Схема рабочего цилиндра и круговая диаграмма газораспределения современного двухтактного дизеля приведены на рисунке 1.2. Работа двигателя осуществляется следующим образом.
1 - поршень; 2 - втулка рабочего цилиндра; 3 - выпускной коллектор;
4 - выпускной клапан; 5 - форсунка; 6 - продувочный ресивер
Поршень при положении в НМТ полностью открывает продувочные окна, расположенные равномерно по окружности цилиндровой втулки 2. При открытых продувочных окнах цилиндр сообщается с продувочным ресивером 6, в котором при работе двигателя поддерживается давление рs, в два-три раза больше атмосферного. В цилиндре и в выпускном коллекторе 3 давление меньше ps, поэтому при открытых продувочных и выпускном клапане 4 воздух поступает через окна в цилиндр, затем через клапан и выпускной патрубок поступает в выпускной коллектор. Этот процесс называют продувкой цилиндра. В этом случае цилиндр имеет максимальный объем Vf= Vc + Vh, где Vc – объем камеры сжатия (минимальный объем цилиндра при положении поршня в ВМТ).
При движении поршня вверх он начинает закрывать продувочные окна и в точке е (см. круговую диаграмму на рис. 1.2) полностью их перекрывает, поступление воздуха в цилиндр прекращается. Выпускной клапан при этом остается еще открытым, поэтому при перемещении поршня вверх воздух из цилиндра вытесняется в выпускной коллектор, этот процесс называют потерей заряда воздуха. В точке b'(а) выпускной клапан закроется, к этому моменту объем цилиндра уменьшится на величину V"h. Этот объем называют потерянным рабочим объемом цилиндра. Разность Vh - V"h называют полезным рабочим объемом цилиндра и обозначают V'h.
С данного момента начинается процесс сжатия. Давление и температура воздуха в цилиндре по мере перемещения поршня к ВМТ повышаются. В момент, обозначенный на круговой диаграмме точкой нпф, форсунки 5 (2 или 3 на цилиндр) начинают впрыскивать топливо. Давление и температура воздуха к этому моменту достаточны для самовоспламенения топлива. Сгорание топлива начинается в ВМТ (с некоторой задержкой) и продолжается в начальной фазе расширения. Впрыск топлива завершается после ВМТ в момент, обозначенный точкой кпф. Изменение давления в цилиндре показано на рис. 1.3.
Давление в цилиндре при положении поршня в ВМТ называют давлением конца сжатия и обозначают рc. При сгорании топлива давление в цилиндре повышается, достигая максимума в точке z. Его называют максимальным давлением цикла и обозначают pz.
Статья о принципе действия четырехтактных двигателей.
При движении поршня от ВМТ вниз до момента открытия выпускного клапана в точке b осуществляется рабочий ход, в течение которого поршень производит полезную работу. Давление в цилиндре падает от максимального до рb, которое значительно больше давления в выпускном коллекторе рг, поэтому после открытия выпускного клапана газы из цилиндра удаляются за счет разности давлений, этот процесс принято называть свободным выпуском газов.
В момент, соответствующий точке d на круговой диаграмме, поршень начинает открывать продувочные окна. К этому моменту в системе ресивер - цилиндр - выпускной коллектор складывается соотношение давлений ps>рц>рг (рц - давление в цилиндре). Вследствие этого воздух из ресивера поступает в цилиндр и вытесняет оставшиеся газы. Этот процесс (он завершается при достижении поршня НМТ) называют принудительным выпуском газов. Далее происходит продувка цилиндра воздухом и все повторяется, как было описано выше.
Значения давлений рс и pz зависят от степени сжатия — отношения максимального объема цилиндра к объему камеры сжатия. В двухтактных двигателях геометрической (или номинальной) степенью сжатия называют отношение ε0 = Vf/Vc. Из изложенного выше ясно, что в двухтактном двигателе реальное сжатие начинается в момент закрытия выпускного клапана (точка а), объем цилиндра к этому моменту равен Va=Vc+V'h. Отношение εД = Va/Vc называют действительной степенью сжатия. Действительная степень сжатия всегда меньше геометрической степени сжатия, разница между ними тем больше, чем больше потерянный рабочий объем цилиндра. С учетом приведенных выше геометрических характеристик двухтактного дизеля выведем формулы, определяющие взаимосвязь между ними:
V'h=Va-Vc=Vc(Va/Vc-1) =Vc(εд-1)
V'h=Vh-V''h=Vh(1-V''h/Vh) =Vh (1-ψ)
Отношение объемов ψ = V"h / Vh называют относительной долей потерянного рабочего объема. Взаимосвязь между действительной и геометрической степенями сжатия:
Следует отметить, что на морском флоте все еще эксплуатируются двухтактные малооборотные дизели, произведенные во второй половине XX века, у которых выпуск отработавших газов осуществляется через выпускные окна в нижней части цилиндровой втулки. Схемы газообмена таких дизелей будут рассмотрены во втором томе учебника в теме «процессы газообмена двухтактных дизелей». Фазы топливоподачи и газообмена для современных судовых двухтактных дизелей составляют:
- начало подачи топлива (НПФ) - 5-10° до ВМТ;
- конец подачи топлива (КПФ) - 5-15° после ВМТ (при полной нагрузке).
- Выпускной клапан:
- открытие (точка b) 60-70° до НМТ;
- закрытие (точка а(b')) 30-70° после ВМТ. - Продувочные окна:
- открытие (точка d) 30-50° до ВМТ;
- закрытие (точка е) 30-50° после НМТ.
Таким образом, в двухтактном двигателе на процессы сжатия, расширения (рабочий ход) и газообмена отводится примерно по 1/3 (120°) оборота коленчатого вала.
Если Вам понравилась статья, то советую перейти ко мне в профиль. Там Вы сможете найти много интересного о судовых двигателях и о работе судового механика!
Литература:
1.Возницкий И. В. Судовые двигатели внутреннего сгорания. Том 1. / И.В.Возницкий, А.С.Пунда – М.:МОРКНИГА, 2010.- 260 с. Стр.11-17.
