книги из ГПНТБ / Артамонов, М. Д. Основы теории и конструкции автомобиля учебник

На рис. 5 изображены индикаторные диаграммы действитель­ ных циклов четырехтактного карбюраторного двигателя (рис. 5, а) и четырехтактного дизеля (рис. 5, б). Эти циклы можно предста­ вать в виде следующих основных чередующихся и частично пере­ крывающих друг друга процессов: впуска (га), сжатия (ас'), сго­ рания (c‘z), расширения (zb1) п выпуска (Ь’г).

' Процесс впуска обычно начинается около в. м. т. (перед точкой г) н заканчивается около точки ль. Процесс сжатия заканчивается в точке с' (в момент воспламенения). Затем начинается процесс сгорания, который заканчивается на линии расширения zb. Про­ цесс расширения заканчивается в точке Ь‘ (в момент открытия выпускного клапана), а процесс выпуска — обычно после в. м. т. (за точкой г).

Механическую работу, совершаемую газами в цилиндре двига­ теля за один цикл, можно определить по разпости площадей фигур aczb и bra. Площадь фигуры bczb является положительной, а фигуры brab — отрицательной, так как её величина пропорциональна ра­ боте, затрачиваемой на преодоление сопротивлений при выпуске п впуске.

Ниже рассмотрены отдельные процессы действительного цпкла двигателя.

§ I. ПРОЦЕСС ВПУСКА

Процесс впуска (зарядки) необходим для наполненпя цилиндра горючей смесыо или воздухом.

Количество горючей смеси или воздуха, поступающее в цилиндр во время впуска, зависит от ряда факторов, основными из которых являются: 1) гидравлические сопротивления систем впуска и вы­ пуска; 2) подогрев свежего заряда от соприкосновения с горячими деталями двигателя и в результате перемешивания с остаточными отработавшими газами от предшествующего цикла; 3) наличие в цилиндре в начале наполненпя его свежим зарядом остаточных газов.

Давление в процессе впуска

Перед впуском свежего заряда в цилиндре находится некоторое количество остаточных газов. Эти газы в четырехтактном двига­ теле занимают объем Vc камеры сгорания (рис. 6), причем давление их р г больше атмосферного, а температура значительно выше тем­ пературы свежего заряда.

При движении поршня от в. м. т. к н. м. т. давление остаточных газов р г уменьшается до атмосферного давления р 0, после чего начинается наполнение цилиндра свежим зарядом. Давление све­ жего заряда при этом становится ниже атмосферного из-за гидрав­ лических сопротивлений в системе впуска двигателя.

20

В двухтактных двигателях процесс зарядки в отличие от четырехтактиых происходит в результате принудительной подачи све­ жего заряда в цилиндр во время его продувки.

Давление в цилиндре в период впуска меньше давления окру­ жающей среды, причем наибольшее разрежение соответствует при­ близительно половине хода поршня, т. е. максимальному значе­ нию скорости поршня. К концу впуска в точке а давление р а не­ сколько повышается в результате скоростного напора, создавае­ мого силами инерции поступающего в цилиндр заряда.

Улшныпенпе давления из-за сопротивлений в системе впуска

Ьра = Рп — Ра’

вым двигателям, а мень­ шие — к дизелям).

Для четырехтактных двигателей с наддувом, у которых свежий заряд поступает в систему впуска из нагнетателя под давлением р!{, величина Др а находится в пределах (0,05—0,10) р а.

Таким образом, давления в конце впуска выражаются форму­ лами:

Ра = Р о -Л р а; Ра = Р к - ДРа-

Плотность, а следовательно, и масса заряда тем больше, чем больше значение давления р а. Поэтому давление впуска при конструировании двигателя стремятся повысить путем увеличения проходного сечения впускного клапана, улучшения чистоты обра­ ботки внутренней поверхности деталей системы впуска, уменьше­ ния длины и числа изгибов впускного трубопровода, выбора эф­ фективных фаз газораспределения, уменьшения давления на вы­ пуске и другими способами.-

Температура газов в процессе впуска

Температура свежего заряда в процессе наполнения цилиндра изменяется. В результате испарения топлива температура заряда в карбюраторных двигателях снижается. Вместе с тем свежий за­ ряд, поступивший в цилиндр, нагревается при соприкосновении

21

с горячими деталями двигателя и в результате перемешивания с остаточными газами. В конечном итоге температура заряда в про­ цессе впуска повышается.

