Показатели, характеризующие работу двигателя

ГЛАВА 1

Общие сведения

В процессе изучения дисциплины студент должен получить систему знаний о факторах, формирующих энергоэкономические, экологические, эксплуатационные показатели двигателей.

Токсические составляющие

В продуктах сгорания наряду с наличием основных компонентов обнаруживаются и другие компоненты, оказывающие вредное влияние на организм человека. К числу таких компонентов относятся: оксиды азота , сажа, оксид углерода СО, углеводороды (), альдегиды, канцерогенные вещества, соединения серы.

 

Индикаторная диаграмма и фазы

Химические реакции при сгорании

Сгорание топлива в цилиндре двигателя является сложным химическим процессом, опуская все промежуточные стадии процесса сгорания, рассмотрим конечные химические реакции элементов, входящих в состав топлива.

Элементарный состав топлива состоит из углерода С, водорода Н и незначительного количества кислорода О.

При полном сгорании топлива предполагается, что в результате реакции углерода и водорода с кислородом воздуха образуется соответственно углекислый газ СО₂ и вода Н₂О.

В случае неполного сгорания, кроме указанных компонентов образуется оксид углерода СО.

.

 

 

Теоретически необходимое количество воздуха

При полном сгорании

 

В двигателях внутреннего сгорания необходимый для сгорания кислород содержится в воздухе, который входит в цилиндр в процессе впуска. Учитывая, что кислорода в воздухе по массе содержится приблизительно 23 %, а по объему 21 %, имеем зависимости для расчета воздуха необходимого для сгорания 1 кг топлива:

в 1 кг , (5)

в кмолях , (6)

 

где С, Н, О – количество компонентов содержащих в 1 кг топлива.

 

Коэффициент избытка воздуха

Для оценки качества смеси служит коэффициент избытка воздуха. Коэффициентом избытка воздуха называется отношение количества воздуха, поступившего в цилиндр двигателя к количеству воздуха необходимого для полного сгорания топлива.

В автомобильном двигателе в зависимости от типа смесеобразования, условий воспламенения и сгорания, режима работы количество действительно потребляемого воздуха может быть больше или меньше или равно теоретически необходимого для полного сгорания воздуха.

, (7)

где – количество воздуха поступившего в цилиндр двигателя соответственно в кг, кмоль, отнесенные к 1 кг топлива; – количество воздуха, необходимое для полного сгорания 1 кг топлива (в кг, в кмолях); – часовой расход воздуха двигателем; – часовой расход топлива

При стехиометрической смеси ; если < 1(недостаток кислорода), смесь называют богатой; > 1(избыток кислорода), смесь называют бедной.

ГЛАВА 2

Процесс впуска

Для осуществления рабочего цикла в поршневом двигателе внутреннего сгорания необходимо удалить из цилиндра образовавшиеся в предыдущем цикле продукты сгорания и ввести в него свежий заряд воздуха или топливовоздушной смеси. Эти оба процесса (впуск и выпуск) взаимосвязаны и в зависимости от тактности двигателя и способа впуска в большей или меньшей степени протекают одновременно. Количество поступившего свежего заряда зависит от качества очистки цилиндра двигателя. Вследствие этого процесс впуска следует анализировать с учетом параметров, характеризующих протекание процесса выпуска, рассматривая весь комплекс явлений, относящихся к процессу газообмена в целом.

На рис. 7-8 схематически показаны протекание процессов газообменов, индикаторные диаграммы и фазы газораспределения четырех- и двухтактных двигателей. На диаграммах фаз газораспределения и индикаторных диаграммах одноименные точки определяют соответственно моменты открытия и закрытия впускных и выпускных клапанов по углу поворота коленчатого вала и по ходу поршня. Точками 1 и 3 (рис.7 и 8) отмечены соответственно моменты начала открытия выпускного и впускного клапанов, а точками 2 и 4 – моменты их закрытия.

Снижение давления во впускной системе и цилиндре зависят от скоростного режима двигателя, гидравлических сопротивлений во всех элементах системы, площади проходных сечений, через которые движется свежий заряд, и его плотности. После открытия впускного клапана, когда давление в цилиндре станет меньше давления окружающей среды на величину , начинается впуск в цилиндр свежего заряда.

На рис. 7, г показаны кривые подъема впускного и выпускного клапанов и индикаторная диаграмма процесса газообмена в зависимости от угла . В начале и конце подъема скорость движения клапанов небольшая. В результате подъем клапана и посадка его головки на седло производятся медленно, и возникающие при этом силы инерции невелики, чем обеспечивается надежная работа деталей клапанного механизма. Проходные сечения между головкой и седлом клапана в эти моменты малы.

