прежними или эталонными.

В качестве примера кривые давлений газов в цилиндре и в топливопроводе у форсунки (рис. 4) иллюстрируют типичные нарушения в протекании процессов. Эталонная кривая 1 отражает характер изменения давлений на рассматриваемом режиме работы двигателя при технически исправном состоянии, кривая 2 характеризует действительный процесс с теми или иными искажениями, вызванными неисправностями.

Подтекание иглы форсунки (рис. 4, а) в связи с ухудшением распыливания топлива приводит к небольшому увеличению угла φ z , снижению давления р z и значительному догоранию топлива на линии расширения. Кривая расширения идет более полого и выше эталонной. Увеличиваются температура выпускных газов t г и давление р ехр на линии расширения на координате 36° после ВМТ.

При запаздывании вспрыскивания топлива (рис. 4, б) смещаются вправо начало видимого сгорания и весь процесс сгорания топлива. Одновременно снижается давление р z растет температура t г и давление р ехр . Аналогичная картина наблюдается при износе плунжерной пары топливного насоса и потере плотности его всасывающего клапана. В последнем случае уменьшается цикловая подача топлива и соответственно несколько снижается давление p i

Вследствие ранней подачи топлива (рис. 4, в) весь процесс сгорания смещается влево в сторону опережения, уменьшается угол φ г и растет давление р z . Поскольку процесс становится более экономичным, несколько увеличивается p i . Раннюю подачу подтверждает и кривая давлений топлива у форсунки (рис. 4, г).

Изменения в кривой давления топлива вследствие увеличения цикловой подачи (рис. 4, д) сопровождаются ростом величин р ф т a х и продолжительности подачи φ ф .

Падение скорости нарастания давления топлива Δр ф /Δφ на участке от начала его подъема до момента открытия иглы, а также общее падение давления впрыскивания (рис. 4, е) вызывает уменьшение угла опережения подачи φ нп и максимального давления р ф max . Причина заключается в увеличении протечек топлива через плунжерную пару, пару игла-направляющая форсунки вследствие их износа или в потере плотности клапанов насоса, штуцерных соединений топливопровода. Закоксовывание сопловых отверстий или чрезмерное увеличение вязкости топлива (рис. 4, ж) приводит к росту давления впрыскивания вследствие роста сопротивления истечения топлива из отверстий.

220

-15 40 -5 ВМТ 5 10 15 f, 9 №8

Рис.4. Давление газов в цилиндре и топлива в трубопроводе высокого давления

Рис. 6.4. Давление газов в цилиндре и топлива в топливопроводе у форсунки 220

-15 40 -5 ВМТ 5 10 15 f, 9 №8

Рабочий цикл - совокупность тепловых, химических и газодинамических процессов, последовательно, периодически повторяющихся в цилиндре двигателя с целью преобразования тепловой энергии топлива в механическую энергию. Цикл включает пять процессов: впуск, сжатие, сгорание (горение), расширение, выпуск.
На тракторах и автомобилях, применяемых в лесной промышленности и лесном хозяйстве, устанавливаются дизельные и карбюраторные четырехтактные двигатели. Лесотранспортные машины, в основном, оснащаются четырехтактными дизельными двигателями,
В процессе впуска цилиндр двигателя заполняется свежим зарядом, представляющим собой очищенный воздух у дизельного двигателя или горючую смесь очищенного воздуха с топливом (газом) у карбюраторного двигателя и газодизеля. Горючей смесью воздуха с мелкораспыленным топливом, его парами или горючими газами должно обеспечиваться распространение фронта пламени во всем занятом пространстве.
В процессе сжатия в цилиндре сжимается рабочая смесь, состоящая из свежего заряда и остаточных газов (карбюраторные и газовые двигатели) или из свежего заряда, распыленного топлива и остаточных газов (дизели, многотопливные и с впрыском бензина двигатели и газодизели).
Остаточными газами называются продукты сгорания, оставшиеся после завершения предыдущего цикла и участвующие в следующем цикле.
В двигателях с внешним смесеобразованием рабочий цикл протекает за четыре такта: впуска, сжатия, расширения и выпуска. Такт впуска (рис. 4.2а). Поршень 1, под воздействием вращения коленчатого вала 9 и шатуна 5, перемещаясь к НМТ, создает разряжение в цилиндре 2, в результате чего свежий заряд горючей смеси поступает по трубопроводу 3 через впускной клапан 4 в цилиндр 2.

