Двигатель внутреннего сгорания

Введение

Развитие автомобильного транспорта в условиях НТП невозможно без постоянного совершенствования силовой установки а/м.

Главными направлениями развития а/м двигателестроения является повышение удельных энергетических и экологических показателей, увеличение моторесурса двигателей при одновременном снижении удельной металлоёмкости, обеспечение работы на не дорогостоящих видах топлива, улучшение экономических характеристик - снижение токсичности и дымности отработавших газов, уменьшение удельных затрат на изготовление, обслуживание и ремонт деталей.

Процесс впуска

Для осуществления рабочего цикла в реальных двигателях необходимо периодически удалять из цилиндров образующиеся продукты сгорания и вводить в них свежий заряд. В четырёхтактных двигателях процессы газообмена осуществляются за 2 хода поршня.

В двухтактных двигателях специальных ходов поршня для очистки и наполнения цилиндров не предусмотрено. Процессы газообмена ограничены во времени и протекают в конце такта расширения и в начале такта сжатия. В этом случае очистка цилиндров осуществляется при заполнении их свежим зарядом специальным продувочным насосом (компрессором).

Представлена индикаторная диаграмма процессов газообмена в четырёхтактном карбюраторном двигателе для случая, когда воздух в двигатель поступает из атмосферы (давление воздуха Р₀, а его температура Т₀).

Показано протекание процессов газообмена для четырёхтактного дизеля с наддувом. В компрессоре воздух сжимается до давления Р_К, при этом температура повышается до температуры Т_К. В газовой турбине используется энергия отработавших газов, поступающих через клапан и ресивер на вход в турбину. Давление в ресивере Р_Р всегда больше атмосферного Р₀, а соотношение Р_К и Р_Р зависит от типа двигателя и принятой системы надува. В двигателях с наддувом от нагнетателя, механически связанного с коленчатым валом, Р_К>Р_Р. В двигателях с наддувом от турбокомпрессора обычно Р_К<Р_Р. В рассматриваемом примере Р_К>Р_Р, поэтому на большей части диаграммы газообмена линия b₁-r-b₂, характеризует процесс выпуска, проходит ниже линии впуска a₁-a-a₂. На этом участке индикаторной диаграммы в процессы газообмена совершается положительная работа.

Для дизеля без наддува, когда в процессе впуска воздуха в цилиндры поступает из атмосферы, процессы газообмена протекают аналогично процессам.

В современных четырёхтактных двигателях впускные клапана открываются со значительным опережением и открываются с запаздыванием, причём наблюдается довольно большое перекрытие клапанов (перекрытие фаз). Наличие опережения и запаздывания, а так же перекрытия клапанов создают условия для повышения их эффективной пропускной способности, а следовательно, улучшения очистки и наполнения цилиндров.

Опережение открытия, например, выпускного клапана обеспечивает эффективную очистку цилиндра от отработавших газов вследствие выпуска при затратах работы на выталкивание отработавших газов. Запаздывание закрытия этого клапана позволяет дополнительно удалить из цилиндра некоторое количество остаточных газов путём использования инерции движущихся через выпускной клапан масс газа и перепада давлений между цилиндром и окружающей средой. Кроме того, при опережении открытия и запаздывании закрытия клапана увеличивается его эффективное проходное сечение в течение всего процесса выпуска.

Опережение открытия впускного клапана обеспечивает достаточное проходное к началу поступления свежего заряда в цилиндр, что позволяет увеличить эффективную пропускную способность клапана в период всего впуска, а следовательно, и наполнение цилиндров.

Запаздывание закрытия впускного клапана кроме повышения пропускной способности даёт возможность использования инерции потока впускного воздуха для дополнительной подачи заряда в цилиндр (дозарядка цилиндра).

Перекрытие клапанов при правильном выборе обеспечивает лучшую очистку цилиндра вытеснением остаточным свежим зарядом в начале процесса наполнения (продувка камеры).

Участок индикаторной диаграммы, характеризующий процессы газообмена двухтактного двигателя с прямоточной клапанно-щелевой продувкой (двухтактные дизели ЯМЗ), а также его диаграмма фаз газораспределения показаны на рис.3. Выпускные клапаны двигателя открываются в точке b₁ (за 90° до ВМТ) и начинается свободный выпуск отработавших газов, т.к. в период движения поршня до точки П₁ давление в цилиндре превышает атмосферное. В точке П₁ поршнем открываются продувочные окна, и в цилиндр начинает поступать воздух, предварительно сжатый в продувочном насосе до давления Р_К. Перемещаясь в направлении к выпускным клапанам, продувочный воздух вытесняет отработавшие газы, обеспечивая продувку цилиндров. Часть воздуха в период продувки вместе с отработавшими газами выбрасывается в атмосферу. Выпускные клапаны закрываются при обратном движении поршня (точка b₂). В это время продувочные окна ещё открыты, и до момента их закрытия (точка П₂) воздух продолжает поступать в цилиндр (дозарядка).

