высокого давления газов поршень перемещается к НМТ, при этом совершается полезная работа, передаваемая на вращающийся коленчатый вал.
Такт выпуска (см. рис. 4.2г). В этом такте происходит очистка цилиндра от продуктов сгорания. Поршень, перемещаясь к ВМТ, через открытый выпускной клапан 6 и трубопровод 7 выталкивает продукты сгорания в атмосферу. В конце такта давление в цилиндре незначительно превышает атмосферное давление, поэтому в цилиндре остается часть продуктов сгорания, которые смешиваются с горючей смесью, заполняющей цилиндр при такте впуска следующего рабочего цикла.
Принципиальное отличие рабочего цикла двигателя с внутренним смесеобразованием (дизельных, газодизельных, многотопливных) состоит в том, что на такте сжатия топливоподающая аппаратура системы питания двигателя впрыскивает мелкораспыленное жидкое моторное топливо, которое перемешивается с воздухом (или смесью воздуха с газом) и воспламеняется. Высокая степень сжатия двигателя с воспламенением от сжатия позволяет нагреть рабочую смесь в цилиндре выше температуры самовоспламенения жидкого топлива.
Рабочий цикл двухтактного карбюраторного двигателя (рис. 4,3) применяемого для пуска дизеля трелевочного трактора, совершается за два хода поршня или за один оборот коленчатого вала. При этом один такт является рабочим, а второй - вспомогательным. В двухтактном карбюраторном двигателе отсутствуют впускной и выпускной клапаны, их функцию выполняют впускное, выпускное и продувочные окна, которые открываются и закрываются поршнем при его движении. Через эти окна рабочая полость цилиндра сообщается с впускными и выпускными трубопроводами, а также с герметичным картером двигателя.
Индикаторная диаграмма. Рабочий или действительный цикл двигателя внутреннего сгорания отличается от теоретического, изучаемого в термодинамике, свойствами рабочего тела, представляющего собой реальные газы переменного химического состава, скоростью подвода и отвода тепла, характером теплообмена между рабочим телом и окружающими его деталями и другими факторами.
Действительные циклы двигателей графически изображаются в координатах: давление - объем (р, V) или в координатах: давление - угол поворота коленчатого вала (р, φ). Такие графические зависимости от указанных параметров называются индикаторными диаграммами.
Наиболее достоверные индикаторные диаграммы получаются экспериментально, приборными методами, непосредственно на двигателях. Индикаторные диаграммы, полученные расчетным путем на основании данных теплового расчета, отличаются от действительных циклов вследствие несовершенства методов расчета и применяемых допущений.
На рис. 4.4 приведены индикаторные диаграммы четырехтактных карбюраторного и дизельного двигателей.
Контур г, а, с, z, b, r представляет собой диаграмму рабочего цикла четырехтактного двигателя. Она отражает пять чередующихся и частично перекрывающих друг друга процессов: впуск, сжатие, сгорание, расширение и выпуск. Процесс впуска (r, а) начинается до прихода поршня в BMT (около точки r) и заканчивается после HMT (в точке k). Процесс сжатия заканчивается в точке с, в момент воспламенения рабочей смеси у карбюраторного двигателя или в момент начала впрыска топлива у дизеля. В точке с начинается процесс сгорания, который заканчивается после точки r. Процесс расширения или рабочий ход (r, b) заканчивается в точке b. Процесс выпуска начинается в точке b, т. е. в момент открытия выпускного клапана, и заканчивается за точкой r.
Площадь r, а, с, b, r построена в координатах p-V, следовательно, в определенном масштабе характеризует работу, развиваемую газами в цилиндре. Индикаторная диаграмма четырехтактного двигателя состоит из положительной и отрицательной площадей. Положительная площадь ограничена линиями сжатия и расширения k, с, z, b, k и характеризует полезную работу газов; отрицательная ограничена линиями впуска и выпуска и характеризует работу газов, затрачиваемую на преодоление сопротивления при впуске и выпуске. Отрицательная площадь диаграммы незначительна, ее величиной можно пренебречь, а вычисление производить только по контуру диаграммы. Площадь этого контура эквивалентна индикаторной работе, ее планиметрируют для определения среднего индикаторного давления.
Индикаторной работой цикла называют работу за один цикл, определяемую по индикаторной диаграмме.
Среднее индикаторное давление - это такое условное постоянно действующее давление в цилиндре двигателя, при котором работа газа за один ход поршня равна индикаторной работе цикла.
Среднее индикаторное давление р определяется по индикаторной диаграмме:
Исследование работы реального поршневого двигателя целесообразно производить по диаграмме, в которой дается изменение давления в цилиндре в зависимости от положения поршня за весь
цикл. Такую диаграмму, снятую с помощью специального прибора индикатора, называют индикаторной диаграммой. Площадь замкнутой фигуры индикаторной диаграммы изображает в определенном масштабе индикаторную работу газа за один цикл.
На рис. 7.6.1 изображена индикаторная диаграмма двигателя, работающего с быстрым сгоранием топлива при постоянном объеме. В качестве горючего для этих двигателей применяют легкое топливо бензин, светильный или генераторный газ, спирты и др.
При ходе поршня из левого мертвого положения в крайнее правое через всасывающий клапан засасывается горючая смесь, состоящая из паров и мелких частиц топлива и воздуха. Этот процесс изображается на диаграмме кривой 0-1, которая называется линией всасывания. Очевидно, линия 0-1 не является термодинамическим процессом, так как в нем основные параметры не изменяются, а изменяются только масса и объем смеси в цилиндре. При обратном движении поршня всасывающий клапан закрывается, происходит сжатие горючей смеси. Процесс сжатия на диаграмме изображается кривой 1-2, которая называется линией сжатия. В точке 2, когда поршень еще немного не дошел до левого мертвого положения, происходит воспламенение горючей смеси от электрической искры. Сгорание горючей смеси происходит почти мгновенно, т. е. практически при постоянном объеме. Этот процесс на диаграмме изображается кривой 2-3. В результате сгорания топлива температура газа резко возрастает и давление увеличивается (точка 3). Затем продукты горения расширяются. Поршень перемещается в правое мертвое положение, и газы совершают полезную работу. На индикаторной диаграмме процесс расширения изображается кривой 3-4, называемой линией расширения. В точке 4 открывается выхлопной клапан, и давление в цилиндре падает почти до наружного давления. При дальнейшем движении поршня справа налево из цилиндра удаляются продукты сгорания через выхлопной клапан при давлении, несколько превышающем атмосферное давление. Этот процесс изображается на диаграмме кривой 4-0 и называется линией выхлопа.
Рассмотренный рабочий процесс совершается за четыре хода поршня (такта) или за два оборота вала. Такие двигатели называются четырехтактными.
Из описания работы процесса реального двигателя внутреннего сгорания с быстрым сгоранием топлива при постоянном объеме видно, что он не является замкнутым. В нем имеются все признаки необратимых процессов: трение, химические реакции в рабочем теле, конечные скорости поршня, теплообмен при конечной разности температур и т. д.
Рассмотрим идеальный термодинамический цикл двигателя с изохорным подводом количества теплоты (v=соnst), состоящий из двух изохор и двух адиабат.
На рис. 70.2 и 70.3 представлен цикл в - и – диаграммах, который осуществляется следующим образом.
Идеальный газ с начальными параметрами и сжимается по адиабате 1-2 до точки 2. По изохоре 2-3 рабочему телу сообщается количество теплоты . От точки 3 рабочее тело расширяется по адиабате 3-4. Наконец, по изохоре 4-1 рабочее тело возвращается в первоначальное состояние, при этом отводится количество теплоты в теплоприемник. Характеристиками цикла являются степень сжатия и степень повышения давления .
Определяем термический КПД этого цикла, полагая, что теплоемкость и величина постоянны:
Количество подведенной теплоты , а количество отведенной теплоты .
Тогда термический КПД цикла
Рис. 7.6.2 Рис. 7.6.3
Термический КПД цикла с подводом количества теплоты при постоянном объеме
. (7.6.1) (17:1)
Из уравнения (70.1) следует, что термический КПД такого цикла зависит от степени сжатия и показателя адиабаты или от природы рабочего тела. КПД увеличивается с возрастанием и . От степени повышения давления , термический КПД не зависит.
С учетом – диаграммы (рис. 70.3) КПД определяем из соотношения площадей:
= (пл. 6235-пл. 6145)/пл. 6235 = пл. 1234/пл. 6235.
Очень наглядно можно проиллюстрировать зависимость КПД от увеличения на – диаграмме (рис. 7.70.3).
При равенстве площадей подведенного количества теплоты в двух циклах (пл. 67810=пл. 6235), но при разных степенях сжатия КПД будет больше у цикла с большей степенью сжатия, так как в теплоприемник отводится меньшее количество теплоты, т. е. пл. 61910<пл. 6145.
