Классификация авиационных поршневых двигателей

АВИАЦИОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ

Конспект лекций

Раздел 1. Авиационные поршневые двигатели

1.Тепловые двигатели

   Авиационный двигатель является основой всякой силовой установки летательного аппарата. Все наиболее значительные достижения в авиации связаны, главным образом, с созданием более совершенных типов самолетных силовых установок.

  Полет самолета связан с непрерывным расходом механической энергии на преодоление сопротивлений, возникающих при движении самолета в воздухе. Механическую энергию, необходимую для полета самолета, можно получить из энергии другого вида, например, из тепловой или электрической энергии. Машины, при помощи которых происходит преобразование тепловой энергии, выделяющейся при сгорании топлива, в механическую работу, называются тепловыми двигателями.Все современные авиационные двигатели относятся к числу тепловых двигателей.

Тепловые двигатели принято делить на две группы: двигатели внешнего сгорания и двигатели внутреннего сгорания.

   Двигателями внешнего сгорания называются тепловые двигатели, в которых сгорание топлива происходит вне двигателя.К таким двигателям относятся паровые машины и турбины.В паровых машинах и турбинах в качестве рабочего тела используется водяной пар, получаемый в паровом котле. Топливо, сгорая в топке парового котла, нагревает воду, превращая ее в пар, который затем поступает по трубопроводам в цилиндр паровой машины или на лопатки паровой турбины и производит работу.Двигателями внутреннего сгорания называются тепловые двигатели, в которых сгорание топлива и сообщение тепла рабочему телу происходит внутри самого двигателя. Рабочим телом в этих двигателях служат продукты сгорания топлива.К числу такихдвигателей относятся поршневыедвигатели внутреннего сгорания (ДВС), воздушно-реактивные двигатели (ВРД) и газотурбинные двигатели (ГТД).

2. Авиационные силовые установки

Двигатели авиационных силовых установок (СУ) принадлежат к двигателям внутреннего сгорания. По принципу работы двигателей авиационные СУ в основном можно разделить на три группы.

СУ с поршневыми двигателями внутреннего сгорания (ДВС). В этом случае силовая установка состоит из поршневого двигателя, работающего на жидком топливе, и воздушного винта, являющегося движителем.В поршневыхДВС теплота преобразуется в механическую работу, передаваемую при помощи поршня и шатуна на вал двигателя. Вал двигателя приводит во вращение воздушный винт, создающий необходимую для полета тягу.

Установки с воздушно-реактивными двигателями (ВРД). В этом случае силовая установка на самолете состоит только из реактивного двигателя, являющегося одновременно и движителем.В воздушно-реактивных двигателях теплота сгорания топлива преобразуется в кинетическую энергию (скорость) газов, вытекающих через специальное реактивное сопло в сторону, противоположную направлению полета. Реакция вытекающей струи газов и создает необходимую для полета тягу.Воздушно-реактивные двигатели делятся на прямоточные, пульсирующие и газотурбинные.

Установки с турбовинтовыми двигателями (ТВД). В этом случае силовая установка на самолете состоит из двигателя (газовой турбины) и движителя (воздушного винта).В ТВД теплота сгорания топлива преобразуется в механическую работу на лопатках ротора газовой турбины. Вал ротора приводит во вращение воздушный винт, который создает тягу для полета.

Следует заметить, что в турбовинтовых двигателях не вся энергия газов затрачивается на вращение турбины. Часть газа выходит в реактивное сопло, и при этом также создается тяга для полета.Таким образом, в ТВД необходимая тяга для полета создается за счет вращения винта и за счет реакции выходящих из сопла газов.

Классификация авиационных поршневых двигателей

Авиационные поршневые двигатели могут быть классифицированы по различным признакам:

а) В зависимости от рода применяемого топлива — на двигатели легкого или тяжелого топлива.

б) По способу смесеобразования — на двигатели с внешним смесеобразованием (карбюраторные) и двигатели с внутренним смесеобразованием (с непосредственным впрыском топлива в цилиндры).

в) В зависимости от способа воспламенения смеси — на двигатели с принудительным зажиганием и двигатели с воспламенением от сжатия.

г) В зависимости от числа тактов — на двигатели 2-тактные и 4-тактные.

д) В зависимости от способа охлаждения — на двигатели жидкостного и воздушного охлаждения.

е) По числу цилиндров—на двигатели 4-, 8-, 12-цилиндровые и т. д.

ж) В зависимости от расположения цилиндров — на рядные (с расположением цилиндров в ряд) и звездообразные (с расположением цилиндров по окружности).Рядные двигатели в свою очередь подразделяются на 1-рядные, 2-рядные V-образные, 3-рядные W-образные, 4-рядные Н-образные или Х-образные двигатели.Звездообразные двигатели также подразделяются на однорядные, двухрядные и многорядные.

з) По характеру изменения мощности в зависимости от изменения высоты — на высотные, т. е. двигатели, сохраняющие мощность с подъемом самолета на высоту, и невысотные двигатели, мощность которых падает с увеличением высоты полета.

и) По способу привода воздушного винта — на двигатели с прямой передачей мощности на винт и редукторные двигатели.

  В настоящее время на летательных аппаратах (ЛА) находят применение в основном 4-тактные поршневые двигатели легкого топлива с воздушным охлаждением. По сравнению с другими типами поршневых ДВС они в большей степени удовлетворяют основным требованиям, предъявляемым к силовым установкам ЛА с небольшими дозвуковыми скоростями полета: имеют хорошую экономичность, сравнительно малый удельный вес, отличаются высокой надежностью и долговечностью в работе.

4. Основные требования, предъявляемые к авиационнымДВС

Авиационный двигатель должен удовлетворять ряду требований конструктивного и эксплуатационного характера.

Основными требованиями являются:

1)соответствующая назначению самолета мощность. По величине развиваемой мощности поршневые двигатели условно подразделяются на: маломощные (100—500 л. с.};средней мощности (500—1500 л. с.);большой мощности (1500—3500 л. с. и более). Двигатели малой и средней мощности устанавливаются на учебные, тренировочные и транспортные самолеты;двигатели большой мощности устанавливаются преимущественно на большие транспортные самолеты;

2) минимальный вес; чем меньше вес двигателя, тем больше полезная грузоподъемность самолета.Принято различать вес двигателя «сухой» и удельный.«Сухим» весом называется вес двигателя со всеми агрегатами без охлаждающей жидкости, масла и втулки винта.Удельным весом двигателя называется вес «сухого» двигателя, отнесенный к 1 л. с. его мощности.

Удельный вес современных мощных поршневых двигателей колеблется в пределах 0,45—0,65 кг/л. с.Удельный вес маломощных двигателей может достигать 1 —1,2 кг/л. с.

3)минимально возможные габариты (длину, ширину, высоту и диаметр).Чем меньше поперечный габарит двигателя, тем меньше лобовое сопротивление самолета.

4)экономичность.Экономичность определяется удельным расходом топлива. Удельным расходом называется расход топлива на I л. с. в час. Чем меньше удельный расход топлива, тем экономичнее двигатель.Удельный расход топлива в современных поршневых двигателях составляет 0,2-0,330 кг/л. с. ч. В настоящее время требования к экономичности поршневых двигателей все более и более повышаются. Для того чтобы удовлетворить этим требованиям, начинают применять комбинированные установки, у которых наряду с двигателем имеются агрегаты для использования энергии выхлопных газов двигателя (газовые турбины, реактивные патрубки и сопла). В результате этого удельные расходы топлива, отнесенные ко всей установке в целом, могут быть доведены до величин, значительно меньших 0,2 кг/л. с. ч.

