Рабочие процессы и характеристики двигателей

1.2. КЛАССИФИКАЦИЯ АВТОТРАКТОРНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

С каждым годом растет число моделей и модификаций автотракторных двигателей, но единой общепринятой системы их классификации пока так и не было создано. И это понятно, все автотракторные двигатели, являясь силовыми установками, должны обеспечивать движение любого транспортного средства и удовлетворять самые различные требования этих очень различных транспортных средств при постоянно изменяющихся условиях и режимах их движения и работы. Кроме того, являясь достаточно сложным агрегатом, любой двигатель должен вбирать в себя многие достижения постоянно развивающихся различных направлений и отраслей науки: химии и физики, гидравлики и азродинамики, теплотехники и электроники, металлургии и сопротивления материалов, математики и вычислительной техники и т. д. и т. п.

Ниже представлена одна из возможных схем классификации основных типов автотракторных двигателей. На этой схеме представлены две принципиально различные группы двигателей. В основную группу включены, практически, все типы поршневых двигателей внутреннего сгорания, устанавливаемые и работающие на серийно выпускаемых автомобилях и тракторах. Во вторую группу входят восемь типов двигателей, которые по тем или иным причинам находятся на различных стадиях разработки и доводки (паровые, солнечные, реактивные) или выпускаются небольшими экспериментальными и опытными партиями (роторно-поршневые, газотурбинные, электромобили). В этой группе выделены, два принципиально новых типа двигателей, экспериментальные образцы которых созданы в Государственном научном центре автомобильной промышленности России (НАМИ). Это двигатели с переменным рабочим объемом и переменной степенью сжатия (ВКАРО и ПАРСС)

По основной группе поршневых ДВС следует сделать следующие замечания:

1. К двум основным типам ДВС с внешним и внутренним смесеобразованием добавлена третья группа двигателей с впрыском легкого топлива и воспламенением от искры. Двигатели этой группы в зависимости от конструктивных особенностей топливоподачи могут относиться как к ДВС с внешним смесеобразованием. (впрыск топлива во впускной трубопровод), так и к ДВС с внутренним смесеобразованием (впрыск топлива непосредственно в цилиндр).

2. Рабочий процесс практически всех двигателей второй группы может быть организован по четырехтактному циклу, так и по двухтактному циклу.

3. Практически все двигатели этой группы могут иметь принудительный наддув воздуха или топливовоздушной смеси за счет использования различных типов лопаточных машин и различных видов компрессоров.

4. В схему не включена группа комбинированных двигателей, которые могут состоять из различных поршневых, газотурбинных, паровых и других машин

1.3. ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ ПОРШНЕВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Принципы преобразования тепловой энергии топлива в механическую работу являются одинаковыми для всех поршневых двигателей, включая роторно-поршневые. Рабочий цикл любого поршневого двигателя состоит из семи последовательно протекающих процессов:

1) заполнения цилиндра двигателя свежим зарядом (или воздухом);

2) приготовления топливовоздушной смеси;

3) сжатия топливовоздушной смеси (или воздуха);

4) воспламенения смеси;

5) сгорания топливовоздушной смеси;

6) расширения сгоревшей смеси (рабочий ход);

7) выпуска отработавших газов.

При этом последовательность протекания процессов зависит от места приготовления топливовоздушной смеси — вне цилиндра (двигатель с внешним смесеобразованием), или непосредственно в цилиндре (двигатель с внутренним смесеобразованием).

К двигателям с внешним смесеобразованием и воспламенением от искры относятся все карбюраторные и газовые двигатели, а так же двигатели с впрыском топлива во впускной трубопровод.

К двигателям с внутренним смесеобразованием относятся все дизели, т.е. ДВС с воспламенением топливовоздушной смеси от сжатия (в том числе газодизели), а также двигатели с впрыском легкого топлива непосредственно в цилиндр.

Одинаковые принципы преобразования тепловой энергии топлива, выделяющейся при его сгорании в механическую работу предопределили очень похожие и конструктивные схемы всех поршневых двигателе, кроме роторно-поршневых. На рис. 1.1.. представлена типичная схема поршневого двигателя, состоящего из цилиндра 2 с камерой сгорания, поршня 4 с кольцами 5, шатуна 3 и коленчатого вала 1, обеспечивающих преобразование возвратно - поступательного движения поршня во вращательное движение коленчатого вала, впускного 7 и выпускного 10 клапанов, регулирующих открытие и закрытие соответственно впускной 8 и выпускной 11 систем, маховика 14, обеспечивающего равномерность вращения коленчатого вала, картера 13 и поддона 15, коренных подшипников 16.

Рис. 1.1. Схема поршневого двигателя внутреннего сгорания:

а — продольный разрез; б — поперечный разрез; 1— коленчатый вал; 2—цилиндр; 3—шатун; 4—поршень; 5—кольца; 6 —камера сгорания 7— впускной клапан; 8— впускной потрубок; 9—свеча; 10—выпускной клапан; 11—выпускной патрубок; 12—поршневой палец; 13—картер; 14—маховик 15— поддон; 16— коренные подшипники

Все конструктивные схемы поршневых двигателей характеризуются несколькими основными параметрами. К ним относятся (см. рис. 1.1): диа-метр цилиндра D и ход поршня S, равный удвоенному радиусу кривошипа r. Двигатели с S/D>1 называются длинноходовыми, а с S/D>1— коротко-ходовыми, отношение радиуса кривошипа r к длине шатуна l — безразмерная величина λ=r/l должна обеспечить свободное движение шатуна без задевания за стенки цилиндра и свободное перемещение поршня без задевания за щеки коленчатого вала; рабочий объем цилиндра V_h и объем камеры сгорании V_c, сумма которых является полным объемом цилиндра V_a; литраж двигателя V_л=V_h·i=πD²Si/(4·10³), где i - число цилиндров, V и S выражены в см; степень сжатия ε — отношение полного объема цилиндра V_a к объему камеры сгорания V_c, величина которой устанавливается в зависимости от детонационной стойкости топлива.

Рабочий цикл поршневых двигателей осуществляется, как правило за два оборота коленчатого вала, что соответствует четырем ходам (тактам) поршня от одной мертвой точки до другой. Такие двигателя называются четырехтактными двигателями.

Первый такт — наполнение (впуск) цилиндра двигателя свежим зарядом протекает при движении поршня от в.м.т. к н.м.т. В дизелях свежий заряд состоят из воздуха, поступающего непосредственно из атмосферы через впускную систему и впускной тракт, который к моменту начала движения поршня от в.м.т. уже открыт. Свежий заряд двигателя с внешним смесеобразованием состоит из смеси распыленного топлива и воздуха. Эта смесь может быть приготовлена либо в карбюраторе, либо, после впрыска топлива, во впускной системе. При движения поршня от в.м.т. к н.м.т. в ходе такта впуска происходит смешение (газообмен) свежего заряда (воздуха или смеси воздуха с топливом) с отработавшими газами, оставшимися в камере сгорания после предыдущего рабочего цикла. Наиболее интенсивно газообмен осуществляется в период совместного открытия впускного и выпускного клапанов, так как выпускной клапан закрывается только после начала впуска в ходе движения поршня к в.м.т. Таким образом, при такте впуска происходит наполнение цилиндра двигателя свежим зарядом (воздуха или смесью воздуха с топливом), газообмен между свежим зарядом и отработавшими газами, а в двигателях с внешним смесеобразованием продолжение активного приготовления рабочей смеси (испарение топлива и перемешивание его с воздухом и отработавшими газами). Повышение количества и плотности горючей смеси в составе рабочей смеси, за счет сокращения отработавших газов, повышает эффективность работы двигателя.

Второй такт — сжатие протекает при движения поршня от н.м.т. к в.м.т. Однако в первый период этого такта сжатия продолжается наполнение цилиндра (дозарядка) или обратный выброс смеси, так как все еще открыт впускной клапан, который закрывается несколько позже прохождения поршнем н.м.т. После закрытия впускного клапана начинается непосредственно процесс сжатия с повышением температуры и давления рабочей смеси в цилиндре двигателя с внешним смесеобразованием, а в цилиндре двигателя с внутренним смесеобразованием — сжатие смеси воздуха с отработавшими газами. Рабочая смесь в этих двигателях образуется в ходе такта сжатия при впрыскивании топлива непосредственно в цилиндр под большим давлением в ходе такта сжатия и самовоспламеняется. В двигателе с внешним смесеобразованием сжатая рабочая смесь также воспламеняется вблизи в.м.т., но от электрической искры высокого напряжения. Заключительный период такта сжатия при подходе поршня к в.м.т. характеризуется совместным протеканием сжатия, и горения рабочей смеси.

Тратой такт — расширение — рабочий ход. Первый этап такта расширения начинается совместно с активным продолжением процесса сгорания рабочей смеси при резком повышении давления в надпоршневой части цилиндра. Расширяющиеся в процессе сгорания газы перемещают поршень от в.м.т. к н.м.т., совершая полезную работу — рабочий ход. Давление от расширяющихся газов передается через поршень и шатун на шатунную шейку коленчатого вала, заставляя его вращаться, совершая полезную механическую работу. Завершается процесс расширения открытием выпускного клапана до прихода поршня в в.м.т. и началом выпуска отработавших газов из цилиндра.

Четвертый такт — выпуск отработавших газов совершается при движении поршня от н.м.т. к в.м.т. Под действием расширяющихся отработавших газов, а затем и перемещения поршня осуществляется сначала свободное, а затем и принудительное вытеснение из цилиндра двигателя отработавших газов. При этом в начале процесса расширения, при движении поршня от н.м.т., выпускной клапан уже открыт, а при подходе поршня к в.м.т. открывается и впускной клапан. Таким образом завершение процесса выпуска происходит при двух открытых клапанах - выпускном и впускном, что обеспечивает начало нового рабочего цикла в конце такта выпуска, создавая необходимые условия для непрерывной работы двигателя внутреннего сгорания

ЛЕКЦИЯ 3

Принципы работы и классификация

Двигатель внутреннего сгорания (ДВС) — это наиболее распространенный источник энергии для транспортных средств. Этот двигатель вырабатывает мощность за счет преобразования химической энергии топлива в теплоту, которая затем преобразуется в механическую работу.

