Температура и давление в конце сгорания
Температура и давление в конце сгорания
8. Процесс расширения
8.1. Карбюраторный двигатель.
Давление в конце расширения Мпа 
и температура в конце расширения, к
, где
N2— показатель политропы расширения.
8.2. Дизельный двигатель
8.2.1. Степень последующего расширения
8.2.2. Давление в конце расширения, Мпа
8.2.3. Температура в конце расширения, К
Возможно параметры конца расширения приведены в таблице 6.
Параметры конца расширения
Показатель политропы расширения
Показатель политропы расширения для высокооборотных двигателей принимается ближе к нижнему пределу. Более точные значения «n2» можно найти по специальной номограмме
9. Показатели рабочего цикла и основные размеры двигателя
9.1. Среднее индикаторное давление, Мпа.
9.1.1. Карбюраторный двигатель
9.1.2. Дизельный двигатель
Значения 
— коэффициента полноты диаграммы – принимаются равными:
для карбюраторных двигателей . . . . . . . . . . . . 0,94. 0,97
для дизелей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0,92. 0,95
Значения среднего индикаторного давления при работе на номинальном режиме приведены в таблице 7.
9.2. Среднее эффективное давление, Мпа
Рм – среднее давление механических потерь.
Механические потери можно определить приближенно по эмпирическим формулам в зависимости от средней скорости поршня 
(принимается по прототипу)
где n – об/мин; S – ход поршня
для карбюраторных двигателей с числом цилиндров до шести и отношением 
Рм = 0,049 + 0,0152 
Для карбюраторных восьмицилиндровых двигателей с отношением 
Рм = 0,039+ 0,0132 
Для карбюраторных двигателей с числом цилиндров до шести и отношением
Рм = 0,034+ 0,0113 
Для четырехтактных дизелей с неразделенными камерами
Рм = 0,089+ 0,0118 
Для предкамерных дизелей
Рм = 0,103+ 0,0153 
Для дизелей с вихревыми камерами
Рм = 0,089+ 0,0135 
9.3. Механический К.П.Д.
9.4. Индикаторный К.П.Д.
; кг/м 3 
9.5. Эффективный К.П.Д.
9.6. Удельный индикаторный расход топлива, г/м. кВт.ч.
9.7. Удельный эффективный расход топлива, г/э.кВт.ч.
или 
9.8. Часовой расход топлива, кг/час.
Примерные значения индикаторных и эффективных показателей некоторых двигателей на номинальном режиме приведены в таблице 7.
9.9. рабочий объем цилиндра, дм 3
, где
— тактоность; для 4-х тактных двигателей 
=4, для двухтактных —
=2.
Ре – среднее эффективное давление, МПа.
Nен – номинальная эффективная мощность двигателя, кВт.
nн – частота вращения коленчатого вала при номинальной мощности, об/мин.
9.10. Диаметр цилиндра, дм
Индикаторные и эффективные показатели двигателей
4-х-тактные карбюраторные форсированные
4-х-тактные дизели без наддува
4-х-тактные дизели с наддувом
2-х-тактные быстроходные дизели
— отношение хода поршня к диаметру цилиндра принимается по прототипу. Для тракторных двигателей К = 0,9. 1,2, для автомобильных карбюраторных К = 0,7. 1,1.
Полученное значение диаметра цилиндра желательно округлить до ближайшего размера реально существующего двигателя.
9.11. Ход поршня, дм.
Построение графиков по тепловому и динамическому расчету двигателя
Индикаторная диаграмма в VР координатах
Индикаторная диаграмма строится на основании данных , полученных в тепловом расчете в координатах VР, а затем перестраивается в координаты 
.
До построения диаграммы масштаб подбирается так, чтобы высота была в 1,2. 1.5 раза больше ширины. На оси абсцисс в принятом масштабе откладывают объемы
(дизельный двигатель)
По оси ординат откладывают давления Рс; Ра; Р; Рz;
Рz; Рв и Рz для соответствующего объемов.