5) надежность и долговечность. Под надежностью двигателя понимают способность его работать без вынужденных остановок из-за дефектов или поломок деталей и без снижения мощности в течение определенного срока.Продолжительность работы авиационных двигателей между ремонтами называется ресурсом двигателя. Ресурс зависит от типа двигателя и условий его эксплуатации.Долговечность двигателя определяется общим количеством часов, проработанных двигателем за весь срок его службы; она составляет 750 - 2000 и более часов.

6)достаточная высотность. Авиационный двигатель должен сохранять свою мощность при изменении высоты полета.Высотность современных авиационных поршневых ДВС достигает 10000—14000 м и более.

7) динамическая уравновешенность. Под динамической уравновешенностью понимают создание условий, при которых переменные по величине и направлению неуравновешенные силы в двигателе взаимно уравновешивают друг друга.Во избежание вибрации двигатель должен быть динамически уравновешен.

8) простота и удобство эксплуатации и технического обслуживания.

Конструкция двигателя должна обеспечивать удобство осмотра и подхода к агрегатам, нуждающимся в периодической регулировке и осмотре при эксплуатации.

Кроме этих основных требований, к авиадвигателю предъявляются специальные требования, например: легкость запуска, способность работать на общепринятых сортах топлива и масла, безопасность в пожарном отношении.

5. Устройство поршневого ДВС

Основными рабочими элементами поршневого ДВС являются: цилиндр, внутри которого находится подвижный поршень, коленчатый вал и шатун, связывающий поршень с коленчатым валом. Основание, к которому крепятся все части двигателя и которое объединяет их в один целостный механизм, называется картером. Возвратно-поступательное движение поршня посредством шатуна передается коленчатому валу, который приходит во вращательное движение. Вращение от коленчатого вала сообщается воздушному винту. 

В ДВС выделение тепла, сообщение его рабочему телу и преобразование тепловой энергии в механическую осуществляется внутри цилиндров двигателя. При этом топливо, смешанное с определенным количеством воздуха, вводится в цилиндр. В цилиндре эта смесь сжимается поршнем, в определенный момент воспламеняется и сгорает. После сгорания смеси образовавшиеся газы с высокой температурой и давлением давят на поршень и приводят его в поступательное движение.

Для заполнения цилиндра смесью топлива с воздухом и для очистки его от продуктов сгорания после использования их энергии в цилиндре имеются специальные окна, закрываемыевпускными и выпускными клапанами. Клапаны открываются при помощи специального механизма, который приводится в действие коленчатым валом. Этот механизм состоит из кулачкового (распределительного) валика, связанного с коленчатым валом какой-либо передачей, и клапанных рычагов, действующих непосредственно на клапаны. Закрытие клапанов происходит под действием пружин, расположенных на головке цилиндра.

Смесь топлива с воздухом приготавливается в карбюраторе и по трубопроводу подводится к впускным клапанам цилиндров. К карбюратору топливо подается из бака топливным насосом. Воспламенение ТВС в цилиндре осуществляется электрической искрой, образующейся между электродами запальной свечи. Электрический ток, питающий свечу, вырабатывается магнето.

Продукты сгорания, имеющие высокую температуру (до 2500⁰), отдают часть своего тепла деталям двигателя и в первую очередь стенкам цилиндра. Поэтому нормальная работа двигателя возможна лишь при интенсивном охлаждении его цилиндров. При жидкостном охлаждении стенки цилиндра охлаждаются циркулирующей вокруг них жидкостью. Нагретая жидкость поступает в радиатор, где охлаждается воздухом, затем снова поступает к цилиндрам.

6.Основные элементы конструкции                                                                          поршневого авиационного двигателя

    1. Картер служит основанием, к которому крепятся основные детали и агрегаты двигателя. Картер связывает все детали и агрегаты двигателя в один целостный механизм. Как правило, картеры изготавливаются из алюминиевых сплавов, хотя встречаются также стальные и чугунные картеры. Обычно конструкция картера состоит из двух и более частей, соединенных между собой болтами и шпильками.

    2. Цилиндр авиадвигателя является рабочей камерой, в которой происходит сгорание смеси топлива с воздухом и преобразование выделенного тепла в механическую работу; кроме того, цилиндр направляет движение поршня. В процессе работы двигателя цилиндр подвергается действию высокой температуры и давления газов, поэтому должен быть прочным и хорошо охлаждаться. Вместе с тем цилиндр должен иметь небольшой вес. Чтобы удовлетворить этим требованиям, цилиндр изготавливается из двух частей – гильзы и головки. Гильза выполняется из стали (для прочности), внутри она тщательно шлифуется и полируется для уменьшения трения и износа при движении поршня. Внутренняя поверхность гильзы называется зеркалом цилиндра. Головка цилиндра для улучшения теплоотдачи изготовляется из алюминиевых сплавов. В головках цилиндров имеются специальные окна с клапанами, через которые в определенные моменты поступает воздух (или ТВС) и выходят продукты сгорания.

       3. Кривошипно-шатунный механизм. Основным звеном, воспринимающим работу газовых сил и передающим ее для использования, является кривошипно-шатунный механизм (рис.2), состоящий из поршня, шатуна и кривошипа коленчатого вала. Кривошипно-шатунный механизм преобразует возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение коленчатого вала.      

Рис. 1. Кривошипно-шатунный механизм

1 – поршень; 2 – шатун; 3 – кривошип коленчатого вала

    При вращении коленчатого вала поршень, перемещаясь в цилиндре, достигает двух крайних положений, одно из которых, наиболее удаленное от оси коленчатого вала, называется верхней мертвой точкой (ВМТ), второе, наиболее близкое к оси коленчатого вала, называется нижней мертвой точкой (НМТ).

  Положение ВМТ и НМТ определяется размерами шатуна и кривошипа.        Основным размером шатуна является длина (L). Длиной шатуна называется расстояние от оси его верхней (поршневой) головки до оси нижней (кривошипной) головки. Размер кривошипа характеризуется его радиусом (R). Радиусом кривошипа называется расстояние от оси коренной шейки до оси шатунной шейки. Расстояние от ВМТ до НМТ называется ходом поршня (S). Ход поршня S = 2R соответствует 180⁰ по углу поворота коленчатого вала.                                                                                                                                          При вращении коленвала поршень, перемещаясь в цилиндре, достигает двух крайних положений, одно из которых, наиболе

    4. Поршеньвоспринимает давление газов и передает их работу на коленчатый вал. Во время работы двигателя поршень перемещается с большой скоростью и подвергается действию высоких температур и давлений. Поэтому он должен быть легким, прочным, хорошо отводить тепло и надежно уплотнять камеру цилиндра от прорыва газов. Поршни куются или штампуются из сплавов алюминия. В поршне различают днище, на которое давят газы, и цилиндрическую часть (боковую поверхность), направляющую движение поршня. Внутри цилиндрической части имеются утолщенные приливы для размещения поршневого пальца. Снаружи на боковой поверхности сделаны кольцевые канавки, в которых помещаются газо-уплотнительные (компрессионные) кольца, изготовленные из спец. чугуна и обладающие пружинящими свойствами. Кольца плотно прилегают к зеркалу цилиндра и предупреждают прорыв газов из цилиндра в картер. Кроме них, на поршне имеются еще маслоуплотнительные кольца, которые предотвращают попадание масла внутрь цилиндра. Сочленение поршня с шатуном осуществляется при помощи поршневого пальца, изготовленного из стали.