Преобразование химической энергии в теплоту осуществляется при сгорании топлива, а последующий переход теплоты в механическую работу осуществляется за счет внутренней энергии рабочего тела, которое, расширяясь, выполняет полезную работу.

В качестве рабочих тел в ДВС используются газы, давление которых возрастает за счет сжатия.

Топлива — а это в основном смеси углеводородов — требуют для своего сгорания присутствие кислорода; нужное количество кислорода поступает вместе со входящим воздухом.

Если сгорание топлива происходит внутри цилиндра двигателя, этот процесс называется внутренним сгоранием. Здесь продукты сгорания сами используются в качестве рабочего тела.

Если же процесс сгорания происходит вне цилиндра, то он называется внешним сгоранием.

Постоянное получение механической работы возможно циклически (поршневой двигатель) или непрерывно (газотурбинный двигатель), рабочий процесс при этом состоит из сжатия рабочего тела, подвода к нему теплоты, совершения работы за счет его расширения и возврата в исходное состояние или выброс в окружающую среду

Если рабочее тело изменяется при получении им теплоты, например, когда часть его выполняет роль окислителя, то восстановление первоначального состояния рабочего тела возможно только путем его замены.

Подобный процесс называется разомкнутым циклом и характеризуется циклическим газообменом (выпуском продуктов сгорания и впуском свежего заряда). Внутреннее сгорание всегда требует применения незамкнутого цикла.

Если при реализации процесса внешнего сгорания рабочее тело остается химически неизменным и может поэтому возвращаться в свое исходное состояние путем выполнения требуемых операций (охлаждение, конденсация). Это позволяет использовать замкнутый цикл работы.

Кроме основных характеристик процесса (незамкнутый/замкнутый циклы) и типов сгорания (циклический, непрерывный) процессы сгорания в ДВС классифицируются по способам приготовления рабочей смеси и применяемым методам ее воспламенения.

При внешнем смесеобразовании рабочая смесь приготавливается вне камеры сгорания. При этом в камере сгорания вначале присутствует, главным образом, гомогенная топливовоздушная смесь, и поэтому этот процесс можно отнести к процессу образования гомогенной смеси.

При внутреннем смесеобразовании топливо вводится непосредственно в камеру сгорания. Чем позже происходит сгорание, тем большей гетерогенностью на момент начала сгорания будет обладать топливовоздушная смесь, поэтому внутреннее смесеобразование часто называется процессом образования гетерогенной смеси.

Принудительное воспламенение осуществляется электрической искрой от свечи зажигания. При самовоспламенении рабочая смесь воспламеняется в результате нагрева вследствие ее сжатия.

В современных тепловых двигателях используются следующие идеальные циклы:

- цикл с периодическим сгоранием при постоянном объеме, реализуемый в поршневых двигателях;

- цикл с непрерывным сгоранием при постоянном давлении, реализуемый в газотурбинных двигателях.

Оба цикла будут рассмотрены более подробно при описании соответствующих типов двигателей.

1) В изотермическом процессе температура не изменяется.

2) В изоэнтропическом процессе (адиабатном) теплообмен рабочего тела с внешней средой отсутствует и происходит без трения (обратимый процесс).

ДВС с возвратно – поступательным движением поршней

Принцип работы

Принцип работы всех двигателей с возвратно—поступательным движением поршней состоит в сжатии топливовоздушной смеси в цилиндре перед ее воспламенением или во впрыске топлива в горячий сжатый воздух для его воспламенения. Коленчатый вал преобразует силу давления газов в крутящий момент, передаваемый потребителю.

Диаграмма в координатах «р-V» отражает реальный процесс получения работы от двигателя как функцию перемещения поршня. На диаграммах изменения давления газов в цилиндре ДВС по времени «р – t» и по углу поворота коленчатого вала «р-α» не отражается количество непосредственно произведенной работы, но они дают ясную картину о точке воспламенения и максимальном давлении сгорания. Произведение среднего эффективного давления в цилиндре двигателя на ход поршня соответствует работе цикла, а количество работы за единицу времени — индикаторной мощности двигателя. Здесь следует отметить, что мощность поршневого двигателя внутреннего сгорания возрастает при увеличении частоты вращения коленчатого вала в рабочем диапазоне частот.

Двигатель с искровым зажиганием (двигатель Отто)

Двигатель с искровым зажиганием — это поршневой двигатель с внешним или внутренним образованием рабочей смеси и воспламенением ее от внешнего источника. При такте сжатия смесь сжимается в цилиндре до давления около 20.. .30 бар (ε = 8. .12). Это позволяет получать температуру смеси в конце такта 400. ..500°С, что ниже температуры самовоспламенения смеси, и поэтому смесь поджигается искрой, подаваемой при подходе поршня к ВМТ.

Образование рабочей смеси

Система смесеобразования в двигателе с искровым зажиганием предназначена для получения гомогенной горючей топливо—воздушной смеси. Однако однородность может быть достигнута только в газовых или газо—паровых смесях, т.е. в том случае, если перед зажиганием все топливо подвергается испарению. Если существуют факторы (например, низкая температура во время холодного пуска двигателя), которые не дают топливу полностью испариться, следует подать дополнительную порцию топлива, чтобы обогатить топливо—воздушную смесь и сделать ее легковоспламеняемой (обогащение смеси при холодном пуске).

Кроме образования гомогенной смеси, система смесеобразования должна обеспечивать возможность регулирования нагрузки двигателя. Так как гомогенные рабочие смеси воспламеняются только в узком диапазоне коэффициента избытка воздуха α = (0,8...1,2), регулирование нагрузки двигателя зависит от количества смеси, поступающей в цилиндры (количественное регулирование). Это может быть достигнуто дросселированием топливо—воздушной смеси, поступающей в цилиндры двигателя в условиях неполной нагрузки (управление дроссельной заслонкой). Состав топливо—воздушной смеси также должен быть максимально однородным как в отдельных цилиндрах, так и при отдельных периодических циклах работы двигателя.

При частичных нагрузках дроссельная заслонка вызывает колебания в воздушном тракте, что ведет к нестабильности распределения свежего заряда по отдельным цилиндрам двигателя (в карбюраторных моторах или системах с центральным впрыском топлива). С другой стороны, давление во впускном тракте двигателя падает при уменьшении нагрузки, способствуя испарению топлива, что оказывает положительное влияние на равномерность распределения смеси по цилиндрам. В результате этого в отдельных цилиндрах отмечаются одинаковые составы рабочей смеси. При увеличении нагрузки, т.е. при росте давления во впускном коллекторе, неравномерность распределения рабочей смеси постепенно увеличивается.

При многоточечном впрыске топлива как во впускной тракт, так и непосредственно в камеру сгорания, относительное распределение рабочей смеси по цилиндрам характеризуется наименьшим постоянством в диапазоне малых нагрузок. Из—за того, что распределение воздуха по отдельным цилиндрам также происходит неравномерно в диапазоне низких значений чувствительности двигателя на соответствующей кривой, различие в качестве топливо—воздушной смеси, подаваемой в отдельные цилиндры, увеличивается. С ростом на грузки и при улучшении распределения воздуха по цилиндрам разброс качества топливо—воздушной смеси, поступающей в цилиндры, снижается.

Во всех системах смесеобразования устройства обогащения смеси должны компенсировать изменения отношения воздуха к испаренному топливу (реальный коэффициент α ) при холодном пуске и работе двигателя при низкой температуре.

Зажигание

Система зажигания должна надежно воспламенять сжатую смесь в точно установленный момент времени. Это достигается правильным размещением свечи зажигания, оптимизацией подачи смеси в цилиндры совместно с обеспечением ее завихрения, что особенно важно при работе на обедненных смесях и при малом открытии дроссельной заслонки. Аналогичный результат может быть также достигнут при размещении свечи зажигания в небольшой вспомогательной камере сгорания.

Энергия, необходимая для воспламенения, различна для топливо—воздушных смесей с разными свойствами. Так, для бензо—воздушных смесей с коэффициентом избытка воздуха ) α = 1 требуется энергия зажигания порядка 0,2 МДж, а для воспламенения более бедных или богатых смесей — до 3 МДж.

Процесс сгорания

Начальная фаза воспламенения, представляющая собой очаг горения, возникающий в топливо—воздушной смеси в зоне высоких температур между электродами свечи, приблизительно постоянна во времени; единственным влияющим на ее развитие фактором является состав смеси. Как результат, изменение частоты вращения коленчатого вала двигателя сопровождается пропорционально изменяющимися задержками воспламенения, в то время как величина α влияет на продолжительность процесса сгорания.

Основными факторами, определяющими характер протекания процесса выделения теплоты, являются форма камеры сгорания и месторасположение очага воспламенения. Основным определяющим фактором продолжительности сгорания является скорость распространения пламени (скорость сгорания). Максимальная скорость сгорания, равная 20.. .40 м/с, достигается при α 0,9. Скорость сгорания определяется процессами диффузии во фронте пламени, а также степенью турбулентности и температурами в тех зонах смеси, которые еще не воспламенились.

Степень турбулентности в камере сгорания и в зоне фронта пламени зависит от ряда факторов, таких как конструкция впускного тракта и форма камеры сгорания (например, вытеснитель для создания турбулентности). Турбулентность внутри камеры сгорания может возникнуть самопроизвольно в результате распространения пламени. На нее всегда оказывают влияние степень сжатия, температура воздуха на впуске и частота вращения коленчатого вала двигателя.

Характер роста давления при сгорании оказывает решающее влияние на конечную температуру процесса сгорания, в то время как влияние теплопроводности и теплового излучения не столь существенно.