Такт сжатия (рис. 4.2б). После заполнения цилиндра свежим зарядом впускной клапан закрывается, а поршень, перемещаясь к ВМТ, сжимает рабочую смесь. При этом в цилиндре повышаются температура и давление. В конце такта рабочая смесь воспламеняется от искры, возникающей между электродами свечи 5, и начинается процесс сгорания.
Такт расширения или рабочий ход (рис. 4.2e). В результате сгорания рабочей смеси образуются газы (продукты сгорания), температура и давление которых резко возрастают к приходу поршня в ВМТ. Под воздействием высокого давления газов поршень перемещается к НМТ, при этом совершается полезная работа, передаваемая на вращающийся коленчатый вал.
Такт выпуска (см. рис. 4.2г). В этом такте происходит очистка цилиндра от продуктов сгорания. Поршень, перемещаясь к ВМТ, через открытый выпускной клапан 6 и трубопровод 7 выталкивает продукты сгорания в атмосферу. В конце такта давление в цилиндре незначительно превышает атмосферное давление, поэтому в цилиндре остается часть продуктов сгорания, которые смешиваются с горючей смесью, заполняющей цилиндр при такте впуска следующего рабочего цикла.
Принципиальное отличие рабочего цикла двигателя с внутренним смесеобразованием (дизельных, газодизельных, многотопливных) состоит в том, что на такте сжатия топливоподающая аппаратура системы питания двигателя впрыскивает мелкораспыленное жидкое моторное топливо, которое перемешивается с воздухом (или смесью воздуха с газом) и воспламеняется. Высокая степень сжатия двигателя с воспламенением от сжатия позволяет нагреть рабочую смесь в цилиндре выше температуры самовоспламенения жидкого топлива.
Рабочий цикл двухтактного карбюраторного двигателя (рис. 4,3) применяемого для пуска дизеля трелевочного трактора, совершается за два хода поршня или за один оборот коленчатого вала. При этом один такт является рабочим, а второй - вспомогательным. В двухтактном карбюраторном двигателе отсутствуют впускной и выпускной клапаны, их функцию выполняют впускное, выпускное и продувочные окна, которые открываются и закрываются поршнем при его движении. Через эти окна рабочая полость цилиндра сообщается с впускными и выпускными трубопроводами, а также с герметичным картером двигателя.

Основное отличие 2-тактного двигателя от 4-тактного заключается в способе газообмена – очистки цилиндра от продуктов сгорания и зарядки его свежим воздухом или горячей смесью.

Устройства газораспределения 2-тактных двигателей – щели во втулке цилиндра, перекрываемые поршнем, и клапаны или золотники.

Рабочий цикл:

После сгорания топлива начинается процесс расширения газов (рабочий ход). Поршень движется к нижней мертвой точке (НМТ). В конце процесса расширения поршень 1 открывает впускные щели (окна) 3 (точка b) или открываются выпускные клапана, сообщая полость цилиндра через выхлопную трубу с атмосферой. При этом часть продуктов сгорания выходит из цилиндра и давление в нем падает до давления продувочного воздуха Pd. В точке d поршень открывает продувочные окна 2, через которые в цилиндр подается смесь топлива с воздухом под давлением 1,23-1,42 бар. Дальнейшее падение замедляется, т.к. в цилиндр поступает воздух. От точки d до НМТ одновременно открыты выпускные и продувочные окна. Период, в течении которого одновременно открыты продувочные и выпускные окна, называется продувкой. В этот период цилиндр наполняется смесью воздуха, а продукты сгорания вытесняются из него.