Действительная индикаторная диаграмма отличается от теоретической округленностью в точках а; в; с; z`; z, причем для карбюраторных двигателей максимальное давление сгорания составляет 0,85 Рz.
Построение политроп сжатия и расширения можно производить аналитическим или графическим методом. При аналитическом методе построения политроп сжатия и расширения вычисляется ряд точек для промежуточных объемов, расположенных между Vc и Vа и между Vz и Vв по уравнению политропы 
Для политропы сжатия 
, откуда
где Рх и Vх – давление и объем в искомой точке процесса сжатия. Отношение Va/Vx изменяется в пределах от 1 до 
Аналогично для политропы расширения
Для карбюраторных двигателей отношение Vв/Vxизменяется в интервале 1. 
, а для дизелей – 1. 
Соединяя точки «а» и «с» плавной кривой, проходящей через вычисленные и нанесенные на поле диаграммы точки политропы сжатия, а точки «z» и «в» – кривой, проходящей через точки политропы расширения, а также остальные точки между собой получим индикаторную диаграмму
При графическом методе диаграммы сжатия и расширения строятся по способу Брауэра.
Индикаторная диаграмма в координатах «
«.
Индикаторная диаграмма в координатах «VР» может быть перестроена в «
» методом Брикса. Для этого на отрезке «
» строится полуокружность с центром 0, из которого через 30 0 проводят лучи до пересечения с полуокружностью. Затем из центра 01, отстоящем от центра 0 на расстоянии 
, проводят лучи 01 1` ; 01 2` и т.д. до пересечения с той же полуокружностью. Из точек 1`; 2` ; 3` и т.д. восстанавливают перпендикуляр до линии впуска, сжатия, расширения и выпуска на индикаторной диаграмме. Отрезки от оси абсцисс до кривых индикаторной диаграмме. Отрезки от оси абсцисс до кривых индикаторной диаграммы последовательно для всех процессов цикла и есть давление в цилиндре для соответствующих углов поворота коленчатого вала двигателя. Полученные значения давлений переносятся на график 
, где по оси абсцисс отложен угол поворота коленчатого вала в определенном масштабе. Масштаб давлений оставляют тот же, что и на графике
.
Величина 
— носит название поправки Брикса и учитывает конечную величину шатуна. Здесьr = S/2 – радиус кривошипа и 
— отношение радиуса кривошипа к длине шатуна.
Рабочий цикл карбюраторного двигателя
Полный рабочий цикл почти у всех карбюраторных двигателей совершается в каждом цилиндре за два оборота коленчатого вала, т.е. за четыре такта. Такие двигатели называются четырехтактными.
Рабочий цикл начинается с такта впуска, затем следуют такт сжатия, такт расширения (рабочий ход) и такт выпуска.
Такт впуска (рис, а). Во время такта впуска цилиндр заполняется горючей смесью. Кривошип 5 коленчатого вала 6 поворачивается на пол-оборота, а связанный с ним шатун 4 перемещает поршень 3 от верхней мёртвой точки к нижней. В это время впускной клапан 2 открыт, а выпускной клапан 1 закрыт. По мере перемещения поршня увеличивается объем над поршнем, создается разрежение и в цилиндр всасывается горючая смесь. После заполнения цилиндра горючей смесью впускной клапан закрывается.
Рис. Основные процессы, происходящие в цилиндрах четырехтактного карбюраторного двигателя: а — такт впуска; б — такт сжатия; в — такт расширения (рабочий ход); г — такт выпуска; 1 — выпускной клапан; 2 — впускной клапан; 3 — поршень; 4 — шатун; 5 — кривошип коленчатого вала; 6 — коленчатый вал
Такт сжатия (рис. б). За время такта сжатия кривошип коленчатого вала совершает следующие пол-оборота, заставляя поршень перемещаться от нижней мертвой точки к верхней. Оба клапана остаются закрытыми. При этом рабочая смесь сжимается и нагревается, распыленные частицы горючего испаряются и в цилиндре создаются благоприятные условия для быстрого сгорания рабочей смеси. В конце этого такта рабочая смесь воспламеняется электрической искрой.
