Богатырев А.В., Есеновский-Лашков Ю.К. и др. Автомобили

Подождите немного. Документ загружается.

Двухтактные двигатели (особенно карбюраторные) менее эко-

номичны, чем четырехтактные. Наиболее неэкономичны двухтак-

тные карбюраторные двигатели, в которых цилиндры продувают

горючей смесью.

3.3. ДЕЙСТВИТЕЛЬНЫЕ ПРОЦЕССЫ. ИНДИКАТОРНЫЕ

И ЭФФЕКТИВНЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ

В реальных условиях на работу двигателя влияют многочислен-

ные факторы, формирующие действительный цикл. В этом цикле

теплота подводится при сжигании топлива внутри рабочего ци-

линдра в смеси с воздухом, что происходит не мгновенно, а во

времени. Рабочая смесь, представляющая собой смесь свежего за-

ряда с газами, оставшимися от предыдущего цикла (остаточные

газы), в процессе сгорания изменяет свой состав за счет увеличе-

ния доли продуктов сгорания. Выпуск отработавших газов уносит

неиспользованную теплоту в окружающее пространство. Как про-

цесс сгорания, так и процесс выпуска протекают во времени, по-

этому всегда наблюдается их отклонение от соответствующих про-

цессов термодинамического цикла.

В действительном цикле поршневого двигателя процессы про-

текают с дополнительными потерями теплоты за счет теплоотдачи

стенкам; параметры газа при сжатии и расширении изменяются

по закону политропы, имеют место химическая неполнота сгора-

ния топлива и утечка заряда из-за неполной герметичности ци-

линдра. В реальном двигателе за счет опережения зажигания или

впрыскивания топлива рабочая смесь воспламеняется до прихода

поршня в в.м.т.; при этом давление в конце процесса сжатия по-

вышается. Большое значение имеют углы опережения открытия и

запаздывания закрытия клапанов, которые отражает диаг-

рамма фаз газораспределения. Процесс реального

сгорания происходит при изменяющемся объеме, а выпускной

клапан открывается до прихода поршня в н.м.т.; при этом снижа-

ется давление в конце расширения. Все это необходимо учитывать

при рассмотрении действительного цикла, параметров газа и ко-

эффициентов полезного действия.

Действительные циклы удобно рассматривать с помощью ин-

дикаторной диаграммы (рис. 3.4). Индикаторная диаг-

рамм а

—

это графическое изображение процессов в координа-

тах «давление р

—

объем

V»

(«свернутая» диаграмма).

Основные процессы в действительном цикле: сжатие, сгорание

и расширение. Они общие для двух- и четырехтактных двигателей.

В указанных двигателях процессы газообмена (основной) или

зарядки и очистки цилиндров (вспомогательные) существенно

различаются, поэтому их рассматривают раздельно. Индикаторная

диаграмма может быть использована в целях диагностирования

рабочего цикла.

р, МПа

О ±

B.I

в.м.т.

Закрытие

выпускного

клапана

Открытие

выпускного

клапана

Рис. 3.4. Схема, индикаторная диаграмма (а) и диаграмма фаз газораспределения (б)

четырехтактного карбюраторного двигателя:

—

карбюратор; 2— впускной клапан; 3— свеча зажигания; 4— выпускной клапан

Действительный цикл четырехтактного карбюраторного двигате-

ля. Рассмотрим схему, индикаторную диаграмму в р V-координатах

(рис. 3.4, а) и диаграмму фаз газораспределения (рис. 3.4, б) четы-

рехтактного карбюраторного двигателя. Для наглядности и лучше-

го понимания процессов цикла в р К-координатах их продолжи-

тельность отмечена и на диаграмме фаз газораспределения.

Процесс впуска горючей смеси теоретически прохо-

дит от точки г до точки а. Фактически он начинается в точке А, со-

ответствующей началу открытия впускного клапана, и заканчива-

ется после н.м.т. в точке Б. Это необходимо для дозарядки цилин-

дра горючей смесью за счет использования инерции массы заряда,

поступающего с большой скоростью через систему впуска. Горю-

чая смесь в цилиндре двигателя смешивается с остаточными газа-

ми и образует рабочую смесь. Она сжимается по политропному

процессу: р

Процесс сжатия происходит от точки а до точки С. В

конце сжатия рабочая смесь с некоторым опережением по отно-

шению к в.м.т. (точка В) зажигается искрой от свечи зажигания.