Малый расход топлива и высокий к.п.д. обеспечиваются при высоких скоростях (малой продолжительности по времени) сгорания и характере тепловыделения, оптимально согласованном с ходом поршня. Максимальное тепловыделение должно наступать приблизительно через 5...10° угла поворота коленчатого вала после ВМТ. Если большая часть теплоты высвобождается слишком рано, возрастают потери теплоты в стенки камеры сгорания и на механические потери. Позднее выделение теплоты приводит к ухудшению термического к.п.д. и к высоким температурам отработавших газов.

Момент зажигания рабочей смеси, обеспечивающий оптимальное тепло— выделение, выбирается с учетом:

- отношения воздуха к топливу в смеси (α);

- влияния конструкции на турбулентность заряда в камере сгорания;

- постоянных по времени процессов воспламенения и распространения пламени (изменение момента зажигания требуется для компенсации особенностей процесса сгорания).

Нарушения процесса сгорания

Для надежного воспламенения и распространения пламени в двигателях с внешним смесеобразованием и искровым зажиганием не используют смеси беднее, чем α > 1,3, хотя такие смеси желательны для повышения термического к.п.д. и эффективности газообмена, а также для уменьшения потерь тепла через стенки камеры сгорания и на диссоциацию.

Хотя более высокие значения степени сжатия обеспечивают высокий к.п.д. при неполной нагрузке, они приводят к увеличению вероятности возникновения детонации при полной нагрузке. Детонация происходит тогда, когда скорость распространения пламени приближается к скорости звука, в основном, ближе к концу процесса сгорания. Тогда остаточные газы уже сильно сжаты и имеют высокую температуру. Детонацию характеризует очень высокое максимальное (пиковое) давление. Такое аномальное сгорание приводит к повреждениям поршня, головки цилиндра и прокладки между цилиндром и головкой. Вероятность возникновения детонации уменьшается при применении специальных антидетонационных добавок к топливу или обогащением смеси (за счет дополнительного внутреннего охлаждения).

Чтобы избежать детонации, момент зажигания делают более поздним, однако это ухудшает показатели среднего эффективного давления и сопровождается ростом температуры отработавших газов.

Из—за ограниченных возможностей использования бедных смесей в двигателях с искровым зажиганием регулирование нагрузки в большей части рабочего диапазона осуществляется изменением расхода воздуха. Это достигается либо дросселированием потока с целью регулирования плотности заряда, либо более ранним закрытием впускного клапана. С технической точки зрения наиболее простым решением (но наименее эффективным) является регулирование посредством изменения положения дроссельной заслонки.

ЛЕКЦИЯ 4

Мощность и экономичность

К.п.д. двигателей с внешним смесеобразованием и искровым зажиганием падает, в основном, в начале графика (см. рис. внизу слева).

Причина — неэффективность процесса сгорания (не достаточная турбулентность смеси, не адекватная плотность заряда), а также неэффективность газообменных процессов. К.п.д. дополнительно снижается из—за малого механического к.п.д. в этой зоне графика.

Любые способы улучшающие показатели в начале обозначенных кривых, позволяют улучшить общий к.п.д. двигателя.

Выборочное прекращение подачи топлива к отдельным цилиндрам позволяет обеспечить высокие к.п.д. в оставшихся цилиндрах двигателя с улучшенными сгоранием и газообменом. Отключение клапанов обеспечивает дальнейшее уменьшение потерь мощности, так как впускные и выпускные клапаны в отключаемых цилиндрах остаются закрытыми.

Отключение цилиндров заключается в обеспечении неподвижности элементов передачи мощности в отключенных цилиндрах для дальнейшего увеличения механического к.п.д.

Уменьшение частоты вращения коленчатого вала двигателя также позволяет повысить общий к.п.д. и эффективность газообмена. Одновременное уменьшение среднего давления механических потерь также приводит к повышению механического к.п.д. двигателя.

Дизельный двигатель

Дизельный двигатель — это поршневой двигатель с внутренним смесеобразованием (смесь, соответственно, гетерогенна) самовоспламенением смеси. Во время такта сжатия воздух, поступающий в цилиндры двигателя, сжимается до давления 30...60 бар, а его температура возрастает до 700...900°С. Этой температуры вполне достаточно, чтобы вызвать самовоспламенение топлива, впрыскиваемого в цилиндры двигателя незадолго до окончания такта сжатия, т.е. при подходе поршня к ВМТ. Образование гетерогенной смеси является определяющим фактором при совершении процесса сгорания и получении эффективности, с которой поступающий в цилиндры воздух может быть использован в процессе сгорания.

Смесеобразование

В гетерогенных смесях отношение воздуха к топливу может изменяться от чистого воздуха (α = ∞), располагаемого за периферией струи распыла топлива, до чистого топлива (α = 0) в середине этой струи.

На рисунке внизу схематически показана картина распределения коэффициента избытка воздуха α и зона пламени около отдельной неподвижной капли топлива.

Так как подобная зона всегда возникает возле каждой впрыскиваемой капли, регулирование нагрузки при образовании гетерогенной смеси может быть осуществлено путем управления топливоподачей — регулированием качества смеси.

В гомогенных смесях сгорание происходит в относительно узком диапазоне 0,3 < α < 1,5. Инерционность потока этих хорошо сгораемых смесей обеспечивается диффузией и турбулентностью потока. Эти смеси образуются за счет описанных ниже источников энергии. Также происходит смесеобразование и во время самого процесса сгорания.

Кинетическая энергия струи топлива. Кинетическая энергия распыливаемой струи изменяется в зависимости от разности давления у отверстия форсунки. Вместе с формой струи распыла (определяемой геометрией форсунки) и скоростью топлива на выходе, эта энергия определяет размер зоны, в которой происходит взаимодействие воздуха и топлива, а также диапазон размеров капель топлива в камере сгорания. Энергия струи зависит от производительности топливного насоса и размера калиброванного отверстия распылителя форсунки.

Теплота. Теплота, получаемая от нагретых стенок камеры сгорания и сжатого воздуха. обеспечивает испарение впрыскиваемого топлива, находящегося в виде капель и пленки топлива на стенках.

Форма камеры сгорания. Правильно выбранная форма камеры сгорания может обеспечить получение необходимой турбулентности потока при движении поршня.

Воздействие на воздушный поток (завихрение). Воздух обычно находится в камере сгорания в виде вихря. Струя топлива направляется перпендикулярно вихревому движению таким образом, чтобы его поток смещался в сторону струи впрыскиваемого топлива и удалял продукты сгорания из этой струи.

При испарении топлива со стенок камеры сгорания завихрение воздуха абсорбирует паровой слой и создает термоизоляцию между сгорающим и свежим зарядом газа. В то же время микротурбулентность завихренных частиц обеспечивает их быстрое перемешивание с воздухом. Воздушный вихрь создается благодаря особым геометрическим формам впускного тракта или путем перемещения части заряда из цилиндра во вспомогательную камеру с симметричным его вращением (путем пропуска заряда через специальный канал).

Кривая изменения коэффициента избытка воздуха α вокруг отдельной неподвижной капли топлива

Сгорание в вихревой камере. Когда топливо частично сгорает во вспомогательной камере, его давление оказывается выше давления в основной камере сгорания. Это давление заставляет частично окисленные продукты сгорания и испарившееся топливо проходить через один или большее число каналов и попадать в основную камеру сгорания, где эти продукты хорошо перемешиваются с оставшимся после сгорания воздухом.

В дизелях используется один или несколько способов смесеобразования.

Непосредственный впрыск топлива

Этот термин относится ко всем камерам сгорания, представляющим собой единый объем.

Процесс смесеобразования реализуется впрыском топлива при отсутствии движения воздуха (впрыск со статическим зарядом) или впрыском в воздушный вихрь посредством многосопловой форсунки.

Впрыск топлива со статическим зарядом для распыления топлива используется форсунка с 6.. .8 отверстиями, которые располагаются над центром камеры сгорания. В процессе впрыскивания используется энергия, заключенная во впрыскиваемом топливе, так что впрыск может выполняться и без завихрения воздуха в камере сгорания.

Считалось, что подобный способ применим в больших тихоходных дизелях, работающих на бедных смесях. Однако ужесточающиеся нормы по ограничению токсичности отработавших газов делают такой процесс перспективным для средне— и высоко – наддувных двигателей большегрузных автомобилей.

Процесс сгорания с использованием многосопловых форсунок. При таком процессе используются форсунки с 3...5 распыливающими отверстиями, расположенными как можно ближе к центру камеры сгорания, имеющей по центру в днище поршня углубление. Этот метод в основном применяется в дизельных безнаддувных двигателях легких грузовых автомобилей и быстроходных двигателях автофургонов и легковых автомобилей.

Метод использует энергию воздуха, поступающего в зону горения, а также энергию струи факела топлива. Это достигается системой впуска, создающей завихрение потока воздуха. Скорость вращения воздуха выбирается такой, чтобы гарантировать во время сгорания полное заполнение топливовоздушной смесью части камеры сгорания, расположенной по направлению струи распыла топлива.

Если топливо—воздушная смесь не может полностью заполнить указанную часть камеры сгорания, то эффективность использования воздуха и отдаваемая мощность двигателя будут понижены. С другой стороны, если в конструкции двигателя предусмотрено перекрытие фаз впуска и выпуска, а смесь распространяется в указанной части камеры сгорания в промежуток времени между соседними впрысками топлива, то это может привести к чрезмерной местной концентрации топлива и образованию большого количества частиц сажи при сгорании.

М—процесс. В М—процессе с пленочным смесеобразованием (система МАН большая часть топлива распыливается на стенки камеры сгорания. для образования рабочей смеси энергия факела топлива дополняется теплотой, выделяемой за счет турбулентности потока воздуха в камере сгорания. Форсунка с одним распыливающим отверстием располагается в камере сгорания под определенным углом к днищу поршня. Топливо впрыскивается в завихренный поток воздуха и на стенки камеры сгорания, образуя на них пленку.

Испаряясь, оно образует с завихренным воздухом достаточно однородную смесь. Процесс позволяет получать высокий показатель использования воздуха в сочетании с низкой концентрацией выбросов сажи в отработавших газах.