Остаточные газы

В процессе выпуска не удаётся полностью удалить из цилиндра продукты сгорания, занимающие некоторый объём. Остаточные газы, расширяясь и смешиваясь с поступающим свежим зарядом, ухудшают наполнение цилиндров. Количество остаточных газов характеризуется коэффициентом остаточных газов, равным отношению количества молей остаточных газов М_r и свежего заряда М₁, т.е.

,

чем больше степень сжатия , тем меньше относительный объём, занимаемый остаточными газами, тем ниже коэффициент остаточных газов.

Давление Р_r, и температура Т_r оказывают влияние на коэффициент _r вследствие изменения плотности остаточных газов. При повышении Р_r и уменьшении Т_r плотность остаточных газов в объёме V_c увеличиваются, что и определяется соответствующее повышение _r.

Следовательно, возрастание сопротивления выпускной системы (например, при установки глушителя, турбины и т.п.), а также увеличение частоты вращения n коленчатого вала вызывают повышение _r. При отсутствии продувки коэффициент остаточных газов на режиме максимальной мощности изменяется в пределах 0,05-0,12 для карбюраторных двигателей и 0,02-0,06 для дизелей.

Продувка цилиндров, уменьшая количество остаточных газов и увеличивая пополнение цилиндров свежим зарядом, вызывает снижение _r.

Подогрев свежего заряда

Температура свежего заряда, поступившего в цилиндр, выше его температуры в исходном состоянии на величину подогрева ДТ во впускной системе двигателя. Подогрев уменьшает коэффициент наполнения.

В карбюраторном двигателе на ДТ оказывает влияние как передача теплоты от элементов впускной системы, так и затраты части теплоты на испарение топлива в карбюраторе и впускном трубопроводе. Если впускной трубопровод не имеет интенсивного подогрева, то считают, что эти два фактора компенсируют один другой, т.е. ДТ=0.

Для более интенсивного испарения топлива в карбюраторных двигателях обычно применяют подогрев впускного трубопровода теплоносителем системы охлаждения или отработавшим газом. В этом случае ДТ>0. Степень подогрева целесообразно увеличить до тех пор, пока повышение мощности и топливной экономичности двигателя путём лучшего испарения топлива будет компенсировать снижение этих показателей вследствие уменьшения коэффициента наполнения.

Влияние нагрузки на наполнение при постоянной частоте вращения коленчатого вала.

Изменение нагрузки в карбюраторных двигателях при постоянной частоте вращения коленчатого вала достигается перемещением дроссельной заслонки, а у дизеля - зубчатой рейки топливного насоса. При этом соответственно изменяется количество поступающей в цилиндр горючей смеси или топлива.

Для получения максимальной мощности карбюраторного двигателя заслонку открывают полностью, в цилиндр поступает наибольшее количество горючей смеси, коэффициент наполнения имеет максимальное значение. При снижении нагрузки дроссельную заслонку прикрывают, проходное сечение уменьшается, гидравлическое сопротивление впускной системы возрастает, что приводит к понижению давлений Р_а, а следовательно, и з_u. Изменение коэффициента остаточных газов _r и наполнения з_u, а также давления Р_а в зависимости от степени открытия дроссельной заслонки ц_отк в карбюраторном двигателе показано на рис.4.

Дизели во впускной системе не имеют устройств для изменения количества подаваемого в цилиндр воздуха, так как изменение их мощности достигается путём регулирования цикловой подачи топлива. Следовательно, при постоянной частоте вращения коленчатого вала гидравлического сопротивления впускной системы с изменением нагрузки не меняются. Коэффициент з_u в этом случае изменяется только вследствие влияния подогрева воздуха из-за изменения температур стенок цилиндра, днища поршня, головки цилиндра. На рис.5 показана зависимость з_u и ДТ от нагрузки транспортного дизеля. С увеличением нагрузки з_u уменьшается незначительно из-за подогрева.