   5. Шатун соединяет поршень с коленчатым валом и передает работу газовых сил коленчатому валу, приводя его во вращение. Шатун принадлежит к числу наиболее нагруженных деталей двигателя, поэтому изготавливается из спец. сталей. В шатуне различают поршневую (верхнюю) головку, кривошипную (нижнюю) головку и стержень, соединяющий обе головки. Верхняя головка шатуна шарнирно сочленяется с поршневым пальцем. Кривошипная головка надевается на шатунную шейку коленчатого вала и обычно выполняется разъемной. Стержень шатуна, как правило, имеет двутавровое сечение.

    6. Коленчатый вал воспринимает работу поршней и передает ее на воздушный винт. Он относится к числу наиболее нагруженных деталей двигателя, поэтому изготавливается из спец. сталей. Коленчатый вал состоит из следующих основных частей: носка, коренных шеек; шатунных шеек; щек, соединяющих коренные и шатунные шейки в одно целое; хвостовика и противовесов. Коренные шейки – это опоры вала; ими он опирается на коренные подшипники, расположенные в перегородках картера. На шатунные шейки монтируются кривошипные головки шатунов. Носок связывает коленчатый вал с винтом или непосредственно, или через спец. шестеренчатую передачу. Хвостовик передает движение агрегатам и механизмам, установленным на двигателе. Шатунная шейка, две щеки и прилегающие к ним коренные шейки составляют кривошип или колено вала. Число и расположение кривошипов зависит от схемы двигателя.

       7. Механизм газораспределения предназначен для обеспечения своевременного открытия и закрытия клапанов (впуска воздуха или ТВС внутрь цилиндра и выпуска отработавших газов). В рядных двигателях механизм газораспределения состоит из кулачкового (распределительного) валика, расположенного на головке блока цилиндров и приводимого во вращение от коленчатого вала. У четырехтактных двигателей число оборотов кулачкового валика должно быть вдвое меньше числа оборотов коленчатого вала.

Цилиндры большинства современных двигателей снабжены двумя клапанами впуска и двумя клапанами выпуска. Клапаны удерживаются в закрытом положении клапанными пружинами. Открываются клапаны посредством кулачковых валиков. Валики имеют ряд кулачков, которыми действуют на клапаны либо непосредственно, либо через траверсы и коромысла. Число кулачков зависит от числа и расположения клапанов на цилиндрах.

    8. Нагнетатель. Мощность двигателя зависит от количества топлива, сгорающего в его цилиндрах в единицу времени. Чтобы сжечь больше топлива, необходимо подать больше воздуха. Увеличение подачи воздуха в цилиндры достигается при помощи нагнетателя, расположенного на двигателе. Воздух до поступления в цилиндры сжимается в нагнетателе, в результате повышается его плотность. Современные авиационные нагнетатели повышают давление воздуха в 2-3 раза и более по отношению к атмосферному давлению.

      9.Редуктор. Современные авиадвигатели для получения высоких мощностей развивают большое число оборотов (2500-3000 об/мин и выше). Воздушный винт наиболее полно использует полученную энергию при сравнительно небольших оборотах (порядка 1600-1800 об/мин). Поэтому передача на винт от коленчатого вала осуществляется через редуктор. Редуктор уменьшает число оборотов винта по отношению к числу оборотов коленчатого вала, что позволяет снизить потери энергии на винте. У рядных двигателей редуктор обычно состоит из малой шестерни, расположенной на коленчатом валу, и большой шестерни, находящейся на вале редуктора. На носок вала редуктора устанавливается воздушный винт.

      10. Агрегаты. У карбюраторных двигателей смесь топлива с воздухом приготовляется до поступления ее в цилиндры в специальном агрегате – карбюраторе. Смесь топлива с воздухом в определенных соотношениях называется горючей смесью или топливовоздушной смесью (ТВС). У двигателей с непосредственным впрыском топливо подается непосредственно в цилиндры насосом высокого давления и распыляется форсунками. У таких двигателей ТВС образуется внутри цилиндров. Топливо подается в карбюратор или к насосу высокого давления подкачивающим насосом низкого давления, который расположен на двигателе.

Воспламенение ТВС производится электрической искрой (в карбюраторном двигателе) или происходит при контакте впрыскиваемого топлива с сжатым до высокого давления и имеющим соответственно высокую температуру воздухом в цилиндре двигателя. Необходимая для образования искры электрическая энергия вырабатывается и распределяется по цилиндрам агрегатом, называемым магнето. Магнето устанавливается на двигателе и приводится от коленчатого вала через промежуточную передачу.

Для смазки трущихся деталей масло подается нагнетающим маслонасосом и откачивается из картера в маслобак откачивающим маслонасосом. Оба эти насоса объединяются в один общий агрегат, устанавливаемый в нижней части картера.

Двигатели жидкостного охлаждения снабжены насосом, создающим циркуляцию жидкости в системе охлаждения. Насос устанавливается в нижней части двигателя и приводится от коленчатого вала. Нагретая в рубашках цилиндров жидкость поступает в радиатор для охлаждения, затем возвращается к цилиндрам.

7. Принцип работы поршневогоДВС

В поршневом ДВС преобразование тепловой энергии в механическуюсовершается при непрерывном изменении состояния рабочего тела (газа).Все эти изменения в 4-тактном двигателе можно представить в виде пяти самостоятельных последовательно чередующихся процессов (рис.1).

Вначале цилиндр двигателя заполняется свежей топливовоздушной смесью (ТВС),- происходит процесс впуска(рис.2, а).В процессе впуска при движении поршня 3 от верхней мертвой точки (ВМТ) к нижней мертвой точке (НМТ) объем над поршнем увеличивается, давление в цилиндре уменьшается, и ТВС через открытый впускной клапан поступает в цилиндр. Впуск ТВС продолжается до момента прихода поршня в НМТ, после чего впускной клапан закрывается (в действительности моменты открытия и закрытия клапанов впуска и выпуска не совпадают с положениями поршня в ВМТ и НМТ, о чем будет сказано ниже).

Рис.2. Принцип работы 4-тактного поршневого ДВС

1 - клапан впуска; 2 – клапан выпуска; 3 – поршень; 4 – шатун; 5 – кривошип

Затем ТВС сжимается. При этом поршень двигается от НМТ к ВМТ. Клапаны впуска и выпуска в этом процессе закрыты (рис.2, б).  Если в конце впуска ТВС занимала полный объем цилиндра V_a, то в конце процесса сжатия объем ТВС становится равным объему камеры сжатия V_c.

Около ВМТ смесь поджигается и сгорает, что сопровождается выделением большого количества тепла, повышением температуры и давления продуктов сгорания. В конце процесса сгорания давление в цилиндре достигает 50-75 кг/см².