Степень подогрева заряда АТ зависит от нагрузки, угловой ско­ рости коленчатого вала и условий охлаждения двигателя. Увели­ чение нагрузки сопровождается повышением средней температуры цикла, что увеличивает степень подогрева заряда. При увеличении угловой скорости коленчатого вала степепь подогрева уменьша­ ется. Очевидно, что подогрев снижает плотность заряда и тем са­ мым уменьшает количество горючей смеси или воздуха, поступаю­ щих в цилиндр двигателя. По опытным данным величина АТ для карбюраторных двигателей находится в пределах 10—40°, а для дизелей — в пределах 10—20°.

Свежий заряд с температурой Т0 + АТ смешивается в цилиндре двигателя с остаточными газами, которые при давлении р г нагреты до температуры Тг, превышающей температуру заряда.

Количество остаточных газов в конце выпуска оценивают так называемым коэффициентом остаточных газов уг, который представляет собой отношеппе количества остаточных газов М Т к количеству свежего заряда М 1г поступившему в цилиндр двига­ теля во время впуска:

где М г и Мг выражены в киломолях.

Коэффициент уг возрастает с увеличением объема камеры сго­ рания, т. е. с уменьшением степени сжатия е, а также с увеличе­ нием давления остаточных газов р г.

Если нет продувки цилиндра и двигатель работает с полной на­ грузкой, то коэффициент остаточных газов уг четырехтактных дви­ гателей находится в пределах:

В двухтактных двигателях степень очистки цилиндров зави­ сит от принятой системы продувки и колеблется в пределах 0,03—- 0,40.

Для определения температуры Та свежего заряда в конце впуска составим уравнение теплового баланса для точки а диа­ граммы:

22

TQ— температура заряда до поступления его в ци­ линдр в К;

Т0 + АГ — температура заряда с учетом подогрева его прп соприкосновенны с горячимы деталями двига­ теля в К.

Так как количество остаточных газов невелико по сравнению с количеством горючей смеси, то разницей в теплоемкостях можно

Из формулы (17) следует, что температура заряда в конце впуска возрастает при увеличении значений АТ и у,.. По формуле (17) можно определять температуру Та как для четырехтактных, так и для двухтактных двигателей.

Ниже приведены значения температур Тг и Та (в К):

Коэффициент наполнения

В результате подогрева и изменения плотности свежего заряда его количество, действительно поступающее в цилиндр за время впуска, меньше того количества, которое могло бы заполнить рабо­ чий объем цилиндра при давлении и температуре окружающей среды.

Степень наполнения цилиндра свежим зарядом оценивают ко­ эффициентом наполнения г]у, который представляет собой отноше­ ние количества свежего заряда, действительно поступившего в ци­ линдр. к теоретически возможному его количеству, которое могло бы' заполнить рабочий объем V h при давлении и температуре перед

впускными органами:

где Gx и М х — количество свежего заряда, действительно посту­ пившее в цилиндр, в кг или кмоль;

G0 ц М 0 — количество свежего заряда, которое могло бы за­ полнить рабочий объем Vh при давлении и темпе­ ратуре перед впускными органами в кг или кмоль.

23

Согласно определению коэффициента г|у, свежий заряд при тем­ пературе Т0 и давлении р 0 занимает объем г| vVh.

На основании характеристического уравнения pV = 8314 МТ можно определить количества киломолей свежего заряда М и остаточных газов М г и смеси М а по формулам:

где давления выражены в Н/м2, объем V — в м3 и температуры в К. Учитывая, что Vh = (е — 1) Vc и Vr = Fc, а также разделив почленно последнее уравнение на F c, после сокращения получим

Ра (в— 1) (Т 0-\-АТ)

■РГ=*Ра-

Из этого уравнения определим коэффициент наполнения ци­ линдра четырехтактного двигателя

При выводе формулы для определения коэффициента наполне­ ния цилиндра двухтактного двигателя необходимо учитывать, что на части хода поршня расположены продувочные и выпускные окна.

Из уравнения (18) следует, что коэффициент г|у зависит от дав­ лений в конце впуска р а и в конце выпуска р г, подогрева заряда АТ и степепи сжатия е.

Основным параметром, оказывающим влияние на коэффи­ циент г]у, является давление р а в конце впуска. Так, изменение давления р а на 0,01 МН/м2 приводит при всех прочих равных усло­ виях к изменению коэффициента г)у на 15—18%, а изменение дав­ ления р г на ту же величину — всего лишь на 1—2%.