Для более полного открытия проходного сечения клапанов в период, когда скорость движения поршня наибольшая и когда создаются условия для повышения скорости втекания или вытекания газа, а также для максимального использования влияния инерционных процессов в системах впуска и выпуска на очистку и наполнение цилиндров фазы газораспределения расширяют.

Рис. 7. Характеристика процесса газообмена в четырехтактном карбюраторном двигателе: а – система впуска и эпюра давления по длине впускной системы; б – индикаторная диаграмма и фазы газораспределения; в – система выпуска с глушителем шума; г – кривые подъемов клапанов и давления в цилиндре в зависимости от угла ; сплошные линии – дроссельная заслонка полностью открыта; штриховые линии – прикрыта; – потери в воздухоочистителе; – потери в диффузоре; – потери в клапане; – потери в сечении впускного трубопровода около дроссельной заслонки; – угол перекрытия клапанов

Процесс выпуска начинается за 40-60% до н.м.т. (точка 1, рис.7, б). С этого момента и до н.м.т. происходят свободный выпуск отработавших газов вследствие разности давлений в цилиндре и на выпуске . Последующую очистку цилиндра производят выталкиванием газов, движущимся к в.м.т. поршнем.

Выпускной клапан закрывается через 15-30^о после в.м.т. (точка 2), впускной клапан открывается за 10-20^о до в.м.т. (точка 3), т.е. в течение некоторого времени одновременно открыты оба клапана. Это называется перекрытием клапанов. При движении отработавших газов через выпускной клапан за счет их эжектирующего действия в зоне цилиндра под впускным клапаном образуется разрежение. Вследствие этого в случае перекрытия клапанов в цилиндр поступает свежий заряд при одновременном удалении отработавших газов.

Рис.8. Характеристика процесса газообмена в четырехтактном дизеле с газотурбинным наддувом: а – схема двигателя с газотурбинным наддувом; б – индикаторная диаграмма процесса газообмена и фазы газораспределения; 1 – газокомпрессор; 11 – газовая турбина

При наддуве воздух (или топливовоздушную смесь в двигателях с внешним смесеобразованием) вводят в цилиндр после предварительного сжатия его в компрессоре. Схема газотурбинного наддува показана на рис. 8. Отработавшие газы при открытии выпускного клапана подводятся к газовой турбине, приводящей в действие компрессор. При работе двигателя с наддувом, когда давление выше чем , б, перекрытие клапанов используют для продувки цилиндра воздухом, что улучшает его очистку от остаточных газов, а также снижает тепловую напряженность поверхностей, образующих камеру сгорания (днище поршня, стенки цилиндра, головки клапанов и головка блока цилиндров).

При газотурбинном наддуве и постоянном давлении газа перед турбиной отработавшие газы удаляются из цилиндров в ресивер, где устанавливается давление

Свежий заряд в цилиндр поступает при давлении . Температура воздуха после сжатия в компрессоре будет выше . При использовании высокой степени наддува когда это отношение больше 2,0-2,5 в магистрали после компрессора (перед вводом воздуха в цилиндр двигателя) устанавливают холодильник для снижения температуры Это при том же увеличивает количество поступающего в цилиндр свежего заряда. Наличие потерь в системе впуска, как и при работе двигателя без наддува, приводит к тому, что давление будет меньше давления воздуха после компрессора на величину гидравлических потерь

Втекание свежего заряда в цилиндр продолжается также и при возвратном движении поршня к в.м.т. Дозарядка происходит частично вследствие того, что при движении поршня от н.м.т. или Во время работы двигателя без наддува возможно также втекание заряда при движении поршня от н.м.т. (точка а) до закрытия впускного клапана (точка 4) под действием образующего в системе впуска скоростного напора, при котором давление перед впускным клапаном будет выше атмосферного (динамический наддув). Закрывает впускной клапан в современных быстроходных двигателях через 50-70^о после н.м.т.

Вследствие инерционных и волновых явлений, характерных для систем впуска и выпуска в быстроходных двигателях, и нестационарности процесса изменение давления в цилиндре в период газообмена имеет сложный характер, а поэтому аналитический расчет процесса с учетом указанных явлений затруднителен, и его можно вести только с использованием ЭВМ. По этой же причине окончательно фазы распределения в современных двигателях выбирают экспериментально.

 

Параметры процесса впуска

 

Количество свежего заряда, поступившего в процессе впуска, т.е. наполнение цилиндра зависит от следующих факторов:

1) гидравлического сопротивления впускной системы, снижающего давление подаваемого заряда на величину ;

2) наличия в цилиндре некоторого количества продуктов сгорания (остаточные газы), занимающих часть его объема;

3) подогрева заряда от поверхности стенок системы впуска и внутрицилиндрового пространства на величину , вследствие чего уменьшается плотность подаваемого заряда.