Разделенные камеры сгорания Конструкции с двумя камерами сгорания применяются на небольших быстроходных дизелях легковых автомобилей. Здесь установлены очень жесткие требования к скорости смесеобразования и коэффициенту избытка воздуха α.

Наличие впускных каналов для завихрения воздуха создает трудности в отношении получения необходимого коэффициента наполнения.

Разделенные камеры сгорания позволяют получать обогащенные рабочие смеси в предкамере и относительно обедненные заряды в основной камере, благодаря чему значительно снижаются выбросы оксидов азота и углеводородов в отработавших газах.

Система смесеобразовании в вихревой камере. Вспомогательная камера полусферической формы (вихревая камера) располагается на краю основной камеры сгорания; объем вихревой камеры составляет около 50% от общего объема камеры сгорания.

Сообщение между вспомогательной и основной камерами осуществляется посредством канала, который входит в основную камеру под углом к оси поршня. В вихревой камере расположены форсунка и запальная свеча для холодного пуска двигателя. При такте сжатия в вихревой камере образуется интенсивное завихрение воздуха. Также как и в М—процессе, топливо впрыскивается в камеру эксцентрично, что обеспечивает его вихревое движение и распределение на стенках камеры. Конструкция вихревой камеры и расположение запальной свечи и форсунки определяют качественные показатели процесса сгорания. При правильном их подборе процесс позволяет сочетать высокую частоту вращения коленчатого вала (свыше 5000 мин с хорошим показателем использования воздуха и достаточно низкими выбросами твердых частиц в отработавших газах.

Система смесеобразования в предкамере. Особенностью системы является вспомогательная камера (предкамера), расположенная по центру основной камеры сгорания и имеющая объем, равный 25- 35% от общего объема камеры сгорания.

В предкамере расположены форсунка и запальная свеча (для облегчения пуска двигателя). С основной камерой сгорания предкамера связана по средством нескольких отверстий. В оптимизированной конструкции предкамеры ниже форсунки располагается отражающая поверхность, которая слу-жит для ускорения смесеобразования и регулирования турбулентности в предкамере. Вся система, включающая свечу накаливания, обеспечивает сгорание с очень низкой концентрацией токсичных компонентов и твердых частиц в отработавших газах. Данный процесс, отличающийся высоким коэффициентом избытка воздуха, применяется в высокооборотных дизелях.

Процесс сгорания

Начало впрыскивания (начало смесеобразования) и начало экзотермической реакции (начало воспламенения) отделены друг от друга определенным промежутком времени, который называется задержкой воспламенения. В реальных условиях она определяется следующими факторами:

- способностью топлива к самовоспламенению (цетановое число);

- конечным давлением сжатия (степень сжатия, коэффициент наддува);

- конечной температурой сжатия (степень сжатия, температура компонентов смеси, наличие промежуточного охлаждения);

- видом системы подачи топлива.

Процесс сгорания, начинающийся с воспламенения смеси, может быть разделен на две фазы. В подготовительной фазе быстрого сгорания топливо продолжает впрыскиваться в камеру сгорания и смешиваться с воздухом. Топливо, впрыскиваемое в камеру сгорания, после воспламенения сгорает в так называемом “диффузионном пламени” (фаза замедленного сгорания). Та часть топлива, которая сгорает в первой фазе, определяет резкий подъем давления (высокую жесткость сгорания), что является главной причиной повышенного шума, вызываемого сгоранием, и образования оксидов азота в отработавших газах. Диффузионное пламя, характеризующееся малоинтенсивным горением, является основным источником возникновения в отработавших газах несгоревших углеводородных частиц.

Таким образом, характер тепловыделения в процессе сгорания в дизеле зависит от типа смесеобразования и может варьироваться в широком диапазоне изменением названных выше параметров. Выбор момента впрыска и продолжительность горения оказывают решающее влияние на образование оксидов азота (NO_х)

ЛЕКЦИЯ 5

Недостатки и ограничения, накладываемые на процесс сгорания. Из—за того, что в дизеле впрыскиваемое топливо самовоспламеняется, необходимо использование топлива с высокой склонностью к воспламенению (цетановое число 45...50). Несмотря на высокую степень сжатия, могут возникать проблемы с воспламенением топлива при пуске холодного двигателя.

Кроме того, детали холодного двигателя поглощают теплоту от сжатого воздуха. Согласно уравнению Т₁ = Т₀·ε^{n - 1} политропная экспонента (1,1 < п < 1,2) приводит к снижению температуры в конце сжатия. К тому же при малых частотах вращения качество смеси ухудшается (большой диаметр капель топлива) и турбулизация воздушного заряда не соответствует требуемой интенсивности. Увеличение времени испарения топлива (впрыск начинается раньше) и количества подаваемого топлива могут решить проблемы пуска двигателя только частично. Таким образом, необходимы, особенно для небольших двигателей, пусковые устройства, на пример, свечи накаливания или специальные присадки.

Поскольку значительная часть процесса смесеобразования происходит во время сгорания гетерогенной смеси, важно исключить локальную концентрацию чрезмерно богатой смеси в диффузионном пламени. Иначе могут иметь место повышенные выбросы частиц сажи даже при работе на очень обедненных смесях. Оценить эффективность использования воздуха позволяют официально утвержденные нормы допускаемой дымности отработавших газов, приводимые в зависимости от отношения воздуха к топливу в рабочей смеси. У двигателей с дополнительной камерой сгорания предельная дымность отработавших газов достигается при коэффициенте избытка воздуха, равном 1,05...1,15, а у двигателей с непосредственным впрыском топлива — 1,1...1,8. Причем двигатели с большим рабочим объемом должны работать на смесях с большим значением коэффициента избытка воздуха.

Дизельный двигатель без выброса сажи создать невозможно (при гетерогенном сгорании всегда образуются сажевые частицы).

Снизить выброс твердых частиц позволяют следующие мероприятия: увеличение давления впрыскивания топлива и переход на оптимальные характеристики распыла путем использования других форм камер сгорания и форсунок с несколькими распылительными отверстиями. Эффективен турбонаддув, особенно с промежуточным охлаждением. Продолжаются исследования возможности применения регенеративных фильтров твердых частиц, удерживающих эти частицы с последующим их дожиганием.

Из—за быстрого сгорания части топлива, испаряющейся и смешивающейся с воздухом в время задержки воспламенения, процесс самовоспламенения характеризуется как «жесткий» и шумный на режимах холостого хода и малых нагрузок у двигателей с турбонаддувом, и на режимах с высокой нагрузкой у быстроходных безнаддувных двигателей.

Ситуация может быть улучшена за счет уменьшения запаздывания момента воспламенения (предварительный нагрев воздуха на впуске, внедрение турбонаддува и увеличение степени сжатия) и/или количества поступающего топлива. На двигателях с непосредственным впрыском топлива уменьшение поступающего топлива обычно достигается использованием предварительного воспламенения; на двигателях с дополнительной камерой сгорания применяются дросселирующие форсунки.

Не следует смешивать понятие «жесткое» сгорание с детонацией, которая имеет место при средних и малых на грузках дизельного двигателя. детонация является следствием недостатков системы смесеобразования (нарушение в работе форсунки или нагарообразование на форсунке) и характеризуется возникновением пульсирующего металлического звука.

Дизель обречен работать в условиях высоких максимальных давлений. Его размеры и используемые материалы должны тщательно выбираться. Причинами этого являются:

- высокая степень сжатия, необходимая для надежного пуска дизеля и уменьшения его шумности;

- процесс сгорания должен происходить с максимальной скоростью распространения пламени для обеспечения топливной экономичности;

- использование турбонагнетателей.

Из—за того, что дизельные двигатели должны работать на обедненной смеси в режиме полной нагрузки, они обычно имеют более низкие удельные мощности, чем у двигателей с искровым зажиганием.

Гибридные двигатели

Совмещают характеристики дизеля и двигателя с искровым зажиганием.

Послойное смесеобразование

В двигателях с послойным смесеобразованием часть смеси, непосредственно контактирующая со свечой зажигания, обогащается, в то время как остальная часть смеси остается обедненной. Это позволяет при работе на частичных нагрузках сочетать топливную экономичность с низкими уровнями выбросов NО_х, и СО.

У систем с неразделенной камерой сгорания многие характеристики аналогичны параметрам дизеля (качественное регулирование, высокое давление впрыскивания и т.п.). Исследования в этом направлении сосредоточены на использовании внутреннего смесеобразования (системы фирм Техасо, Форд. Риккардо, МАН, КХД) для получения воспламеняемой смеси в зоне свечи зажигания и обедненных смесей (вплоть до чистого воздуха) в остальной части камеры сгорания.

Двигатели с форкамерно—факельным зажиганием сходны с двигателями с искровым зажиганием (управление посредством дросселя, впуск смеси и т.п.). В них свеча зажигания располагается внутри небольшой дополнительной камеры сгорания (форкамеры) — ее объем составляет от 5 до 25% от общего объема камеры сгорания.

В форкамере устанавливается либо дополнительная форсунка для впрыска топлива (системы фирмы VW и SКS фирмы Порше), либо вспомогательный клапан для подачи топливо—воздушной смеси в камеру сгорания (система СVСС фирмы Хонда)

Многотопливные двигатели

В многотопливных двигателях способность топлив к воспламенению и их детонационная стойкость невысоки, поэтому внешнее смесеобразование сопровождается опасностью появления детонации или преждевременным воспламенением. По этой причине в таких двигателях всегда используются способы внутреннего смесеобразования и более позднее впрыскивание топлива (аналогично дизельным двигателям). Топливный насос для работы двигателя в многотопливном режиме имеет кольцевую схему смазки плунжеров моторным маслом. Смазочный канал также препятствует поступлению топлива к кулачковому приводу насоса. Так как низкая склонность к воспламенению некоторых видов топлив делает их самовоспламеняемость затрудненной или даже невозможной, многотопливные двигатели работают при чрезвычайно высоких степенях сжатия (двигатель МТU фирмы Мерседес – Бенц имеет ε = 25). В качестве альтернативы двигатель может быть оборудован дополнительным источником зажигания, например, свечами зажигания или накаливания (система FМ фирмы МАН). Степени сжатия в этих двигателях соответствуют значениям ε = 14...15.

