Работа четырехтактного дизеля

Оглавление: Впуск ↓ Сжатие ↓ Рабочий ход ↓ Выпуск ↓

Впуск

При движении поршня от верхней мертвой точки вниз в цилиндре образуется разрежение. Клапан, закрывающий впускное отверстие цилиндра, в течение этого такта открыт (рис. 13, а), и наружный воздух по впускному трубопроводу поступает в цилиндр. Цилиндр заполняется воздухом до тех пор, пока поршень не придет в нижнюю мертвую точку и пока не закроется впускной клапан. Этот такт называется впуском.

Рис. 13. Схема работы четырехтактного дизеля: а — впуск; б — сжатие; в — рабочий ход; г — выпуск

Воздухоочиститель, впускной трубопровод и впускное отверстие, через которые воздух поступает в цилиндр, затрудняют свободное движение воздуха. Это объясняется трением воздуха о стенки впускной системы, а также наличием поворотов, сужений и расширений в системе. Кроме того, движение поршня происходит неравномерно. От верхней мертвой точки поршень движется вниз с большим ускорением, и воздух не успевает заполнять объем цилиндра над поршнем.

Вследствие сопротивления впускной системы и инерции движущегося по ней воздуха давление в цилиндре над поршнем во время впуска ниже атмосферного. С увеличением числа оборотов возрастает скорость движения воздуха, а следовательно, возрастает и сопротивление впускной системы и инерция воздуха. Поэтому давление в цилиндре будет тем ниже, чем большее число оборотов развивает двигатель.

К моменту прихода поршня в нижнюю мертвую точку давление в цилиндре ниже атмосферного, а воздух во впускной системе продолжает еще двигаться с большой скоростью. Если в этот момент не закрыть впускной клапан, то воздух будет поступать в цилиндр, хотя объем цилиндра уже не будет увеличиваться, а поршень, поднимаясь, начнет даже сокращать его. Для того чтобы в цилиндр можно было ввести больше воздуха, впускной клапан закрывается не в момент нахождения поршня в нижней мертвой точке, а значительно позже, когда полностью используется разрежение в цилиндре и инерция воздуха во впускной системе. Запаздывание закрытия клапана зависит от скорости вращения коленчатого вала, размеров клапана, устройства впускной системы и других причин. У разных двигателей запаздывание закрытия клапана бывает различным. Его величина колеблется в пределах 15—45° поворота коленчатого вала.

Для того чтобы еще больше увеличить наполнение цилиндра воздухом, впускной клапан открывается раньше подхода поршня к верхней мертвой точке.

Когда впускной клапан только начинает открываться, то первое время образующееся проходное сечение настолько мало, что через него может пройти очень незначительное количество воздуха. Поэтому клапан открывается заблаговременно с таким расчетом, чтобы к моменту, когда разрежение в цилиндре достигнет величины, необходимой для преодоления воздухом сопротивления впускной системы, проходное сечение было уже достаточно большим.

Величина опережения открытия впускного клапана зависит от быстроходности двигателя, размеров и устройства впускной системы и находится в пределах 0—20° поворота коленчатого вала.

Несмотря на то, что время, в течение которого открыт впускной клапан, больше, чем время, в течение которого совершается ход поршня, в цилиндр при впуске поступает все же меньшее количество воздуха, чем может поместиться в полном объеме цилиндра. Отношение веса воздуха, фактически поступившего в цилиндр в течение впуска, к весу воздуха, который мог бы заполнить рабочий объем цилиндра при температуре и давлении окружающей среды, называется коэффициентом наполнения.

Величина коэффициента наполнения меньше единицы и зависит от конструкции впускной системы, моментов открытия и закрытия клапанов и числа оборотов коленчатого вала. Средние значения коэффициента наполнения современных дизелей составляют 0,75—0,85. В двигателях с наддувом, где воздух во время впуска нагнетается в цилиндр, величина коэффициента наполнения выше.

Сжатие

В течение второго полуоборота коленчатого вала поршень движется от нижней мертвой точки вверх (рис. 13,6). Оба клапана во время этого такта закрыты, воздух в цилиндре сжимается и вытесняется в камеру сгорания. Этот такт продолжается до тех пор, пока поршень не достигнет верхней мертвой точки, и называется сжатием.

Объем воздуха, находящегося в цилиндре при сжатии, уменьшается в 14—17 раз, вследствие чего давление и температура воздуха сильно возрастают.

Рабочий ход

Когда поршень подходит к верхней мертвой точке, в цилиндр под большим давлением (до 1400 кг/см²) через форсунку впрыскивается горючее. Горючее распиливается форсункой по камере сгорания и, попадая в сильно сжатый и нагретый воздух, воспламеняется (рис. 13, в).

Горючее, впрыскиваемое через форсунку в цилиндр, воспламеняется не сразу в момент его соприкосновения с горячим воздухом. С момента попадания горючего в цилиндр и до его воспламенения проходит некоторый промежуток времени, в течение которого происходит нагревание горючего, его испарение и протекают связанные с этим химические реакции. Этот промежуток времени называется периодом задержки воспламенения.

Двигатель развивает наибольшую мощность в том случае, когда сгорание горючего происходит при положении поршня вблизи верхней мертвой точки, т. е. когда рабочая смесь занимает наименьший объем. Время, в течение которого впрыскивается горючее, а также период задержки воспламенения очень малы, но все же за этот промежуток времени коленчатый вал поворачивается на 15—30°. Поэтому впрыск горючего в цилиндр производится не тогда, когда поршень находится в верхней мертвой точке, а несколько раньше. Угол, который составляет колено вала с осью цилиндра в момент начала впрыска горючего, называется углом опережения впрыска.

