Процессы, протекающие в поршневых двигателях

Процесс газообмена. Для осуществления рабочего цикла в реальных двигателях необходимо периодически удалять из цилиндров образующиеся продукты сгорания и вводить в них свежий заряд. Очистка цилиндров двигателя от продуктов сгорания и наполнение свежим зарядом называется процессом газообмена. Количество свежего заряда, оставшегося в цилиндре после завершения процесса газообмена существенно влияет на мощность, развиваемую двигателем. В четырехтактных двигателях процессы газообмена осуществляются за два хода поршня.

Процесс газообмена начинается с момента открытия выпускного клапана (точка ), а заканчивается с закрытием впускного клапана (точка ). Процесс впуска осуществляется при движении поршня от ВМТ (точка ) к НМТ (точка ). Количество свежего заряда, поступающего в цилиндр в течении процесса впуска, зависит от общего гидравлического сопротивления впускной системы, т.е. разности между давлением окружающей среды и давлением в цилиндре , которое изменяется по мере перемещения поршня от ВМТ к НМТ. Чем меньше потеря давления во впускной системе к моменту прихода поршня в НМТ. Тем больше количество свежего заряда заполнит цилиндр.

Процесс выпуска отработавших газов начинается в конце такта расширения за поворота коленчатого вала до прихода поршня в ВМТ (точка ). При этом происходит свободный выпуск под действием остаточного давления газа в цилиндре (0.4 0.6 МПа). За время свободного выпуска удаляется до 50 70% отработавших газов. При движении поршня от НМТ к ВМТ происходит принудительный выпуск оставшихся газов.

Для дизеля без наддува, когда в процессе впуска воздух в цилиндры поступает из атмосферы, процессы газообмена протекают аналогично процессам карбюраторного. При этом гидравлические потери и, следовательно, значение в дизеле несколько меньше, чем в карбюраторном двигателе вследствие отсутствия карбюратора.

Параметры процесса газообмена можно разделить на две группы: 1-я группа - параметры, определяющие состояние рабочего тела в характерных точках процесса; 2-я группа - параметры, характеризующие совершенство процессов наполнения и очистки цилиндров в целом. К первой группе относятся: подогрев заряда от нагретых деталей; давление конца наполнения; температура конца наполнения. Ко второй группе относятся коэффициент наполнения и коэффициент остаточных газов .

Давление в цилиндре в процессе впуска. Из-за наличия гидравлического сопротивления впускного тракта давление в цилиндре в процессе впуска ниже давления в патрубкеи изменяется вследствие изменения скорости поршня и проходного сечения впускного клапана. В конце впуска давление в цилиндре карбюраторного двигателя . Для дизелей .

Свежий заряд, перемещаясь по впускному тракту, соприкасается с горячими стенками; при этом его температура увеличивается на . Степень подогрева заряда зависит от скорости движения, продолжительности впуска, а также от разности температур стенок и заряда. При рационально сконструированной системе газообмена для дизелей без наддува , для карбюраторных двигателей .

В процессах газообмена все факторы, определяющие их протекание, действуют одновременно, что приводит к повышению температуры заряда, которая к концу впуска будет выше атмосферного воздуха, но ниже температуры остаточных газов. Таким образом, температура конца наполнения определяется подогревом заряда, температурой остаточных газов и коэффициентом остаточных газов.

Коэффициентом остаточных газов называется отношение числа молей остаточных газов в цилиндре двигателя к числу молей свежего заряда, поступившего в цилиндр после завершения процесса впуска: где число молей остаточных газов, находящихся в цилиндре двигателя; число молей свежего заряда.

Коэффициент остаточных газов используют для оценки степени очистки цилиндров двигателя от продуктов сгорания. Он определяет относительное содержание их в рабочем теле. Чем меньше , тем большее количество свежего заряда можно разместить в цилиндре, следовательно, получить двигатель большей мощности с тем же рабочим объемом. Поэтому всегда стремятся получить минимальные значения .

Коэффициентом наполнения называется отношение количества свежего заряда, по массе, действительно поступившего в цилиндр, к количеству свежего заряда, также по массе, которое могло бы заполнить рабочий объем цилиндра при давлении и температуре в исходном состоянии на впуске в двигатель, т. е. где масса свежего заряда, поступившего в цилиндр; масса свежего заряда, теоретически способного заполнить рабочий объем цилиндра; объем цилиндра; плотность свежего заряда на впуске.