Под действием высокого давления поршень движется от ВМТ к НМТ. Газы расширяются и производят полезную работу. Этот процесс называется процессом расширения (рис.2,  в). Расширение газов продолжается до момента прихода поршня в НМТ.В этот же момент механизм газораспределения открывает выпускной клапан.

После процесса расширения следует процесс выпуска (рис.2,г).При движении поршня обратно к ВМТ цилиндр очищается от продуктов сгорания и подготавливается к очередному наполнению свежей ТВС и к повторению перечисленных выше процессов. Выпуск продуктов сгорания продолжается до прихода поршня в ВМТ, после чего механизм газораспределения закрывает выпускной клапан. После процесса выпуска снова открывается впускной клапан и начинается процесс впуска -и т. д.

Таким образом, рабочее тело (газы) в цилиндре двигателя совершает определенный круг процессов, возвращаясь каждый раз в первоначальное состояние. Совокупность всех процессов, по завершении которых вновь начинается их повторение, называется циклом двигателя.

Часть цикла, соответствующая одному ходу поршня (от одной мертвой точки до другой мертвой точки), называется тактом. В зависимости от устройства двигателя цикл может совершаться за два такта (за один оборот коленчатого вала) или за четыре такта (за два оборота коленчатого вала).

Все поршневые ДВС по числу тактов в каждом цикле делятся на два класса: 4-тактные и 2-тактные двигатели. В четырехтактном двигателе такты чередуются в следующем порядке:

1. Такт впуска - поршень движется от ВМТ к НМТ; клапаны впуска открыты, а клапаны выпуска закрыты; в цилиндр поступает свежая ТВС.

   2. Такт сжатия – поршень движется от НМТ к ВМТ; клапаны впуска и выпуска закрыты; ТВС в цилиндре сжимается и около ВМТ воспламеняется и сгорает.

3. Такт расширения – газы, имеющие высокие температуру и давление, расширяются и перемещают поршень от ВМТ к НМТ. В этом такте совершается полезная работа, происходит передача работы от газа к поршню, поэтому такт расширения называют также рабочим ходом.

4. Такт выпуска – поршень движется от НМТ к ВМТ, клапаны выпуска открыты, а клапаны впуска закрыты, продукты сгорания выталкиваются поршнем из цилиндра. 

         Передача работы от газа в цилиндре двигателя к выходному валу ДВС производится при помощи кривошипно-шатунного механизма (рис. 2), преобразующего возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение коленчатого вала.

При перемещении поршня изменяется объем газа внутри цилиндра. Объем, занимаемый газом в цилиндре при положении поршня в ВМТ, называется объемом камеры сгорания (камеры сжатия), обозначается V_c. Объем, занимаемый газом в цилиндре при положении поршня в НМТ, называется полным объемом цилиндра, обозначается V_a. Объем, описываемый поршнем при его движении между мертвыми точками, называется рабочим объемом цилиндра, обозначается V_h, причем V_a = V_h + V_c. Объем цилиндра принято выражать в литрах. Рабочий объем всех цилиндров двигателя называется литражом двигателя. Отношение полного объема цилиндра к объему камеры сгорания называется степенью сжатия: ε = V_a/V_c. В современных бензиновых авиадвигателях степень сжатия лежит в пределахε= 5,5-7,5.

Рис. 3. Схема кривошипно-шатунного механизма.

8. Термодинамические циклы поршневых ДВС

Термодинамическим циклом теплового двигателя называется круговой термодинамический процесс, в котором теплота превращается в работу.

Идеальные (обратимые) термодинамические циклы являются моделями процессов, происходящих в реальных тепловых машинах. Другими словами, обратимый термодинамический цикл является предельным циклом, к которому следует стремиться при осуществлении рабочего цикла в реальных двигателях. Изучение идеальных термодинамических циклов позволяет производить сравнение различных двигателей и определять основные факторы, влияющие на их экономичность.

    При исследовании идеальных термодинамических циклов тепловых двигателей к числу определяемых величин относятся: количество подведенной и отведенной теплоты, основные параметры состояния в характерных точках цикла, термический КПД цикла.

          Основным показателем термодинамической эффективности обратимого цикла служит термический КПД цикла:

                    ξt = L_ц/Q₁. . . . . . . . . . (1)

          где L_ц – работа цикла; Q₁ – количество подведенной теплоты.

           В круговом термодинамическом процессе (цикле) количество теплоты,преобразованной в полезную работу цикла, равно разности теплоты, полученной от горячего источника и теплоты, отданной холодному источнику, т.е.Q_Ц = Q₁ – Q₂, следовательно

L_ц = Q₁ – Q₂.                       (2)

          После подстановки (2) в уравнение (1), получаем     

                 ξt = (Q₁ – Q₂)/Q₁ = 1 – Q₂/Q₁ (3)

                         Для каждого конкретного теплового двигателя выражение, определяющее термический КПД соответствующего цикла, может быть записано в виде функции основных характеристик данного цикла.

    В зависимости от реализуемого термодинамического цикла, все современные поршневые ДВС подразделяются на три основные группы:

1. Двигатели, в которых используется цикл с подводом тепла при постоянном объеме v=const(цикл Отто).

2. Двигатели, в которых используется цикл с подводом тепла при постоянном давлении p=const(цикл Дизеля).

3. Двигатели, в которых используется смешанный цикл с подводом тепла как при v=const, так и при p=const (цикл Тринклера).

Рис. 4. Термодинамические циклы поршневых ДВС

а — цикл Отто;б —цикл Дизеля;в — цикл Тринклера,

где Vс— объем камеры сжатия; Vh — рабочий объем;Q₁— подведенная теплота;Q₂— отведенная теплота; L — полезная работацикла;

    Цикл Отто(рис.4, а).По этому циклу работают современные бензиновые и газовые двигатели. Цикл состоит из 4-х термодинамических процессов. Идеальный газ с начальными параметрами p₁, v₁,T₁сжимается по адиабате 1-2. В изохорном процессе 2-3 рабочему телу от внешнего источника теплоты передается количество теплоты Q₁. В адиабатном процессе 3-4 рабочее тело расширяется до первоначального объема V₄=V₁. В изохорном процессе 4-1 рабочее тело возвращается в исходное состояние с отводом от него теплоты Q₂ в теплоприемник.

Характеристиками цикла являются:

ε = V₁/ V₂ - степень сжатия;

λ = p₃/p₂ - степень повышения давления;

    Термодинамический анализ процессов, составляющих данный цикл, позволяет получить выражение, определяющее термический КПД цикла:

Термический КПД цикла Отто: ξ_t = 1 – 1/ε^k-1 ,………………….(4)

откуда видно, что с повышением степени сжатия εКПД цикла возрастает.

Однако повышение степени сжатия в двигателях данного типа ограничивается возможностью преждевременного самовоспламенения горючей смеси. В связи с чем, рассматриваемые типы двигателей имеют относительно низкие КПД. В зависимости от рода топлива степень сжатия в таких двигателях изменяется от 4 до 9.