Влияние частоты вращения коленчатого вала

При изменении частоты вращения коленчатого вала и работе двигателя с полной нагрузкой на качество наполнения влияет сопротивление в впускной системе, подогрев заряда и остаточных газов. Кроме того, значительное влияние оказывают фазы газораспределения и волновые процессы во впускной и выпускной системах. Показано изменение отдельных факторов, влияющих на з_u, в зависимости от частоты n вращения коленчатого вала. С повышением n сопротивление впускной системы возрастает пропорционально квадрату частоты вращения вала, в результате давление Р_а (кривая 3) снижается. Температура подогрева заряда ДТ (кривая 4) уменьшается вследствие сокращения времени теплообмена. Коэффициент остаточных газов несколько увеличивается. В результате слияния всех этих факторов на скоростном режиме, для которого фазы газораспределения являются оптимальными, з_u имеет максимальное значение. С повышением частоты вращения з_u (кривая 1) растёт, а затем, после максимального значения снижается. Аналогично изменяется и количество воздушного заряда G₃ (кривая 2), поступающего в цилиндры двигателя. Уменьшение з_u от максимального значения при снижении частоты вращения объясняется несоответствием выбранных фаз скоростному режиму и выталкиванием заряда в конце впуска обратно во впускную систему, а при повышении частоты вращения - увеличением сопротивления на впуске и влияние других факторов.

Коэффициент остаточных газов _r (кривая 5) при повышении частоты вращения линейно растёт. На рис.7 показана зависимость для дизеля и карбюраторного двигателя. Кривая 3 характеризует изменение з_u для карбюраторного двигателя при полностью открытой дроссельной заслонке. При уменьшении нагрузки, когда дроссельная заслонка приоткрыта, а сопротивление впускной системы увеличивается, с повышением частоты вращения коэффициент з_u уменьшается более интенсивно (кривые 4 и 5).

Для дизеля при полной нагрузке коэффициент наполнения больше (кривая 2), чем для карбюраторного двигателя, а характер изменения з_u более плавный на режиме холостого хода из-за меньшего подогрева заряда з_u дизеля больше (кривая 1), чем при работе под нагрузкой.

В определённом диапазоне частот вращения коленчатого вала коэффициент наполнения з_u можно повысить при использовании колебательного движения воздуха и газа во впускном и выпускном трубопроводах, приводящее к изменению давления. При настройке выпускной системы таким образом, чтобы к концу выпуска в ней образовалось разряжение, количество отработавших газов, удаляемых из цилиндра, увеличивается, а _r уменьшается. При этом в цилиндры поступит больше свежего заряда. Аналогичный эффект можно получить, если к концу впуска в трубопроводе у впускного клапана давление будет выше атмосферного. Такой метод увеличения массы заряда получил название инерционного наддува.

Влияние степени сжатия

Повышение степени сжатия Е при сохранении других показателей без изменения приводит к возрастанию коэффициента наполнения. Заметим, что при увеличении Е и другие параметры (коэффициент и температура остаточных газов, температура заряда и т.п.). В зависимости от того, какой из факторов оказывает большее влияние, з_u с изменением Е может увеличиться или уменьшиться. Экспериментальные исследования показывают, что степень сжатия на з_u влияет незначительно.

Влияние диаметра цилиндра и расположение клапанов

Цилиндр большого диаметра позволяет осуществить размещение клапанов с небольшими проходимыми сечениями, что способствует снижению гидравлических потерь и повышению коэффициента наполнения. Получившее в настоящее время широкое распространение короткоходные двигатели (двигатели, в которых отношение хода поршня к диаметру цилиндра меньше единицы) имеют сравнительно большой диаметр цилиндра. Это позволяет размещать в головках цилиндров клапаны большого диаметра при их верхнем расположении. Верхнее расположение клапанов и аэродинамическая форма впускных клапанов дают возможность снизить гидравлическое сопротивление, а следовательно, и увеличить коэффициент наполнения.

Влияние фаз газораспределения

Рассмотрим влияние фаз газораспределения на характер зависимости . Оно проявляется главным образом через угол запаздывания закрытия впускного клапана.

Известно, что на повышенных скоростных режимах при определённом угле закрытия впускного клапана происходит дозаряд цилиндра, увеличивающий з_u. При низких частотах вращения коленчатого вала при том же угле возможно выталкивание части свежего заряда из цилиндра, что снижает коэффициент наполнения. Следовательно, изменение угла запаздывания закрытия впускного клапана, изменяя интенсивность дозарядки и выталкивания, оказывает влияние на характер протекания кривой .

На рис.8 приведены зависимости з_u от частоты вращения коленчатого вала при раннем (кривая 1) и позднем (кривая 2) закрытии впускного клапана. В последнем случае максимум з_u смещается в сторону высоких n.

Выбор фаз экспериментным путём обеспечивает оптимальные условия наполнения цилиндра свежим зарядом только для определённого интервала изменения скоростного режима двигателя.

Процесс сжатия

Рабочее тело, представляющее к концу процесса наполнения смесь подвергается сжатию. Сжатие рабочего тела предшествует процессу сгорания топлива.