Второй такт соответствует ходу поршня от нижней к верхней мертвой точке. В начале хода продолжается процесс продувки. Точка f – конец продувки – закрытие впускных окон. В точке а закрываются выпускные окна и начинается процесс сжатия. Давление в цилиндре к концу зарядки несколько выше атмосферного. Оно зависит от давления продувочного воздуха. С момента окончания продувки и полного перекрытия выпускных окон начинается процесс сжатия. Когда поршень не доходит на 10-30град по углу поволрота колен.вала до ВМТ (точка с /), в цилиндр через форсунку подается топливо или производится зажигание смеси и цикл повторяется.

При одинаковых размерах цилиндра и частоте вращения мощность 2-тактного значительно больше, в 1,5-1,7 раза.

Среднее давление теоретической диаграммы ДВС.

Среднее индикаторное давление ДВС.

Это такое условно постоянное давление, которое, действуя на поршень, совершает работу, равную внутренней работе газа в течение всего рабочего цикла.

Графически p i в определенном масштабе равно высоте прямоугольника mm / hh / , по площади равного площади диаграммы и имеющего ту же длину.

f- площадь индикаторной диаграммы (мм 2)

l- длина инд.диаграммы - mh

k p - масштаб давления (Па/мм)

Среднее эффективное давление ДВС.

Это произведение механического кпд на среднее индикаторное давление.

Где η мех =N e /N i . При нормальном режиме работы η мех =0,7-0,85.

Механический КПД ДВС.

η мех =N e /N i

Отношение эффективной мощности к индикаторной.

При нормальном режиме работы η мех =0,7-0,85.

Индикаторная мощность ДВС.

Инд. мощность двигателя, получаемая внутри уилиндра, может быть определена с помощью индикаторной диаграммы, снимаемой специальным прибором – индикатором.

Инд.мощность – работа, совершаемая рабочим телом в цилиндре двигателя в ед.времени.

Инд.мощность одного цилиндра -

k- кратность двигателя

V-рабочий объем цилиндра

n-число рабочих ходов.

Эффективная мощность ДВС.

Полезно используемая мощность, снимаемая с колен.вала

N e =N i -N тр

N тр – сумма потерь мощности на трение между движущимися деталями двигателя и на приведение в действие вспомогательных механизмов (насосов, генератора, вентилятора и др.)

Определение эф.мощности двигателя в лабораторных условиях или при стендовых испытаниях производят с помощью спец.тормозных устройств – механических, гидравлических или электрических.

Индикаторная диаграмма – зависимость давления рабочего тела от объёма цилиндра (рис. 2) – является наиболее информативным источником, позволяющим анализировать процессы, происходящие в цилиндре двигателя внутреннего сгорания. Такты работы двигателя, осуществляющиеся за четыре хода поршня от ВМТ до НМТ показаны на индикаторной диаграмме в координатах p – V следующими отрезками кривой:

r 0 – a 0 – такт впуска;

a 0 – c – такт сжатия;

c – z – b 0 – такт рабочего хода (расширения);

b 0 – r 0 – такт выпуска.

На диаграмме отмечены следующие характерные точки:

b , r – моменты открытия и закрытия выпускного клапана, соответственно;

u , a – моменты открытия и закрытия впускного клапана, соответственно;

Рис. 2. Типичная индикаторная диаграмма четырехтактного

двигателя внутреннего сгорания

Площадь диаграммы, определяющая работу за цикл, состоит из площади, соответствующей положительной индикаторной работе, полученной за такты сжатия и рабочего хода, и площади, соответствующей отрицательной работе, затрачиваемой на очистку и наполнение цилиндра в тактах впуска и выпуска. Отрицательную работу цикла обычно относят к механическим потерям в двигателе.

Таким образом, общая энергия, сообщаемая валу поршневого двигателя за один цикл L , может быть определена алгебраическим сложением работы тактов L = L вп + L сж + L рх + L вып. Мощность, передаваемая валу, определится произведением этой суммы на количество тактов рабочего хода в единицу времени (n /2) и на число цилиндров двигателя i :

Определенная таким образом мощность двигателя называется средней индикаторной мощностью.