Величина pfl зависит от гидравлического сопротивления си­ стемы впуска, т. е. от снижения давления Ар, которое пропор­ ционально квадрату скорости горючей смеси. Увеличение темпера­ туры подогрева АТ свежего заряда уменьшает коэффициент i]y. В результате испытаний двигателей установлено, что коэффици­ ент т)у зависит от степени сжатия незначительно.

На коэффициент наполнения двигателя оказывают также влияние размеры цилиндра, расположение клапанов, конструк-

24

дня впускных каналов и фазы газораспределения. В случае увели­ чения диаметра цилиндра можно увеличить диаметр впускного кла­ пана п тем самым уменьшить скорость заряда в системе впуска, а также и гидравлические потери в пен.

Увеличить диаметр цилиндра можно, используя короткоходиую конструкцию двигателя, для которой отношение хода поршня

к диаметру цилиндра меньше единицы ^ = 0 0,8--г0- ,0,9) ]. Скорость

поршня у этих двигателей также меньше, чем у обычных.

В случае установки верхних клапанов можно уменьшить число колеи впускного трубопровода и обеспечить плавный впуск за­

симости от эксплуатационных требований, предъявляемых к дви­ гателю.

Ниже приведены величины коэффициента наполнения г|у при угловой скорости, соответствующей максимальной мощпостп дви­ гателя:

§ 2. ПРОЦЕСС СЖАТИЯ

Процесс сжатия необходим для создания лучших условий воспла­ менения и сгорания рабочей смеси, а также для увеличения тем­ пературного перепада цикла и степени расширения продуктов сгорания, что создает благоприятные условия для увеличения к. п. д. двигателя.

В действительном цикле процесс сжатия происходит в условиях теплообмена между свежим зарядом и деталями двигателя, т. е.

25

но является адиабатическим. Весьма сложпый характер этого теп­ лообмена не может быть выражен точно при помощи термодинами­ ческих формул. Поэтому считают, что процесс сжатия протекает политропнческн с показателем пъ который является средней вели­ чиной на всем протяжении процесса сжатия.

На рис. 8 показано условное взаимное расположение кривых сжатия (ас), показателей к адиабаты (Ьг) и действительной поли­ тропы сжатия п1 (ез).

В начале сжатия температура свежего заряда значительно ниже температуры окружающих деталей, и поэтому первый период процесса сжатия (участок am), сопровождается притоком теплоты от горячих деталей к заряду. При этом, показатель политропы больше показателя адиабаты (пх > к).

При дальнейшем сжатии температура заряда повышается п становится больше температуры окружающих деталей, вслед­ ствие чего теплота от заряда передается деталям (участок тс). Показатель политропы в этом случае меньше показателя

адиабаты (п1 <; к).

В зависимости от значений местных температур оба явле­ ния могут происходить одновре­ менно: передача теплоты за­ ряду от более нагретых деталей и отвод теплоты от заряда к бо­ лее холодным из них.

Опытным путем установле­ но, что количество теплоты, ко­ торое заряд передает окружаю­ щим деталям на участке тс,

больше притока теплоты от деталей к заряду па участке am. По­

Средняя величина показателя политропы сжатия пх зависит от угловой скорости коленчатого вала двигателя, размеров цилинд­ ра, интенсивности охлаждения, формы камеры сгорания и конст­ руктивных особенностей двигателя. С увеличением угловой ско­ рости коленчатого вала двигателя значение показателя пхувели­ чивается, а с повышением средней температуры процесса сжатия

26

и увеличением интенсивности охлаждения двигателя, наоборот,

Степень сжатия карбюраторных двигателей должна быть такой, чтобы температура рабочей смеси в конце сжатия ие была больше температуры самовоспламенения топлива. У дизелей температура в конце сжатия воздуха должна быть на 200—300° выше темпера­ туры самовоспламенения топлива, что обеспечивает надежный

Давление в конце сжатия (в точке с) можно определить из урав­ нения политропы p V n‘ == const.

Для политропы сжатия можно написать, равенство

PaV2‘= РсК',

откуда

пли

Ре = ЪП‘Ра-

Ниже приведены значения давления в конце сжатия (в МН/м2):

Температуру в конце сжатия можно определить из уравнения полптропического процесса ГУ'1-1 = const.

Для политропы сжатия можно написать равенство

Температура в конце сжатия у карбюраторных двигателей ко­ леблется в пределах 600—750 К, а у дизелей — в пределах 750— 900 К.

Давление и температура в конце сжатия зависят от степени сжа­ тия, угловой скорости коленчатого вала двигателя, количества поршневых колец и степени их износа.