Одним из основных параметров, определяющих развитие процессов сжатия и всего цикла в целом, является степень сжатия Е. 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 увеличить. Однако в реальных условиях Е ограничена в зависимости от типа двигателя, его конструкций и условий применения. Для карбюраторных двигателей степень сжатия ограничивается детонацией, вероятность возникновения которой повышается с ростом температуры и давления конца сжатия и в процессе сгорания топлива. Для карбюраторных двигателей Е=6-10; для дизелей Е=13-23,5. Минимальное значение степени сжатия дизеля определяется условиями надёжного воспламенения топлива. Поэтому необходимо, чтобы температура самовоспламенения топлива не менее чем на 200-300К. Максимальное значение Е для дизелей определяется выполнением условий обеспечения заданной надёжности двигателя.

При рассмотрении теоретических циклов предполагали, что процесс сжатия рабочего тела развивается без теплообмена (адиабатически). В реальных двигателях процесс сжатия носит сложный характер и сопровождается переменным теплообменом между рабочим телом и стенками цилиндра. Кроме того, в процессе сжатия происходит утечка рабочего тела через неплотности поршневых колец и клапанов, а в карбюраторном двигателе - испарение части топлива, поступившего в цилиндр в капельножидком состоянии. В этих условиях процесс сжатия является политропным с переменным показателем политропы n'.

Изменение n' во время процесса сжатия приведена на рис.9 (здесь показано также изменение температуры рабочего тела и показателя адиабаты R). В начальный период сжатия температура рабочего тела ниже температуры стенок цилиндра. На рассматриваемом участке процесса повышения температуры и внутренней энергии рабочего тела происходит не только в результате повода теплоты от стенок, но и за счёт работы сжатия, причём показатель политропы n' больше показателя адиабаты R. По мере повышения температуры рабочего тела интенсивность подвода теплоты снижается, а показатель политропы сжатия уменьшается, причём его значение приближается к значению показателя адиабаты R. В момент, когда температура рабочего тела сравнивается с температурой стенок, теплообмен на мгновение прекратится.

При дальнейшем сжатии температура рабочего тела превышает температуру стенок. Тепловой поток изменяет направление - рабочее тело отдаёт теплоту стенкам, показатель политропы становится меньше показателя адиабаты (n'<R) и непрерывно уменьшается с повышением температуры рабочего тела.

Для упрощения расчёта цикла переменный по ходу сжатия показатель n' заменяют некоторым средним, постоянным по значению показателем n₁' при .

Характер протекания процесса сжатия в действительном цикле четырёхтактного двигателя показан на рис.10.

Параметры рабочего тела в конце такта сжатия определяются с учётом среднего значения показателя политропы n₁' , постоянного для всего процесса. Принимая, что начало сжатия совпадает с НМТ, имеем:

;

При расчёте рабочего цикла n₁' следует назначать исходя из особенностей проектируемого двигателя с учётом факторов, влияющих на развитие процесса сжатия.

Процесс сгорания

Сгорание топлива начинается в конце сжатия и осуществляется в основном в начальный период расширения.

При сгорании химическая энергия топлива превращается в тепловую. В процессе расширения тепловая энергия, воспринятая рабочим телом, частично преобразуется в механическую. От полноты сгорания топлива и своевременного подвода теплоты к рабочему телу в значительной мере зависят энергетические и экономические показатели двигателя.

Топлива для ДВС

Топлива, применяемые в автомобильных и тракторных ДВС, должны отвечать определённым требованиям, зависящим от типа и конструктивных особенностей двигателя, параметров рабочего цикла и условий эксплуатации.

Для двигателей с принудительным воспламенением применяют бензины прямой перегонки и крекинг-процесса, а также их смеси. Наименьшие значения октановых чисел автомобильных бензинов в соответствии с ГОСТ 2084-77* приведены в таблице 2.

Автомобильные бензины, за исключением бензина АИ-98 подразделяются на следующие виды:

летние - для использования во всех районах страны (кроме северных и северо-восточных) в период с 1 апреля до 1 октября;

зимние - для применения круглогодично в северных и северо-восточных районах страны (в остальных районах с 1 октября по 1 апреля).

Основным показателем а/м бензинов является октановое число, характеризующее антидетонационные качества бензина и определяющее максимально допустимую степень сжатия двигателя.

Для двигателей с воспламенением от сжатия используется дизельное топливо, получаемое прямой перегонкой или смешением продуктов прямой перегонки с каталитическим газойлем (не более 20% в состав смеси). По ГОСТ 305-82 различают дизельное автотракторное топливо следующих марок:

А - арктическое для двигателей, работающих при температуре окружающей среды 223К и выше;

З - зимнее для двигателей, работающих при температуре окружающей среды 243К и выше;

Л - летнее для двигателей, работающих при температуре окружающей среды 273К и выше

С - специальное.

Основным показателем, характеризующим дизельное топливо, является метановое число. Метановое число характеризует способность топлива к воспламенению в камере сгорания двигателя и равно содержанию метана в смеси с б-метилнафталином, которая в стандартных условиях имеет одинаковую воспламеняемость с исследуемым топливом.