Пламя от очага воспламенения распространяется по всему объему

камеры сгорания с большой скоростью (30...50 м/с), обеспечивая

выделение теплоты вблизи в.м.т. При этом давление и температу-

ра газов существенно возрастают. Процесс сгорания происходит

от точки В до точки z'. Продолжительность процесса сгорания со-

ответствует углу поворота коленчатого вала 30...40°; при этом рез-

ко повышаются давление и температура.

В процессе расширения газы совершают полезную

работу; давление и температура их понижаются по закону полит-

ропы: 2. К моменту открытия выпускного клапана (точка

Г) давление газов в цилиндре больше давления окружающей сре-

ды. Поэтому в начальной стадии выпуска отработавшие газы вы-

ходят из цилиндра со скоростью до 500 м/с, что в 1,5 раза больше

скорости звука, а после н.м.т. выталкиваются поршнем.

Процесс выпуска (очистки цилиндра) отработавших

газов (линия ГАгД) заканчивается к моменту закрытия выпускного

клапана (точка Д).

На рисунке 3.4 изображена индикаторная диаграмма, характе-

ризующая протекание действительного цикла четырехтактного

карбюраторного двигателя при нормальных его регулировках и

техническом состоянии. Вид диаграммы может существенно изме-

ниться при нарушении регулировок состава смеси и опережения

зажигания, применении бензиновых топлив с низкой детонаци-

онной стойкостью и по другим причинам.

Действительный цикл четырехтактного дизеля со свободным

впуском без наддува (рис. 3.5).

Процесс впуска: при открытии впускного клапана

(рис. 3.5, а, участок АгДаБ) в цилиндр поступает чистый воздух.

Процесс сжатия происходит по политропе р

= р

(участок Б С). Точкой В отмечен момент начала впрыскивания

топлива в пространство сжатия. Далее происходят перемешивание

распыленного топлива с воздухом, нагревание его, испарение, хи-

Открытие

впускного

клапана

Закрытие

впускного

клапана

Закрытие

выпускного

клапана

Процесс

впуска

Открытие

выпускного

клапана

Рис. 3.5. Схема, индикаторная диаграмма (а) и диаграмма фаз газораспределения (б)

четырехтактного дизеля со свободным впуском:

У —

впускной клапан; 2— форсунка; 3

—

выпускной клапан

мические преобразования и воспламенение за счет высокой тем-

пературы сжатого воздуха.

Процесс сгорания топлива сначала сопровождается

резким повышением давления и температуры (участок Ci). Затем

на участке ^происходит дальнейшее повышение температуры

при сравнительно незначительном изменении давления. Парамет-

ры сгорания существенно зависят от степени сжатия, физико-хи-

мических свойств топлива, состава смеси, угла опережения впрыс-

кивания топлива, характера топливоподачи, интенсивности за-

вихрения и других факторов.

Процесс расширения происходит после сгорания

по политропе р

= 2, которое заканчивается в момент откры-

тия выпускного клапана (точка /). Выпуск отработавших газов со-

ответствует участку ГАгД на диаграмме.

Процесс выпуска отражен на диаграмме линией

ГАгД. Здесь газы выходят из цилиндра с большой скоростью за

счет перепада давлений (участок

ГЬ),

а затем поршень выталкивает

оставшиеся газы (участок Ъг).

Степень сжатия, определяемую выражением е = (V

+ V

)/V

называют геометрической. Для оценки параметров цикла наряду с

геометрической степенью сжатия используют и действительную

, которая меньше геометрической. Величину е

определяют как

отношение объема полости цилиндра в момент закрытия клапа-

нов механизма газораспределения к оставшемуся объему цилинд-

ра. Обычно при расчете параметров конца сжатия на пусковых ре-

жимах используют значение е

, определяемое по формуле

£д

= (Г

+ К

)/К

где — рабочий объем цилиндра при положении поршня в момент закрытия

впускного клапана (точка Б на рис. 3.4 и 3.5).

Индикаторные показатели характеризуют работу газов внутри

цилиндра двигателя. К ним относятся среднее индикаторное дав-

ление, индикаторная мощность, индикаторный КПД и индика-

торный удельный расход топлива.

Среднее индикаторное давлениер^ — это значение условного по-

стоянного давления в цилиндре двигателя, при котором работа,

произведенная рабочим телом за один такт, равнялась бы индика-

торной работе реального цикла.

Исходя из этого определения, индикаторная работа цикла

=piFs,

где F— площадь поршня; s

—

ход поршня.

Вместе с тем среднее индикаторное давление

—

величина, рав-

ная индикаторной работе цикла, приходящейся на единицу рабо-

чего объема цилиндра:

P, = LJV

где

= Fs.

Обычно

р-,

измеряют в единицах удельной работы: Дж/л или

МПа.

При номинальном режиме работы двигателей значения

Pi находят в следующих пределах: для четырехтактных двигателей с

искровым зажиганием без наддува, работающих на бензине (кар-

бюраторных, с впрыском легкого топлива), 0,8...1,2 МПа; для че-

тырехтактных газовых с искровым зажиганием 0,5...0,7 МПа; для

четырехтактных дизелей без наддува 0,75...

1,05

МПа, с наддувом

до 2,2 МПа; для двухтактных карбюраторных с кривошипно-ка-

мерной продувкой 0,25...0,45 МПа; для двухтактных дизелей без

наддува 0,35...0,7 МПа, с наддувом до 1,2 МПа.

В автомобильных дизелях с низким и средним наддувом

= 1,2...1,5 МПа.

Индикаторная мощность

N,-

— это работа, совершаемая газами

внутри цилиндра в единицу времени, или мощность, соответству-

ющая индикаторной работе цикла. Индикаторная работа:

за цикл L

=PiV

;

в минуту Li

ин = А' 2л/т

дв

где п

—

частота вращения двигателя, мин

-1

; 2л/т

дв

— число циклов в минуту в од-

ном цилиндре; т

дв

—

коэффициент тактности двигателя (число ходов поршня за

один цикл).

Индикаторная мощность двигателя

Ni = Ц

•

2л//(т

дв

•

) =

ni/(3

•

дв

где /

—

число цилиндров двигателя.

Принимая p

в мегапаскалях, a V

в литрах, получаем мощность

в киловаттах (кВт)

Ni=

ni/(30x

Индикаторный КПДу], — это отношение работы L, действитель-

ного цикла к подведенной теплоте Q

равной низшей теплоте сго-

рания цикловой дозы топлива:

Л/

Ш Qr

Индикаторную работу цикла L

определяют по индикаторной

диаграмме в /?К-координатах.

По значению г\ оценивают степень использования теплоты в

действительном цикле.

Индикаторный удельный расход топлива

—

количество топли-

ва, расходуемого в двигателе за

ч, отнесенное к индикаторной

мощности, развиваемой двигателем. По значению оценивают

эффективность теплоиспользования при работе на топливе одного

вида. При работе на топливах с различной удельной теплотой сго-

рания

такая оценка возможна только по значению г|/. Единица

измерения г/(кВт

•

ч).

При известных индикаторной мощности Л/J и расходе топлива

индикаторный удельный расход топлива определяют по формуле

д= 10 >G

При работе двигателя на жидком топливе связь меж-

ду gi и л/ следующая:

Л/= 3,6-10

/(&&).

Для современных автомобильных двигателей, работающих на

номинальном режиме, значения индикаторного КПД находятся в

пределах: для карбюраторных двигателей 0,28...0,38; для дизелей

0,42...0,52. При этом удельный индикаторный расход топлива со-

ставляет: для карбюраторных двигателей 235...290 г/(кВт-ч); для

дизелей 175...220 г/(кВт

•

ч).

Механические потери. Часть индикаторной мощности двигате-

ля затрачивается на преодоление механических потерь (внутрен-

ние потери и привод компрессора или продувочного насоса).

При аналогии с понятием среднего индикаторного давления

введено понятие среднего давления механических потерь р

Среднее давление механических потерь р

можно представить в

виде суммы средних давлений потерь на трение р

, газообмен р

привод вспомогательных механизмов р

ъ м

, компрессора р

и венти-

ляционных потерь р

Рм

Рт +Рг +Ръм +Рк +

Ръ•

Потери мощности на трение составляют основную часть меха-

нических потерь (до 80 % всех потерь). При этом на пары трения

поршень

—

гильза, поршневые кольца

—

гильза приходится

45...55 %, а на трение в подшипниках

—

до 20 % всех внутренних

потерь.

