Автомобильные двигатели

Такт розширення. Обидва клапани закриті. Продукти згоряння, прагнучи розширитися, давлять на поршень, та змушують його переміщатися від ВМТ до НМТ. У такті розширення догорає частина палива, що ще залишилася. До кінця такту розширення тиск газів зменшується до 0,3-0,4 МПа, а температура до 600-900°С.

Такт випуску. Поршень рухається від НМТ до ВМТ. Через відкритий випускний клапан відпрацьовані гази виштовхуються в атмосферу. Тиск газів наприкінці такту випуску складає 0,11-0,12 МПа, а температура 400 - 600⁰С. Потім робочий цикл повторюється.

У вищеописаних чотиритактних  двигунів при виконанні тактів випуску, впуску і стиску необхідно переміщати поршень, обертаючи колінчастий вал. Ці такти називаються підготовчими і здійснюються за рахунок кінетичної енергії, що накопиченої маховиком двигуна протягом такту розширення.

Робочий цикл двотактного  карбюраторного двигуна

У двотактних двигунах для  витиснення відпрацьованих газів з циліндра використовують примусове вдмухування повітря чи пальної суміші в циліндр. Такий процес називається продувкою. Продувка може здійснюватися різними способами. Розглянемо роботу двотактного карбюраторного двигуна з кривошипно-камерною продувкою. Коли поршень знаходиться в положенні, близькому до ВМТ, камера згоряння заповнена стиснутою робочою сумішшю, кривошипна камера заповнена свіжою порцією пальної суміші. У цей момент робоча суміш у циліндрі запалюється електричною іскрою від свічі. Тиск газів різко зростає, і поршень починає переміщатися до НМТ – відбувається робочий хід. Коли поршень закриє впускне вікно, у кривошипній камері почнеться стиск пальної суміші. Отже, при русі поршня до НМТ одночасно відбуваються такти розширення і стиску пальної суміші в кривошипній камері. Наприкінці робочого ходу поршень відкриває випускне вікно, через яке відпрацьовані гази з великою швидкістю виходять в атмосферу. Тиск у циліндрі швидко знижується. До моменту відкриття продувного вікна тиск стиснутої пальної суміші в кривошипній камері стає вище, ніж тиск відпрацьованих газів, у циліндрі. Тому пальна суміш із кривошипної камери по каналу попадає в циліндр і, наповнюючи його, виштовхує залишки відпрацьованих газів через випускне вікно в атмосферу.

Другий такт відбувається при русі поршня від НМТ до ВМТ. На початку ходу з циліндра продовжують витіснятися залишкові продукти згоряння разом з частиною робочої суміші. Потім поршень послідовно перекриває продувне вікно і випускне вікно. Після цього в циліндрі починається стиск робочої суміші. У цей же час за рахунок звільнення поршнем деякого об'єму в герметично закритій кривошипній камері створюється розрідження. Тому, як тільки нижня крайка юбки поршня відкриє впускне вікно, через нього з карбюратора в кривошипну камеру  надходить пальна суміш. Таким чином, під час другого такту відбувається стиск робочої суміші в циліндрі і заповнення камери новою порцією пальної суміші з карбюратора. Після приходу поршня до ВМТ усі процеси повторюються в такій же послідовності.

Кривошипно-камерна продувка найбільш проста, але найменш досконала, тому що при цьому недостатньо  повно здійснюється очищення циліндра від продуктів згоряння. Тому вона застосовується тільки в двигунах малої  потужності з невеликою абсолютною витратою палива (двигуни мотоциклів, човнові, модельні і т.п.). У будівельних машинах і на транспорті подібні схеми використовуються в пускових карбюраторних двигунах.

Цикл двотактного дизеля

Протікає аналогічно робочому циклу двотактного карбюраторного двигуна і відрізняється тільки тим, що в дизелі в циліндри надходить не пальна суміш, а чисте повітря і наприкінці процесу стиску впорскується паливо, що запалюється від зіткнення з нагрітим повітрям. Тому, що в дизелях продувка здійснюється чистим повітрям, а не пальною сумішшю, вони виявляються більш економічними в порівнянні з карбюраторними двигунами.

 

 ТЕМА 3 РОБОЧІ ТІЛА, ПАЛИВО І ЙОГО ГОРІННЯ

3.1 Хімічні реакції при згорянні  палива

Для повного згоряння палива необхідна визначена кількість  повітря, що називається теоретично необхідною і визначається по елементарному складу палива.

Для рідких палив

- теоретично необхідна кількість  повітря в кілограмах для згоряння 1 кг палива.

[ l₀ ]  =  кг/кг.