Дизельное топливо должно соответствовать определённым требованиям (табл.3).

Кроме бензиновых и дизельных топлив для автотракторных двигателей могут быть использованы природные и промышленные горючие газы. Газообразные топлива транспортируются в сжатом или сжиженном состоянии, а в двигатель подают через подогреватель, редуктор в смеситель, т.е. в двигатель непосредственно поступает газовоздушная смесь.

Теплота сгорания топлива

Качество топлива определяется теплотой сгорания, т.е. количеством выделившейся теплоты при полном сгорании массовой (для жидкого) или объёмной (для газообразного) единицы топлива. Различают высшую Н_о и низшую Н_н теплоту сгорания топлива. Под высшей теплотой сгорания понимают то количество теплоты, которое выделяется при полном сгорании топлива, включая теплоту конденсации водяных паров при охлаждении продуктов сгорания.

Низшая теплота сгорания соответствует тому количеству теплоты, которое выделяется при полном сгорании топлива, без учёта теплоты конденсации водяного пара. Так как в ДВС выпуск отработавших газов происходит при температуре выше температуры конденсации водяного пара, для практической оценки топлива обычно используется низшая теплота сгорания.

Для определения низшей теплоты сгорания твёрдого топлива Н_н (в МДж/кг) при известном элементарном составе обычно используется формула Менделеева.

где СО, Н₂ и другие компоненты газообразного топлива - объёмные доли компонентов газовой смеси.

Примерные значения низшей теплоты сгорания Н_и в МДж/кг автотракторных топлив приведены ниже.

Бензин	44,0
Дизельное топливо	42,5
Природный газ	45,0
Пропан	85,5
Бутан	112,0

При неполном сгорании топлива (б<1) количество теплоты ДН_и, недовыделяющейся при сгорании 1кг топлива.

Коэффициент, учитывающий количество теплоты недовыделившейся при неполном сгорании.

.

Зависимость Е_а от б приведена на рис.11.

Процесс сгорания в карбюраторном двигателе

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.

Процесс сгорания топлива включает ряд сложных последовательных реакций, скорость протекания которых зависит от температуры рабочей смеси, её состава, т.е. от коэффициента избытка воздуха и т.п. Воспламенение однородной горючей смеси возможно только в определённых пределах изменения коэффициента избытка воздуха (от до ).

При наличии в смеси остаточных газов пределы воспламеняемости сужаются. По этой причине при изменении нагрузочного режима для карбюраторного двигателя необходимо такое одновременное изменение количества поступающего в цилиндр топлива и воздуха, при котором горючая смесь находилась бы в пределах воспламеняемости. Количество смеси в карбюраторном двигателе изменяется с помощью дроссельной заслонки при одновременном изменении состава смеси (б=0,8-1,15) в зависимости от нагрузки.

При анализе процесса сгорания в карбюраторном двигателе на индикаторной диаграмме можно выделить три фазы.

Первая фаза и_I - начальная фаза сгорания, или фаза формирования фронта пламени. Начальным моментом фазы считается момент возникновения электрической искры (точка m), а конечным - резкое повышение давления в цилиндре в результате выделения теплоты. На продолжительность фазы и_I по углу поворота коленчатого вала влияет состав смеси, степень сжатия, частота вращения, нагрузка двигателя, характеристики искрового разряда.

Наименьшая продолжительность фазы и_I отмечается при использовании смеси с б=0,8-0,9. Обеднение смеси увеличивает продолжительность фазы и_I и ухудшает стабильность воспламенения. С возрастанием степени сжатия Е повышаются температура и давление рабочей смеси, что способствует увеличению скорости сгорания и сокращению продолжительности фазы и_I. Аналогичный результат наблюдается и при уменьшении угла опережения зажигания Ф_о.з.. Обычно , где показатель m=0,5-1,0. Чем выше мелкомасштабные пульсации при повышении частоты вращения n, тем больше показатель m.

По мере открытия дроссельной заслонки с возрастанием нагрузки на двигатель повышается относительное количество остаточных газов и уменьшается давление рабочей смеси, что приводит к увеличению продолжительности фазы и_I и к ухудшению стабильности воспламенения.

Чем выше пробивное напряжение, длительность и стабильность искрового разряда, тем короче фаза и_I. Использование электронных (транзисторных) систем зажигания по сравнению с классическими батарейными системами позволяет улучшить параметры процессов воспламенения и сгорания, особенно на режимах разгона.

Вторая фаза и_II - основная фаза сгорания. Её продолжительность отсчитывается от конца первой фазы до момента достижения максимального давления сгорания и зависит от закономерностей крупномасштабного турбулентного горения.