Такт расширения (рис. в). В начале такта расширения рабочая смесь быстро сгорает. При сгорании выделяется большое количество тепла, давление образующихся в цилиндре газов резко возрастает. Под давлением газов поршень, перемещаясь от верхней мертвой точки к нижней, при помощи шатуна вращает коленчатый вал двигателя. Кривошип коленчатого вала совершает очередные пол-оборота. Оба клапана при этом остаются закрытыми. По мере перемещения поршня объем над поршнем увеличивается, в результате чего давление и температура газов в цилиндре падают. Во время такта расширения газы совершают полезную работу, поэтому этот такт называется рабочим ходом.
Такт выпуска (рис. г). Во время такта выпуска цилиндр очищается от продуктов горения. Кривошип коленчатого вала совершает последние пол-оборота за данный рабочий цикл, а поршень перемещается от нижней мертвой точки к верхней. В это время впускной клапан закрыт, а выпускной открыт. По мере перемещения поршня отработавшие газы выталкиваются из цилиндра в атмосферу через систему выпуска.
На этом один рабочий цикл заканчивается и в той же последовательности начинается новый.
Таким образом, в рабочем цикле четырехтактного двигателя только один такт — такт расширения — является рабочим, остальные три такта вспомогательные и требуют затраты энергии. В одноцилиндровом двигателе вспомогательные такты совершаются за счет энергии, накапливаемой маховиком во время рабочего хода, а в многоцилиндровых двигателях — за счет энергии рабочих ходов, происходящих в это время в других цилиндрах.
Рабочий цикл четырехтактного карбюраторного двигателя
Рабочий цикл четырехтактного карбюраторного двигателя (смотрите цветной рисунок) состоит из следующих тактов: впуск, сжатие, рабочий ход (сгорание — расширение), выпуск.
Схема рабочего цикла четырехтактного карбюраторного двигателя
Схема рабочего цикла четырехтактного карбюраторного двигателя:
А — такты рабочего цикла;
Б — индикаторная диаграмма.
Впуск. Поршень перемещается от в.м.т. к н.м.т., впускной клапан открыт, в цилиндре образуется разрежение, вследствие чего в него поступает горючая смесь, которая перемешивается с отработавшими газами, оставшимися в небольшом количестве в цилиндре от предыдущего цикла, и образует рабочую смесь. Температура смеси в конце впуска равна 100 — 130° С, а давление примерно 70 — 80 кн/м 2 (0,7 — 0,8 кгс/см 2 ). На индикаторной диаграмме процесс впуска изображен линией rа.
Сжатие. Поршень перемещается от н.м.т. к в.м.т. Оба клапана закрыты, рабочая смесь сжимается, и температура ее повышается, благодаря чему улучшается испарение и перемешивание бензина с воздухом.
К концу такта сжатия давление в цилиндре повышается до 800 — 1200 кн/м 2 (8 — 12 кгс/см 2 ), температура смеси достигает 280 — 480°G. На индикаторной диаграмме процесс сжатия показан линией ас.
Рабочий ход (сгорание — расширение). Рабочая смесь в цилиндре воспламеняется электрической искрой и сгорает за 0,001 — 0,002 сек, выделяя при этом большое количество теплоты. Оба клапана закрыты. Температура в конце сгорания достигает свыше 2000° С, а давление — 3,5 — 4,0 Мн/м 2 (35 — 40 кгс/см 2 ). На индикаторной диаграмме процесс сгорания изображен линией cz. Под действием силы давления газов поршень перемещается к н.м.т., вращая через шатун коленчатый вал, В процессе расширения внутренняя энергия преобразуется в механическую работу. В конце расширения давление в цилиндре падает до 300 — 400 кн/м 2 (3 — 4 кгс/см 2 ), а температура снижается до 800 — 1100 °С. На индикаторной диаграмме процесс расширения газов характеризуется линией zb.
Выпуск. Открывается выпускной клапан. Поршень перемещается к в.м.т. и очищает цилиндр от отработавших газов, выталкивая их в атмосферу. Давление к концу такта выпуска снижается до 105 — 115 кн/м 2 (1,05 — 1,15 кгс/см 2 ), а температура — до 300 — 400 °С. На индикаторной диаграмме процесс выпуска отработавших газов изображен линией br.