    Цикл Дизеля.Двигатели, в основу работы которых положен цикл с подводом теплоты при постоянном давлении (с постепенным сгоранием), имеют ряд преимуществ по сравнению с двигателями, работающими по циклу с подводом теплоты при постоянном объеме. Они связаны с тем, что в двигателях с постепенным сгоранием осуществляется раздельное сжатие топлива и воздуха. Поэтому здесь можно достигать значительно более высоких степеней сжатия. Воздух при высоких давлениях имеет настолько высокую температуру, что подаваемое в цилиндр топливо самовоспламеняется без всяких специальных запальных приспособлений. Кроме того, раздельное сжатие воздуха и топлива позволяет использовать любое жидкое дешевое топливо - нефть, мазут и проч.

В двигателях с постепенным сгоранием топлива воздух сжимается в цилиндре, а жидкое топливо распыляется сжатым воздухом от компрессора. Раздельное сжатие позволяет применять высокие степени сжатия (до ε =20 ), исключая преждевременное самовоспламенение топлива. Постоянство давления при горении топлива обеспечивается соответствующей регулировкой топливной форсунки. Конструкция такого двигателя впервые была разработана немецким инженером Дизелем.

    Цикл Дизеля(рис.4, б) осуществляется следующим образом. Газообразное рабочее тело с начальными параметрами p₁, v₁, T₁сжимается по адиабате 1-2. В изобарном процессе 2-3 телу сообщается некоторое количество теплоты Q₁. В адиабатном процессе 3-4 происходит расширение рабочего тела до первоначального объема. В изохорном процессе 4-1 рабочее тело возвращается в первоначальное состояние с отводом в теплоприемник теплоты Q₂. Характеристиками цикла являются :

степень сжатия - ε = V₁/V₂;

степень предварительного расширения -ρ = V₃/V₂.

Термический КПД цикла Дизеля: ξ_t = 1 – (ρk – 1)/ kε^k-1(ρ – 1)……………(5)

Отсюда следует, что с увеличением ε и k КПД увеличивается, а с увеличением ρ - уменьшается.

Сравнения КПД циклов ДВС с подводом теплоты при p = constи    v = constпри одинаковых давлениях и температурах, но при различных εпоказывают, чтоξ_tp>ξ_tv.При этом степень сжатия εв циклес подводом теплоты при p = constбольше,чем в цикле с подводом теплоты при v = const.

Величина εв циклес подводом теплоты при постоянном давлении выбирается таким образом, чтобы обеспечивались условия самовоспламенения топлива. Таким условиям в компрессорных дизелях соответствует ε = 14 -18.

    Цикл Тринклера. Одним из недостатков двигателей, в которых применяется цикл с подводом теплоты при постоянном давлении, является необходимость использования компрессора, применяемого для подачи топлива. Наличие компрессора усложняет конструкцию и уменьшает экономичность двигателя, так как на его работу затрачивается 6-10 % от общей мощности двигателя.С целью упрощения конструкции и увеличения экономичности двигателя русский инженер Г.В.Тринклер разработал проект бескомпрессорного двигателя высокого сжатия. Этот двигатель лишен недостатков рассмотренных выше двух типов двигателей. Основное его отличие в том, что жидкое топливо с помощью топливного насоса подается через форсунку в головку цилиндра, где оно воспламеняется и горит вначале при постоянном объеме, а потом при постоянном давлении.

На рис. 4-в  представлен идеальный цикл двигателя со смешанным подводом теплоты в pv -координатах.В адиабатном процессе 1-2 рабочее тело сжимается до параметров в точке 2. В изохорном процессе 2-3 к нему подводится первая доля теплоты Q′₁ , а в изобарном процессе 3-4 - вторая - Q″₁ два штриха. В процессе 4-5 происходит адиабатное расширение рабочего тела и по изохоре 5-1 оно возвращается в исходное состояние с отводом теплоты Q₂ в теплоприемник.

Характеристиками цикла являются :

степень сжатия - ε = V₁/V₂;

степень повышения давления -λ = p₃/p₂;

степень предварительного расширения -ρ = V₄/V₃.

ТермическийКПДциклаТринклера:

ξ_t = 1 – (λ•ρ^k – 1)/ε^k-1•(λ-1 + kλ(ρ-1))………..(6)

Отсюда следует, что с увеличением k, ε и λ КПД цикла возрастает, а с увеличениемρуменьшается.

Цикл со смешанным подводом теплоты обобщает циклы с изобарным и изохорным подводом теплоты. Если положить что λ = 1 (что означает отсутствие подвода теплоты при постоянном объеме), то формула (6) приводится к формуле (5), т.е. к формуле для КПД цикла ДВС с изобарным подводом теплоты. Если принять ρ=1(что означает отсутствие подвода теплоты при постоянном давлении), то формула (6) приводится к формуле (4) для КПД цикла с изохорным подводом теплоты.

Цикл со смешанным подводом теплоты лежит в основе работы большинства современных дизелей.

9. Процессы рабочего цикла четырехтактного ДВС

1. Процесс впуска (процесс наполнения) служит для зарядки цилиндра свежей смесью, при сгорании которой выделяется тепло, необходимое для получения полезной работы. Чем больше смеси поступит в цилиндр двигателя, тем больше тепла выделится при сгорании, тем большую работу можно получить и тем большую мощность сможет развить двигатель.

В целях увеличения заряда цилиндров смесью у многих двигателей смесь, поступающая в цилиндр, предварительно сжимается в нагнетателе – обычно в центробежном компрессоре. Такая принудительная подача в двигатель предварительно сжатой свежей смеси называется наддувом. Кроме повышения мощности в земных условиях, наддув также используется как способ поддержания мощности с поднятием на высоту.

В карбюраторных двигателях образование ТВС начинается в карбюраторе, продолжается во всасывающих трубопроводах и заканчивается в цилиндре. В двигателях с непосредственным впрыском смесеобразование происходит непосредственно в цилиндрах. В этом случае в цилиндр через впускные клапаны поступает чистый воздух, а подача топлива в цилиндры через форсунки начинается через 30-50⁰ поворота коленчатого вала от ВМТ в такте впуска.

Для увеличения заряда свежей смеси (или воздуха) оказывается целесообразным произвести смещение фаз газораспределения. Впускной клапан начинает открываться с опережением, т.е. когда поршень в такте выпуска не дойдет до ВМТ на 15-50⁰ по углу поворота коленчатого вала, а закрытие впускного клапана происходит с запаздыванием на 40-65⁰ по углу поворота коленчатого вала после НМТ, т.е. уже в такте сжатия. Таким образом, общая продолжительность процесса впуска (фаза открытия впускного клапана) составляет 250-280⁰ по углу поворота коленчатого вала.

    2. Процесс сжатия. Процесс сжатия происходит при закрытых впускном и выпускном клапанах и служит для увеличения температурного перепада цикла и степени расширения продуктов сгорания топлива. Вследствие сжатия смеси создаются благоприятные условия для ее сгорания. Сжатая смесь занимает меньший объем, ввиду этого меньше времени затрачивается для распространения пламени по всему объему смеси. Скорость сгорания сжатой смеси увеличивается, а время сгорания уменьшается.Это создает благоприятные условия для воспламенения и сгорания рабочей смеси и обеспечивает эффективное преобразование теплоты в механическую работу.

  Повышение степени сжатия повышает КПД и работу цикла. Но для двигателей легкого топлива (бензиновых) максимальное значение степени сжатия ограничивается опасностью перехода процесса сгорания во взрывную форму, т.е. появлением детонации. Поэтому в авиационных двигателях легкого топлива степень сжатия обычно не превышает 7,0 - 7,5.