Индикаторная диаграмма позволяет разделить цикл четырехтактного двигателя на следующие процессы:

u – r 0 – r – a 0 – a – впуск;

a – θ – c" – сжатие;

θ – c" – c – z – f – смесеобразование и сгорание;

z – f – b – расширение;

b – b 0 – u – r 0 – r – выпуск.

Приведенная типичная индикаторная диаграмма справедлива и для дизельного двигателя. В этом случае точка θ будет соответствовать моменту подачи топлива в цилиндр.

На диаграмме обозначены:

V c – объем камеры сгорания (объем цилиндра над поршнем, находящимся в ВМТ);

V a – полный объем цилиндра (объем цилиндра над поршнем в начале такта сжатия);

V n – рабочий объем цилиндра, V n = V a – V c .

Степень сжатия.

Индикаторная диаграмма описывает рабочий цикл двигателя, а ограниченная его площадь – индикаторную работу цикла. Действительно, [p ∙ ∆V ] = (Н/м 2) ∙ м 3 = Н ∙ м = Дж.

Если принять, что на поршень действует некоторое условное постоянное давление p i , совершающее в течение одного хода поршня работу, равную работе газов за цикл L , то

L = p i ∙ V h ()

где V h – рабочий объем цилиндра.

Это условное давление p i принято называть средним индикаторным давлением.

Среднее индикаторное давление численно равно высоте прямоугольника с основанием, равным рабочему объему цилиндра V h площадью, равной площади, соответствующей работе L .

Так как полезная индикаторная работа пропорциональна среднему индикаторному давлению p i , совершенство рабочего процесса в двигателе можно оценивать на величину этого давления. Чем больше давление p i , тем больше работа L , и, следовательно, рабочий объем цилиндра используется лучше.

Зная среднее индикаторное давление p i , рабочий объем цилиндра V h , число цилиндров i и частоту вращения коленчатого вала n (об/мин), можно определить среднюю индикаторную мощность четырехтактного двигателя N i

Произведение i ∙ V h представляет собой рабочий объем двигателя.

Передача индикаторной мощности на вал двигателя сопровождается механическими потерями вследствие трения поршней и поршневых колец о стенки цилиндров, трения в подшипниках кривошипно–шатунного механизма. Кроме того, часть индикаторной мощности затрачивается на преодоление аэродинамических потерь, возникающих при вращении и колебании деталей, на приведение в действие механизма газораспределения, топливных, масляных и водяных насосов и других вспомогательных механизмов двигателя. Часть индикаторной мощности тратится на удаление продуктов сгорания и заполнение цилиндра свежим зарядом. Мощность, соответствующая всем этим потерям, называется мощностью механических потерь N м.

В отличие от индикаторной мощности, полезную мощность, которую можно получить на валу двигателя, называют эффективной мощностью N е. Эффективная мощность меньше индикаторной на величину механических потерь, т.е.

N е = N i – N м. ()

Мощность N м, соответствующую механическим потерям и эффективную мощность двигателя N е определяют опытным путем при стендовых испытаниях с помощью специальных нагрузочных устройств.

Одним из основных показателей качества поршневого двигателя, характеризующего использование им индикаторной мощности для совершения полезной работы является механический КПД, определяемый как отношение эффективной мощности к индикаторной:

η м = N е /N i . ()

Общую энергию, сообщаемую валу поршневого двигателя, можно определить алгебраическим сложением работы тактов и умножив сумму на число рабочих тактов в единицу времени (n /2) и число цилиндров двигателя. Мощность, определяемая таким образом, может быть получена путем интегрирования зависимости давления в функции от объема изображенной на индикаторной диаграмме (рис 4.2,б), и называется средней индикаторной мощностью N . Эту мощность часто связывают с понятием индикаторного среднего эффективного давления р i , рассчитывае­мого следующим образом:

Эффективная мощность N e есть произведение индикаторной мощности N на механический КПД двигателя. Механический КПД двигателя уменьшается с увеличением частоты вращения двигателя из–за потерь на тре­ние и привод агрегатов.