Коэффициент наполнения характеризует качество процесса впуска и учитывает отклонение условий внутри цилиндра от условий на впуске в двигатель. Производители двигателей всегда стремятся к увеличению значений коэффициента наполнения. Таким образом, он является основной характеристикой качества процесса газообмена.

Лекция 4. Факторы, влияющие на процессы газообмена. На процессы газообмена существенное влияние оказывают следующие факторы: подогрев свежего заряда; гидравлическое сопротивление впускной и выпускной систем; частота вращения коленчатого вала; нагрузка на двигатель; степень сжатия; параметры остаточных газов; условия окружающей среды.

Подогрев свежего заряда способствует снижению коэффициента наполнения, так как при этом снижается плотность заряда. Однако на бензиновых двигателях подогрев необходим для обеспечения лучшего испарения топлива.

Сопротивление на впуске. Чем больше сопротивление, тем меньше давление конца наполнения и тем меньше коэффициент наполнения. Сопротивление на впуске в большей степени влияет на величину (коэффициента наполнения) чем сопротивление на выпуске.

Частота вращения коленчатого вала. С повышением частоты вращения коленчатого вала сопротивление впускной системы возрастает пропорционально квадрату частоты вращения. Поэтому давление в цилиндре в конце наполнения снижается.

Нагрузка на двигатель. С ростом нагрузки увеличивается развиваемая мощность двигателя. Влияние нагрузки на коэффициент наполнения у дизелей и карбюраторных двигателей различно. В дизеле для увеличения мощности в цилиндры впрыскивается большее количество топлива, что приводит к росту температуры деталей двигателя, и как следствие, к увеличению подогрева свежего заряда. Поэтому в дизелях с ростом нагрузки наблюдается некоторое снижение коэффициента наполнения. В карбюраторных двигателях для увеличения нагрузки поворачивают дроссельную заслонку, создавая тем самым меньшее сопротивление на впуске. При этом увеличивается количество свежего заряда, а следовательно и давления конца наполнения.

Условия окружающей среды. Развиваемая двигателем мощность зависит от массы воздушного заряда. Чем ниже температура окружающей среды и выше атмосферное давление, тем больше масса свежего заряда заполнит цилиндры двигателя. С повышением давления заряда снижаются относительные потери на впуске, что приводит к росту коэффициента наполнения.

Степень сжатия. С ростом степени сжатия коэффициент наполнения будет уменьшаться пропорционально величине .

Параметры остаточных газов. Температура остаточных газов на коэффициент наполнения влияет незначительно. Однако увеличение давления остаточных газов приводит к увеличению плотности и массы отработавших газов, что снижает массовое наполнение цилиндра свежим зарядом.

Процесс сжатия. Рабочее тело, представляющее к концу процесса наполнения смесь свежего заряда с остаточными газами, в процессе развития рабочего цикла подвергается сжатию. Назначение процесса сжатия в следующем: увеличение температурного перепада, при котором осуществляется действительный цикл; улучшение воспламенения и горения топлива; получение большей работы при расширении продуктов сгорания и повышение экономичности двигателя. Чем выше степень сжатия, тем при прочих равных условиях выше степень расширения газов, образующихся в процессе сгорания топлива. Соответственно этому расширяются пределы изменения состояния рабочего тела, что повышает степень преобразования теплоты в работу.

Для повышения термодинамических показателей цикла степень сжатия стремятся увеличивать. Однако в реальных условиях степень сжатия ограничена в зависимости от типа двигателя, его конструкции и условий применения. Для карбюраторных двигателей ; для дизелей . Минимальное значение степени сжатия дизеля определяется условиями надежного воспламенения топлива. Поэтому необходимо, чтобы температура рабочего тела в конце сжатия (определяемая ) превышала температуру самовоспламенения топлива не менее чем на 200—300 К.

К параметрам процесса сжатия относят давление и температуру рабочего тела в конце сжатия. Представление сжатия как политропного процесса со средним постоянным по величине показателем политропы позволяет использовать термодинамические зависимости для определения параметров сжатия.

Таким образом, давление и температура конца сжатия растут с увеличением давления и температуры конца наполнения, а также с увеличением степени сжатия и показателя политропы.