§ 3. ПРОЦЕСС СГОРАНИЯ

Сгорание свежего заряда и последующее расширение продуктов сгорания являются основными процессами цикла двигателя внут­ реннего сгорания. В течение этих процессов происходит преобра­

27

зование химической энергии топлива в теплоту и затем частично теплоты в механическую работу. От характера протекания про­ цесса сгорания в значительной степени зависят мощиостные и эко­ номические показатели, а также износ основных деталей двига­ теля. В свою очередь, протекание процесса сгорания зависит от целого ряда факторов и главным образом от способов смесеобра­ зования п воспламенения топлива. Поэтому процесс сгорания для карбюраторных двигателей и дизелей рассматривают раздельно.

Процесс сгорания в карбюраторных двигателях

В двигателях внутреннего сгорания с принудительным воспламе­ нением смеси электрической искрой процесс сгорания соверша­ ется не при постоянном объеме, как в теоретическом цикле, а начи­

выключенном зажигании. Некоторая несимметричность кривых сжатия 1—6 и расширения 6—7 вызвана теплообменом между газами и стенками цилиндра, а также частичной утечкой газов через зазоры между поршневыми кольцами и стенками цилиндра.

Процесс сгорания смеси начинается с момента проскакивания искры между электродами свечи зажигания, отмеченного на диа­ грамме точкой 2, т. е. с опережением, угол которого равен 0.

После проскакивания искры давление в цилиндре в течение некоторого времени продолжает оставаться таким же, как и при выключенном зажигании (участок 2—3). Это происходит вследствие того, что количество сгоревшей смеси на указанном участке не­ значительно и имеет место теплоотдача от продуктов сгорания к свежей смеси, в стенки камеры сгорания и днище поршня. Затем давление в камере сгорания резко повышается (участок 3—4).

Распространение фронта пламени в камере сгорания пе закап­ чивается в тот момент, когда давление достигает максимального

28

значения, так как на отдельных участках происходит догорание смеси и выделение теплоты. Однако это догорание сопровождается уменьшением давления из-за увеличения объема цилиндра при пере­ мещении поршня вниз. Выделение теплоты, связанное с догоранием смеси в цилиндре, обычно рассматривают как явление, относящееся к процессу расширения.

На развернутой индикаторной диаграмме можно отметить три характерные фазы процесса сгорания смеси в цилиндре двигателя.

Первую фазу / называют начальной фазой сгорания. В течение этой фазы происходит предпламеииое окисление топлива с незна­ чительным увеличением температуры без повышения давления. Скорость сгорания смеси в этой фазе зависит в основном от химиче­ ских факторов (свойств топлива и состава смеси).

Первая фаза, определяемая на развернутой индикаторной диа­ грамме углом Да, и точками 2 и 3, представляет собой период за­ держки повышения давления. На продолжительность этой фазы оказывают влияние коэффициенты избытка воздуха и остаточных газов, структура молекул топлива, энергия источника зажигания, степень сжатия и нагрузка двигателя. Во время первой фазы сго­ рает около 6—8% смеси, находящейся в камере сгорания. Про­ должительность первой фазы составляет 4 —6° угла поворота ко­ ленчатого вала.

Вторую фазу 1Г называют периодом видимого или эффективного сгорания. В течение этой фазы сгорает около 90% смеси и проис­ ходит резкое возрастание скорости сгорания и давления в цилин­ дре. Эту фазу характеризует угол Да2. Она начинается в момент начала повышения давления (точка 3) и заканчивается в момент, когда давление в цилиндре достигает максимального значения (точка 4). Продолжительность этой фазы составляет 20—30° угла поворота коленчатого вала и зависит от состава смеси, степени сжатия, угла опережения зажигания, формы камеры сгорания, степени завихрения смеси, нагрузки двигателя.

Если снята индикаторная диаграмма, то вторую фазу сгорания можно оценить степенью нарастания давления, т. е. увеличением давления, отнесенным к одному градусу угла поворота коленча­ того вала. Среднее значение этой величины называют жесткостью

(в точке 4) и давлением в начале видимого сгорания (в точке 3), а Да2 — угол поворота коленчатого вала, соответствующий вре­ мени, прошедшему от момента начала видимого сгорания до мо­ мента, когда давление цикла достигает максимального значения. При нормальном протекании процесса сгорания в цилиндре авто­ мобильного карбюраторного двигателя средняя величина степени нарастания давления находится в пределах 0,12—0,20 МИ/(м2 °). Эта величина зависит от степени сжатия, степени завихрения смеси, угла опережения зажпганпя и других факторов.

29