В карбюраторных двигателях температура газов в конце сжатия находится в пределах 500–700 К, в дизельных двигателях 750–950 К. В карбюраторных двигателях температура газов в конце сжатия во избежание детонационного сгорания не должна превышать температуру самовоспламенения топлива.В дизельных двигателях для улучшения процесса сгорания температура газов в конце сжатия должна на 300–400 °С превышать температуру самовоспламенения впрыскиваемого топлива.

3.Процесс сгорания. Горение топливовоздушной смеси (ТВС) – это химическая реакция соединения элементов, входящих в состав топлива (углерода и водорода) с кислородом воздуха. При сгорании химическая энергия топлива переходит в тепловую.

 Для полного сгорания ТВС необходимо иметь на каждую весовую единицу топлива, находящегося в данной смеси, определенное количество воздуха. Количество воздуха, которое необходимо для полного сгорания 1 кг топлива, называется теоретически необходимым количеством воздуха и обозначается G_в0. Теоретически необходимое количество воздуха для данного топлива можно подсчитать по его элементарному составу. Для авиационных бензинов и керосинов G_в0 =14,5 – 15,2 кг возд./кг топл.

     Количество воздуха, действительно поступающего в цилиндр для сжигания 1 кг топлива G_в, может быть больше или меньше G_в0.Отношение действительного количества воздуха к теоретически необходимому называется коэффициентом избытка воздуха (α), т.е. α = G_в/G_в0.Коэффициент избытка воздуха характеризует состав топливовоздушной смеси. Если α=1,то такая смесь называется смесью теоретического состава. Если α<1, смесь называется богатой (избыток топлива). Если α>1, смесь называется бедной (недостаток топлива).

В двигателях легкого топлива процесс сгорания начинается с момента прохождения между электродами запальной свечи искры, воспламеняющей смесь. Продолжительность сгорания смеси определяется скоростью распространения пламени.

  Скорость распространения пламени изменяется в значительных пределах (от 25 до 40 м/сек) и зависит от конструкции двигателя (формы камеры сгорания, степени сжатия, расположения свечи) и его эксплуатационных особенностей (свойств топлива, состава смеси, числа оборотов, нагрузки).На продолжительность сгорания оказывают влияние и такие факторы, как температура смеси, наличие в цилиндре остаточных газов и вихревых движений и пр.

 Сильное влияние на скорость сгорания оказывает состав смеси. Установлено, что при α = 0,85-0,90 скорость сгорания наибольшая. При очень богатых или очень бедных смесях работа двигателя становится невозможной из-за нарушения устойчивого горения. Коэффициенты избытка воздуха, при которых прекращается распространение пламени по объему камеры сгорания, называются пределами воспламеняемости. Для бензиновоздушных смесей пределы воспламеняемости составляют: α_min=0,3-0,4, α_max=1,3-1,5.

Скорость сгорания может быть определена по индикаторной диаграмме как продолжительность всего процесса сгорания от момента зажигания до момента образования конечных продуктов, т. е. практически до момента, соответствующего максимальному давлению сгорания.Так как весь процесс сгорания по углу поворота коленчатого вала очень короток, то для обеспечения высокой полноты сгорания необходимо обеспечить возможно более высокую скорость сгорания.

Время, отводимое для сгорания в цилиндрах двигателя, определяется всего несколькими тысячными долями секунды. При этом максимальная мощность двигателя достигается в том случае, если воспламенение смеси происходит в конце такта сжатия, несколько раньше того момента, когда поршень придет в ВМТ.

Углом опережения зажигания называется угол поворота коленчатого вала от момента зажигания до ВМТ, измеряемый в градусах.

Если угол опережения зажигания выбран правильно, к моменту, когда поршень придет в ВМТ, процесс сгорания смеси будет развиваться благоприятно. При этом сгорание смеси заканчивается на 12–18° после ВМТ, а мощность, развиваемая двигателем, достигает максимального значения. Наивыгоднейший момент зажигания соответствует максимальной мощности для каждого режима работы двигателя. Подбор наивыгоднейшего момента зажигания производится опытным путем.

При определенных условиях нормальный процесс сгорания в карбюраторных двигателях может быть нарушен явлениями детонации. Детонационное сгорание характеризуется высокими скоростями распространения пламени и значительным повышением температуры и давления газов. Если при нормальном сгорании скорость распространения пламени составляет 25–40 м/сек, то при детонации она достигает 2000 м/сек,что соответствует скорости сгорания взрывчатых веществ. Давление газов при детонационном сгорании повышается до 15–20 МПа, что значительно превышает давление, соответствующее нормальному сгоранию (2.5–5.0 МПа).

Детонационное сгорание возникает при несоответствии между степенью сжатия двигателя и детонационной стойкостью применяемого топлива. Кроме свойств топлива, на возникновение детонации оказывают влияние конструктивные особенности двигателя – размер цилиндра, форма камеры сгорания, расположение свечи и др., а также ряд эксплуатационных факторов – состав смеси, число оборотов, положение дросселя, угол опережения зажигания и др.

Детонация может возникнуть при чрезмерном увеличении степени сжатия, повышении температуры поступающего в цилиндр воздуха, давления наддува, температуры горячих деталей, с которыми соприкасается смесь и т.д.

   Детонационная стойкость топлива оценивается его октановым числом: чем больше октановое число топлива, тем выше его детонационная стойкость. Авиационные бензины в чистом виде имеют октановое число 60-80. Применение таких топлив на двигателях большой мощности обязательно вызовет детонацию. Для повышения детонационной стойкости бензина к нему добавляют специальные присадки – антидетонаторы (тетраэтиловый свинец в смеси с соединениями хлора и брома) в количествах, не превышающих 3-4 см³ на 1 кг топлива.

     Состав смеси, на котором работает двигатель, сильно влияет на его склонности к детонации.Богатые смеси (α = 0,6 – 0,7) обычно менее склонны к детонации, чем более бедные смеси (α = 0,85 – 0,95).

С увеличением числа оборотов и по мере прикрытия дросселя (уменьшения нагрузки) склонность к детонации понижается, так как при этом увеличивается количество остаточных газов. Наибольшая склонность к детонации наблюдается при полной нагрузке.

Переход к более раннему (по сравнению с наивыгоднейшим) моменту зажигания вызывает повышение температуры и давления в цилиндре и способствует возникновению детонации.

Значительно ускоряет возникновение детонации отложение нагара на стенках камеры сгорания, клапанах и поршне, так как температурный режим двигателя при этом возрастает.

Характерными признаками детонации являются: хлопья черного дыма из выхлопных патрубков; металлический звон в цилиндрах, вызываемый действием ударных волн; повышение температуры головок цилиндров, масла и охлаждающей жидкости; тряска и неустойчивая работа двигателя. Работа двигателя с детонацией недопустима, так как может вызвать повреждение его деталей, приводит к падению мощности двигателя и заметному снижению его экономичности.

Детонация во время эксплуатации двигателей в полете может быть устранена облегчением режима работы двигателя (установкой лопастей винта на малый шаг), прикрытием дроссельной заслонки карбюратора, обогащением смеси, уменьшением угла опережения зажигания.