Однако увеличение степени сжатия ограничивается возможностью преждевременного самовоспламенения горючей смеси, нарушающего нормальную работу двигателя. Кроме того, при высоких степенях сжатия скорость сгорания смеси резко возрастает, что может вызвать детонацию (взрывное горение), которая резко снижает экономичность двигателя и может привести к поломке его деталей. Поэтому для каждого топлива должна применяться определенная оптимальная степень сжатия. В зависимости от рода топлива степень сжатия в изучаемых двигателях изменяется от 4 до 9.
Таким образом, исследования показывают, что в двигателях внутреннего сгорания с подводом количества теплоты при постоянном объеме нельзя применять высокие степени сжатия. В связи с этим рассматриваемые двигатели имеют относительно низкие КПД.
Теоретическая полезная удельная работа рабочего тела зависит от взаимного расположения процессов расширения и сжатия рабочего тела. Увеличение средней разности давлений между линиями расширения и сжатия позволяет уменьшить размеры цилиндра двигателя. Если обозначить среднее давление через то теоретическая полезная удельная работа рабочего тела составит
Давление называют средним индикаторным давлением (или средним цикловым давлением), т. е. это условное постоянное давление, под действием которого поршень в течение одного хода совершает работу, равную работе всего теоретического цикла.
Цикл с подводом количества теплоты в процессе
Изучение циклов с подводом количества теплоты при постоянном объеме показало, что для повышения экономичности двигателя, работающего по этому циклу, необходимо применять высокие степени сжатия. Но это увеличение ограничивается температурой самовоспламенения горючей смеси. Если же производить раздельное сжатие воздуха и топлива, то это ограничение отпадает. Воздух при большом сжатии имеет настолько высокую температуру, что подаваемое в цилиндр топливо самовоспламеняется без всяких специальных запальных приспособлений. И наконец, раздельное сжатие воздуха и топлива позволяет использовать любое жидкое тяжелое и дешевое топливо – нефть, мазут, смолы, каменноугольные масла и пр.
Такими высокими достоинствами обладают двигатели, работающие с постепенным сгоранием топлива при постоянном давлении. В них воздух сжимается в цилиндре двигателя, а жидкое топливо распыляется сжатым воздухом от компрессора. Раздельное сжатие позволяет применять высокие степени сжатия (до ) и исключает преждевременное самовоспламенение топлива. Процесс горения топлива при постоянном давлении обеспечивается соответствующей регулировкой топливной форсунки. Создание такого двигателя связывают с именем немецкого инженера Дизеля, впервые разработавшего конструкцию подобного двигателя.
Рассмотрим идеальный цикл двигателя с постепенным сгоранием топлива при постоянном давлении, т. е. цикл с подводом количества теплоты при постоянном давлении. На рис. 70.4 и 70.5 изображен этот цикл в и диаграммах. Осуществляется он следующим образом. Газообразное рабочее тело с начальными параметрами , , сжимается по адиабате 1-2; затем телу по изобаре 2-3 сообщается некоторое количество теплоты . От точки 3 рабочее тело расширяется по адиабате 3-4. И наконец, по изохоре 4-1 рабочее тело возвращается в первоначальное состояние, при этом в теплоприемник отводится теплота .
Характеристиками цикла являются степень сжатия и степень предварительного расширения .
Определим термический КПД цикла, полагая, что теплоемкости и и их отношение постоянны:
Количество подведенной теплоты
количество отведенной теплоты
Термический КПД цикла
Рис. 7.6.4 Рис. 7.6.5
Среднее индикаторное давление в цикле с подводом теплоты при определяется из формулы
Среднее индикаторное давление увеличивается с возрастанием и .
Цикл с подводом количества теплоты в процессе при и , или цикл со смешанным подводом количества теплоты.
Двигатели с постепенным сгоранием топлива при имеют некоторые недостатки. Одним из них является наличие компрессора, применяемого для подачи топлива, на работу которого расходуется 6–10% от общей мощности двигателя, что усложняет конструкцию и уменьшает экономичность двигателя. Кроме того, необходимо иметь сложные устройства насоса, форсунки и т. д.
Стремление упростить и улучшить работу таких двигателей привело к созданию бескомпрессорных двигателей, в которых топливо механически распыляется при давлениях 50–70 МПа. Проект бескомпрессорного двигателя высокого сжатия со смешанным подводом количества теплоты разработал русский инженер Г. В. Тринклер. Этот двигатель лишен недостатков обоих разобранных типов двигателей. Жидкое топливо топливным насосом подается через топливную форсунку в головку цилиндра в виде мельчайших капелек. Попадая в нагретый воздух, топливо самовоспламеняется и горит в течение всего периода, пока открыта форсунка: вначале при постоянное объеме, а затем при постоянном давлении.