Процесс сгорания. В действительных циклах работы двигателя рабочее тело нагревается в результате сгорания, которое начинается в конце сжатия и происходит в основном в начальный период расширения. При этом химическая энергия топлива превращается в тепловую, которая в свою очередь частично преобразуется в механическую работу. От полноты сгорания топлива и своевременного подвода теплоты к рабочему телу в значительной мере зависят энергетические и экономические показатели двигателя. В качестве топлива для поршневых ДВС широко используются продукты переработки нефти, которые представляют собой различные углеводородные соединения и отличаются элементарным составом, который выражается в единицах массы (кг), или в объемных единицах ( ). Для жидких топлив

где массовые доли углерода, водорода, кислорода в 1-м кг топлива.

Для газообразных топлив

где объемные доли каждого газа в 1-м газообразного топлива; объемная доля азота.

Качество топлива определяется теплотой сгорания, т. е. количеством выделившейся теплоты при полном сгорании массовой или объемной единицы топлива. Каждый вид топлива обладает определенной теплотой сгорания. Для оценки топлива используется низшая теплота сгорания.

Для определения низшей теплоты сгорания жидкого топлива при известном элементарном составе используется формула Менделеева

( )

Для газообразного топлива

При полном сгорании топлива количество невыделенной теплоты при сгорании 1-го кг топлива определяется по формуле Чтобы учесть процент недовыделенной теплоты используют коэффициент полезного тепловыделения, который учитывает не только неполноту сгорания, но и потерю части выделившейся теплоты вследствие теплоотдачи в стенки цилиндра, утечки газа и распада продуктов сгорания. Для двигателей с принудительным воспламенением , для дизелей - .

Для полного сгорания единицы топлива необходимо определенное количество воздуха, которое называется теоретически необходимым. Это количество воздуха определяется элементарным составом топлива по следующим уравнениям: для жидкого топлива

; ;

Для газообразного топлива

где теоретически необходимое количество воздуха в кг. для сгорания1-го кг топлива; теоретически необходимое количество воздуха в кмолях. для сгорания1-го кг или топлива; 0.23-массовое содержание кислорода в 1-м кг воздуха; 0.21- объемное содержание кислорода в 1-м кг воздуха; масса 1-го кмоль воздуха.

Горючая смесь в карбюраторном двигателе состоит из воздуха и паров топлива. Ее количество определяется уравнением где молекулярная масса паров топлива равное для автомобильных бензинов и для дизельного топлива. Горючая смесь для дизеля .

Количество продуктов сгорания, выраженное в кмолях, приходящихся на кг топлива рассчитывается следующим образом при , а при . Отношение числа молей продуктов сгорания к числу молей свежего заряда называется теоретическим коэффициентом молекулярного изменения.

Отношение суммы числа молей продуктов сгорания и остаточных газов к сумме числу молей свежего заряда и остаточных газов называется действительным коэффициентом молекулярного изменения . Для рабочих режимов двигателя

Несмотря на различия способов воспламенения, механизм воспламенения одинаков и заключается в прогрессирующем самоускорении химических реакций, что в конечном итоге сводится к достижению температуры воспламенения отдельных очагов в камере сгорания. Из появившихся очагов начального воспламенения пламя распространяется по всему объему камеры сгорания. Под распространением пламени понимается последовательное принудительное воспламенение слоев свежего заряда рабочей смеси. Процесс сгорания каждого слоя проходит в узкой зоне, которая разделяет несгоревшую смесь от продуктов сгорания. Эта зона называется фронтом пламени. Путь, который проходит фронт пламени в единицу времени называется скоростью распространения пламени.

Скорость распространения пламени по камере сгорания во многих случаях зависит от состава горючей смеси, которая характеризуется коэффициентом избытка воздуха.

Коэффициентом избытка воздуха называется отношение количества воздуха действительно находящегося в смеси к количеству воздуха, которое теоретически требуется для полного сгорания всего находящегося в ней топлива:

где часовой расход воздуха; количество воздуха теоретически необходимое для сгорания одного килограмма топлива (для нефтяных топлив он составляет примерно 14,8 кг); часовой расход топлива.

Наибольшая скорость сгорания в бензовоздушной смеси достигается при коэффициенте избытка воздуха от 0,85 до 0,9, так как в этом случае температура газов во фронте пламени становится максимальной и способствует ускорению прогрева и воспламенению прилегающих слоев свежей рабочей смеси. При сильном обеднении смеси ( >1), как и при сильном обогащении ( <1) скорость сгорания значительно снижается вплоть до прекращения воспламенения.

