Анализ теоретических циклов

В целях повышения мощности и экономичности увеличение степени сжатия в двигателе считается выгодным. Однако в двигателях с воспламенением смеси от искры повышать степень сжатия выше 11-12 единиц не представляется рациональным. При повышенных степенях сжатия значительно увеличивается давление газов в конце сжатия р_с и сгорания р_z и, следовательно, растут нагрузки и соответственно потери на трение в кривошипно-шатунном механизме. Кроме того, увеличение степени сжатия ограничивается опасностью самовоспламенения и появления детонационного сгорания. Более интенсивное повышение η_t происходит при малых степенях сжатия (до ε = 7), а при высоких ε интенсивность повышения η_t значительно снижается.

Из уравнения среднего давления цикла видно, что р_ц увеличивается, если процесс начинается при более высоком начальном давлении сжатия р_а. Увеличение степени сжатия также повышение р_ц. Однако на р_ц степень сжатия влияет меньше, чем на величину термического КПД. Увеличение η_t означает, что большее количество теплоты используется для совершения работы. Следовательно, увеличение приводит к росту р_ц.

С увеличением степени сжатия η_t цикла со смешанным подводом теплоты также повышается. Кроме этого, η_t находится в прямой зависимости от степени повышения давления, т.е. от количества теплоты, подведенной при V=const.

Из проведенных исследований видно, что при одной и той же степени сжатия термический КПД цикла с подводом теплоты при постоянном объеме наивысший. Быстроходные дизельные двигатели работают по циклу, близкому к циклу со смешанным подводом теплоты. Применяемые в них топлива позволяют осуществить цикл при сравнительно высоких степенях сжатия. Только по этой причине η_t дизельного двигателя выше, чем у двигателя с зажиганием от искры.

 

Рис. 1.2. Цикл с подводом теплоты при постоянном объеме: а - диаграмма цикла; б - графическое изображение работы и среднего индикаторного давления

 

 

Рис. 1.3. Цикл со смешанным подводом теплоты

 

 

Действительные циклы двигателей внутреннего сгорания

Действительный цикл двигателя внутреннего сгорания состоит из ряда последовательных, взаимосвязанных (а, зачастую, перекрывающих друг друга) процессов, протекающих в цилиндрах двигателя. К этим процессам относятся: впуск свежего заряда (воздуха или горючей смеси), сжатие заряда, смесеобразование и сгорание рабочей смеси, расширение, выпуск отработавшего заряда. Действительные циклы двигателей внутреннего сгорания значительно отличается от рассмотренных выше теоретических циклов. В ходе названных процессов в цилиндрах двигателя происходит изменение количества и состава рабочего тела, а также его теплообмен с деталями, формирующими камеру сгорания. После окончания каждого действительного цикла отработавший газ не возвращается в свое первоначальное состояние в цилиндре, а выпускается в атмосферу, уступая место горючей смеси или воздуху. Таким образом, действительный цикл (в отличии от теоретического) по существу является разомкнутым. Процессы сжатия и расширения проходят при наличии теплообмена с внешней средой, а в процессе расширения происходит, кроме того, догорание топлива. При осуществлении действительного цикла использование теплоты в нем происходит с более значительными потерями (по сравнению с теоретическим циклом), вследствие его чего КПД будет ниже.

Совокупность процессов выпуска и впуска, обеспечивающих смену рабочего тела, называется газообменом. Качество очистки цилиндра от отработавших газов и полнота наполнения его свежим зарядом оказывают значительное влияние на большинство показателей

 

Процесс впуска

Процесс впуска в двигателях предназначен для наполнения цилиндра горючей смесью в двигателях с внешним смесеобразованием или воздухом – в двигателях с внутренним смесеобразованием. Основой этого процесса является создание условий, при которых в цилиндр двигателя будет введено максимально возможное количество горючей смеси или воздуха. В этом случае при оптимально протекающем процессе сгорания можно увеличить мощность двигателя и обеспечить его экономичность.

Количество горючей смеси или воздуха, поступающее в цилиндр за время его наполнения, зависит от ряда факторов, основными из которых являются:

гидравлическое сопротивление трубопроводов при впуске и выпуске;

подогрев горючей смеси или воздуха от соприкосновения с горячими деталями двигателя;

наличие в цилиндре к началу его наполнения остаточных (отработавших) газов от предыдущего цикла;

наличие наддува;

проходное сечение впускных и выпускных окон.

На индикаторной диаграмме (рис. 1.4. а) видно, что при отсутствии наддува линия впуска r-a находится всегда ниже атмосферной и наибольшее разрежение получается около середины хода поршня, т.е. при максимальном значении скорости поршня. К концу впуска давление в цилиндре несколько повышается благодаря динамическому напору, создаваемому силами инерции поступающего заряда.

Количество горючей смеси (или воздуха), поступившей в цилиндр двигателя во время процесса наполнения и оставшейся в цилиндре к моменту закрытия впускного клапана, называют зарядом цилиндра. Различают действительный и теоретический заряд. Под действительным зарядом G_д понимают заряд, который фактически (в данных конкретных условиях) поступил в цилиндр и остался в нем. Под теоретическим зарядом G_т понимают заряд, который может поместиться в рабочем объеме цилиндра V_h при давлении р_о и температуре окружающей среды Т_о (при расчетах принимают р_о = 0,1 МПа, Т_о = 288 °К).

Качество наполнения цилиндров характеризуют двумя основными параметрами – коэффициентом наполнения и коэффициентом остаточных газов.

Коэффициентом наполнения η_v называют отношение действительного заряда цилиндра к теоретическому:

.

Коэффициент наполнения зависит:

от давления и температуры газов в конце впуска;

частоты вращения коленчатого вала двигателя;

нагрузки на двигатель.

Если при впуске давление газов увеличить, а их температуру уменьшить, то коэффициент наполнения возрастет. Однако для карбюраторных двигателей уменьшение температуры газов на впуске не всегда целесообразно, так как при недостаточной температуре газов в процессе впуска топливо конденсируется и его сгорание ухудшается. С увеличением частоты вращения коленчатого вала двигателя коэффициент наполнения понижается из-за сокращения продолжительности впуска.

Коэффициент наполнения можно увеличить следующими способами:

применением наддува;

оптимальным выбором фаз газораспределения (моментов открытия и закрытия клапанов);

увеличением высоты подъема клапанов;

увеличением количества клапанов;

увеличением диаметра цилиндра (это дает возможность разместить клапаны большего диаметра и уменьшить скорость заряда при впуске а, следовательно, и гидравлические потери).

В современных автомобильных двигателях величина коэффициента наполнения при частоте вращения коленчатого вала, соответствующей максимальной мощности двигателя составляет:

 

Тип двигателя	ηv
двухтактные	0,55…0,70
четырехтактные карбюраторные	0,75…0,85
четырехтактные дизели без наддува	0,80…0,90
четырехтактные дизели с наддувом	0,95…0,99

 

Коэффициентом остаточных газов γ_r называют отношение количества G_r оставшихся в цилиндре от предыдущего цикла газов к количеству G_д поступившего свежего заряда горючей смеси или воздуха:

.

Этот коэффициент определяет степень загрязненности горючей смеси (заполнившей цилиндр) в конце впуска остаточными газами. У карбюраторных двигателей (при полностью открытой дроссельной заслонке) γ_r = 0,06…0,16; для дизелей – γ_r = 0,03…0,06.

 

Процесс сжатия

Процесс сжатия служит для создания лучших условий сгорания рабочей смеси, а также для увеличения температурного перепада цикла и степени расширения продуктов сгорания. Это создает благоприятные условия для увеличения КПД двигателя.

Процесс сжатия изображается на индикаторной диаграмме линией а-с (рис. 1.4. б). В начальный период сжатия температура газов ниже температуры стенок цилиндра, поэтому газы дополнительно нагреваются от них. По мере сжатия смеси ее температура повышается, и теплопередача от стенок цилиндра газам уменьшается. В какой-то бесконечно малый период времени температуры газов и стенок цилиндра будут равны и теплообмена не будет. Дальнейшее сжатие происходит с отводом тепла от газов к стенкам цилиндра.

Процесс сжатия протекает в условиях непрерывного изменения температуры рабочей смеси или воздуха. Теплообмен имеет сложный характер и не может быть выражен только при помощи термодинамических соотношений, поэтому считают, что весь процесс сжатия протекает политропно с постоянным показателем политропы n₁.