С ростом n продолжительность второй фазы по времени уменьшается в соответствии с изменением продолжительности всего цикла, т.е. продолжительность фазы и_II в градусах поворота коленчатого вала практически не меняется, так как интенсивность турбулизации заряда в цилиндре пропорциональна частоте вращения. Снижение продолжительности и_II достигается расположением свечи зажигания ближе к центру камеры сгорания, а также усилением турбулизации заряда.

Третья фаза и_III - фаза догорания - начинается в момент достижения максимального давления цикла. В этой фазе смесь горит в пристеночных слоях, где турбулентных пульсаций значительно меньше, чем в основном объёме камеры сгорания. Отдельные элементарные объёмы смеси догорают за фронтом пламени, особенно когда зона горения имеет большую глубину.

На продолжительность фазы и_III идентичным образом влияют те же факторы, которые воздействуют на продолжительность фазы и_I, т.е. те, от которых зависит скорость турбулентного горения. С ростом степени сжатия Е возрастает доля смеси, догорающей в пристеночных объёмах, что оказывает влияние на увеличение продолжительности третьей фазы. Определить момент окончания фазы догорания без специальных расчётов и обработки индикаторных диаграмм невозможно.

Условия эксплуатации автомобильных двигателей характеризуется частой сменой скоростных и нагрузочных режимов. Уменьшение нагрузки и повышение частоты вращения коленчатого вала влияют на продолжительность основной фазы сгорания и_II несущественно, но вызывают возрастание продолжительности первой и_I и третьей и_III фаз. Для компенсации возрастающей продолжительности фаз и_I и и_III возникает необходимость увеличения угла опережения зажигания. Для этого в системе зажигания карбюраторных двигателей предусмотрены специальные регуляторы (вакуумные и центробежные). Вакуумный регулятор позволяет увеличить угол опережения зажигания по мере снижения нагрузочного режима, а центробежный - при возрастании скоростного режима.

Детонационное сгорание

Возможно в двигателях с воспламенением от электрической искры при определённых условиях. При этом работа двигателя сопровождается металлическим стуком, снижением мощности, неустойчивостью частоты вращения коленчатого вала, появлением дыма в отработавших газах и перегревом. Длительная работа двигателя с детонацией недопустима, т.к. может привести к прогоранию поршней, кроме того, в этом случае детали кривошипно-шатунного механизма воспринимает повышенные ударные нагрузки.

Развитие процесса детонационного сгорания протекает следующим образом. Под воздействием высоких температур и давлений в сжимаемой несгоревшей смеси в результате реакции окисления образуются соединения, называемые пероксидами. Скорость протекания этих реакций при высоких давлениях и температурах может возрасти настолько, что до прихода фронта пламени в эту зону в ней возникает очаг воспламенения, который с высокой скоростью распространяется к соседним слоям, подготовленным к сгоранию прошедшими предпламенными реакциями окисления. В результате появляются ударные волны, которые распространяются по камере сгорания со скоростью 1200-2300 м/с.

Стуки двигателя при детонационном сгорании возникают при ударах поршней о стенки цилиндров, а также при вибрации этих стенок в результате воздействия взрывных волн.

Дым в отработавших газах появляется вследствие выгорания масла при высокой температуре, термического разложения углеводородов и диссоциации продуктов сгорания. На детонацию оказывает влияние: степень сжатия, форма камеры сгорания и расположение свечи зажигания, угол опережения, состав смеси, материал поршня и головки цилиндров, частота вращения коленчатого вала, нагрузка двигателя, свойства топлива, нагарообразование тепловое состояние двигателя, условия на впуске и выпуске, размер и число цилиндров.

При раннем зажигании в результате быстрого нарастания давления и температуры в цилиндре в начале сгорания, т.е. вследствие ускорения предпламенных реакций перед фронтом пламени опасность появления детонации возрастает.

При повышении частоты вращения коленчатого вала увеличивается коэффициент остаточных газов _r, повышается скорость распространения пламени, следовательно, сокращается время на предпламенное окисление, возрастает скорость распространения пламени, снижается склонность двигателя к детонации.

С уменьшением нагрузки и соответствующем прикрытии дроссельной заслонки карбюратора увеличивается коэффициент остаточных газов, снижается давление рабочей смеси в конце сжатия, что уменьшает опасность возникновения детонационного сгорания.

При возрастании октанового числа.

Процесс сгорания в дизеле

Необходимым условием для совершенного протекания реакции 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. Распыленные частицы топлива находятся в среде горячего воздуха, быстро нагреваются и испаряются. Пары топлива, возникающие при испарении частиц, диффундируют в окружающее пространство, в результате чего образуется горючая смесь.

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. При этом ведомому пламени предшествует ряд предпламенных реакций, протекающих с поглощением теплоты.