Для построения характеристик авиационного поршневого двигателя его испытывают на балансирном станке с использованием воздушного винта изменяемого шага. Балансирный станок обеспечивает замер величины крутящего момента, числа оборотов коленчатого вала и расхода топлива. По величине замеренного крутящего момента М кр и числу оборотов n определяется измеренная эффективная мощность двигателя

Если двигатель снабжен редуктором, снижающим обороты винта, то формула для замеренной эффективной мощности имеет вид:

где i р – передаточное число редуктора.

Учитывая зависимость эффективной мощности двигателя от атмосферных условий, замеренную мощность для сравнения результатов испытаний приводят к стандартным атмосферным условиям по формуле

где N e – эффективная мощность двигателя, приведенная к стандартным атмосферным условиям;

t изм – температура наружного воздуха во время испытаний, ºС;

B – давление наружного воздуха, мм.рт.ст.,

∆р – абсолютная влажность воздуха, мм.рт.ст.

Эффективный удельный расход топлива g е определяется по формуле:

где G T и – расход топлива и эффективная мощность двигателя, измеренные при испытаниях.

В четырехтактном двигателе рабочие процессы происходят следующим образом:

• 1. Такт впуска. При движении поршня от ВМТ к НМТ вследствие образующегося разряжения из воздухоочистителя в полость цилиндра через открытый впускной клапан поступает атмосферный воздух. Давление воздуха в цилиндре составляет 0.08 - 0.095 МПа, а температура 40 - 60 С.
• 2. Такт сжатия. Поршень движется от НМТ к ВМТ; впускной и выпускной клапаны закрыты, вследствие этого перемещающийся вверх поршень сжимает поступивший воздух. Для воспламенения топлива необходимо, чтобы температура сжатого воздуха была выше температуры самовоспламенения топлива. При ходе поршня к ВМТ цилиндр через форсунку впрыскивается дизельное топливо, подаваемое топливным насосом.
• 3. Такт расширения, или рабочий ход. Впрыснутое в конце такта сжатия топливо, перемешиваясь с нагретым воздухом, воспламеняется, и начинается процесс сгорания, характеризующийся быстрым повышением температуры и давления. При этом максимальное давление газов достигает 6-9 МПа, а температура 1800-2000 С. Под действием давления газов поршень 2 перемещается от ВМТ в НМТ - происходит рабочий ход. Около НМТ давление снижается до 0.3-0.5 МПа, а температура до 700 - 900 С.
• 4. Такт выпуска. Поршень перемещается от НМТ в ВМТ и через открытый выпускной клапан 6 отработавшие газы выталкиваются из цилиндра. Давление газов снижается до 0.11-0.12 МПа, а температура до 500-700 С. После окончания такта выпуска при дальнейшем вращении коленчатого вала рабочий цикл повторяется в той же последовательности.

Индикаторную диаграмму, снятую с помощью прибора-индикатора, называют индикаторной диаграммой (рис.1).

Рис. 1

Рассмотрим диаграмму:

• 0-1 - заполнение цилиндра воздухом (при внутреннем смесеобразовании) или рабочей смесью (при внешнем смесеобразовании) при давлении несколько ниже атмосферного из-за гидродинамического сопротивления впускных клапанов и всасывающего трубопровода,
• 1-2 - сжатие воздуха или рабочей смеси,
• 2-3"-3 - период горения рабочей смеси,
• 3-4 - рабочий ход поршня (расширение продуктов сгорания), совершается механическая работа,
• 4-5 - выхлоп отработавших газов, падение давления до атмосферного происходит практически при постоянном объеме,
• 5-0 - освобождение цилиндра от продуктов сгорания.

В реальных тепловых двигателях преобразование теплоты в работу связано с протеканием сложных необратимых процессов (имеются трение, химические реакции в рабочем теле, конечные скорости поршня, теплообмен и др.) Термодинамический анализ такого цикла невозможен Гельман В.М., Москвин М.В. Сельскохозяйственные тракторы и автомобили. - М.: Агропромиздат, 1987, ч I и П..