Значения среднего давления механических потерь находятся в

следующих пределах: для карбюраторных двигателей

0,15...0,25 МПа; для дизелей 0,2...0,3 МПа.

Мощность механических потерь N

—

это мощность, затрачивае-

мая на преодоление внутренних сопротивлений в самом двигате-

ле, а также на привод компрессора или продувного насоса:

+ N

где N

, N

—

мощности, затрачиваемые соответственно на трение, га-

зообмен, привод вспомогательных механизмов (топливного, водяного и масляно-

го насосов, вентилятора, генератора и т.д.), перетекание заряда в дизелях с раз-

дельными камерами сгорания, привод компрессора или продувочного насоса.

Мощность, затрачиваемую на газообмен, N

учитывают только для четырехтакт-

ных двигателей.

Эффективные показатели работы двигателя: среднее эффектив-

ное давление, эффективная мощность, механический КПД и эф-

фективный удельный расход топлива.

Среднее эффективное давлениер

— условное постоянное давле-

ние в цилиндрах двигателя, при котором работа, производимая в

них за один такт, равна эффективной работе за цикл. Оно, так же

как и среднее индикаторное давление,

—

мера удельной работы.

Единица измерения: МПа или Дж/л.

Среднее эффективное давление можно представить как отно-

шение эффективной работы L

двигателя за один цикл к рабочему

объему цилиндра V

Рс ~ LJ V

Это давление можно также представить как разность между

средним индикаторным давлением р

{

и средним давлением меха-

нических потерь р

, т. е.

Ре

Pi ~

Рм-

При работе автомобильных двигателей на номинальном режи-

ме значения p

находятся в следующих пределах: для четырехтакт-

ных карбюраторных двигателей 0,6...1,1 МПа; для четырехтактных

дизелей без наддува 0,55...0,85 МПа; с наддувом до 2 МПа; для га-

зовых двигателей 0,5...0,75 МПа; для двухтактных высокооборот-

ных дизелей 0,4...0,75 МПа.

Эффективная мощность N

—

это мощность на коленчатом валу

двигателя, передаваемая трансмиссии. Эффективная мощность

меньше индикаторной на величину мощности N

, затрачиваемой

на преодоление механических потерь:

По аналогии с индикаторной мощностью эффективную мощ-

ность (кВт) можно рассчитать по следующей формуле:

W(30т

дв

Механический КПД ri

—

оценочный показатель механических

потерь в двигателе:

Лм

= LJLi = pjpi = MJM; = NJN

При работе автомобильных двигателей на номинальном режи-

ме значение г|

находится в следующих пределах: для четырехтакт-

ных карбюраторных двигателей 0,7...0,85; для четырехтактных ди-

зелей без наддува 0,7...0,82, с наддувом 0,8...0,9; для газовых двига-

телей 0,75...0,85; для двухтактных высокооборотных дизелей

0,7...0,85.

Эффективный удельный расход топлива g

при известных эффек-

тивной мощности N

и расходе топлива

определяют по формуле

=\0>G

Единица измерения эффективного удельного расхода топлива:

г/(кВт

•

ч).

При работе двигателя на жидком топливе связь между & и

Ле

Ле = 3,6-107(&Сн)-

Для автомобильных двигателей, работающих на номинальном

режиме, значения эффективного КПД находятся в следующих

пределах: для карбюраторных двигателей 0,25...0,33; для дизелей

0,35...0,4. При этом значение эффективного удельного расхода

топлива составляет: для карбюраторных двигателей 300...370 г/

(кВт-ч); для дизелей с неразделенными камерами сгорания

245...270 г/(кВт

ч).

3.4. МНОГОЦИЛИНДРОВЫЕ ДВИГАТЕЛИ

В одноцилиндровом четырехтактном двигателе коленчатый вал

вращается неравномерно, поэтому маховик должен обладать боль-

шим моментом инерции. В многоцилиндровом двигателе враще-

ние коленчатого вала происходит равномернее, так как рабочие

ходы в различных цилиндрах не совпадают друг с другом. Чем

больше цилиндров имеет двигатель, тем равномернее вращается

коленчатый вал. Нагрузка на детали кривошипно-шатунного ме-

ханизма в многоцилиндровом двигателе изменяется более плавно,

чем в одноцилиндровом.

Цилиндры двигателя могут быть расположены следующим об-

разом: вертикально в один ряд

—

однорядные (рис. 3.6, а) в двига-

телях автомобилей ВАЗ-2121 «Жигули», ГАЗ-52-04, ГАЗ-ЗЮ2

«Волга», ЗИЛ-157КД и др.; под углом а к вертикали (рис. 3.6, б) в

двигателе автомобиля «Москвич-2140»; в два ряда

—

V-образные

(рис. 3.6, в) в двигателях автомобилей ГАЭ-3307, ЗИЛ-431410,

MA3-5335, КамАЗ-5320, КАЗ-4540, «Урал-4320» и др.; горизон-

тально с углом 180° между рядами цилиндров

—

двигатели с про-

тивоположно лежащими цилиндрами (рис. 3.6, г), т. е. с противо-

положно движущимися поршнями. Эти двигатели иногда называ-

Рис. 3.6. Схемы расположения цилиндров двигателя:

—

однорядного; б

—

однорядного с наклоном к вертикали; в

—

V-образного; г

—

с противо-

положно лежащими цилиндрами; /

—

цилиндр; 2— головка блока; 3— блок цилиндров; 4

—

поддон

ют оппозитными. При таком расположении цилиндров уменьша-

ется высота двигателя и его можно устанавливать под полом кузо-

ва, например в автобусах.

При двухрядном V-образном расположении цилиндров двига-

тель имеет большую жесткость конструкции, меньшие размеры и

массу, чем однорядный той же мощности. Жесткий коленчатый

вал (вследствие уменьшения его длины) допускает работу без га-

сителя крутильных колебаний и позволяет форсировать по степе-

ни сжатия. К недостаткам V-образных двигателей можно отнести

их значительную ширину и более сложную конструкцию.

На отечественных автомобилях устанавливают четырех-, шес-

ти- и восьмицилиндровые двигатели. Многоцилиндровые двига-

тели обычно делают V-образными с углом (3 между цилиндрами

60, 75 и 90° (чаще).

Четырехцилиндровый двигатель. Равномерность работы много-

цилиндрового двигателя обеспечивается в том случае, если чере-

дование одноименных тактов в его цилиндрах происходит за цикл

через равные углы поворота коленчатого вала, т. е. за поворот вала

на угол 720°.

Для определения угла, через который в цилиндрах будут повто-

ряться одноименные такты (допустим, такты расширения), необ-

ходимо 720° разделить на число цилиндров. В четырехцилиндро-

вом двигателе такт расширения совершается через 720/4 = 180° по-

ворота коленчатого вала. За каждые два оборота коленчатого вала

в четырехтактном четырехцилиндровом двигателе происходит че-

тыре такта расширения, четыре такта выпуска и т. д., т. е. рабочий

цикл повторяется 4 раза.

Поскольку чередование одноименных тактов происходит через

180° поворота коленчатого вала, то и шатунные шейки вала долж-

ны быть расположены под углом 180° одна к другой, т. е. лежать в

одной плоскости. Шатунные шейки первого и четвертого цилинд-

ров направлены в одну сторону относительно оси коленчатого

вала, а шатунные шейки второго и третьего цилиндров

—

в проти-

воположные (рис. 3.7, а). Такая форма коленчатого вала обеспечи-

вает равномерное чередование рабочих ходов в цилиндрах двига-

теля. Последовательность чередования (за два оборота) одноимен-

ных тактов в различных цилиндрах двигателя называют порядком

работы цилиндров двигателя. Порядок работы четырехцилиндро-

вых четырехтактных двигателей может быть 1—3—4—2 (табл. 3.1)

или 1—2—4—3.

При выборе порядка работы двигателя конструкторы стремятся

как можно равномернее распределить нагрузку на шатунные и ко-

ренные шейки коленчатого вала. Максимальные нагрузки на шей-

ки коленчатого вала возникают в те моменты, когда в цилиндрах

совершаются такты расширения (рабочие ходы).

При порядке работы 1—2—4—3 в течение рабочего хода в пер-

вом цилиндре за первый поворот коленчатого вала на угол 0...180

во втором цилиндре будет происходить сжатие, а в третьем

—

вы-

пуск. Двигатели автомобилей «Москвич-2140», семейства ВАЗ

Рис. 3.7. Схемы кривошипно-шатунных механизмов четырехтактных рядных

двигателей:

—

четырехцилиндрового; б— шестицилиндрового; 1...6— цилиндры