Первичные очаги пламени в камере сгорания дизеля одновременно появляются в нескольких точках камеры, т.е. воспламенение топлива в дизеле является многоочаговым. Возникновение первичных очагов вызывает нагрев близлежайших участков смеси и общее повышение температуры в цилиндре, что ускоряет испарение остальных частиц топлива и протекание предпламенных реакций в образующейся горючей смеси. Большая скорость сгорания топлива в первый период, обусловленная многоочаговым воспламенением - характерная особенность рабочего цикла дизеля. В дальнейшем часть топлива, поступающего в среду горящего факела, воспламеняется практически мгновенно. Однако условия горения этого топлива менее благоприятны, т.к. в процессе сгорания происходит постепенное загрязнение среды образующимися инертными газами. Скорость сгорания при этом зависит от интенсивности подачи топлива в цилиндр и условий поступления кислорода в зону горения. Последняя часть подаваемого топлива обычно сгорает на линии расширения в условиях недостатка кислорода.

Жёсткость работы двигателя

Под жёсткой работой двигателя понимают работу, при которой давление сгорания в цилиндре нарастает очень быстро. Такой характер изменения давления сгорания, сопровождается значительным увеличением максимального давления цикла Р₂, позволяет увеличить мощность и улучшить топливную экономичность двигателя. Однако при этом элементы кривошипно-шатунного механизма подвергаются значительным ударным воздействиям, возрастает механическая загруженность двигателя, снижается его надёжность, при работе появляются стуки.

Скорость повышения давления при сгорании оценивается приращением давления Др в Мпа на градус поворота ц коленчатого вала . Жёсткость W_p на развёрнутой диаграмме (рис.13) можно представить как тангенс угла наклона касательной к линии сгорания.

Максимальное значение W_p для дизелей составляет 1,0-1,5 МПа/°; для карбюраторных двигателей W_p?0,2-0,3 МПа/°.

Для дизелей W_p зависит от продолжительности периода задержки воспламенения Дц_зад и количества топлива у_зад, поступающего в цилиндр за этот период.

При большой жёсткости работы двигателя возможна поломка поршневых колец, нарушение подшипников и др. явления, ведущие к аварии.

Уменьшение жёсткости работы возможно при снижении количества топлива у_зад и сокращении задержки воспламенения Дц_зад.

Процесс расширения

При расширении часть тепловой энергии, подведённой 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, относится цикл тепловыделения, обусловленное догоранием топлива, и теплоотдача в стенки цилиндра. При этом соотношение между количеством теплоты, подведённой к рабочему телу и отведённой от него, непрерывно меняется. На процесс расширения влияют также утечка газа, вызванная неплотностями, изменение интенсивности диссоциации и теплоёмкости рабочего тела.

Таким образом, расширение рабочего тела следует рассматривать как политропный процесс с переменным показателем политропы n'. Однако этот показатель заменяют с некоторым средним по значению показателем n₂', в целях упрощения расчёта.

В зависимости от типа двигателя и режима его работы средние показатели политропы расширения n₂'=1,18-1,32.

Начальные и конечные параметры рабочего тела в процессе расширения расчётного цикла связаны известными термодинамическими соотношениями:

; .

Для карбюраторных двигателей с=1, поэтому:

; .

Процесс выпуска

В процессе выпуска отработавших газов внутрицилиндровую полость необходимо сообщать с атмосферой. Для этой цели используются выпускные устройства (клапаны). В четырёхтактных двигателях выпускные клапаны открываются в такте расширения за 30-70? до НМТ. В первый период выпуска 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.

Опережение открытия выпускного клапана выбирают не только из соображений лучшей очистки цилиндра, но и для уменьшения потерь энергетического цикла. Чрезмерно раннее открытие клапана уменьшает полезную работу цикла. Слишком позднее открытие клапана обуславливает повышение потерь на совершение такта выпуска (штриховая линия от точки b₁''). Угол опережения открытия выпускного клапана подбирают экспериментально. Чем быстроходнее двигатель, тем больше угол опережения открытия выпускного клапана.

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 закрытие выпускного клапана составляет 5-40?, что улучшает очистку цилиндров.

В процессе выпуска часть газов (остаточные газы) остаётся в цилиндре, перемешивается с воздушным зарядом и участвует в совершении следующего цикла.

Отработавшие газы удаляются из цилиндра двигателя с большой скоростью, что создаёт 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 создаёт дополнительное сопротивление на выпуске.

