Процессы рабочего цикла

Общая характеристика процессов газообмена. Процессами газообмена называются процессы очистки цилиндров двигателя от продуктов сгорания и заполнения их свежим зарядом. В зависимости от тактности двигателя и способа наполнения цилиндров эти два процесса взаимосвязаны и в определенный период протекают одновременно. Масса свежего заряда, поступившего в цилиндр, зависит от качества его очистки в процессе выпуска. Протекание процессов газообмена сопровождается сложными газодинамическими явлениями, связанными неустановившимся движением газовых потоков через переменные проходные сечения клапанов и непрерывным изменением давления и температуры.
В четырехтактном двигателе процессы газообмена совершаются в течение двух тактов цикла или за два хода поршня, которые называются насосными ходами, так как цилиндры в этих тактах работают подобно газовым насосам. На графиках индикаторных диаграмм (см. рис. 4.3) процессы газообмена начинаются в точке «в» и заканчиваются в точке «а». Для качественного газообмена продолжительность процесса впуска и процесса выпуска, длительность которых определяется продолжительностью нахождения впускного и выпускного клапанов в открытом состоянии, должна быть больше одного такта цикла, т. е. 180° поворота коленчатого вала.
Фазами газораспределения называются моменты начала открытия и конца закрытия впускного и выпускного клапанов, выраженное в углах поворота коленчатого вала относительно BMT и НМТ.
У современных двигателей лесотранспортных машин клапаны открываются с опережением и закрываются с большим запаздыванием, причем имеется значительное их перекрытие, что позволяет повысить их пропускную способность и использовать в период выпуска и впуска динамические свойства газовых потоков для улучшения очистки и наполнения цилиндров.
Процесс впуска. В процессе впуска происходит заполнение цилиндра свежим зарядом, от массы которого прямопропорционально зависит мощность двигателя. На массовое количество заряда за один впуск влияет ряд факторов: величина и продолжительность открытия впускного отверстия, давление и температура остаточных газов, температура свежего заряда, гидравлическое сопротивление впускного тракта.
Процесс впуска состоит из трех фаз: предварение впуска, основной впуск и опаздывание впуска. Впускной клапан открывается за 10...30° до прихода поршня в ВМТ. Это называют предварением впуска. Такое предварительное открывание клапана обеспечивает достаточное проходное сечение впускного отверстия к приходу поршня в BMT и началу поступления свежего заряда в цилиндр, что улучшает его наполнение. После предварения в BMT начинается основной впуск, который продолжается 180° и заканчивается к приходу поршня в НМТ. За время первых двух фаз в цилиндр поступает 85...90% массы от всего заряда. Последняя фаза начинается от момента прохождения поршня HMT и заканчивается в момент закрытия впускного клапана. В течение этой фазы, называемой опаздыванием впуска, происходит дозарядка цилиндра за счет ранее созданного разрежения и использования энергии потока свежего заряда.
Коэффициент наполнения. Массовое наполнение цилиндра зависит от условий эксплуатации, рабочих режимов, типа и размерности (S, D) двигателя. Совершенство процесса впуска принято оценивать коэффициентом наполнения ηv, равным отношению свежего заряда, фактически поступившего в цилиндр G0, к той массе свежего заряда G0, которая могла бы разместиться в рабочем объеме цилиндра при условиях на впуске:

При работе двигателя с полной нагрузкой на различных скоростных режимах коэффициент наполнения находится в следующих пределах: для карбюраторных двигателей ηv = 0,65......0,85; для дизельных двигателей ηv = 0,70...0,90.
На величину коэффициента наполнения влияет ряд факторов: частота вращения коленчатого вала, нагрузка и др.
Коэффициент остаточных газов. Остаточные газы оказывают значительное влияние на процессы наполнения и сгорания в карбюраторных двигателях. В дизельных двигателях, имеющих большую степень сжатия, остаточных газов всего 3...4%, поэтому они практически не влияют на процесс сгорания. Давление остаточных газов к началу впуска свежего заряда зависит, в основном, от «время-сечения» выпускного клапана и гидравлического сопротивления выпускной системы. Количество остаточных газов в свежем заряде принято оценивать коэффициентом остаточных газов:

где Gr — масса остаточных газов в цилиндре; G1 — масса свежего заряда.
Давление в конце впуска составляет Pr = (1,05...1,20)Р0, где P0 — давление окружающей среды. Температура остаточных газов Tr у дизеля 700...900 К, а у карбюраторных двигателей 1000...1200 К.
Значение коэффициента остаточных газов при полной нагрузке находится в пределах: для карбюраторных двигателей γ= 0,07...0,014; для дизельных двигателей γ = 0,03...0,04.
Процесс сжатия. Процесс сжатия рабочей смеси протекает под воздействием поршня, перемещающегося от HMT к ВМТ. При этом в реальном двигателе происходит непрерывный, переменный по величине и направлению теплообмен между рабочими телами и окружающей его поверхностью, утечка части смеси через неплотности в сопряжениях.
У карбюраторных двигателей со степенью сжатия 7...9 при работе с полностью открытой дроссельной заслонкой давление конца сжатия около 1,5 МПа. Дросселирование сопровождается понижением давления конца сжатия пропорционально давлению впуска. Давление конца сжатия у дизельных двигателей достигает 4,0...5,0 МПа, что является следствием более высокой степени сжатия. Температура в конце сжатия составляет 600...800 К для карбюраторных двигателей и 750...950 К — для дизельных.
Процесс сгорания. В конце такта сжатия за 10...40° поворота коленчатого вала до прихода поршня в BMT в двигателе с искровым зажиганием смесь воспламеняется от электрической свечи, а в двигателях с воспламенением от сжатия — через форсунку впрыскивается топливо.
Воспламенение топлива в камере сгорания возможно при резком увеличении скорости реакции путем повышения кинетической энергии молекул. В двигателе с искровым зажиганием повышение энергии реагирующих молекул достигается путем значительного нагрева наибольшего количества горючей смеси. В определенных условиях источником тепловой энергии может быть как искра, так и нагретые элементы камеры сгорания, нагар и т. п.
Скорость распространения фронта пламени при нормальном сгорании около 40 м/с. По мере сгорания части смеси, расположенной вблизи электродов свечи, повышаются температура и давление оставшейся смеси, что приводит к появлению активных зон. Окончание процесса сгорания зависит от условий. При благоприятных условиях возможно спокойное окончание процесса с нормальной скоростью распространения фронта пламени. Под влиянием термического воздействия молекулы кислорода активизируются и повышается склонность углеводородов топлива к образованию активных частиц. Если концентрация активных частиц в смеси, сгораемой в конце процесса, превзойдет определенный предел, произойдет цепочно-тепловой взрыв. При этом скорость распространения фронта пламени увеличивается до 2000 м/с, резко повышается давление до 15,0 МПа и образуются ударные волны газов, периодически воздействующие на стенки камеры сгорания. Такой процесс называется детонацией.
Признаки детонационного горения следующие: резкие металлические стуки, вызванные ударами волн газов о стенки камеры сгорания и днище поршня, а также вибрацией деталей; перегрев двигателя вследствие усиления теплоотдачи газов под влиянием волнового давления, поверхности камеры сгорания; повышение дымности выхлопа, как результат диссоциации газов с выделением свободного углерода; снижение мощности и топливной экономичности двигателя из-за повышения теплоотдачи, увеличение механических потерь и диссоциации газов. Детонационное сгорание часто возникает из-за несоответствия свойств бензина степени сжатия двигателя и конструкции камеры сгорания. Одно из основных свойств бензина — детонационная стойкость, которая оценивается октановым числом. Наибольшие скорость сгорания, температура и давление цикла наблюдаются при сгорании смеси мощностного состава (α = 0,85...0,90). Следовательно, такие смеси имеют наибольшую склонность к детонационному сгоранию. Увеличение относительного количества остаточных газов в горючей смеси, снижение температуры и давления процесса сгорания исключает возникновение детонации.
На вероятность возникновения детонационного сгорания влияют степень сжатия, тепловой режим двигателя, преждевременное воспламенение, вызванное разогретыми деталями камеры сгорания и раскаленными частицами, угол опережения зажигания.
Температура газов в конце сгорания составляет 2400...2800 К для карбюраторных двигателей и 1800...2300 К для дизелей.
Максимальное давление в конце сгорания 4,0...6,0 МПа в карбюраторном двигателе и 7,0...12,0 МПа в дизелях.
Процесс расширения. После сгорания топлива образующиеся газы расширяются и давят на поршень, при этом совершается полезная работа. Процесс расширения протекает по сложному закону, зависящему от характера теплообмена при догорании топлива, утечки газов и других факторов.
Процесс выпуска. Процесс выпуска условно можно разделить на предварение выпуска и основной выпуск. Во время предварения выпуска, продолжающееся от момента открытия выпускного отверстия до перехода поршня в НМТ, отработанные газы под давлением 0,3...0,5 МПа с температурой 1200...1500 К отводятся в атмосферу. Основной выпуск начинается при движении поршня от HMT и заканчивается в момент закрытия выпускного отверстия. В начальной фазе основного выпуска газы выбрасываются в атмосферу за счет собственного избыточного давления, а в дальнейшем — выталкиваются поршнем.