Автомобильные двигатели

- частина палива впорскується в повітряне середовище, а частина на стінки.

Один зі способів об'ємно-плівкового сумішоутворення запропонований Мойрером і розроблений фірмою MAN (ФРН). Він характеризується наступними особливостями:

- для кращого запалення  і згоряння в стиснене повітря  впорскується 5% палива, а основна  маса палива (95%) наноситься на  стінки у виді плівки товщиною 10-15мкм;

- впорснуте в нагріте  повітря паливо самозаймається і потім підпалює пальну суміш, що утвориться в процесі випару плівки зі стінок циліндра і перемішування пар палива з повітрям;

- паливо з поверхні  стінок на початку згоряння  випаровується порівняно повільно  і горіння починається повільно. Потім процеси прискорюються, при цьому поршень йде до НМТ і тому двигун працює м'яко і безшумно;

- такий процес згоряння  дозволяє використовувати в двигуні  різні палива: бензин, гас, лігроін,  солярова олива й ін.

- камера згоряння має  розвиті витискувачі, які створюють інтенсивний вихровий рух повітряного заряду, що сприяє гарному випару і сумішоутворенню. 

Двигуни з подібним процесом називаються багатопаливними двигунами.

Сумішоутворення в розділених камерах згоряння

Для поліпшення сумішоутворення  застосовують розділені камери згоряння. Розрізняють два типи сумішоутворення: передкамерне і вихрокамерне.

Передкамерне  сумішоутворення характеризується такими способами:

1. Камера згоряння  розділена на дві частини: передкамеру  об'ємом (0,25-0,4)V_с і головну камеру, що з'єднані між собою вузькими каналами, що перешкоджають швидкому перетеканню газів з передкамери в циліндр. У результаті цього максимальні тиски згоряння невеликі і двигун працює дуже м'яко. 

2. У процесі стиску  в передкамері створюється неупорядкований турбулентний рух повітря за рахунок перетікання його з великою швидкістю (200-300 м/с) через вузькі канали з циліндра. У цьому випадку сумішоутворення визначається інтенсивністю руху потоку повітря в передкамері, а не якістю розпилювання палива, завдяки цьому двигун мало чуттєвий до сорту палива і має знижений тиск вприскування (10-13 МПа).

3. Наявність вузьких  каналів і розвитої поверхні  камери згоряння приводить до  великих утрат тепла через  стінки передкамери і втрат  енергії при перетіканні газів у передкамеру і назад, що утрудняє пуск холодного двигуна і погіршує його економічність.

Для полегшення пуску  підвищують ступінь стиску до 20-21, а  в передкамері встановлюють калільні свічі, що включаються при пуску.

Вихрокамерне  сумішоутворення на відміну від передкамерного характеризується:

1. Великим об'ємом вихрової  камери (0,5-0,8)V_с, у якій у процесі стиску створюється організований обертальний рух повітря.

2. Великим прохідним  перетином і, отже, великим тиском  згоряння в циліндрі через  швидке перетекання згорілих газів з вихрової камери в основну.

3. Завдяки великим  прохідним перетинам втрати енергії  заряду при перетіканні відносно  невеликі. Для надійного пуску  вихрокамерні двигуни мають e = 17-20.

6.3 Процес згоряння

Швидкість згоряння

Горіння - складний фізико-хімічний процес, що дотепер цілком не вивчений. Процес згоряння завжди протікає в газовій фазі.

На величину швидкості  горіння впливають каталізатори (водяні пари, платина й ін.). У  карбюраторних двигунах, з метою  придушення детонації, застосовують негативні каталізатори - карбоніл заліза, тетраетилсвинець і ін. 

При згорянні однорідних вуглеводених палив максимальна  швидкість полум'я одержується, коли пальна суміш трохи збагачена. У  випадку, коли швидкість знижується до ~0,1 м/с полум'я гасне.

Збагачення суміші, при  якому полум'я гасне, називається  верхньою концентраційною межею a_min, а межа можливого збідніння нижнею концентраційною межею a_max поширення полум'я. За цими межами горіння однорідних сумішей неможливо.

Для бензинових двигунів:

a_min=0,4-0,6;

a_max=1,4-1,6.

У ДВЗ має місце  турбулентне горіння, що представляє  собою процес турбулентного змішання продуктів згоряння і свіжої суміші і потім згоряння останньої внаслідок  підвищення її температури. Швидкість  згоряння визначається в основному  турбулентними пульсаціями в камері згоряння інтенсивністю перемішування продуктів згоряння зі свіжою сумішшю. 

Самозапалювання - прогресуюче  прискорення реакцій. Воно настає, коли швидкість тепловиділення за рахунок  хімічних реакцій перевищує швидкість  відводу тепла в навколишнє середовище.

У дизелі самозапалювання  відбувається при упорскуванні палива в стиснене повітря; у карбюраторному двигуні - заряду при детонації.

Час від моменту  вприскування палива в циліндр до появи видимого полум'я називають  періодом затримки запалення.

Аналіз процесів згоряння в дизелі

У дизелі паливо впорскується в стиснене повітря, що має тиск 3-4 МПа і температуру 800-1000 ºС. Для  аналізу процесу згоряння використовують індикаторну діаграму в координатах p-j.

Малюнок 6.1 – Індикаторна діаграма в координатах p-j

Позначені: точка 1- початок  вприскування палива; точка 2- точка  відриву лінії підвищення тиску (лінії згоряння) від лінії стиску; точки  3 і 4 - моменти досягнення максимальних тисків і температури циклу; j_вп- кут випередження вприскування палива.

 

 

У дизелі весь процес згоряння складається з власне трьох періодів (фаз) згоряння q_1,q_2,q₃ і одного підготовчого періоду q_i.

Підготовчий період q_i - період затримки запалення. Він займає проміжок часу від точки 1 до точки 2. Затримка складається з фізичної (розпад струменя, прогрів і частковий випар крапель палива) і хімічної (реакцій попереднього окислювання). Швидкість тепловиділення в цьому періоді мала і навіть переважає витрата теплоти на випар палива, унаслідок його підвищення тиску не спостерігається.

На тривалість q_i впливають наступні фактори:

1. Хімічні властивості  палива (цетанове число). Чим більше  цетанове число, тим більше  паливо схильне до окислювання  і тим q_i коротше. 

2. Ступінь стиску. З  її ростом період затримки запалення скорочується, тому що тиск і температура в процесі стиску при збільшенні ступеня стиску підвищується.

3. Якість розпилювання. Чим дрібніше розпилене паливо, тим коротше q_i унаслідок більш швидкого випару крапель.

4. Рух повітряного  потоку в камері згоряння. Турбулізація приводить до швидкого випару крапель палива і їхньому перемішуванню з повітрям, що зменшує підготовчий період.

Перша фаза q₁ - період швидкого згоряння (від точки 2 до точки 3). За цей період виділяється велика кількість теплоти.

Як критерій інтенсивності згоряння в першій фазі приймають середню  швидкість зростання тиску W_ср = Dp/Dj.

Швидкість зростання тиску характеризує твердість роботи дизеля. Якщо W_ср=0,3-0,6 МПа/град.п.к.в., то роботу двигуна вважають м'якою; при W_ср>0,6 МПа/град.п.к.в. – твердою. Зі збільшенням твердості зростають навантаження на деталі двигуна.

Тривалість q₁  залежить від наступних факторів:

1. Конструкції камери згоряння. Більш короткий період q₁ у нерозділених камер згоряння, а самий довгий період у двигунів з передкамерою.

2. Навантаження двигуна. З ростом  навантаження тривалість q₁ зростає, тому що в цьому випадку кількість палива, що впорскується, збільшується і потрібно більше часу для згоряння.

3. Закон подачі палива. Паливо  можна подати в камеру швидко чи повільно. Ніж коротше тривалість вприскування q_вп, тим менше q₁ .На практиці прагнуть q_вп зробити мінімальним. Це поліпшує економічність, але при цьому твердість роботи двигуна підвищується.

На малюнку 6.1 показані теоретична і дійсна характеристики вприскування палива. Крива 1 показує, що подача палива на початку вприскування відбувається повільно, а потім різко зростає. Однак у реальних умовах таку криву одержати складно.

Подача палива закінчується наприкінці q₁ чи на початку другої фази q_2.

Друга фаза θ₂ - період уповільненого згоряння від точки 3 до точки 4.

У цій фазі температура  газів безупинно підвищується, тому що паливо ще згоряє, а тиск різкий падає  внаслідок збільшення об'єму циліндра при русі поршня від ВМТ до НМТ.

На тривалість q₂ впливають закон подачі палива, інтенсивність вихрового руху заряду, коефіцієнт надлишку повітря.

Третя фаза q₃ - період догоряння палива: від точки 4 до моменту, коли тепловиділення досягає 95-97%. Завжди прагнуть скоротити q₃. Велика тривалість q₃ приводить до росту температури відпрацьованих газів, і до підвищення теплового стану двигуна. У результаті погіршуються потужність і економічність. Для зменшення q₃  скорочують подачу палива в другому періоді q₂  і підсилюють турбулізацію повітря в камері згоряння.

 

ТЕМА 7 ТЕРМОДИНАМІЧНІ СПІВВІДНОШЕННЯ В ПРОЦЕСІ ЗГОРЯННЯ

Процес згоряння

Ціль розрахунку - визначення температури і тиску наприкінці згоряння, а також об'єму V_z для циклів зі змішаним підведенням теплоти і з підведенням теплоти при постійному тиску.

У загальному випадку відповідно до першого закону термодинаміки можна записати наступне рівняння

чи

де x_z  - частка нижчої теплоти згоряння палива;

     U_z, U_c - внутрішня енергія газу після і до згоряння;

     L_cz - теплота, еквівалентна роботі газу в процесі згоряння.

Чисельне значення x_z лежить у межах 0.8...0.95 для карбюраторних двигунів, 0,65...0,88 для дизелів.

Для двигунів з підведенням теплоти  при V = const

Для двигунів зі змішаним підведенням теплоти

де l = p_z /p_c - ступінь підвищення тиску.

В обидва ці рівняння входять дві  невідомі величини - (mc_v’’)^tz_to  чи  (mc_p’’)^tz_to і шукана температура t_z.. Вирішити ці рівняння вдається або методом послідовних наближень, або з рівняння другого порядку виду

Для розрахунку температури  згоряння t_z дизельних двигунів рекомендується приймати значення l у межах 1,5...2,5.

Значення l для карбюраторних двигунів визначається після обчислення температури t_z. і звичайно лежить в інтервалі 3…5

Після визначення t_z знаходиться тиск наприкінці процесу згоряння.

1. Для двигунів з підведенням  теплоти при V = const

2. Для двигунів зі  змішаним  підведенням теплоти 

Звичайно в дизельних  двигунах  r  =  1.2...1.7.

 

ТЕМА 8  ПРОЦЕСИ РОЗШИРЕННЯ І ВИПУСКУ. ІНДИКАТОРНІ ПОКАЗНИКИ ЦИКЛУ

8.1 Процес розширення

За аналогією з процесом стиску припускають, що процес розширення протікає за політропою з перемінним показником. Спочатку він збільшується, потім досягає показника адіабати і перевищує його.

Чисельне значення показника політропи  процесу розширення визначають по номограмах, або методом послідовних наближень з наступної системи рівнянь

Для двигунів зі змішаним підведенням теплоти перше рівняння здобуває вид

де δ=ε/ρ - ступінь наступного розширення.

У середньому чисельні значення показника  політропи лежать у наступних  діапазонах:

карбюраторні двигуни       1.23...1.30;

дизелі                                   1.18...1.28;

газодизелі                            1.25...1.35.

Значення тиску і  температури наприкінці процесу  розширення визначається за рівнянням  політропного процесу

- для двигунів з підведенням  тепла при V=const;

- для двигунів зі змішаним  підведенням теплоти.

У сучасних автотракторних двигунах чисельні значення цих параметрів складають:

для карбюраторних двигунів  p_b=0.35...0.6 МПа і T_b= 1200...1700 K;

для дизельних двигунів           p_b=0.20...0.5 МПа і T_b= 1000...1500 K.

 

8.2 Процес випуску

Відкриття випускного клапана  в ДВЗ здійснюється за 40-80^о кута установки колінчастого вала до приходу поршня в НМТ. При цьому трохи знижується робота розширення, зате поліпшується очищення циліндра і знижується робота з виштовхування відпрацьованих газів.

У момент відкриття клапана  починається витікання газів  із критичною швидкістю 600-700 м/с. За час приходу поршня в НМТ виводиться до 70% відпрацьованих газів. При русі поршня до ВМТ швидкість витікання складає 200-250 м/с, в кінці знижується до 60-100м/с.

На малюнку 8.1 представлена зміна тисків у процесі випуску.

Малюнок 8.1 – Діаграма процесу  випуску

 

Закриття випускного клапана здійснюється через 10-50^о після НМТ по куту повороту колінчастого вала. Це підвищує якість очищення за рахунок ежекції.

Температура залишкових газів визначається формулою:

Ця величина не повинна  істотно відрізнятися від значення T_r, прийнятого при розрахунку процесу впуску. Якщо розбіжності перевищують 5%, то розрахунок повторюють.

8.3 Індикаторні параметри робочого  циклу

Для кількісної оцінки ефективності робочих циклів ДВЗ уведені такі характеристики як середній індикаторний тиск, індикаторна потужність, індикаторний ККД і індикаторна витрата палива.