Идеальный цикл двигателя со смешанным подводом количества теплоты изображен в – и – диаграммах на рис. 70.6 и 70.7.
.Определим термический КПД цикла при условии, что теплоемкости , и показатель адиабаты постоянны:
Первая доля подведенного количества теплоты
Вторая доля подведенного количества теплоты
Количество отведенной теплоты
СХЕМА РАБОТЫ 4-Х ТАКТНОГО ДИЗЕЛЯ.
МАРКИРОВКА ДВС.
Маркировка отечественных дизелей производится по ГОСТу 4393-74. Каждый тип двигателя имеет условное буквенное и цифровое обозначение:
Ч - четырёхтактный
Д - двухтактный
ДД - двухтактный двойного действия
Р - реверсивный
С - с реверсивной муфтой
П - с редукторной передачей
К - крейцкопфный
Н - с наддувом
Г - для работы на газовом топливе
ГЖ - для работы на газожидкостном топливе
Цифры впереди букв обозначают число цилиндров; цифры после букв - диаметр цилиндра / ход поршня в сантиметрах. Например: 8ДКРН 74/160, 6ЧСП 18/22, 6Ч 12/14
Маркировка иностранных дизелестроительных фирм:
Двигатели завода SKL германии (бывшего ГДР)
Четырёхтактными ДВС называются двигатели, у которых один рабочий ход (такт) осуществляется за четыре хода поршня, или два оборота коленчатого вала. Тактами являются: впуск (наполнение), сжатие, рабочий ход (расширение), выпуск (выхлоп).
I такт - НАПОЛНЕНИЕ . Поршень движется от ВМТ к НМТ, вследствие чего в надпоршневой полости цилиндра создаётся разряжение, и через открытый впускной (всасывающий) клапан воздух из атмосферы поступает в цилиндр. Объем в цилиндре все время увеличивается. За НМТ клапан закрывается. В конце процесса наполнения воздух в цилиндре имеет следующие параметры: давление Pa=0,85-0,95 кг/см 2 , (86-96 кПа); температура Ta=37-57°C (310-330 K).
II такт - СЖАТИЕ . Поршень движется в обратном направлении и сжимает свежий заряд воздуха. Объем в цилиндре уменьшается. Давление и температура повышаются до значений: Pc=30-45кг/см 2 , (3-4 МПа); Tc = 600-700°C (800-900 K). Эти параметры должны быть такими, чтобы произошло самовоспламенение топлива.
В конце процесса сжатия в цилиндр двигателя из форсунки под большим давлением 20-150 МПа (200-1200 кг/см 2) впрыскивается мелкораспыленное топливо, которое самовоспламеняется под действием высокой температуры и быстро сгорает. Таким образом в течение второго такта происходит сжатие воздуха, подготовка топлива к сгоранию, образование рабочей смеси и начало её горения. В результате процесса горения параметры газа возрастают до значений: Pz=55-80кг/см 2 , (6-8,1 МПа); Tz=1500-2000°C (1700-2200 K).
III такт - РАСШИРЕНИЕ . Под действием усилий, возникающих от давления продуктов сгорания топлива, поршень движется к НМТ. Тепловая энергия газов преобразуется в механическую работу перемещения поршня. В конце такта расширения параметры газа снижаются до значений: Pb=3,0-5,0кг/см 2 , (0,35-0,5 МПа); Tb=750-900°C (850-1100 K).
IV такт - ВЫПУСК . В конце такта расширения (до НМТ) открывается выпускной клапан и газы, имеющие энергию и давление больше атмосферного, устремляются в выпускной коллектор, причём, при движении поршня к ВМТ происходит принудительное удаление выхлопных газов поршнем. В конце такта выпуска параметры в цилиндре будут следующие: давление P 1 =1,1-1,2кг/см 2 , (110-120кПа); температура T 1 =700-800°C (800-1000 K). За ВМТ выпускной клапан закрывается. Рабочий цикл закончен.
В зависимости от положения поршня изменение давления в цилиндре двигателя можно изобразить графически в координатных осях PV (давление - объём) замкнутой кривой, которая называется индикаторной диаграммой. На диаграмме каждая линия соответствует определённому процессу (такту):
1-a - процесс наполнения;
a-c - процесс сжатия;
c-z" - процесс горения при постоянном объёме (V=const);
z"-z - процесс горения при постоянном давлении (P=const);
z-b - процесс расширения (рабочий ход);
b-1 - процесс выпуска;
Po - линия атмосферного давления.