Условия воспламенения горючего и период задержки зависят от температуры воздуха в конце сжатия, качества и свойств горючего, числа оборотов коленчатого вала и ряда других факторов, меняющихся при различных режимах работы двигателя. Поэтому для обеспечения наивыгоднейшей работы двигателя часто предусматривается устройство, позволяющее изменять угол опережения впрыска вручную или автоматически.

Величина периода задержки воспламенения и правильный подбор угла опережения впрыска значительно влияют на мощность и экономические показатели двигателя и определяют жесткость его работы.

Температура в цилиндре при сгорании достигает 1700—2000°С, вследствие чего давление газов возрастает до 60—80 кг/см². Под действием давления газов поршень опускается и посредством шатуна поворачивает коленчатый вал. Во время этого такта уже не нужно затрачивать работу на поворачивание коленчатого вала, как в двух предыдущих, так как работа происходит за счет расширения продуктов сгорания. Поэтому третий такт называется рабочим тактом.

При движении поршня к нижней мертвой точке происходит расширение сгоревших газов. К концу хода поршня давление в цилиндре падает до 4—5 кг/см², а температура понижается до 1100—1300°С.

Выпуск

В конце рабочего такта открывается выпускной клапан и отработавшие газы выходят из цилиндра через выпускную систему в атмосферу.

Выпускная система состоит из выпускного отверстия, закрываемого клапаном, трубопровода и глушителя. Отработавшие газы движутся по выпускной системе с большой скоростью, вследствие чего она (подобно впускной системе) оказывает проходящим газам сопротивление и препятствует полной очистке цилиндра от отработавших газов. Чем больше скорость движения газа, тем больше сопротивление выпускной системы.

Для лучшей очистки цилиндра от отработавших газов увеличивается время, в течение которого происходит выпуск. Для этого выпускной клапан открывается не тогда, когда поршень приходит в нижнюю мертвую точку, а раньше — с опережением на 40—60° поворота коленчатого вала. Открытие выпускного клапана начинается, таким образом, еще во время рабочего хода. Поршень к этому моменту проходит уже значительную часть своего пути, и давление в цилиндре падает, как указывалось, до 4—5 кг/см². Этого давления достаточно для того, чтобы отработавшие газы начали быстро выходить в атмосферу, преодолевая сопротивление выпускной системы. Поэтому к приходу поршня в нижнюю мертвую точку значительная часть газов из цилиндра уже выйдет, и давление в цилиндре будет равно 1,5—2,0 кг/см². При таком давлении поршень, поднимаясь, не встречает большого сопротивления и легко выталкивает оставшиеся в цидиндре газы наружу. Этот такт называется выпуском (рис. 13, г).

Когда поршень приходит в верхнюю мертвую точку, отработавшие газы остаются лишь в камере сгорания. Очищение ее происходит только частично за счет инерции массы газов, заполняющих выпускную систему. Для того чтобы использовать инерцию массы газов, закрытие выпускного клапана производится не в момент нахождения поршня в верхней мертвой точке, а на 5—30° после, т. е. с запаздыванием.

Как уже указывалось, впускной клапан начинает открываться до того, как поршень придет в верхнюю мертвую точку. Следовательно, в течение некоторого времени впускной и выпускной клапаны открыты одновременно. Происходит так называемое перекрытие клапанов. Перекрытие клапанов обеспечивает выталкивание отработавших газов из камеры сгорания и подсасывание воздуха через открывающийся впускной клапан. Таким образом, перекрытие клапанов позволяет уменьшить количество и давление отработавших газов в цилиндре к началу впуска.

Очистка цилиндра от отработавших газов продолжается на протяжении 230—250° поворота коленчатого вала. Полной очистки цилиндра от отработавших газов при работе двигателя все же не происходит, и поступающий при впуске свежий воздух перемешивается с продуктами сгораний, оставшимися в цилиндре от предыдущего цикла. Степень загрязненности поступившего воздуха отработавшими газами характеризуется коэффициентом остаточных газов. Коэффициентом остаточных газов называется отношение количества оставшихся в ’цилиндре отработавших газов к количеству воздуха, поступившего при впуске.

Процессы, происходящие в цилиндре четырехтактного дизеля, показаны в табл. 2.

Таблица 2

Такт	Название такта	Направление движения поршня	Положение клапанов		Процессы, происходящие в цилиндре
Такт	Название такта	Направление движения поршня	впускного	выпускного	Процессы, происходящие в цилиндре
1	Впуск	Вниз	Открыт	Закрыт	Атмосферный воздух через впускной клапан заполняет цилиндр
2	Сжатие	Вверх	Закрыт	Закрыт	Воздух сжимается в цилиндре, вследствие чего температура воздуха повышается
3	Рабочий ход	Вниз	Закрыт	Закрыт	Через форсунку впрыскивается горючее, происходит его воспламенение. Температура в цилиндре резко возрастает, давление увеличивается, под влиянием чего поршень опускается и совершает работу
4	Выпуск	Вверх	Закрыт	Открыт	Отработавшие газы через выпускной клапан выходят наружу

Наполнение цилиндра, полнота очистки его от отработавших газов, а следовательно, и мощность двигателя и его экономичность в большой степени зависят от моментов открытия и закрытия клапанов. Углы отклонения коленчатого вала от положений, соответствующих положениям поршня в верхней или в нижней мертвых точках, при которых начинается открытие или закрытие клапанов, называются фазами газораспределения (рис. 14).

Рис. 14. Фазы газораспределения четырехтактного дизеля КДМ-46

Фазы газораспределения у разных двигателей различны и зависят главным образом от их быстроходности. У тихоходных двигателей фазы газораспределения обычно меньше, у быстроходных — больше. Фазы газораспределения некоторых тракторных дизелей приведены в табл. 3.