Принцип работы 4-хтактных ДВС

На рис. 1.1 показана схема работы четырехтактного тронкового дизеля без наддува (четырехтакт­ные двигатели крейцкопфного типа вообще не строят).

Рис. 1.1. Схема работы четырехтактного дизеля

1-й такт – впуск или наполнение. Поршень 1 дви­жется от ВМТ к НМТ. При нисходящем ходе поршня через впускной патрубок 3 и расположенный в крышке впускной кла­пан 2 в цилиндр поступает воздух, так как давление в цилиндре из-за увеличения объема цилиндра становится ниже давления воздуха перед впускным патрубком р₀. Впускной клапан открывается несколь­ко раньше ВМТ (точка r), т. е. с углом опережения φ_r-r’ ≈ 20…50° до ВМТ, что создает более благоприятные условия для поступления воздуха в начале наполнения. Впуск­ной клапан закрывается после НМТ (точка а'), так как в момент прихода поршня в НМТ (точка а) давление газа в цилиндре еще ниже, чем в впускном патрубке. Поступлению воздуха в ра­бочий цилиндр в этот период способствует и инерционный под­пор воздуха, поступающего в цилиндр. Поэтому впускной кла­пан закрывается с углом запаздывания φ_а-а’ 20…45° после НМТ.

Углы опережения φ_r-r’ и запаздывания φ_а-а’ определяют опытным путем. Угол поворота коленчатого вала (ПКВ), со­ответствующий всему процессу наполнения, составляет примерно 220...275° ПКВ.

Отличительная особенность дизеля с наддувом заключается в том, что за время 1-го такта свежий заряд воздуха засасывается не из окружающей среды, а поступает во впускной патрубок при повышенном давлении из специального компрессора. В современных судовых дизелях компрессор очень часто приводится в движение газовой турбиной, работающей на отработав­ших газах двигателя. Агрегат, состоящий из газовой турбины и компрессора, называют турбокомпрессором. В дизелях с наддувом линия наполнения обычно идет выше линии выпуска (4-го такта).

2-й такт – сжатие. При обратном ходе поршня к ВМТ с момента закрытия впускного клапана поступающий в цилиндр свежий заряд воздуха сжимается, в результате чего повышается его температура до уровня, необходимого для самовоспламене­ния топлива. Топливо в цилиндр впрыскивается форсункой 4 с некоторым опережением до ВМТ (точка n) при высоком дав­лении, обеспечивающем качественное распыливание топлива. Опережение вспрыскивания топлива до ВМТ необходимо для подготовки его к самовоспламенению в момент прихода поршня в район ВМТ. В этом случае создаются наиболее благоприятные условия для работы дизеля с высокой экономичностью. Угол φ_n-с на номинальном режиме в СОД обычно равен 8...16° до ВМТ. Момент воспламенения (точка с) на рисунке показан в ВМТ, однако он может быть и несколько смещен относительно ВМТ, т. е. воспламенение топлива может начаться раньше или позднее ВМТ.

3-й такт – сгорание и расширение (рабочий ход). Поршень движется от ВМТ к НМТ. Распыленное топли­во, смешанное с горячим воздухом, воспламеняется и сгорает, в результате чего резко повышается давление газов (точка z), а затем начинается их расширение. Газы, действуя на поршень во время рабочего хода, совершают полезную работу, которая че­рез кривошипно-шатунный механизм передается потребителю энергии. Процесс расширения заканчивается в момент начала открытия выпускного клапана 5 (точка b’), которое происходит с опережением φ_b-b' ≈ 20...40°. Некоторое уменьшение полез­ной работы расширения газа по сравнению с тем, если бы клапан стал бы открываться в НМТ, компенсируется снижением затрачиваемой работы на следующем такте.

4-й такт – выпуск. Поршень движется от НМТ к ВМТ, выталкивая отработавшие газы из цилиндра. Давление газов в цилиндре в данный момент несколько выше давления после выпускного клапана. Чтобы полностью удалить отработавшие газы из цилиндра, выпускной клапан закрывается после прохода поршнем ВМТ, при этом угол запаздывания закрытия составляет φ_r'-m ≈ 10...60° ПКВ. Поэтому в течение времени, соответствующего углу φ_r-m ≈ 30...110° ПКВ, одновременно открыты впускной и выпускной клапаны. Это улучшает процесс очистки камеры сгорания от отработавших газов, особенно в дизелях с наддувом, так как давление наддувочного воздуха в данный период выше давления отработавших газов.

Таким образом, выпускной клапан открыт в период, соответствующий 210...280° ПКВ.

Полезная работа, полученная за периоды 2-го и 3-го тактов, определяется площадью aczba (площадь с наклонной штрихов­кой, см. 4‑й такт). Но во время 1-го такта двигатель затрачи­вает работу (с учетом атмосферного давления р₀ под поршнем), равную площади над кривой r'та до горизонтальной линии, со­ответствующей давлению р₀. За время 4-го такта двигатель за­трачивает работу на выталкивание отработавших газов, равную площади под кривой brr' до горизонтальной линии р₀. Следова­тельно, в четырехтактном двигателе без наддува работа так на­зываемых «насосных» ходов, т.е. 1-го и 4-го тактов, когда дви­гатель выполняет роль насоса, является отрицательной (эта работа на индикаторной диаграмме показана площадью с верти­кальной штриховкой) и должна быть вычтена из полезной ра­боты, равной разности работ в период 3-го и 2-го тактов. В ре­альных условиях работа насосных ходов очень мала, в связи с чем эту работу условно относят к механическим потерям. В ди­зелях с наддувом, если давление наддувочного воздуха, посту­пающего в цилиндр, выше среднего давления газов в цилиндре в период выталкивания их поршнем, работа насосных ходов ста­новится положительной.

Графическая зависимость давления газов в рабочем цилинд­ре от его объема (или хода поршня) представляет собой инди­каторную диаграмму. На рис. 1.2 показана развернутая инди­каторная диаграмма дизеля без наддува, где р – давление га­зов, φ – угол поворота коленчатого вала от ВМТ (обозначения точек на рис. 1.2 соответствуют обозначениям на рис. 1.1). Во 2-м такте дизель работает как компрессор, поэтому его работа в этом такте отрицательная. Круговая диаграмма фаз газорас­пределения, т. е. моментов открытия и закрытия клапанов га­зораспределения, представлена на рис. 1.3.

Рис. 1.2. Развернутая индикаторная диаграмма четырехтактного дизеля

/ — выпуск;

II — сжатие;

III — сгорание и расширение;

IV — вы­пуск

Рис. 1.3. Круговая диаграмма фаз газораспределения четырехтактного дизеля