Автомобильные двигатели

DT = 0...20⁰С  - для карбюраторних двигунів;

DT = 10...40⁰С  - для дизелів без наддуву;

DT = - 5...+ 10⁰С  - для дизелів з наддувом.

Зміна величини підігріву  свіжого заряду в залежності від  швидкості обертання враховується наступною залежністю:

де 

Коефіцієнт залишкових газів g_r характеризує якість очищення циліндрів від продуктів згоряння. З його збільшенням зменшується маса свіжого заряду, що надходить у двигун. Для чотиритактних двигунів його чисельне значення визначається за формулою:

Для бензинових і газових двигунів без наддуву ця величина звичайно складає 0.04...0.1, а для дизелів без наддуву - 0.02...0.05.

Температура наприкінці впуску залежить від перерахованих  вище факторів (температури робочого тіла, коефіцієнта залишкових газів, ступеня підігріву заряду, температури залишкових газів). Вона визначається вираженням

Для сучасних чотиритактних  двигунів її  чисельне значення звичайно складає:

карбюраторні двигуни           -  320...370ºС;

дизелі                                       -  310...350ºС; 

двигуни з наддувом          -  320...400ºС.

Коефіцієнт наповнення являє собою відношення дійсної  маси свіжого заряду до тієї кількості, що могла бути в циліндрі при тиску  і температурі середовища, з якого  надходить цей заряд.

.

Для чотиритактного двигуна

Якщо   j_доз  =  j_оч    =  1, то

Для сучасних автотракторних двигунів коефіцієнт наповнення h_V  лежить у наступних межах:

карбюраторні двигуни              -  0.7...0.9;

дизелі без наддуву              -  0.8...0.94; 

дизелі з наддувом               -  0.8...0.97.

4.2 Процес стиску

При розгляді ідеальних  циклів процес стиску приймався адіабатним. Реальний процес здійснюється по більш  складному закону. Зв'язано це з тим, що в циліндрах двигуна в процесі стиску безупинно відбувається теплообмін заряду зі стінками, голівкою циліндра і днищем поршня. На початку стиску температура заряду менше температури стінок і показник політропи n₁ більше показника адіабати k₁. У якийсь момент вони стають рівними, а надалі тепловіддача здійснюється уже від стиску робочого тіла, що нагрілося в результаті, до стінок циліндра і поршню і тоді показник політропи менше показника адіабати.

Розрахунок процесів стиску зводиться  до визначення середньої величини показника політропи стиску n₁, обчисленню кінцевих значень температури і тиску. Звичайно величину показника політропи визначають по номограмах або на підставі дослідницьких даних.

Рекомендовані значення n₁:

карбюраторні двигуни      -  n₁  =  k₁ - (0.00...0.04);

дизелі                                  -  n₁  =  k₁ ± 0.02.

Подальші обчислення тиску і температури здійснюються за рівняннями політропного процесу:

Середня мольна теплоємність повітря в процесі стиску приймається  за табличним значенням чи емпіричними  формулами виду

Теплоємність залишкових газів визначається за табличним  значенням для їхніх компонентів  відповідно до формули теплоємності для сумішей газів

де M₂ - загальна кількість продуктів згоряння в молях.

Середня мольна теплоємність робочої суміші (свіжа суміш + залишкові  гази) обчислюється рівнянням

 

 ТЕМА 5 ПРОЦЕСИ ЗГОРЯННЯ В ДВЗ З ПРИМУСОВИМ ЗАПАЛЕННЯМ. ПОРУШЕННЯ ПРОЦЕСУ ЗГОРЯННЯ

5.1 Процеси згоряння в ДВЗ  із примусовим запаленням

У двигунах із примусовим запаленням у результаті прикладення  високої напруги між електродами  свічі запалювання виникає іскровий розряд.

Іскра створює в робочій суміші невеликий об'єм з температурою 10000-30000ºС. Температура цього об'єму швидко зменшується внаслідок тепловіддачі у свіжу суміш і електроди. Навколишні шари суміші нагріваються, починається хімічна реакція й утвориться сферичний фронт полум'я. Якщо швидкість виділення теплоти за рахунок реакцій горіння достатня для компенсації тепловідвода, то виникле вогнище горіння стійко розвивається. У противному випадку полум'я гасне.

На малюнку 5.1 приведена  індикаторна p-j діаграма карбюраторного двигуна. Процес згоряння починається з моменту проскакування іскри в точці 1. Після утворення каналу розряду з високою температурою в КЗ відразу ж протікають хімічні (а точніше термічні) реакції горіння. Тому в карбюраторному двигуні підготовча фаза (період затримки запалення) відсутня.

Весь період розглядають  складається з трьох фаз.

Перша фаза q₁ – період схованого згоряння (початкова фаза): від точки  1  до точки  2. За час q₁ згоряє 4-8% заряду від всього об'єму, що займає паливоповітряна суміш. Температура підвищується без помітного збільшення тиску. Тривалість q₁= 4-6° п.к.в.

Малюнок 5.1 – Процес згоряння в  карбюраторному двигуні

 

Тривалість q₁ залежить від наступних факторів:

1. Енергія іскрового розряду. 

Кількість тепла, переданого пальній суміші від іскри, залежить від коефіцієнта надлишку повітря a. Найкоротший період при a = 0,85-0,95.

2. Швидкості вихрового  руху суміші в зоні свічі.  При збільшенні швидкості і  турбулентності потоку запалення  суміші утрудняється внаслідок  посиленого тепловідводу від виниклого невеликого вогнища горіння, при цьому q₁ подовжується.

3. Ступеня стиску ε.  З підвищенням ε початковий  період скорочується, тому що  ростуть щільність і температура  заряду, підвищується енергетичний  рівень молекул.

4. Навантаження і частоти  обертання колінчастого вала двигуна. Зі зменшенням N_e розвиток початкового возгоряння з прикриттям дросельної заслінки стає менш стійким, починають з'являтися пропуски запалення.

При збільшенні частоти обертання  вала двигуна n зростає інтенсивність турбулізації суміші і початкова фаза подовжується q₁~n^1/2.

Для нормального розвитку початкового  вогнища горіння і надалі всього процесу згоряння необхідно кут  випередження запалювання j_з збільшувати з підвищенням n і зменшувати з ростом N_e. З цією метою установлюють відповідно відцентровий і вакуумний регулятори випередження запалювання. У сучасних напівпровідникових системах запалювання необхідний кут установлюється за допомогою спеціальних пристроїв у залежності від крутного моменту, складу суміші, тиску і температури навколишнього середовища і т.д.

Унаслідок неідентичності умов задпалювання пальної суміші в  циліндрі двигуна розвиток возгоряння, що виникло від іскри, в окремих  циклах буде відбуватися неоднаково.

Друга фаза q₂ - період видимого (швидкого) згоряння: від точки 2 до точки 3.

В другому періоді q₂ згоряє основна маса паливоповітряної суміші (до 80%) унаслідок поширення фронту полум'я в камері згоряння. У цій фазі виділяється велика кількість теплоти, швидко підвищуються тиск і температура.

Підвищення тиску оцінюють швидкістю наростання тиску.

Відношення Dp/Dj (як і в дизелі) характеризує твердість процесу згоряння:

При Dp/Dj = 0.11-0.26 МПа/град - протікання процесу згоряння вважають нормальним.

При Dp/Dj < 0.1 МПа/град згоряння більшої частини палива відбувається на лінії розширення.

При Dp/Dj > 0.26 МПа/град має місце тверда робота двигуна.

Тривалість q₂ відповідає 20-30° п.к.в. і залежить від:

1. Швидкості поширення  фронту полум'я. Чим більше  швидкість згоряння, тим коротше q₂.

2. Складу суміші. Тривалість  основної фази слабко залежить  від коефіцієнта надлишку повітря, однак при збільшенні a максимальні тиски циклу (згоряння) R_z різко падають. Зі збільшенням a сильно зростає нестабільність процесу згоряння (розходження по R_z) у послідовних робочих циклах, що приводить до зниження потужності двигуна.

3. Ступеня турбулізації суміші в КЗ. Зі збільшенням інтенсивності завихрення суміші швидкість полум'я росте і q₂ скорочується.

4. Ступеня стиску. При  підвищенні e період q₂ зменшується, тому що з ростом e збільшується швидкість полум'я.

5. Зменшення навантаження двигуна приводить до погіршення процесу згоряння в другій фазі через хитливий початковий розвиток процесу згоряння в першому періоді.

6. Конструкції камери  згоряння. Форма КЗ впливає на  інтенсивність завихрення, тепловіддачу  в охолоджувані поверхні, коефіцієнт наповнення і шлях, що проходить полум'я. Для скорочення тривалості основної фази згоряння необхідно скорочувати шлях, що проходить полум'я, тобто застосовувати більш компактну КЗ.

Третя фаза q₃ - період догорання по лінії розширення. Цей період називають завершальною фазою згоряння. Догорання суміші відбувається в пристіночних шарах і зазорах. У карбюраторних двигунах q₃ невелика і границю завершення цієї фази в індикаторній діаграмі визначити важко. Точно невідомий момент повного згоряння робочої суміші через те, що тепловиділення, досягши приблизно 85%, знижується після максимальної температури циклу T_z.

На тривалість q₃ впливають склад суміші, кут випередження запалювання, інтенсивність турбулентності потоку в КЗ. Зі збільшенням швидкості розташування фронту полум'я q₃ скорочується.

Завершальну фазу згоряння іноді розділяють на двох: q¢₃ - від точки 3 до точки 4 і q^’’₃ - від точки 4.

Фазу q¢₃ називають періодом уповільненого згоряння. До кінця q¢₃ закінчується згоряння основної маси палива. Фаза q²₃ - період особливості догорання, сильно залежить від a. При роботі двигуна на багатих і бідних сумішах незгоріле в циліндрі паливо запалюється у випускному трубопроводі і виходять постріли в глушник.

Протягом q₂ і q¢₃ відбувається дисоціація (розпад) молекул під дією температури близько 2000°С:

2СО₂=2СО+О₂

2Н₂О=2Н₂+О₂

При дисоціації частина  тепла від згоряння губиться, унаслідок  чого корисна робота і ККД циклу  зменшується (до 10%).

У періоді q²₃ відбувається зворотна реакція асоціації з виділенням тепла. Це приводить до підвищення температури відпрацьованих газів.

У дизелях дисоціацію не враховують, тому що температура  згоряння значно нижче, ніж у карбюраторних  двигунах і зниження ККД у цьому  випадку не перевищує 2%.

5.2 Порушення процесу згоряння  в карбюраторних двигунах

Детонація

В міру поширення фронту полум'я від іскри незгоріла  суміш буде нагріватися і стискуватися внаслідок росту тиску при  згорянні. У цій частині свіжої суміші можуть створитися умови для  ініціювання хімічних реакцій, тобто  виникнення вогнища самозапалювання. Самозапалювання цієї частини заряду називається детонацією. Хімічно підготовлена остання частина заряду самозаймається з величезною швидкістю, у результаті чого утвориться ударна хвиля.

Детонація - результат  різкої зміни швидкості згоряння в зв'язку з надмірним утворенням перекисів в останній частині робочої суміші.

У виниклій ударній хвилі  тиск і щільність суміші змінюються стрибкоподібно. Хвиля, що має високу температуру, рухається по КЗ і підпалює іншу суміш. Швидкість ударної хвилі вище швидкості звуку:   U_ПЛ = 1500-2500 м/с (при нормальному згорянні U_ПЛ = 15-20 м/с.)

У результаті взаємодії  ударної хвилі зі стінками внутріциліндрового простору і відображення її від цих  стінок з частотою 5000-7000Гц виникає  дзвінкий металевий стукіт такої ж частоти. Віддача тепла при зіткненні ударної хвилі зі стінками виходить надмірної, що приводить до вигоряння металу.

Зовнішні ознаки детонації.

1. Крива тиску на  індикаторній діаграмі наприкінці  процесу згоряння має пилкоподібний  вигляд.

2. Характерний металевий  звук.

3. Перегрів двигуна,  у результаті різко знижує  його економічність.

4. Падіння потужності  двигуна.

5. Чорний дим на  вихлопі. В ударній хвилі при  високої температури йдуть реакції  дисоціації з утворенням вільного  вуглецю С (сажі).  Відпрацьовані гази мають колір чорного диму.

СО₂®С+О₂.

Фактори, що впливають  на виникнення детонації. 

1. Хімічний склад палива:

а) груповий склад палива - парафіни, олефіни, ароматичні вуглеводи; парафіни детонують більше, ніж олефіни, олефіни більше, ніж нафтени і т.д.

б) молекулярна маса. Палива з більшою молекулярною масою  детонують сильніше.

в) структура молекул. Вуглеводи, що мають нормальну будівлю, детонують сильно, а вуглеводи  з розгалуженою структурою детонують  слабко.

У цілому фізико-хімічні властивості палива оцінюються октановим числом, що вказує на стійкість палива проти детонації. Чим більше октанове число, тим більше стійкість палива проти детонації.

Октанове число (ОЧ) показує  процентний вміст ізооктану С₈Н₁₈ в еталонній суміші з Н-гептаном С₇Н₁₆, що детонує так само, як і випробуване паливо при стандартних умовах іспиту на спеціальному двигуні.

Для визначення ОЧ автомобільних  бензинів прийняті два методи: моторний і дослідницький. У США прийнятий  лише дослідницький метод визначення ОЧ палива. Дослідницький метод визначення ОЧ палива враховує роботу двигуна в умовах міського циклу.

Октанове число за моторним методом визначають у такий  спосіб. Запускають спеціальний двигун на випробуваному паливі. При працюючому двигуні поступово підвищують ступінь стиску до моменту виникнення детонації. Потім, не змінюючи ступеня стиску, двигун переводять на роботу із сумішшю, що складається з ізооктану і Н-гептана. З них підбирають суміш, при якій двигун починає детонувати. Процентний вміст ізооктану в цій суміші - октанове число випробуваного палива.