Рабочий процесс четырехтактного двигателя протекает за четыре хода поршня, т. е. за два оборота коленчатого вала.
Из четырех тактов рабочий ход является основным, остальные три — вспомогательными. Поэтому одноцилиндровый двигатель работает неравномерно. Для обеспечения равномерности вращения коленчатого вала автомобильные двигатели изготовляют с несколькими цилиндрами.
«Автомобиль», под. ред. И.П.Плеханова
Устройство современного двигателя
Рабочий цикл четырехтактного карбюраторного двигателя
При рассмотрении рабочего цикла двигателя условно принято, что каждый такт начинается и заканчивается при нахождении поршня в ВМТ или НМТ.
Первый такт — впуск.
Поршень перемещается с ВМТ в НМТ. Освобождающаяся над поршневая полость цилиндра заполняется горючей смесью через открытый впускной клапан из-за возникающего разрежения. Горючая смесь, поступая в цилиндр, смешивается с остатками отработавших газов от предыдущего цикла, образует рабочую смесь. В конце такта давление в цилиндре составляет 0,07—0,95 МПа, температура — 350—390 К, коэффициент наполнения цилиндра — 0,6—0,7.
Работа четырехтактного одноцилиндрового карбюраторного двигателя
а — впуск в цилиндр горючей смеси; б — сжатие горючей смеси; в — расширение газов; г- выпуск отработавших газов; 1 — коленчатый вал; 2 — распределительный вал; 3-поршень; 4 — цилиндр; 5— впускной трубопровод; 6 — карбюратор; 7— впускной клапан; 8 — свеча зажигания; 9 — выпускной клапан; 10 — выпускной трубопровод; 11-шатун; 12 — поршневой палец; 13 — поршневые кольца
Второй такт — сжатие.
Поршень движется от НМТ к ВМТ, впускной и выпускной клапаны закрыты. Объем над поршневой полости уменьшается. Рабочая смесь сжимается. Сжатие сопровождается повышением давления и температуры. Степень сжатия регламентируется детонационной стойкостью топлива. В конце такта давление составляет 1,2—1,7 МПа, а температура — 600—700 К.
Третий такт — расширение.
В начале такта при сгорании рабочей смеси, которая ооспл а меняется от искровою разряда свечи зажигания, выделяется значительное количество теплоты, резко увеличивается температура и давление. Вследствие давления газон поршень перемешается от ВМТ к НМТ. Газы расширяются и совершают полезную работу. В начале расширения давление газов составляет 4—6 МПа, температура — 2500—2800 К. В конце расширения давление н цилиндре составляет 0,3—0.5 МПа, температура — 1100-1800 К.
Четвертый такт выпуск.
Поршень перемешается oт НМТ к ВМТ Через открытый выпускной клапан отработавшие газы выталкиваются из цилиндра в выпускной трубопровод и в окружаюшую среду, В конце выпуска давление в цилиндре составляет 0,105—0,12 МПа, а температура — 85O-120O К.
Степень очистки цилиндра от отработавших газов характеризуется коэффициентом остаточных газов (отношение массы остаточных газов к массе свежего заряда). Для современных ДВС коэффициент остаточных газов составляет 0,08—0,2, он возрастает при увеличении частоты вращения коленчатого вала.
Рабочий цикл двигателя заканчивается четвертым тактом — выпуском. При дальнейшем движении поршня цикл повторяется в той же последовательности. Коленчатый вал в течение четырех тактов поворачивается на 720°, т. с. совершает два оборота.
В двигателях, работающих по четырехтактному циклу, полезная работа совершается только в период такта расширения (рабочего хода), когда поршень перемещается пол действием расширяющихся газов, поворачивая коленчатый вал на 180е Остальные три такта являются подготовительными и выполняются при поворачивании коленчатого вата на 540° за счет инерции маховика И работы других цилиндров (в многоцилиндровых двигателях).