Эффективность процесса сгорания зависит от многих факторов и прежде всего от способов смесеобразования и воспламенения топлива. В отличие от процессов газообмена и сжатия процесс сгорания следует рассматривать раздельно для карбюраторных двигателей и дизелей. Процессы сгорания в карбюраторном двигателе. При анализе процесса сгорания в карбюраторном двигателе на индикаторной диаграмме (рис.2.13) можно выделить три фазы. Первая фаза сгорания ( ) - начальная фаза сгорания, или фаза формирования фронта пламени Начальным моментом фазы считается момент возникновения электрической искры (точка т), а конечным — резкое повышение давления в цилиндре в результате выделения теплоты.

Вторая фаза — основная фаза сгорания. Ее продолжительность отсчитывается от конца первой фазы до момента достижения максимального давления сгорания и зависит от закономерностей крупномасштабного турбулентного горения. За это время выделяется примерно теплоты.

С ростом частоты вращения коленчатого валапродолжительность второй фазы по времени уменьшается в соответствии с изменением продолжительности всего цикла. Снижение продолжительности достигается расположением свечи зажигания ближе к центру камеры сгорания. К моменту окончания второй фазы сгорание не заканчивается, поэтому средняя температура газов продолжает расти.

Третья фаза фаза догорания — начинается в момент достижения максимального давления цикла. В этой фазе смесь горит в пристеночных слоях. Отдельные элементарные объемы смеси догорают за фронтом пламени. На продолжительность фазы идентичным образом влияют те же факторы, которые воздействуют на продолжительность фазы .

Факторы, влияющие на процесс сгорания в карбюраторном двигателе. Основными показателями, определяющими протекание процесса сгорания в карбюраторном двигателе являются: температура и давление рабочей смеси в начале воспламенения; концентрация топлива, воздуха и остаточных газов; интенсивность тепловыделения. Эти показатели зависят от различных конструктивных и эксплуатационных факторов.

К эксплуатационным относятся следующие факторы: состав смеси; вихревое движение заряда; степень сжатия; угол опережения зажигания; частота вращения коленчатого вала; нагрузка. Все это уменьшает скорость развития пламени в первой фазе сгорания и снижает скорость распространения фронта пламени во второй и третьей фазах сгорания. Их протекание замедляется, особенно при малых нагрузках и низких частотах вращения коленчатого вала.

К конструктивным факторам, влияющим на процесс сгорания, относятся следующие: форма камеры сгорания; степень сжатия;; параметры искрового разряда.

При воздействии на рабочую смесь излишне высоких для применяемого топлива температур и давлений нормальное сгорание ее в двигателе может перейти во взрывную форму — детонационное сгорание, или детонацию. Причиной детонации являются промежуточные продукты окисления углеводородных молекул топлива — активные перекиси. При детонации увеличивается температура поршня, повышается теплоотвод в охлаждающую среду, уменьшается мощность и ухудшается экономичность двигателя. Работа двигателя с детонацией считается вредной и недопустимой. Склонность различных видов топлива к детонации оценивается октановым числом.

Процесс сгорания топливной смеси в дизеле. Необходимым условием для совершенного протекания реакций горения в дизеле является тщательное предварительное смешение топлива с воздухом. Наилучшее смешение обеспечивается, когда топливо находится в газообразном или парообразном состоянии. Для получения качественной смеси из жидкого топлива необходимо осуществить его предварительное распыливание и испарение. Начальное воспламенение топлива в дизеле (самовоспламенение) — сложный процесс. Согласно одной из современных теорий, самовоспламенение происходит вследствие быстрого распада активных продуктов, образующихся в топливовоздушной смеси в результате предварительного окисления углеводорода и последующего развития цепных реакций. Воспламенение топлива в дизеле является многоочаговым. Возникновение первичных очагов вызывает нагрев близлежащих участков смеси и общее повышение температуры в цилиндре, что ускоряет испарение остальных частиц топлива и протекание предпламенных реакций в образующейся горючей смеси. Процесс сгорания разделяют на периоды (фазы), которые целесообразно анализировать по индикаторным диаграммам в координатах .

Первая фаза горения - период задержки воспламенения — определяется углом поворота коленчатого вала от начала впрыскивания (точка 1) до момента, когда давление в цилиндре в результате выделения теплоты превышает давление при сжатии воздуха без впрыскивания топлива (точка 2 на диаграмме).