В двигателях, работающих на газовом и спиртовом топливах, могут применяться специальные типы зажигания (КНD, МWМ), когда дополнительная порция дизельного топлива (5...10% подачи топлива в дизеле на режиме полной нагрузки) впрыскивается непосредственно в камеру сгорания для обеспечения гарантированного воспламенения. При таком процессе смесь воздуха и основного топлива может образовываться как внутри, так и вне камеры сгорания.

Газообмен

В двигателях внутреннего сгорания газообмен выполняет две основные функции:

- удаление из цилиндра двигателя отработавших в предыдущем цикле газов;

- обеспечение поступления свежей порции рабочего тела.

В двигателе с двухтактным рабочим циклом газообмен осуществляется за каждый оборот коленчатого вала; в двигателе с четырехтактным рабочим циклом — за два оборота.

Четырехтактный рабочий цикл двигателя

Фазы газораспределения и, таким образом, газообмен регулируются посредством распределительного вала. Последний вращается с частотой в два раза меньшей, чем коленчатый вал двигателя, от которого распределительный вал приводится. При вращении распределительный вал открывает клапаны, преодолевая усилия клапанных пружин; это обеспечивает впуск свежего заряда и выпуск отработавших газов (соответственно через впускные и выпускные клапаны). Перед подходом поршня к НМТ выпускной клапан открывается и около 50% по объему продуктов сгорания выводится из цилиндра под действием высокого давления, созданного во время предшествующего такту выпуска такта рабочего хода. По мере перемещения поршня вверх во время такта выпуска он выталкивает почти все оставшиеся продукты сгорания.

Непосредственно перед тем, как поршень достигнет ВМТ, и перед закрытием выпускного клапана начинает открываться впускной клапан. Это положение носит название “перекрытие клапанов”. После ВМТ выпускной клапан закрывается при еще открытом впускном клапане; поршень при этом перемещается вниз и обеспечивает всасывание свежего заряда.

Этот второй такт газообменного процесса, который носит название такта впуска, продолжается и после НМТ.

Двумя следующими друг за другом тактами в четырехтактном рабочем цикле являются такт сжатия и такт рабочего хода.

На бензиновых двигателях с дроссельной заслонкой во время перекрытия клапанов происходит заброс отработавших газов из камеры сгорания во впускной коллектор или из выпускного тракта обратно в камеру сгорания, а оттуда во впускной коллектор. Это особенно проявляется при малом угле открытия дросселя при большом разрежении во впускном коллекторе Внутренняя» циркуляция отработавших газов негативно сказывается на работе двигателя в режиме холостого хода, но ее нельзя полностью устранить. Должен быть найден компромисс между требуемой высокой скоростью подъема клапанов и удовлетворительными характеристиками на холостом ходу.

При раннем открытии выпускного клапана обеспечивается хорошая продувка цилиндра и уменьшение количества остаточных газов. За счет этого уменьшается работа, затрачиваемая на газообмен.

Момент закрытия впускного клапана оказывает наибольшее влияние на зависимость расхода воздуха от частоты вращения коленчатого вала двигателя.

При раннем закрытии выпускного клапана максимум коэффициента наполнения заряда достигается при малой частоте вращения коленчатого вала, то время как при позднем закрытии клапана максимум коэффициента наполнения смещается в сторону более высокой частоты вращения коленчатого вала.

Обычно фазы газораспределения представляют компромисс между двумя конструкторскими требованиями: получением максимального среднего эффективного давления (и, таким образом, крутящего момента) и получением максимальной мощности. При более высоких частотах вращения коленчатого вала, соответствующих максимальной мощности, и при более широком скоростном диапазоне работы двигателя сохранить указанный компромисс крайне трудно.

Для получения минимальной токсичности отработавших газов и максимальной топливной экономичности необходимо создавать двигатель с малой частотой вращения коленчатого вала на холостом ходу и высоким значением крутящего момента в зоне низких частот вращения коленчатого вала (вместе с высокой удельной мощностью силовых установок малой массы). Это возможно при использовании изменяемых фаз газораспределения (особенно для впускных клапанов). Наиболее важным для высокоскоростных бензиновых двигателей серийного производства считается момент закрытия впускного клапана.

Изменение фаз газораспределения поворотом распределительного вала

Гидравлический управляющий механизм поворачивает распределительный вал, изменяя момент открытия впускных клапанов в зависимости от частоты вращения коленчатого вала (Альфа - Ромео, Мерседес - Бенц).

Распределительный вал обеспечивает задержку закрытия впускного клапана на холостом ходу и при высокой частоте вращения. Это приводит к определенному росту продолжительности перекрытия клапанов в ВМТ для устойчивости работы двигателя на холостом ходу и повышения мощности при высокой частоте вращения. Распределительный вал поворачивается для обеспечения более раннего закрытия впускного клапана на средних частотах вращения при полной нагрузке, что позволяет получить более высокий коэффициент наполнения и крутящий момент.

Выборочное введение в действие кулачков с разными профилями на одном распределительном валу

Изменение фаз работы впускных и выпускных клапанов может быть осуществлено введением в действие кулачков с двумя различными профилями (Хонда).

Профиль первого вида обеспечивает оптимальные открытие впускного и выпускного клапанов и высоту подъема клапанов в диапазоне средних частот вращения коленчатого вала двигателя. При высокой частоте вращения коромысло, которое качалось вхолостую при низких частотах, соединяется со стандартным коромыслом; оно взаимодействует с кулачком второго вида, что обеспечивает подъем клапана на большую высоту и увеличение времени открытого состояния клапана.

Изменение высоты подъема клапанов и момента их открытия

Непрерывное изменение фаз клапанного распределения как функция частоты вращения коленчатого вала двигателя (Фиат) — оптимальное, но наиболее трудно осуществимое решение. Используется кулачок с криволинейным трехразмерным профилем, имеющий возможность осевого перемещения вместе с распределительным валом. Способ существенно увеличивает крутящий момент в установленных рабочих диапазонах частот вращения коленчатого вала.

Оптимизацию впускного и выпускного трактов осуществляют на основе испытаний при стационарном потоке. Выпускные клапаны оценивают при небольшом их подъеме и с учетом давлений в фазе продувки. Показатели пропускной способности для впускных и выпускных каналов указывают на то, что конструкция впускного тракта, приводящая к турбулентности заряда в камере сгорания, сильно снижает пропускную способность тракта и коэффициент наполнения.

Преимущества четырехтактного цикла:

- высокий коэффициент наполнения во всем диапазоне частот вращения коленчатого вала;

- низкая чувствительность к падению давления во выпускной системе; - возможность влияния на кривую наполнения подбором фаз газораспределения и конструкцией впускной системы.

Недостатки четырехтактного цикла:

- клапанный механизм является весьма сложным устройством;

- литровая мощность меньше, чем у двухтактного из—за того, что только каждый второй оборот коленчатого вала используется для производства эффективной работы.

ЛЕКЦИЯ 6

Двухтактный цикл работы двигателя

В двухтактном цикле газообмен должен происходить в конце такта расширения и в начале такта сжатия.

Продолжительность впуска и выпуска обычно определяется самим поршнем, когда он при перемещении вверх после НМТ последовательно перекрывает продувочные и выпускные окна в стенке цилиндра. Эта схема, однако, приводит к симметричным фазам газораспределения. Кроме того, 15...25% рабочего объема вообще не используется для производства работы, а для этой цели используется только объем заряда V_f. Так как в двухтактном цикле отдельные такты впуска и выпуска отсутствуют, цилиндр должен заполняться воздухом и продуваться принудительно под давлением с помощью продувочного насоса.

В наиболее часто встречающейся конструкции двигателя с кривошипно— камерной продувкой (см. рисунок внизу слева) используется в качестве продувочного насоса полость картера. Процессы, имеющие место со стороны кривошипной камеры, показаны на внутреннем круге, а со стороны цилиндра — на внешнем. достаточно хорошая продувка цилиндра обеспечивается при использовании поперечной, петлевой и прямоточной продувок.

Преимущества двухтактного двигателя:

- простая конструкция двигателя;

- его малая масса;

- невысокая стоимость в изготовлении;

- высокая литровая мощность;

- оптимальные характеристики крутящего момента.

Недостатки двухтактного двигателя:

- повышенный расход топлива и более высокий уровень выбросов углеводородов с отработавшими газами (затруднена продувка цилиндра);

- пониженные средние эффективные давления (недостаточный коэффициент наполнения); более высокие тепловые нагрузки (отсутствуют такты газообмена);

- плохая работа двигателя на холостом ходу (более высокий коэффициент остаточных газов в цилиндре).

Процессы наддува

Мощность двигателя пропорциональна пропущенной через двигатель массе воздуха, которая, в свою очередь, пропорциональна плотности воздуха. Рабочий объем и частота вращения коленчатого вала двигателя могут быть увеличены за счет предварительного сжатия воздуха перед поступлением его в цилиндры двигателя, те. путем так называемого наддува.

Коэффициент наддува соответствует увеличению плотности нагнетаемого воздуха по сравнению с атмосферным давлением (в двигателях без наддува воздух поступает под атмосферным давлением). Одним из главных факторов при выборе наддува является вид используемой системы наддува, определяющий возможную степень повышения давления. Эффективность повышения давления максимальна тогда, когда температура сжатого воздуха не возрастает или возвращается к своему первоначальному значению за счет промежуточного охлаждения. В двигателях с искровым зажиганием степень наддува ограничивается детонацией. В дизелях ограничивающим фактором является максимально допустимое давление цикла. Поэтому двигатели с наддувом обычно имеют более низкие степени сжатия, чем двигатели без наддува той же мощности.

Динамический наддув

В этом простейшем способе наддува используются динамические свойства воздуха на впуске.

Инерционный наддув

Каждый цилиндр двигателя имеет специальный впускной канал определенной длины, который соединен с общей нагнетательной камерой.

Наддув с использованием специально настроенных впускных каналов

При таком варианте наддува короткие трубопроводы соединяют группы цилиндров двигателя с резонансными ресиверами с такими же интервалами, как промежутки между вспышками в цилиндрах. Эти ресиверы сообщаются с атмосферой или общей камерой посредством специально отрегулированных трубок и работают подобно резонаторам Гельмгольца.

Впускной трубопровод с изменяемой геометрией

Ряд фирм (БМВ, Ситроен, Опель, Форд) используют системы с динамическим наддувом, а также комбинацию разных систем. Система с динамическим наддувом позволяет повысить коэффициент наполнения при малых частотах вращения коленчатого вала двигателя.

В системе с изменяемой геометрией впускного трубопровода используются заслонки, посредством которых обеспечивается соединение или разобщение впускных каналов, ведущих к различным цилиндрам, в зависимости от изменений частоты вращения коленчатого вала.

Длина элемента, регулирующего длину впускного патрубка, изменяется непрерывно при увеличении частоты вращения коленчатого вала. Полный эффект достигается при открытии второй резонансной камеры.

Механический наддув

При механическом наддуве нагнетатель приводится в действие непосредственно от двигателя (обычно с фиксированным передаточным отношением). для управления работой нагнетателя часто используются электромагнитные муфты.

Картина зависимости работы нагнетателя от характеристик двигателя наглядно иллюстрируется диаграммой давление—объемный расход на которой степень повышения давления в нагнетателе соотносится со скоростью объемного расхода (π_к=р₂/р₁)

Графики для четырехтактных дизелей особенно наглядны, так как они имеют вид наклонных прямых линий — характеристик массового расхода воздуха в двигателе. Эти линии показывают увеличивающийся расход воздуха как следствие роста степени повышения давления. Только механические нагнетатели, у которых производительность пропорциональна их частоте вращения, пригодны для двигателей автомобилей. Это нагнетатели с принудительным приводом конструкции Рут

Преимущества механического наддува:

- относительная простота нагнетателей, к тому же расположенных на «холодной» стороне двигателя;

- отработавшие газы двигателя не используются;

- нагнетатель мгновенно реагирует на изменение нагрузки.

Недостатки механического наддува: наддув осуществляется за счет затрат мощности двигателя, что ведет к дополнительному расходу топлива.

Турбонаддув с использованием отработавших газов

В подобных конструкциях привод турбонагнетателя осуществляется за счет отработавших газов, энергия которых является невостребованной в двигателях без наддува.

В современных двигателях с турбонаддувом используется турбина, приводимая в действие отработавшими газами. Она обеспечивает преобразование энергии этих газов в механическую работу, что дает возможность турбокомпрессору осуществлять сжатие воздуха перед впуском его в цилиндры двигателя.

Турбокомпрессор, приводимый в действие отработавшими газами, является комбинацией турбины и центробежного компрессора.

Преимущества турбонаддува:

- увеличение удельной мощности двигателя;

- повышение крутящего момента внутри диапазона эффективных частот вращения коленчатого вала;

- значительное снижение расхода топлива по сравнению с двигателями без наддува равной мощности;

- снижение выбросов токсичных продуктов в отработавших газах.

Недостатки турбонаддува:

- установка турбокомпрессора в тракте с «горячими» отработавшими газами требует применения термостойких материалов;

- необходимо дополнительное пространство для размещения турбокомпрессора и промежуточного охладителя;

- недостаточный крутящий момент при малых частотах вращения коленчатого вала;

- высокая чувствительность дроссельного управления к конструкции турбокомпрессора.

Наддув, использующий энергию волн сжатия

Нагнетатель имеет ротор, который сообщается с подаваемым воздухом и отработавшими газами; на этих сторонах располагаются специальные регулировочные кромки и газовые полости (система «Компрекс»).

Преимущества наддува с использованием энергии волн сжатия:

- высокая чувствительность, так как обмен энергией между отработавшими газами и зарядом воздуха на впуске происходит при скорости звука;

- обеспечение высокого значения сжатия воздуха при малых частотах вращения коленчатого вала двигателя.

Недостатки наддува с использованием энергии волн сжатия:

- ограниченность пространства для размещения ротора из—за необходимости использования ременного привода и газоподводящих магистралей;

- необходимость увеличения подачи отработавших газов и продувочного воздуха;

- шумность при работе;

- высокая чувствительность к повышению сопротивления в зоне низкого давления.

ЛЕКЦИЯ 7

2 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ЦИКЛЫ ПОРШНЕВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

2.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Теория двигателей внутреннего сгорания основана на использования термодинамических зависимостей и приближения их к действительным условиям путем учета реальных факторов. Поэтому глубокое изучение теоретических циклов, основанное на знании термодинамики, является необходимым условием успешного изучения процессов, происходящих в цилиндрах реальных автомобильных и тракторных двигателей.

Замкнутые теоретические (термодинамические) циклы в отличие от действительных процессов, происходящих в цилиндрах двигателей, осуществляются в воображаемой тепловой машине (рис. 2.1) и характери-зуются следующими особенностями (допущениями).

1. Все процессы цикла осуществляются без теплообмена рабочего тела с окружающей средой и являются обратимыми.

2. Преобразование теплоты в механическую работу осуществляется в замкнутом объеме одним и тем же несменяемым рабочим телом.

3. Состав и теплоемкость рабочего тела остаются постоянными на всем протяжении цикла.

4. Подвод теплоты производятся от постороннего (воображаемого) источника при постоянном объеме (по изохоре) или при постоянном давлении (по изобаре), или при смешанном ( изохоре и изобаре).

5. Процессы сжатия и расширения протекают по адиабатам с постоянными показателями.

6. В теоретических циклах отсутствуют какие-либо потери теплоты (в том числе на трение, излучение, гидравлические потери и т. п.), кроме от- вода теплоты холодному источнику. Эта потеря является единственной и обязательной для замкнутого теоретического цикла.

Диаграммы pV и ТV теоретических циклов, являющиеся прототипами реальных индикаторных диаграмм современных двигателей, приведены на рис 2.2:

1) цикл с подводом теплоты при постоянном объеме (рис. 2.2, а);

2)цикл с подводом теплоты при постоянном давлении (рис. 2.2, 6);

3) цикл со смешанным подводом теплоты при постоянном объеме и постоянном давлении (рис. 2.2, в).

Основные термодинамические соотношения показателей и параметров замкнутых теоретических циклов приведены в табл. 2.1.

Каждый теоретический цикл характеризуется двумя основными показателями: теплоиспользованием, которое определяется термическим коэффициентом полезного действия, и работоспособностью, которая определяется удельной работой цикла.

Термическим КПД называется отношение количества теплоты, превращенной в полезную механическую работу, к общему количеству теплоты, подведенной к рабочему телу:

η_t=(Q₁ –Q₂)/Q₁=1-Q₂/Q₁, (2. 1)

где Q₁ — количество теплоты, подведенное к рабочему телу от постороннего источника; Q₂ — количество теплоты, отведенное от рабочего тела холодному источнику.

Удельной работой цикла - р_t называется отношение количества теп- лоты, превращенной в механическую работу, к рабочему объему и выражается в Дж/м³

p_t=(Q₁ –Q₂)/(V_a-V_c)=L_ц /(V_a-V_c), (2.2)

где V_a — максимальный объем, занимаемый рабочим телом в конце процесса расширения (н.м.т.), м³; V_c — минимальный объем, занимаемый рабочим телом в конце процесса сжатия (в.м.т.), м³; L_ц=(Q₁ –Q₂) — работа цикла,Дж(Н·м).

Удельная работа цикла (Дж/м³=Н·м/м³=Н/м²) численно равна среднему постоянному за цикл давлению (Па =Н/м²).

Рассмотрение и анализ теоретических циклов позволяет решить три основные задачи:

1) оценить влияние термодинамических факторов на изменение термического КПД и среднего давления для данного цикла и на этой основе установить оптимальные значения термодинамических факторов для получения наилучшей экономичности и максимальной удельной работы цикла;

2) провести сравнение‚ различных теоретических циклов с точки зрения их экономичности и работоспособности при одинаковых условиях;

3) получить конкретные числовые значения термического КПД и среднего давления цикла, которые могут являться критериями для оценки степени совершенства реальных двигателей по экономичности и удельной работе (мощности)

2.2 ЗАМКНУТЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ЦИКЛЫ

Цикл с подводом теплоты при постоянном объеме. Для цикла с подводом теплоты при постоянном объеме термический КПД и удельная работа (среднее давление цикла) соответственно определяются по формулам

; (2.3)

. (2.4)

Термический КПД , зависят только от степени сжатия и показателя адиабат сжатия и расширения k (рис. 2.3).

Рис. 2.3. Зависимость термического КПД цикла с подводом теплоты при постоянном объеме от степени сжатия при различных показателях адиабаты

Анализ формулы (2.3) рис. 2.3 показывает, что термический КПД постоянно растет при увеличении степени сжатия и показателя адиабаты Однако возрастание η_t заметно уменьшается при высоких степенях сжатия, начиная примерно с ε = 12—13. Изменение показателя, адиабаты зависит от природы рабочего тела. Для расчета η_t приняты три значения k, которые приближенно соответствуют рабочему телу, состоящему: 1) из двухатомных газов (воздух, k = 1,4); 2) из смеси двух- и трехатомных газов (продукты сгорания, k = 1,3); 3) из смеси воздуха и продуктов сгорания (k= 1,35).

Величина среднего давления цикла дополнительно зависят от начального давления р_а и степени повышения давления λ. Для двигателей, работающих без наддува, верхним предельным значением начального давления является атмосферное давление.

Поэтому во всех расчетах теоретических циклов давлениер_а принято равным атмосферному, т. е. р_а = 0,1 МПа. Изменение степени повышения давления обусловлено в первую очередь изменением количества подведенной к циклу теплоты Q₁

, (2.5)

где R = 8315 Дж/(кмоль· град) — универсальная газовая постоянная;

Т_а — начальная температура цикла, К.

Рис. 2.4. .Зависивмосгь среднего давления цикла от степени повышения давления при различных степенях сжатия и показателях адиабаты: - k=1,4; --k=1,3

На рис. 2.4 показана зависимость p_t от степени повышения давления λ при различных степенях сжатия ε и двух значениях показателя адиабаты. Из приведенных данных видно, что среднее давление цикла возрастает прямо пропорционально росту количества теплоты, подведенной за цикл, но возрастание р_t с увеличением ε при одинаковом количестве подводимой теплоты протекает менее интенсивно, чем рост термического КПД.

Из проведенного анализа термического КПД и среднего давления замкнутого теоретического цикла с подводом теплоты при постоянном объеме можно сделать следующие выводы:

1. Минимальные потери теплоты в данном цикле получаются в случае использования в качестве рабочего, тела воздуха и составляют не ниже 37% при ε = 12 и не ниже 30,5% при ε =20 (см. рис. 2.3). Потери теплоты при использовании в качестве рабочего тела топливовоздушных смесей повышаются

2. Максимальное значение среднего давления цикла при подведении теплоты Q₁=84 МДж/кмоль, приблизительно равной теплоте сгорания бензовоздушной смеси, составляет не более 2,0 МПа при ε =12 и не более 2,1 МПа при ε =20 (см. рис. 2.4).

3. По данному циклу целесообразно осуществлять рабочий процесс реального двигателя со степенями сжатия, не превышающими ε=11…12. Дальнейшее повышение степени сжатия дает увеличение удельной работы и КПД цикла, но незначительно — в пределах 1…2% для η_t и 0,7…1,3 для p_t при увеличении степени сжатия на одну единицу.

ЛЕКЦИЯ 8

Цикл с подводом теплоты при постоянном давлении. Термический КПД и среднее давление цикла с подводом теплоты при постоянном давлении определяются по формулам:

; (2.6)

. (2.7)

Термический КПД данного цикла, так же как и цикла с подвом теплоты при постоянном объеме, растет с увеличением степени сжатия ε и показателя адиабаты k. Однако при любых степенях сжатия η_t цикла с подводом теплоты при р=соnst меньше η_t цикла с подводом теплоты при V= соnst, так как множитель (p^k— 1)/ [k(р —1)] всегда больше единицы [см. формулы (2.3) и (2.6)].

Термический КПД цикла с подводом теплоты при р = соnst зависит также от степени предварительного расширения р, т. е. от нагрузки.

. (2.8)

С увеличением количества подведенной теплоты, т. е. с увеличением степени предварительного расширения, термический КПД падает. Это объясняется тем, что с увеличением р количество отведенной теплоты холодному источнику и, следовательно, уменьшается количество теплоты, превращаемой в механическую работу. Таким образом, максимальное значение термического КПД достигается при минимальном количестве подведенной теплоты, что в реальных условиях наблюдается при холостом ходе двигателя.

На рис 2.6 представлена зависимость термического КПД цикла с подводом теплоты при р = соnst от степени сжатия ε при различных значениях степени предварительного расширения р и двух значениях показателя адиабаты ( k =1,4 — сплошные, k = 1,3 — пунктирные). Две кривые η_t рассчитаны и построены при р=2, р=З и, следовательно, при переменном количестве подводимой теплоты Q₁ для каждой величины степени сжатия, а две кривые построены при одинаковом количестве подведенной теплоты (Q₁ = 80 МДж /кмоль) и, следовательно, переменных значениях степени предварительного расширения. Полученная при этом зависимость р от ε также представлена на рис. 2.6.

Зависимость среднего давления цикла р_t, от степени сжатия ε и показателя адиабаты k аналогична зависимости термического КПД η_t от тех же параметров. Но при увеличения количества подводимой теплоты , т. е. при увеличения степени предварительного расширения р, среднее давление цикла р_t, растет, несмотря на падение термического КПД (рис.2.7).

Из анализа формул и графиков изменения η_t и р_t можно сделать следующие выводы:

1. Значения η_t и р_t: цикла с подводом теплоты при р =const для неболь-ших степеней сжатия значительно ниже соответствующих показателей цикла с подводом теплоты при постоянном объеме. Даже при ε =10 потери теплоты составляют от 46% при р=2 до 57% при р=4,I в воздушном цикле, а при ε k = 1,3 потери теплоты при ε = 10 составляют 66%.

2 При малых степенях сжатия и значительном подводе теплоты цикл р =const вообще не существует, так как р не может превышать ε . Например, при Q₁ = 80 МДж/кмоль (см. рис. 2.6) цикл может существовать только при ε>5.

3.. Уменьшение величины показателя адвабаты k = 1,4 до k=1,3 влечет за собой значительное уменьшение термического КПД η_t и среднего давления цикла р_t. Так, при ε =20 и Q₁ = 80 МДж/кмоль по расчётным данным потери теплоты возрастают с 41 до 52% (см.на рис. 2.6, кривые η_t3 и η_tt4), а среднее давление цикла уменьшается на20%.

4. Использование цикла в качестве прототипа рабочих процессов в реальных двигателях целесообразно только при значительных степенях сжатия (более 10), при работе с неполной нагрузкой (уменьшение p) и при значительно обедненной смеси (приближение k к значению k воздушного цикла). Следует отметить, что данный цикл не используется в качестве прототипа для организации рабочего цикла в современных автомобильных и тракторных двигателях.

Цикл со смешанным подводом теплоты. В этом цикле подвод теплоты Q₁ осуществляется как при постоянном объеме Q₁' так и при постоянном давлении (см. рис. 2.2, в):

, (2.9)

где - теплота, подведенная при постоянном объеме;

- теплота, подведенная при постоянном давлении.

Соотношение между иможет изменяться в пределах от=Q₁ и

=0 до =0 и= Q₁. При =Q₁ и =0 вся теплота подводится при постоянном объсме и, следовательно, данный цикл превращается в цикл с подводом теплоты при постоянном объеме. В этом случае степень предвари- тельного расширенияр = 1 и формула (2.9) превращается в формулу для цикла с подводом теплоты при постоянном объеме (см. табл.2.1).

При =0 и=Q₁ вся теплота подводится при постоянном давлении, а цикл превращается в цикл с подводом теплоты при постоянном давлении, для которого степень повышения давления λ=1. В этом случае формула (2.9) превращается в формулу для цикла с подводом теплоты при постоянном давлении (см. табл.2.1).

При всех промежуточных значениях исуществует жесткая взаимосвязь междуλ и р для данного количества подведенной теплоты и заданной степени сжатия ε. На рис. 2.8, а представлена зависимость между степенью повышения давления λ и степенью предварительного расширения р при Q₁=80МД/кмоль и ε =16, а по кривым на рис. 2.8,б определяется количество теплоты, подведенное при V= соnst и р = соnst в зависимости от выбранных значений λ и р. Например, значениям λ =3,5 и р=1,25 (рис. 2.8, а) сооттствует= 55 МДж/кмоль — теплота, подведеденная при V = соnst и = 25 МДж/кмоль — теплота, подведенная прир = соnst (рис 2.8, б). Если же задано количество теплоты подведевной при V = соnst и р=соnst, например== 0,5Q₁=40 МДж/кмоль, то по кривым изображенным на рис. 2.8, б, определяются значения λ =2,8 и р=1,5

Термический КПД и среднее давлецие цикла со смешанным подводом теплоты:

; (2.10)

. (2.11)

Анализируя формулы (2.10) и (2.11) и аналитические зависимости двух других, уже рассмотренных циклов, можно сделать вывод, что при одинаковых условиях и одинаковом количестве подведенной теплоты значения термического КПД и среднего давления цикла со смешанным подводом теплоты всегда меньше соответствующих значений η_t и p цикла с подводом теплоты при постоянном объеме и всегда больше соответствующих значений η_t и p цикла с подводом теплоты при постоянном давлении.

Расчет термического КПД и среднего давления цикла со смешанным подводом теплоты приведен для трех различных условий подвода теплоты:

1) при всех значениях степени сжатия количество подведенной теплоты при постоянном объеме остается постоянным и равным количеству теплоты, подведенной при постоянном давлении, т. е. == 0,5Q₁ =42 МДж/кмоль. В этом случае значения степени повышения давления λ и степени предварительного расширения р, постоянно изменяются в зависимости от изменения степени сжатия ε. Характер же изменения термического КПД и среднего давления цикла примерно соответствует характеру изменения соответствующих параметров цикла с подводом теплоты при V =соnst.

2) при всех значениях степени сжатия‚ сохраняется постоянное значение степени повышения давления λ =2. В. результате с увеличением степени сжатая количество подводимой теплоты при постоянном объеме возрастает, а при постоянном давлении - сокращается. Потому термический КПД и среднее давление цикла с увеличением ε возрастают более интененсивно, чем в первом случае, и на больших степенях сжатия (ε =17…20) их значения приближаются к значениям соответствующих показателей цикла с подводом теплоты при V =соnst;

3) при всех значениях степени сжатия сохраняется постоянное значение степени предварительного расширения р=3,2. В результате с увеличением ε количество подведенной теплоты при V =соnst сокращается, а при р=соnst — возрастает. Рост термического КПД и среднего давления цикла менее интенсивен, чем в первых двух случаях, а их значения приближаются к значениям η_t, и р цикла с подводом теплоты при р =соnst.

Для более полного анализа теоретических циклов необходимо рассмотреть кроме изменения термического КПД и среднего давления циклов изменение значений максимальных температур и давлений, циклов, а также температур в конце расширения.

В реальных условиях максимальные, значения давлений ограничиваются условиями допустимой прочности деталей двигателя, а максимальные значения температур, кроме того, условиями бездетонационной работы двигателя на данном топливе и качеством смазки. Большое значение имеет и темпратура конца расширения, при которой в действительных циклах начинает вытекать рабочее тело из цилиндра. Надежная работа выпускных органов двигателя достигается за счет установления определенных ограничений на температуру конца расширения.