- теоретично необхідна кількість повітря в кіломолях для згоряння 1кг палива.

[ L₀ ]  =  кмоль/кг.

Ці дві величини зв'язані між  собою співвідношенням

,

де m_в = 28.96 кг/кмоль - удавана молярна маса повітря.

Для газоподібних палив 

,

де  [L^’₀ ] = кг/кг  =  кмоль/кмоль.

Відношення дійсної  кількості повітря до теоретично необхідної для спалювання 1 кг палива називається коефіцієнтом надлишку повітря.

a  = l/l₀ = L/L₀.

Для карбюраторних двигунів a лежить у межах 0.8...0.96, для дизелів коливається від 1.3 до 2.2.

Навіть при a = 1 неможливо домогтися повного згоряння палива, тому звичайно a > 1. Зниження коефіцієнта надлишку повітря a веде до підвищення потужності двигуна, однак при цьому підвищується його теплова напруженість і знижується економічність.

Маса пальної суміші в карбюраторних двигунах визначається з вираження

M₁ = aL₀  + 1/m_т,

де m_т - молекулярна маса парів палива, кг/кмоль.

Для бензинів m_т = 110...120 кг/кмоль, для дизельних палив m_т = 180...200 кг/кмоль.

Для дизельних двигунів масу пальної суміші приймають без врахування маси палива, тому що паливо в камеру згоряння надходить тільки після процесу стиску. Для них

M₁ = aL₀.

 

При повному згорянні палива (a ³ 1) кількість основних компонентів продуктів згоряння в молях визначається зі співвідношень

Тоді загальна кількість  продуктів згоряння складе

При неповному згорянні палива (a < 1) кількість продуктів згоряння визначається наступними залежностями

У приведених вираженнях K - постійна, що обумовлена відношенням  кількості водню до окису вуглецю  в продуктах неповного згоряння. Для бензину K = 0.45...0.50.

Тоді загальна кількість  продуктів згоряння складе

При a = 1 обидва вираження для M₂ дають однаковий результат.

Зміна кількості молей  при згорянні визначається вираженням

Відносна зміна об'єму  характеризується коефіцієнтом молекулярної зміни суміші

Ця величина завжди більше одиниці і її залежність від коефіцієнта надлишку повітря a має вид, представлений на малюнку 3.1.

Дійсний коефіцієнт молекулярної зміни робочої суміші враховує наявність  залишкових газів і обчислюється з вираження

Для карбюраторних двигунів m=1.02...1.1; для дизелів m=1.02...1.06.

Малюнок 3.1 – Коефіцієнт молекулярної зміни суміші для карбюраторних  і дизельних двигунів

3.2 Теплота згоряння палива

Нижча теплота згоряння палива визначається за відомою формулою Мєндєлєєва

H_U = 33.91C + 125.6H - 10.89(O - S) - 2.51(9H + W).

Значення H_U для типових палив ДВЗ:                   бензин - 44.0 МДж/кг;

                                                                   дизельне паливо - 42.5 МДж/кг;

                                                                       природний газ – 35 МДж/м³;

                                                                                  пропан - 85.5 МДж/м³;

                                                                                   бутан - 112.0 МДж/м³.

Теплота згоряння пальної  суміші - відношення теплоти згоряння до загальної кількості пальної  суміші.

  [H_гор.см.]  =  МДж/кмоль.

Якщо a < 1, то втрата теплоти через неповноту згоряння складе

DH_U  =  119.95(1 - a)L₀.

Залишкові гази завжди зменшують теплоту згоряння пальної суміші, тому дійсне значення теплоти згоряння робочої суміші визначається вираженням 

 

 ТЕМА 4 ПРОЦЕСИ ГАЗООБМІНУ. ВПУСК. ПРОЦЕС СТИСКУ

4.1 Процес впуску

Процесом впуску звичайно називають процес наповнення циліндра двигуна свіжим зарядом.  Цей процес трохи відрізняється для двигунів без наддуву і з наддувом.

На малюнку 4.1,а  в pV-координатах  представлений процес зміни тиску  при впуску в чотиритактному двигуні  без наддуву. Ламана крива r`da`aa`` показує дійсну зміну тиску в процесі впуску. Точка r` відповідає моменту відкриття впускного клапана, що звичайно відбувається за 10-30<sup>0</sup> по куті повороту колінчастого вала до приходу поршня у ВМТ, а точка а'` - закриття цього клапана. Момент закриття відповідає положенню кривошипа через 40-80⁰ після проходження НМТ.

Тиск p_r відповідає розрахунковому значенню тиску залишкових газів. При проведенні розрахунків передбачається, що тиск залишкових газів у ВМТ різко падає до значення p_a і надалі в процесі впуску при русі поршня до НМТ цей тиск зберігається постійним.