 В двигателях тяжелого топлива (дизелях) топливо через насос и распыливающую форсунку начинает впрыскиваться в цилиндр в конце такта сжатия. Благодаря высокой температуре сжатого воздуха топливо самовоспламеняется и сгорает в цилиндре. Самовоспламенение топлива обеспечивается применением высоких степенях сжатия (ε=13-18). Опасность детонации, возможной при столь высоких степенях сжатия, устраняется тем, что в процессе наполнения цилиндр заполняется не свежей смесью, а чистым воздухом, следовательно, в такте сжатия топливо в цилиндре отсутствует.

Сгорание топлива в двигателях с воспламенением от сжатия происходит вначале (вблизи ВМТ) с высокой скоростью, затем замедляется и часть топлива сгорает в процессе расширения. При рассмотрении идеальных циклов дизельных двигателей считается, что одна часть теплоты подводится при постоянном объеме, а другая часть – при постоянном давлении. В современных дизелях сгорание при p=const не реализуется, поэтому идеальный цикл с изобарным подводом теплоты используется лишь при теоретическом анализе.

      Впрыск топлива производится с опережением, равным углу φ, который составляет 10–20° до прихода поршня в ВМТ. Весь период сгорания принято разделять на три фазы. Первая фаза называется периодом образования зон сгорания, или периодом задержки воспламенения. В этот период температура топлива, впрыскиваемого под давлением в среду сжатого (3.5–4.5 Мпа) и нагретого воздуха (600–700 °С), повышается и достигает температуры самовоспламенения (200–300 °С).Продолжительность первой фазы сгорания составляет от 0.002 до 0.006 с или от 10 до 30° поворота коленчатого вала и зависит главным образом от физико-химических свойств топлива (и в значительной мере от его цетанового числа), степени сжатия двигателя, интенсивности распыливания топлива и вихревого движения в камере сгорания.

Вторая фаза называется периодом распространения пламени по объему сгорания, или периодом быстрого сгорания. В этот период давление стремительно возрастает. Резкое повышение давления соответствует началу самовоспламенения топлива.

Третья фаза называется периодом медленного сгорания. Этот период характерен незначительным повышением давления. Продолжительность третьей фазы сгорания зависит главным образом от скорости движения частиц топлива и воздуха. Увеличение скорости достигается высокими давлениями и рациональным направлением струи впрыскиваемого топлива.После этого начинается процесс расширения, при котором давление падает. Часть топлива догорает в процессе расширения.

У дизельных двигателей скорость нарастания давления должна быть не более 0.4–0.6 МПа на 1 градус поворота коленчатого вала. Работа при большей скорости нарастания давления сопровождается стуками. Стуки возникают вследствие повышенной скорости нарастания давления в начале второй фазы. Чем больше период задержки воспламенения, тем больше топлива поступает в цилиндр, тем выше скорость нарастания давления и выше максимальное давление цикла.

Плавная работа двигателя и понижение максимального давления цикла достигаются сокращением периода задержки воспламенения. На сокращение периода задержки воспламенения в значительной мере оказывают влияние следующие причины:

- температура воспламенения топлива и его цетановое число, так как с понижением температуры самовоспламенения и повышением цетанового числа период задержки воспламенения сокращается;

- степень сжатия двигателя, так как с повышением степени сжатия увеличиваются температура и давление воздуха к моменту впрыска, понижается температура самовоспламенения топлива и увеличивается разность между температурой сжатого воздуха и температурой самовоспламенения топлива.

Достаточно полное сгорание топлива в дизельных двигателях возможно при сравнительно большом избытке воздуха в камере сгорания. Поэтому в авиационных двигателях тяжелого топлива коэффициент избытка воздуха на номинальном режиме равен примерно α = 1,5-1,8. Увеличение коэффициента α выше этих значений приводит к уменьшению полноты сгорания, догоранию на выхлопе, снижению экономичности и надежности работы двигателя. В отличие от двигателей с искровым зажиганием, в двигателях с воспламенением от сжатия возможное обеднение смеси практически неограниченно.

На основании опытных данных установлено, что температура в конце процесса сгорания изменяется в следующих пределах: для карбюраторных двигателей – от 2400 до 2800 К, для дизельных двигателей – от 1800 до 2200 К; давление газов для карбюраторных двигателей изменяется от 4.0 до 6.0 МПа, для дизельных двигателей  - от 6.5 до 12 Мпа.

4. Процесс расширения. Преобразование тепловой энергии в энергию механическую происходит в процессе расширения продуктов сгорания (газов), образовавшихся в результате сгорания ТВС. Процесс расширения является основным и единственным процессом, в течение которого газы совершают полезную работу. Начало процесса расширения условно рассматривается с момента достижения в цилиндре максимального давления. В дальнейшем расширение газов происходит в течение всего рабочего хода поршня, причем в конце рабочего хода оно частично совпадает с начинающимся процессом выхлопа.

    Характер процесса расширения обусловливается двумя факторами: догоранием смеси и теплоотдачей в стенки. В начале расширения влияние догорания является доминирующим. В конце расширения при нормальной работе двигателя догорание почти полностью отсутствует, а потери тепла через стенки цилиндра существенно возрастают в связи с увеличением поверхности теплообмена. Это приводит к более резкому уменьшению температуры и давления газов.

В конце процесса расширения, т.е. при положении поршня в НМТ, при полностью открытой дроссельной заслонке давление газов снижается до 0,4-0,6 Мпа.По мере дросселирования это давление понижается прямо пропорционально давлению всасывания и на холостом ходу составляет примерно 0.15 МПа. В дизелях давление конца расширения также близко к 0.4 МПа и при уменьшении нагрузки понижается незначительно.

Температура в конце процесса расширения перед открытием выпускного клапана для карбюраторных двигателей примерно равна 1200–1500 К. По мере дросселирования температура несколько понижается вследствие уменьшения количества тепла, выделяющегося при горении топлива.

В двигателях с высокими степенями сжатия температуры и давления в конце процесса расширения понижаются, так как продукты сгорания сильнее расширяются.В дизелях степени сжатия выше, чем в карбюраторных двигателях, а потому температура в конце процесса расширения на 200–300° ниже. Особенно резко понижается температура конца расширения дизелей при уменьшении нагрузки, что объясняется уменьшением количества впрыскиваемого топлива.

5. Процесс выпуска. Назначением процесса выпуска является очистка цилиндра от продуктов сгорания и подготовка его к новому такту впуска. Процесс выпуска должен протекать так, чтобы давление остаточных газов было минимальным. Чем меньше продуктов сгорания останется в цилиндре, тем больше получится заряд цилиндра свежей смесью и тем больше будет мощность двигателя. Кроме того, осуществление такта выхлопа должно происходить с минимальной затратой работы.

Начало процесса выпуска определяется моментом открытия выпускного клапана. Во всех современных быстроходных двигателях выхлопной клапан открывается с опережением в тот момент, когда поршень в такте расширения не дойдет до НМТ на 45-75⁰ по углу поворота коленчатого вала. Это способствует уменьшению работы, затрачиваемой на выталкивание продуктов сгорания движущимся поршнем, и улучшает очистку цилиндра от продуктов сгорания, так как значительная часть продуктов сгорания будет удалена из цилиндра заблаговременно вследствие значительной разности давлений внутри цилиндра и в окружающей среде.

