2.2.2.6. Рабочие процессы в двигателях внутреннего сгорания
Полный рабочий цикл двигателя внутреннего сгорания происходит в течение нескольких ходов поршня, за один или два оборота коленчатого вала. Рабочий цикл осуществляется рядом последовательных процессов: наполнением цилиндра свежим зарядом воздуха, сжатием в цилиндре свежего заряда воздуха, впрыскиванием топлива и сжиганием его в цилиндре; расширением газов, которые совершают при этом механическую работу, и выталкиванием отработанных газов в атмосферу. Теоретически начало и конец каждого процесса могут происходить при положении поршня в соответствующих мёртвых точках.
Например, в четырёхтактном двигателе наполнение цилиндра воздухом должно было бы начаться в в.м.т., а закончиться- в н.м.т. Сжатие должно было бы закончиться при достижении поршнем в.м.т., после чего должен был бы произойти впрыск топлива и его сгорание. В действительном цикле рабочие процессы сдвинуты от крайних положений поршня. Открытие и закрытие всасывающих и выхлопных клапанов происходят прежде, чем поршень доходит до мёртвой точки, или позже, когда поршень уже переменил направление движения.
Каждому положению поршня соответствует вполне определённый угол поворота коленчатого вала. Моменты открытия и закрытия всасывающих и выхлопных клапанов, начало впрыска топлива и конец расширения газов, отнесённые к углам поворота мотыля коленчатого вала, называются фазами газораспределения. Для наглядности моменты открытия и закрытия клапанов двигателя изображаются в круговой диаграмме, представляющей собой замкнутую траекторию вращения мотыля коленчатого вала и углы его поворота, соответствующие началу и концу рабочих процессов.
На рис. 36 изображена круговая диаграмма четырёхтактного дизеля.
Рис. 36 Круговая диаграмма четырёхтактного дизеля.
Наполнение цилиндра (впуск) не заканчивается в НМТ, а продолжается ещё 10-30º поворота мотыля. Это объясняется тем, что при быстром движении поршня к н.м.т. воздух не успевает поступить в цилиндр через всасывающий клапан и в цилиндре создаётся давление ниже атмосферного (разрежение). После перемены направления движения поршня воздух всё ещё продолжает поступать в цилиндр, пока давление в цилиндре не сравняется с давлением во всасывающем трубопроводе. Процесс наполнения продолжается 220 – 230º поворота мотыля. Процесс сжатия происходит за 135 - 140º поворота коленчатого вала. Впрыск топлива в цилиндр осуществляется за 5 – 20º до того, как поршень достигнет в.м.т. Предварение впрыска необходимо для смешения и испарения топлива в среде горячего воздуха и подготовки к сгоранию основного количества топлива. Впрыск и сгорание топлива происходят в течение 20 - 30º поворота коленчатого вала и заканчивается за в.м.т. через 15 - 25º. Расширение газа продолжается около 130 - 160º после в.м.т. Поршень ещё не достигает н.м.т., а выхлопной клапан уже открывается (предварение открытия выхлопного клапана). При нахождении поршня в н.м.т. давление газов в цилиндре равно 1,1 – 1,2 кГ/см². Выталкивание выпускных газов продолжается 220 - 230º поворота вала. Всасывающий клапан начинает открываться за 10 - 15º до в.м.т. поршня (предварение открытия). Фазы рабочего процесса в четырёхтактном дизеле зависят от размеров двигателя и скорости вращения. У высокооборотных двигателей предварение (опережение) открытия и закрытия клапанов может быть бóльшим. Для улучшения процесса наполнения цилиндра свежим зарядом воздуха быстроходные дизели имеют два всасывающих клапана, что увеличивает проходное сечение всасывающих клапанов. Особенно хорошо протекает процесс наполнения цилиндров свежим зарядом воздуха у двигателей с наддувом, где воздух на всасывание подаётся под давлением от турбонагнетателя, работающего на выпускных газах.
В двухтактном двигателе фазы газораспределения определяют моменты открытия и закрытия поршнем впускных и продувочных окон. Весь круговой процесс происходит за один оборот коленчатого вала ( рис. 37).
Рис. 37 Круговая диаграмма
двухтактного двигателя
Выпускные окна (точка 1 на диаграмме) открываются раньше продувочных (точка 2) с тем, чтобы к моменту открытия продувочных окон давление газов в цилиндре стало меньше давления продувочного воздуха (на 0,1 – 0,2 кГ/см²). При восходящем движении поршня сначала закрываются продувочные окна (точка 3), а затем выпускные (точка 4). В период движения поршня от точки 3 до точки 4 происходит потеря свежего заряда, выходящего через выпускные окна. При движении мотыля от точки 4 до точки 5 происходит сжатие, а в точке 5 в цилиндр впрыскивается топливо. На рис 27 показана круговая диаграмма рабочего процесса дизеля с наддувом, имеющего продувочные окна в цилиндре и выхлопной клапан в крышке цилиндра. В точке 1 открывается выхлопной клапан, а в точке 2 – продувочные окна. Выпуск, очистка цилиндра от газов и наполнение продолжаются до точки 3. В точке 3 выхлопной клапан закрывается, а наполнение цилиндра свежим воздухом продолжается до точки 4, что увеличивает весовой заряд воздуха в цилиндре. В двухтактных двигателях окна прорезаны в нижней части цилиндра, и чем ближе они находятся к н.м.т., тем полнее можно использовать тепловую энергию газов, так как увеличивается полезный ход поршня. Поэтому период выпуска и продувки в двухтактном двигателе уменьшен и составляет около 130 - 150º поворота коленчатого вала. У быстроходных двигателей процесс очистки цилиндра от отработавших газов затруднён из-за недостатка времени. Такие двигатели менее экономичны, потому что при плохой очистке цилиндра от газов топливо не полностью сгорает. Многооборотные дизели небольшой мощности выполняют обычно четырёхтактными. Подача топлива в цилиндр также происходит до того, как поршень достигнет в.м.т. Опережение впрыска топлива составляет 5 - 20º поворота мотыля и зависит от типа дизеля, числа оборотов и сорта применяемого топлива. Впрыск заканчивается после в.м.т. через 5 - 10º поворота коленчатого вала.