Примечание: если диаграмма расположена выше линии Po, то двигатель оборудован системой наддува и имеет большую мощность.
Крайние положения поршня (ВМТ и НМТ) изображены пунктирными линиями.
Объемы, занятые рабочим телом, в любом положении поршня и заключенные между его донышком и цилиндровой крышкой, откладываются на оси абцисс диаграммы, которые имеют следующие обозначения:
Vc – объем камеры сжатия; Vs – рабочий объем цилиндра;
Va. – полный объем цилиндра; Vx – объем над поршнем в любой момент его движения. Зная положение поршня всегда можно определить над ним объем цилиндра.
На оси ординат (в выбранном масштабе) откладывают давления в цилиндре.
Рассматриваемая индикаторная диаграмма показывает теоретический (расчетный) цикл, где приняты допущения, т.е. такты начинаются и заканчиваются в мертвых точках, поршень находится в ВМТ, камера сгорания заполнена остатками отработавших газов.
В реальных двигателях моменты открытия и закрытия клапанов начинаются и заканчиваются не в мёртвых точках положения поршня, а с определённым смещением, что наглядно видно на круговой диаграмме газораспределения. Моменты открытия и закрытия клапанов, выраженные в градусах поворота коленчатого вала (п.к.в.) называют фазами газораспределения. Оптимальные углы открытия и закрытия клапанов, а также начала подачи топлива определяются экспериментальным путём при испытании опытного образца на стенде завода-изготовителя. Все углы (фазы) указываются в формуляре двигателя.
К моменту поступления заряда воздуха в цилиндр двигателя открывается всасывающий клапан. Точка 1 соответствует положению кривошипа в момент открытия клапана. Для лучшего наполнения цилиндра воздухом всасывающий клапан открывается до ВМТ и закрывается после перехода поршнем НМТ на угол равный 20-40° п.к.в., который обозначается как угол опережения и запаздывания впускного клапана. Обычно угол п.к.в. соответствует процессу впуска равного 220-240°.Когда клапан закрывается наполнение цилиндра заканчивается и кривошип занимает положение, соответствующее точке (2).
После процесса сжатия для самовоспламенения топлива требуется время на его нагревание и испарение. Такой промежуток времени называется периодом задержки самовоспламенения. Поэтому впрыск топлива производится с некоторым опережением до момента прихода поршня в ВМТ на угол 10-35° п.к.в.
УГОЛ ОПЕРЕЖЕНИЯ ПОДАЧИ ТОПЛИВА
Угол между направлением кривошипа и осью цилиндра в момент начала впрыска топлива называют углом опережения подачи топлива. УОПТ отсчитывается от начала подачи до ВМТ и зависит от системы подачи, сорта топлива и частоты вращения вала двигателя. УОПТ у дизелей бывает от 15 до 32° и имеет большое значение на работу ДВС. Очень важно определить оптимальный угол опережения подачи, который должен соответствовать значению завода-изготовителя, указанному в паспорте двигателя.
Оптимальный УОПТ имеет большое значение для нормальной работы двигателя и его экономичности. При правильном регулировании горение топлива должно начинаться до прихода поршня в ВМТ на 3-6° п.к.в. Наибольшее давление Pz, равное расчётному, достигается когда поршень перейдёт ВМТ на угол 2-3° п.к.в. (см."Фазы горения").
При увеличении УОПТ период задержки самовоспламенения (I-я фаза) увеличивается и основная масса топлива сгорает в момент перехода поршнем ВМТ. Это приводит к жёсткой работе дизеля, а также к повышенному износу деталей ЦПГ и КШМ.
Уменьшение УОПТ ведёт к тому, что основная часть топлива поступает в цилиндр при переходе поршнем ВМТ и горит в большем объёме камеры сгорания. Тем самым уменьшается цилиндровая мощность двигателя.
После процесса расширения для уменьшения затрат на выталкивание отработавших газов поршнем производится открытие выпускного клапана с опережением до прихода поршнем в НМТ на угол равный 18-45° п.к.в., который называют углом опережения открытия выпускного клапана. Точка (). Для лучшей очистки цилиндров от продуктов сгорания выпускной клапан закрывается после перехода поршнем ВМТ на угол запаздывания равный 12-20° п.к.в., соответствующей точке () на круговой диаграмме.
Однако, из диаграммы видно, что всасывающий и выпускной клапана некоторое время находятся одновременно в открытом положении. Такое открытие клапанов называют углом перекрытия фаз клапанов, который составляет в сумме 25-55° п.к.в.