Уменьшение загруженности атмосферы отработавшими газами

Отработавшие газы двигателей, выбрасываемые в атмосферу, содержат следующие компоненты, вредные для здоровья человека:

окись углерода СО, образующаяся в результате неполного сгорания топлива. В карбюраторных двигателях, при работе на обогащённой смеси количество СО по объёму от общего количества продуктов сгорания составляет 6%. В дизелях СО образуется значительно меньше (0,2-0,5%);

окись NO, двуокись NO₂ и др. оксиды азота, составляющие в карбюраторных двигателях до 0,5% и дизелях до 0,25%;

сернистый антигидрид SO₂, который в зависимости от содержания серы в топливе, составляет в карбюраторных двигателях до 0,008% и в дизелях до 0,03%;

соединения свинца, образующиеся при работе двигателя на этилированном бензине;

сажа - продукт молекул топлива под воздействием высокой температуры при недостатке кислорода, составляющая в карбюраторных двигателях до 0,05%, а в дизелях до 0,25%.

Для снижения количества выбрасываемых в атмосферу вредных соединений применяют различные методы улучшения процессов смесеобразования, воспламенения и сгорания, уменьшающие образование токсичных компонентов, и методы обезвреживания отработавших газов.

Улучшение процессов смесеобразования, направленное на обеспечение необходимого состава горючей смеси, соответствующего режиму работы двигателя и равномерного распределения топлива в воздухе достигается совершенствованием конструкции карбюраторов, в том числе многокамерных, а также применением пневматического распыливания топлива под давлением, ультразвука и различных механических устройств.

Токсичность отработавших газов в значительной степени зависит от регулировки карбюратора и системы зажигания в карбюраторных двигателях или насоса и форсунок в дизелях. Для обезвреживания отработавших газов в выпускной системе применяют дополнительные устройства, которые улавливают или нейтрализуют токсичные компоненты, одновременно выполняя функции глушителя.

Показатели, характеризующие работу двигателя

Часть индикаторной мощности Р_i двигателя, расходуемая на преодоление различных сопротивлений внутри двигателя и на привод вспомогательных агрегатов (водяного, масляного, топливного насосов и т.п.), называется мощностью механических потерь Р_п; другая часть индикаторной мощности, снимаемой с коленчатого вала двигателя, называется эффективной мощностью Р_в и расходуется на совершение внешней работы, т.е.:

; (1)

По аналогии со средним индикаторным давлением Р_i эффективной мощности Р_е и мощности механических потерь Р_м соответствуют средние удельные давления, определяемые из отношений:

и ,

где Р_е - среднее эффективное давление (в МПа); Р_м - среднее давление механических потерь (в МПа).

В соответствии с формулой (1) мощность механических потерь состоит из следующих мощностей:

мощность Р_м, затрачиваемой на преодоление трения в элементах КШН, на привод вспомогательных агрегатов, а также на преодоление аэродинамического сопротивления движению элементов двигателя;

мощности Р_нас, затрачиваемой на осуществление процессов газообмена;

мощности Р_наг, затрачиваемой на привод нагнетателя или продувочного насоса.

Мощность механических потерь:

или

,

где Р_м', Р_нас и Р_нач - средние давления, соответствующие Р_м', Р_нас, Р_нач.

Относительное уменьшение индикаторной мощности Р_i за счёт мощности механических потерь Р_м оценивается механическое КПД, причём:

.

Численное значение механических потерь Р_м определяются экспериментально и расчётом. Из числа экспериментальных методов определения Р_м наиболее распространены индикаторный метод, метод прокручивания коленчатого вала двигателя и метод выключения цилиндров.

Первый метод определения механических потерь заключается в определении мощности Р_м по разности индикаторной и эффективной мощностей. Индикаторная мощность вычисляется по результатам обработки индикаторной диаграммы, полученной при испытаниях двигателя.

Второй метод определения Р_м основан на прокручивании коленчатого вала двигателя от постороннего источника при выключенном зажигании. Мощность механических потерь определяется затратами энергии на прокручивание коленчатого вала.

Эффективный КПД з_е и удельный эффективный расход топлива g_е

Эффективная топливная экономичность двигателя оценивается эффективным КПД з_е или удельным эффективным расходом топлива g_e.

Эффективным КПД называется отношение количества теплоты Q_е, преобразованной в эффективную работу W_e, ко всей подведённой теплоте Q_o, т.е.

.

После преобразований полученного выражения окончательно:

Выразив эффективную мощность, получим связь между всеми КПД двигателя:

,

где з_t, з_о, з_м - соответственно термодинамический, относительный и механический КПД двигателя.

Литровая мощность

Для оценки эффективности использования рабочего объёма цилиндра применяют литровую мощность Р_л (в кВт/л), представляющую собой отношение эффективной мощности Р_е к рабочему объёму V_л (в л.).

.

Это уравнение показывает, что литровая мощность, определяющая степень форсирования двигателя, может быть увеличения при повышении среднего эффективного давления Р_е, частоты вращения коленчатого вала.