Наибольшие значения максимальных температур и давлений получаются в цикле с подводом теплоты при V=соnst, а наименьшие — в цикле с подводом теплоты при р=соnst. Промежуточные значения Т_z и р_z получаются в цикле со смешанным подводом теплоты. Значительное повышение максимальных температур и давлений с увеличением степени сжатия в цикле с подводом теплоты при V=соnst ограничивает применение данного цикла в реальных условиях при повышенных ε. Вместе с тем данный цикл по сравнению с другими имеет наименьшую температуру в конце расширения. Однако при смешанном подводе теплоты и равном распределении подведенной теплоты при V=соnst и.р=соnst максимальная температура цикла снижается почти иа 600К (или на 11%), а температура конца расширения увеличивается всего на 60…100 К(или на 3,3 … 4,7%).

На основе проведенного анализа можно сделать следующие выводы:

1 Значения основных термодинамических показателей цикла со смешанным подводом. теплоты находятся между значениями соответствуюших показателей циклов с подводом топлоты при V=соnst и.р=соnst.

двигателя. Кроме того, повышение давления в начале сжатия воз можно получать за счет яслользовави скоростного вацора, явер цисявых и воiшовьц явлений во впускной системе двигателя, т. е. за счет тая называемого вяерцвоявого ваддува.

2. Циклы с подводом теплоты при V=соnst и.р=соnst являются частными случаями цикла со смеашанным подводом теплоты. Причем эти циклы являются предсльными и характеризуются соответственно максимальными и минимальными значениями η_t,,р_t ,Т_z и р_z при одинаковых

начальных условиях и одинаковом количестве подведенной теплоты.

3. В цикле со смешанным подводом теплоты при увелячении доли теплоты, подводимой при V=соnst (увеличение λ ), и при уменьшении доли

теплоты, подводимой при р=соnst (уменьшение р), повышаются значения термического КПД и среднего давления цикла.

4. Цикл со смешанным подводом теплоты целесообразно применять при значительных степенях сжатия (больше 12) и с возможно большими значениями степени повышения давления. По данному циклу работают все быстроходные автомобильные и тракторые дизели без наддува.

5. КПД цикла со смешанным подводом теплоты может превышать КПД двигателей с искровым зажиганием (цикл при V=соnst) за счёт возможного использования более высоких значений степени сжатия.

ЛЕКЦИЯ 9

Теоретические циклы двигателей с наддувом. Повышение давления в начале сжатия (см. рис. 2.2, точки а) с целью увеличения удельной работы (среднего давления) цикла называется наддувом. В автомобильных и тракторных двигателях наддув осуществляют за счет предварительного сжатия воздуха или топливовоздушной смеси в компрессоре. Привод компрессора может быть механическим, непосредственно от вала двигателя, или газовым, от газовой турбины,, работающей за счет энергии выпускных газов поршневого двигателя. Кроме того, повышение давления в начале сжатия возможно получить за счет использования скоростного напора, инерционных и волновых явлений во впускной системе двигателя, т. е. за счет так называемого инерционного наддува.

При инерционном наддуве и наддуве компрессором с механическим приводом характер протекания теоретических циклов (см. рис. 2.2) не изменяется. Изменяются только конкретные значения термодинамических параметров, зависящие от изменения давления и температуры в конце впуска (см. формулы в табл. 2.11). Необходимо также учитывать, что в реальном двигателе часть мощности затрачивается на привод компрессора.

При газотурбинном наддуве получается комбинированный двигатель, состоящий из поршневой части, газовой турбины и компрессора. В автомобильных и тракторных двигателях применяют турбокомпрессоры с постоянным давлением газов перед турбиной. Прототипами рабочего процесса комбинированных двигателей являютси теоретвические циклы (рис.2.11).

Цикл с постоянным давлением перед турбиной асzz’bа осуществляется в поршневой части двигателя, а цикл аfgla — в турбокомарессоре. Теплота Q_T отвoдимая при V_const в цикле поршневой части двигателя (линия bа), под-водятся при постоянном давлении в турбокомпрессорном цикле (линия af). Далее в газовой турбине осуществляется продолженное расширение по адиабате (кривая fg), отвод теплоты Q₂ при постоянном давлении (линия gl) и адиабатическое сжатие в компрессоре ( линия lа).

Термический КПД такого совмещенного цикла

, (2.12)

где ε₀=εε_k=V_l|Vc – общая степень сжатия комбинированного двигателя равная произведению степени сжатия поршневой части ε=V_а/V_с и компрессора ε_k=V_l/V_a.

Среднее давление цикла, отнесенное к рабочему объему поршневой части двигателя,

. (2.13)

Теоретический цикл с продолженным расширением и переменным давлением газов перед турбиной асz^’zbfglа (см. рис.2.11) может быть осуществлен в комбинированном двигателе, состоящем из поршневого двигателя и лопаточной машины (газовой турбины и воздушного компрессора). При этом часты цикла асz’zb соответствующая области высо-ких давлений и относительно малых объемов рабочего тела, осуществляется .в поршневой части, а часть цикла bfglа — в лопаточных машинах. Продол-женное расширение осуществляется в газовой турбине по адиабате (bf), отвод теплоты при р=сonst ва участке gl и предварительное ежатне по адиабате (lа) - в воздушном компрессоре. Теоретический КПД такого цикла определяется по формуле:

(2.14)

В этом цикле, за счет дополнительного использования кинетческой энергии отработавшях газов, значительно возрастает его КПД до 70 — 75%. Несколько возрастает и абсолютное значение работы цикла, но более резко сокращается среднее давление цикла, определяемое по формуле (2.13). Реальное использование данного термического цикла связано с решением ряда конструктивных трудносгей.

2.3. РАЗОМКНУТЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ЦИКЛЫ И ИХ АНАЛИЗ

Замкнутые теоретические циклы (см.§2.2) дают наглядное представление о протекании процессов в реальных двигателях и о характере изменения их основных показателей ( η_t, и р_t) в зависимости от различных термодинамических факторов. Однако количественные показатели замкнутых теоретических циклов далеки от реальных и прежде всего потому, что не учитывают трех основных процессов, протекающих в любом реальном двигателе.

Во-первых, это процесс газообмена (впуска и выпуска рабочего тела), который в замкнутом цикле полностью, исключен принятым допущением о постоянстве рабочего тела я его тёплоемкости. В реальном двигателе каждый цикл осуществляется с участием вновь поступившей свежей смеси и после каждого цикла производится очистка цилиндра от отработавших газов. Кроме того, в действительном цикле теплоемкость рабочего тела зависит от температуры и от постоянно изменяющегося состава рабочего тела.

Во-вторых, процесс сгорания топлива, который в замкнутом теоретическом цикле заменен процессом сообщения теплоты от постороннего источника. В реальном двигателе процесс сгорания протекает во времени по сложному закону с интенсивным теплообменом.

В-третьих, дополнительные тепловые потери, связаны с наличием непрерывного теплообмена между рабочим телом и окружающей средой через стенки цилиндра, головку блока, днище поршня, а также с утечкой рабочего тела через неплотности между цилиндром и поршнем, с преодолением механических и гидравлических сопротивлений. Кроме того, потеря теплоты в реальном двигателе зависят от температуры (подогрева) остаточных газов и избыточного воздуха (при α > 1) или от химической теплоты сгорания топлива (ири α < 1).

Разомкнутые теоретические циклы по сравнению с замкнутыми (рис. 2.12), используя термодинамические соотношения, дополнительно учитывают:

1) процессы впуска и выпуска, но при полном отсутствии сопротивлений и без изменения температуры и давления рабочего тела, а также без учета затрат энергия на газообмен;

2) изменение качества рабочего тела на протяжении одного цикла, т. е. учитывают изменения состава рабочего тела и зависимость его теплоемкости. от температуры;

3) зависимость показателей адиабат сжатия и расширения от средней теплоемкости, но без учета теплопередачи и, следовательно, без учета тепловых потерь в процессах сжатия и расширения;

4) процесс сгорания топлива, точнее подвод теплоты, который зависят от теплоты сгорания рабочей смеси и учитывает изменение количества рабочего тела при сгорании (учет коэффициента молекулярного изменения).

5) потери теплоты, связанные с изменением температуры (подогревом) остаточных газов и избыточного воздуха (при α > 1) или с химической неполнотой сгорания топлива при недостатке кислорода воздуха (α < 1)

Таким образом, разомкнутые теоретические циклы значительно точнее отражают процессы, происходящие в реальных двигателях, а количественные показатели параметров этих циклов могут служить оценочными для соответствующих параметров действительных процессов.

Глава3

ТОПЛИВО, РАБОЧИЕ ТЕЛА И ИХ СВОЙСТВА

3.1. Общие сведения

Тепловая знергия, необходимая для совершения работы в действительном цикле, получается при сгорании топлива в цилиндрах двигателя. Основными видами топлива для автотракторных двигателей являются бензины и дизельные топлива, получаемые путем: прямой перегонки нефти, каталитического реформинга, крекинг процессов и других технологических процессов.

Физико-химические свойства топлив, применяемых в автотракторных двигателях, должен отвечать определенным требованиям, зависящим от типа двигателя, особенностей его конструкции параметров рабочего процесса и условий эксплуатации. В связи с этим любой вид топлива должен обеспечивать: полное сгорание с отсутствием или с минимально допустимым содержанием в продуктах сгорания токсичных веществ, загрязняющих окружающую среду; приемлемую испаряемость при различных. температурах окружающей среды, отвечающую современным требованиям различных типов двигателей; надежные пусковые качества и устойчивую работу систем смесеобразования и питания на всех режимах работы двигателя в различных климатических условиях; мягкое протекание процесса сгорания с допустимыми нагрузками на детали двигателя и без нагаро- и коксообразовния; высокие мощностные и экономические показатели двигателя на всех режимах его работы.

ЛЕКЦИЯ 10