Для двигунів з наддувом (див. малюнок 4.1,б) середній розрахунковий  тиск у процесі впуску p_a звичайно перевищує тиск залишкових газів, і, природно, менше тиску p_к, створюваного нагнітачем (компресором).

Малюнок 4.1

Попереднє відкриття  впускного клапана забезпечує досягнення достатньої площі його прохідного перетину при досягненні ВМТ, а також для  продувки двигунів з наддувом. У  двигунах з наддувом це дозволяє полегшити  очищення циліндра від залишкових газів.

Вплив продувки кількісно оцінюють за допомогою коефіцієнта очищення j_оч. Його величина залежить від наддуву, швидкісного режиму двигуна і тривалості перекриття клапанів. Цей коефіцієнт враховується тільки при розрахунку двигунів з наддувом. Для двигунів без наддуву приймають j_оч = 1.0. Закриття впускного клапана після проходження поршнем НМТ завдяки інерційності повітря у впускній системі дає можливість поліпшити наповнення циліндрів (дозарядка) на номінальному режимі на 10-15%, тобто рахувати, що j_доз = 1.1–1.15. У той же час необхідно враховувати, що при малій частоті обертання дозарядка погіршується і навіть може відбуватися зворотний викид частини заряду (до 5%) з циліндрів двигуна (j_доз = 0.95).  Коефіцієнт дозарядки на номінальному режимі звичайно приймається рівним одиниці.

Тиск і температура навколишнього  середовища (повітря) у розрахунках  приймаються рівними p₀ = 0.1 МПа і T₀ = 273K для двигунів без наддуву. У двигуни з наддувом повітря надходить з компресора, тому тиск повітря p_к і температура T_к приймаються рівними тиску і температурі повітря за компресором чи охолоджувачем повітря (якщо такий установлений).

У відповідності зі ступенем наддуву  приймаються наступні значення тиску  наддувального повітря:

при низькому наддуві..................1,5p₀;

при середньому наддуві...............(1,5...2,2)p₀;

при високому наддуві...............(2,2...2,5)p₀.

Температура повітря  за компресором обчислюється за рівнянням  політропи 

де n - показник політропи  стиску.

Чисельне значення n приймають для  поршневих нагнітачів 1,4...1,6; для  об'ємних – 1,55...1,75; для осьових  і відцентрових – 1,4...2,0.

У циліндрах двигунів після випуску  завжди залишається деяка частина  залишкових газів. Відносний об'єм цих  газів визначається типом і характеристиками клапанної системи, гідравлічних опорів системи випуску, фаз газорозподілу, системи наддуву, швидкості обертання і ряду інших факторів. Тиск залишкових газів p_r в автотракторних двигунах без наддуву приймають рівним (1,05...1,25)p₀. Якщо для наддуву використовується газова турбіна на виході, то рахують, що

Для різних швидкісних режимів  двигунів проводять корекцію значення p_r з урахуванням частоти обертання колінчастого вала n відповідно до вираження

де  n  -  номінальна частота обертання, 1/хв.

Температура залишкових газів визначається ступенем стиску, частотою обертання і коефіцієнтом надлишку повітря. Її чисельне значення звичайно приймають для карбюраторних  двигунів 900 - 1100ºС, для дизелів 600 - 900ºС, газових двигунів 750 - 1000ºС.

Тиск наприкінці впуску визначає масу заряду, що надходить  у циліндри двигуна, і обчислюється у відповідності (див. малюнок 4.1) за вираженнями 

Чисельні значення Dp_a на номінальних режимах рекомендуються в наступних межах:

карбюраторні двигуни  -  (0.05...0.20)p₀;

дизелі без наддуву - (0.03...0.18)p₀;

дизелі з наддувом  -  (0.03...0.1)р_к.

Зі зменшенням частоти  обертання величина Dp_a знижується. Для розрахунків режимів роботи двигунів, що відрізняються від номінального, використовується залежність, що враховує швидкість обертання двигуна

де   b - коефіцієнт загасання швидкості руху заряду;

• - коефіцієнт гідравлічного опору системи впуску;

w_вп - швидкість руху повітря в системі впуску.

У сучасних двигунах швидкість  повітря в системі впуску на номінальному режимі складає 50-130 м/с; b² + z = 2.5...4.0.

Температура підігріву  свіжого заряду враховує його нагрів від деталей двигуна. Величина підігріву DT залежить від конструктивних особливостей двигуна і впускної системи. У залежності від типу двигуна рекомендуються для розрахунків на номінальному режимі наступні її значення: