Индикаторная диаграмма

Рис. 1. Свернутая индикаторная диаграмма четырехтактного двигателя
с принудительным воспламенением

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").

оа — такт впуска; ас — такт сжатия; Zв — такт расширения; во — такт впуска; С1 — момент зажигания; Z — точка максимального давления; d — конец впуска; в1 — начало выпуска; Va — объем камеры сгорания; Vh — рабочий объем одного цилиндра; Р — давление в конце сгорания; Рс — давление в конце сжатия; Рr — среднее индикаторное давление.

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 (p₀). 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.

3. Процесс сжатия Свежий заряд с примесью остаточных газов после процесса впуска подвергается сжатию.

Назначение процесса сжатия: 1) увеличение температурного перепада, при котором осуществляется действительный цикл; 2) улучшение воспламенения и горения топлива; 3) получение большей работы при расширении продуктов сгорания и повышение экономичности двигателя.

Процесс сжатия происходит при движении поршня от НМТ к ВМТ после закрытия впускного клапана. Но если в термодинамических циклах сжатие происходило без теплообмена (адиабатическое сжатие), то в действительных циклах этот процесс сопровождается непрерывным, переменным по величине и направлению теплообменом между рабочим телом и окружающими его деталями, частичной потере рабочего тела через неплотности в сопряжениях деталей и испарением части находящегося в цилиндре в капельножидком состоянии топлива. Таким образом, процесс сжатия носит политропный характер.

В начале сжатия происходит теплопередача от деталей к рабочему телу, так как температура Т_а рабочего тела в этот момент ниже температуры стенок полости цилиндра. В результате кривая процесса сжатия в р—V координатах проходит несколько круче кривой адиабатного сжатия (рис. 10), и показатель n₁, политропы сжатия больше показателя k адиабаты сжатия.

При дальнейшем сжатии температура рабочего тела увеличивается, и теплообмен между рабочим телом и окружающими его деталями снижается. В какой-то момент температура рабочего тела становится равной температуре стенок цилиндра, и наступает мгновенный адиабатный процесс. Показатели политропы и адиабаты сжатия становятся равными: n₁ = k (точка d).

Рис. 10. Зависимости изменения давления (а) и показателя политропы сжатия (б) от объема полости цилиндра

При продолжении сжатия температура рабочего тела становится выше средней температуры окружающих его деталей, и теплота начинает переходить от рабочего тела к деталям двигателя. В этом случае кривая сжатия проходит выше кривой адиабаты сжатия, n₁<k. Причем разность значений увеличивается по мере приближения поршня к ВМТ.

При расчетах использовать переменные значения показателя политропы затруднительно. Поэтому применяют постоянное значение показателя n₁, которое находится от 1,2 до 1,4 и называется средним.

Большие значения показатель политропы сжатия принимает при более высоких частотах вращения коленчатого вала, при этом процесс сжатия приближается к адиабатному. Это же наблюдается и при увеличении размеров цилиндра так как уменьшается относительная величина поверхности охлаждения цилиндра. По этим же причинам пуск двигателей с небольшими габаритными размерами цилиндров вызывает определенные сложности. Величина относительной поверхности охлаждения цилиндра оказывает значительное влияние на теплообмен, а значит и на показатель n₁, в процессе сжатия, которая представляет собой отношение площади контактной поверхности рабочего тела и деталей в процессе сжатия к рабочему объему цилиндра.

При неизменном рабочем объеме цилиндров относительная величина поверхности охлаждения уменьшается с увеличением диаметра цилиндра. Поэтому чем диаметр D больше хода поршня S, тем больше значение среднего показателя политропы сжатия. Значения n₁, увеличиваются при использовании наддува и алюминиевых сплавов вместо чугуна при изготовлении деталей цилиндропоршневой группы, а также камеры сгорания небольших габаритных размеров.При износе цилиндропоршневой группы возрастают утечки рабочего тела, и значения n₁, уменьшаются. Этим объясняются затруднения пуска при значительных износах деталей двигателя.