Данные испытаний показывают, что показатель политропы n₁ имеет различные значения для различных двигателей. И для одного и того же двигателя n₁ изменяется с изменением режима и условий работы. Его значение будет тем больше, чем больше объем цилиндра, так как так как при этом меньше относительная площадь охлаждения. При интенсивном охлаждении увеличивается теплоотдача от газов к стенкам цилиндра и, следовательно, снижается величина показателя n₁. С повышением частоты вращения коленчатого вала двигателя время соприкосновения газов со стенками цилиндра за период сжатия сокращается. При этом показатель политропы n₁ увеличивается. Кроме того, величина n₁ зависит от продолжительности открытия впускного клапана, угла опережения зажигания и других факторов. Среднее значение показателя политропы сжатия n₁ для карбюраторных двигателей колеблется в пределах 1,32…1,39, для дизелей – 1,36…1,40.

Давление р_с и температура Т_с в конце сжатия тем выше, чем больше степень сжатия ε и средний показатель политропы n₁, в результате чего выше мощность и экономичность двигателя.

В конце сжатия у карбюраторных двигателей давление р_с = 0,7…1,2 МПа и температура Т_с = 500…700 К, а у дизелей р_с = 3,5…4,0 МПа и Т_с = 750…950 К.

 

Процесс сгорания

Общие положения.

Сгорание топлива – быстро протекающий окислительный процесс, сопровождающийся выделением теплоты и излучением света. При сгорании топлива в цилиндрах автомобильных двигателей атомы углерода и водорода, образующие молекулы топлива, соединяются с кислородом воздуха.

Теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг топлива подсчитывается по элементарному составу топлива:

,

где С, Н и О – содержание по массе соответственно углерода, водорода и кислорода в 1 кг топлива.

Количество воздуха, фактически участвующего в процессе сгорания 1 кг топлива в цилиндре двигателя, называется действительным количеством воздуха L_Д

Отношение действительного количества воздуха к теоретически необходимому называется коэффициентом избытка воздуха:

При работе двигателя возможны различные варианты соотношений действительного и теоретически необходимого количества воздуха.

1. L_Д < L_О , то есть ά < 1; это значит, что воздуха в горючей смеси меньше, чем нужно для полного сгорания топлива. Такая горючая смесь, имеющая избыток топлива, называется богатой или обогащенной (в зависимости от значения этого избытка).

2. L_Д = L_О , то есть ά = 1; в этом случае воздуха в горючей смеси ровно столько, сколько нужно для полного сгорания 1 кг топлива. Такая горючая смесь называется нормальной.

3. L_Д > L_О , то есть ά > 1; это значит, что воздуха в горючей смеси больше, чем нужно для полного сгорания топлива. Такая горючая смесь, имеющая избыток воздуха, называется бедной или обедненной (в зависимости от значения этого избытка).

Коэффициент избытка воздуха зависит от способа приготовления смеси, режима работы двигателя и вида применяемого топлива. Величина ά в зависимости от режима работы двигателя колеблется в пределах 0,6…1,2 для карбюраторных двигателей, и 1,1…1,7 для дизелей.

Сравнительно большой коэффициент избытка воздуха у дизелей объясняется менее благоприятными условиями смесеобразования. Дизели не имеют специального устройства для смешивания топлива с воздухом вне цилиндра, кроме того, время, отводимое на смесеобразование у дизеля в 40…50 раз меньше, чем у карбюраторного двигателя.

При сгорании 1 кг топлива газам может быть сообщено количество теплоты, равное низшей теплоте сгорания Q_н, а в действительности газам сообщается только часть этой теплоты ξQ_н, где ξ – коэффициент использования теплоты, учитывающий потери тепла в охлаждающую среду при догорании топлива в процессе расширения и вследствие диссоциации газов. Для карбюраторных двигателей коэффициент использования теплоты изменяется в пределах 0,80…0,95, для дизелей – 0,70…0,90. Чем выше испаряемость топлива, чем совершеннее процесс смесеобразования и чем больше скорость распространения фронта пламени, тем выше коэффициент использования теплоты.

В действительном цикле, где сгорание происходит за небольшой промежуток времени (около 0,001 с), поршень успевает несколько переместиться от ВМТ. Движение поршня вблизи ВМТ происходит с небольшой скоростью. Поэтому хотя за период сгорания коленчатый вал поворачивается на 15…20°, поршень перемешается на небольшую величину. За период сгорания, соответствующий примерно 20° угла поворота коленчатого вала, поршень проходит небольшой путь, при котором отклонение линии, характеризующей процесс сгорания, невелико. Поэтому провести анализ протекания процесса сгорания в системе координат pV затруднительно. Удобнее рассматривать процесс сгорания в системе координат, где по оси ординат отложено давление p, а по оси абсцисс – угол поворота коленчатого вала.