Выпускной клапан обычно закрывается с запаздыванием (через 20-40⁰ после ВМТ в начале такта впуска). Это также улучшает очистку цилиндра от остаточных газов, так как истечение продуктов сгорания может продолжаться по инерции и после прихода поршня в ВМТ.                                                                                                                                                Процесс выпуска в четырехтактных двигателях условно можно разделить на три периода:

1. Свободный выпуск.В начале открытия выпускного клапана давление в цилиндре составляет 0.4 ... 0.6 Мпа. Под действием этого давления происходит истечение газов из цилиндра с начальной скоростью 500 ... 700 м/с. Продолжительность первого периода соответствует примерно углу опережения открытия выпускного клапана. При свободном выпуске за относительно малое время из цилиндра удаляется 50 ... 65% отработавших газов.

2. Принудительный выпуск.Считается, что принудительный выпуск продолжается во время движения поршня от НМТ к ВМТ. Истечение газа из цилиндра в этот период происходит главным образом вследствие изменения объема цилиндра в соответствии с законом движения поршня. Скорость истечения газа и перепад давления на выпускном клапане определяются скоростью перемещения поршня. Температура и давление газа в цилиндре в период принудительного выпуска изменяются незначительно.

3. Продувка.Продувка осуществляется в период перекрытия клапанов. Как было отмечено выше, клапан впуска открывается до ВМТ в такте выпуска, а клапан выпуска закрывается после ВМТ в такте впуска. Следовательно, в работе двигателя существует такой период, когда впускной и выпускной клапаны оказываются открытыми одновременно. Этот период называется перекрытием клапанов, а угол поворота коленчатого вала, соответствующий этому периоду, называется углом перекрытия клапановβ_п. В авиационных двигателях угол β_п =30-120⁰. Для карбюраторных двигателей угол β_п =40-50⁰, так как при больших значениях угла β_п у этих двигателей происходит выбрасывание свежей смеси в выхлопные патрубки, а также возникает опасность вспышки смеси во всасывающей системе при запуске. У двигателей с непосредственным впрыском топлива в цилиндры целесообразно расширять угол перекрытия клапанов для обеспечения продувки цилиндров воздухом. Продувка дает лучшую очистку цилиндра от остаточных газов, что приводит к увеличению заряда смеси и, соответственно, мощности двигателя на 8-10%.

В процессе выпуска вследствие высокой температуры отработавших газов (1000-1100 К) до 50-60% тепла, внесенного в двигатель топливом, уносится с выхлопными газами. Ввиду этого становится понятным то значение, которое имеет использование энергии этих газов в турбонагнетателях.

Из рассмотрения рабочего цикла видно, что только в третьем такте (расширение) производится полезная работа, а остальные такты являются вспомогательными и требуют затраты работы для их осуществления.

10.Индикаторные и эффективные показатели поршневых ДВС

          Все термодинамические процессы действительного цикла, осуществляемого в реальном двигателе, являются необратимыми. Необратимость процессов поршневых ДВС связана с отдачей теплоты через стенки цилиндра, а также с трением, на преодоление которого затрачивается работа. Необратимость процессов снижает эффективность преобразования теплоты в работу.

          Исследование работы реального поршневого двигателя целесообразно производить по так называемой индикаторной диаграмме.Эта диаграмма, устанавливающая связь между давлением в цилиндре и изменением объема, может быть снята с работающего двигателя с помощью специального прибора – индикатора. По индикаторной диаграмме можно определить мощность двигателя, а также выяснить качество протекания всех процессов двигателя, правильность газораспределения и своевременность воспламенения смеси.

          Индикаторная диаграмма двигателя, работающего со сгоранием топлива при постоянном объеме, представлена на рис.5.Площадь индикаторной диаграммы характеризует собой работу, которую совершают газы за рабочий цикл двигателя. Работа, затрачиваемая на осуществление тактов впуска и выпуска (работа насосных ходов) , составляет всего около 1-2% от общей работы цикла, поэтому диаграмму действительного цикла обычно строят только для тактов сжатия и расширения. Работу насосных ходов принято относить к механическим потерям двигателя.

          Рис.5. Теоретическая (пунктир) и действительная (сплошные линии) индикаторные диаграммы4-тактного карбюраторного двигателя: 

          ra - линия впуска; ac - линия сжатия; cz - линия сгорания; zb - линиярасширения; br - линия выпуска;

          Индикаторные показатели рабочего цикла.

          Индикаторные показатели характеризуют эффективность действительного рабочего цикла. К индикаторным показателям относятся среднее индикаторное давление P_i, индикаторная мощность N_i, индикаторный КПД η_i и индикаторный удельный расход топлива g_i.

          Технико-экономические показатели ВС определяются не только расходом топлива, который зависит от КПД цикла, но в значительной степени габаритными размерами и массой двигателя. Очевидно, чем больше работа цикла и чем меньше объем газа в конце процесса расширения, тем меньше габаритные размеры двигателя и, следовательно, его масса. Для сравнительной оценки и в расчетах удобно пользоваться некоторым условным средним индикаторным давлением цикла,определяющим геометрические размеры и массу двигателя.

          Средним индикаторным давлением цикла поршневого двигателя называют такое условное, постоянное по величине давление P_i, которое, действуя на поршень, совершает работу за один его ход от ВМТ до НМТ, равную полезной (индикаторной) работе газов за рабочий цикл (рис. 6). Величина среднего индикаторного давления может быть определена как отношение работы цикла к рабочему объему цилиндра:  

p_i =L_i/(V_max –V_min) = L_i/V_h.

              Геометрически величина p_i может быть представлена как высота прямоугольника, равновеликого по площади индикаторной диаграмме и имеющего основание, равное рабочему объему цилиндра V_h. Тогда индикаторная работа L_i, произведенная газами при перемещении поршня от ВМТ к НМТ, определяется выражением: L_i= p_i• V_h.

Полезная (индикаторная) работа цикла численно равна площади, заключенной внутри индикаторной диаграммы, т.е. представляет собой разность между работой сжатия и работой расширения: L_i = L_р - L_сж.

Рис. 6. Индикаторная диаграмма и среднее индикаторное давление

          Мощность, которую развивают рабочие газы внутри цилиндра двигателя, называется индикаторной мощностью (N_i):  

N_i = P_i•V_h•i•2n/τ ,(10)

где τ – число тактов рабочего цикла.

          Основной величиной, влияющей на мощность двигателя, является расход воздуха. Расход воздуха может быть увеличен различными путями: увеличение рабочего объема цилиндра V_h, числа цилиндров i, числа оборотов n и давления наддува р_к. Наиболее рациональным способом увеличения расхода воздуха и соответственно мощности двигателя является применение наддува.

          В реальном цикле помимо теоретически неизбежных тепловых потерь (отвод теплоты холодному источнику) часть теплоты теряется вследствие неполного сгорания топлива, отвода тепла в окружающую среду и с отработанными газами. Степень использования теплоты в реальном цикле оценивается индикаторным КПД – это отношение индикаторной работы, к расчетной теплоте сгорания топлива.

                                              ξ_i = L_i/G•H_U ,                                   (11)

где G – количество топлива, сгоревшего в цикле; H_U – теплотворная способность топлива.

Основными факторами, влияющими на индикаторный КПД, являются степень сжатия ε и коэффициент избытка воздуха α. При α=1 ин