Вторая фаза - фаза быстрого горения - начинается с момента воспламенения и продолжается до достижения максимума давления (точка z на диаграмме).

Третья фаза - горение при интенсивном смешивании воздуха с топливом - начинается в момент достижения максимального давления и завершается в момент максимума температуры цикла (точка 4). В третьей фазе топливо подается в пламя.

Четвертая фаза - догорание - начинается с момента достижения максимальной температуры цикла до окончания тепловыделения (точка 5 диаграммы).

Жесткость работы двигателя. Под жесткой работой двигателя понимают работу, при которой давление сгорания в цилиндре нарастает чрезвычайно быстро. Такой характер изменения давления сгорания, сопровождающийся значительным увеличением максимального давления цикла , позволяет увеличить мощность и улучшить топливную экономичность двигателя. Однако при этом элементы кривошипно-шатунного механизма подвергаются значительным ударным воздействиям, возрастает механическая нагруженность двигателя, снижается его надежность, при работе появляются стуки.

Процесс расширения. При расширении часть тепловой энергии, подведенной к рабочему телу при сгорании топлива, преобразуется в механическую и расходуется на совершение работы. В реальных условиях расширение начинается в ВМТ и в начальной стадии протекает одновременно с процессом сгорания. К числу факторов, определяющих развитие процесса расширения, относятся продолжающееся после точки z цикла тепловыделение, обусловленное догоранием топлива, и теплоотдача в стенки цилиндра, а также утечка газа, вызванная неплотностями.

Таким образом, расширение рабочего тела следует рассматривать как политропный процесс с переменным показателем политропы . В зависимости от типа двигателя и режима его работы средние показатели политропы расширения . На процесс расширения оказывают влияние следующие факторы: Частота вращения коленчатого вала. При увеличении частоты вращения коленчатого вала сокращается время контакта рабочего тела со стенками цилиндра и утечки газа через зазоры между поршнем и цилиндром, что приводит к уменьшению значения ; Нагрузка, размеры цилиндров, конструкция камеры сгорания, техническое состояние двигателя.

К параметрам процесса расширения относятся давление и температура рабочего тела в конце расширения. Параметры начала расширения соответствуют максимальным значениям, достигнутым в ходе процесса сгорания. Начальные и конечные параметры рабочего тела в процессе расширения расчетного цикла связаны известными термодинамическими соотношениями:

Процесс выпуска. В процессе выпуска отработавших газов внутрнцилиндровую полость необходимо сообщать с атмосферой. Для этой цели используются выпускные устройства (клапаны). В четырехтактных двигателях выпускные клапаны открываются в такте расширения за 30—70° до НМТ. В первый период выпуска, начинающийся в точке и заканчивающийся после НМТ, происходит свободное истечение газов под действием больших перепадов давления ( ). Вследствие высоких скоростей истечения и больших проходных сечений в результате опережения открытия выпускного клапана в этот период из цилиндра удаляется значительная часть (до 60—70 %) отработавших газов.

Второй период выпуска характеризуется принудительным вытеснением газов из цилиндра поршнем, движущимся к ВМТ. Закрывается выпускной клапан обычно с некоторым запаздыванием относительно ВМТ. Для двигателей без наддува запаздывание закрытия выпускного клапана составляет 5—40°, что улучшает очистку цилиндров.

В процессе выпуска часть газов (остаточные газы) остается в цилиндре, перемешивается с воздушным зарядом и участвует в совершении следующего цикла. Параметры остаточных газов с некоторым допущением можно считать одинаковыми с параметрами газов, соответствующими точке .

Отработавшие газы удаляются из цилиндра двигателя с большой скоростью, что создает шум. Для уменьшения уровня шума на выпускном трубопроводе устанавливают глушитель, в котором газы расширяются, скорость их уменьшается, и они выбрасываются в атмосферу с меньшим уровнем шума. Использование глушителя создает дополнительное сопротивление на выпуске.

В момент открытия выпускных устройств отработавшие газы имеют сравнительно высокие температуру и давление (для дизелей ; для карбюраторных двигателей )/ Давление определяется гидравлическим сопротивлением выпускных устройств. С отработавшими газами теряется большое количество теплоты, часть которой можно использовать при наддуве. Для этого в выпускной тракт двигателя устанавливают турбину; ее мощность достаточна для привода нагнетателя. Использование турбины увеличивает сопротивление на выходе из двигателя, однако это компенсируется эффектом от применения наддува.