Влияние каждого из указанных факторов можно выяснить при раздельном их рассмотрении. Для упрощения задачи в дальнейшем предполагается, что процесс впуска заканчивается в точке а (см. рис. 7). Все явления, связанные с дозарядкой цилиндра и его продувкой оцениваются опытными коэффициентами.

Сопротивление впускной системы состоит из местных сопротивлений и сопротивлений по длине. К местным сопротивлениям относятся: сопротивления воздушного фильтра, сопротивление диффузора (при наличии карбюратора) или сопротивление форсунки при наличии впрыскивания бензина во впускной трубопровод, сопротивление при обтекании дроссельной заслонки (в двигателях от постороннего источника воспламенения), сопротивление в проходном сечении впускного клапана, сопротивление, обусловленное изменением направления потока. Сопротивление по длине зависит от качества (шероховатости) поверхности.

Понижение давления при движении заряда во впускной системе пропорционально квадрату частоты вращения и обратно пропорционально квадрату площади проходного сечения, .

Увеличение площади является способом уменьшения потерь давления. В современных четырехтактных автомобильных двигателях с верхним расположением клапанов проходная площадь увеличивается путем увеличения числа клапанов. Однако их количество ограничивается условиями размещения в головке блока цилиндров.

По опытным данным в автомобильных двигателях при полном открытии клапана на номинальном режиме давление в цилиндре в конце впуска

для двигателей без наддува,

для двигателей с наддувом,

где – атмосферное давление при нормальных условиях,

– давление после компрессора.

 

 

Количество остаточных газов

В процессе выпуска не удается полностью удалить из цилиндра продукты сгорания, занимающие некоторый объем при соответствующих давлении и температуре . В процессе впуска остаточные газы расширяются и, смешиваясь с поступающим свежим зарядом, уменьшают наполнение цилиндра. Количество остаточных газов принято определять относительной величиной, называемой коэффициентом остаточных газов

(13)

где - количество остаточных газов; - количество свежего заряда.

Величина давления определяется давлением среды, в которую происходит выпуск, т.е. давлением при выпуске в атмосферу или при установке на выпуске глушителя или сборника при газотурбинном наддуве.

Температура зависит от состава смеси, степени расширения и теплообмена при расширении и выпуске. В бензиновых двигателях, в которых состав смеси изменяется в сравнительно небольших пределах, с уменьшением нагрузки понижается незначительно. В дизелях, где регулирование нагрузки производится изменением состава смеси, температура заметно снижается с уменьшением нагрузки. Вследствие более высоких степеней сжатия и соответственно расширения и более низких температур в процессе расширения величина в дизелях значительно ниже (на 200-300 ), чем в бензиновых двигателях.

Объем , однозначно зависит от степени сжатия , убывая с ее увеличением. Следовательно, при прочих равных условиях увеличение в четырехтактных двигателях всегда сопровождается уменьшением .

При полной нагрузке у бензиновых и газовых двигателей без наддува у дизелей без наддува , а температура для бензиновых двигателей, для дизелей.

 

Коэффициент наполнения

Совершенство процесса впуска принято оценивать коэффициентом наполнения равным отношению количества свежего заряда, находящегося в цилиндре к началу действительного сжатия, т.е. к моменту закрытия органов газообмена, к тому количеству свежего заряда, которое могло бы заполнить рабочий объем цилиндра при условиях на впуске. Условиями на впуске для четырехтактных двигателей без наддува являются давление и температура окружающей среды, для двух- и четырехтактных двигателей с наддувом – давление и температура после компрессора.

Расчеты показывают, что для двигателей с внешним смесеобразованием, работающих на жидком топливе, разница в коэффициентах наполнения, подсчитанных из условий, что свежим зарядом является воздух или топливовоздушная смесь, незначительна. Поэтому в дальнейшем для таких двигателей, так же как и для дизелей, будем определять по количеству поступающего в цилиндр воздуха. Согласно определению

, (17)

где – количество воздуха, действительно поступившего в цилиндр в массовом или объемном измерении за цикл; – рабочий объем; – плотность воздуха.

Коэффициенты наполнения можно определить по следующей зависимости.

(18)

 

Степень сжатия

Так как изменение степени сжатия вызывает изменение других факторов, то степень сжатия практически не влияет на коэффициент наполнения. Это подтверждается экспериментальными исследованиями.

 

 

Давление в конце впуска

Давление оказывает наибольшее влияние на коэффициент . Уменьшение давления зависит от сопротивлений во впускной системе и пропорционально квадрату средней скорости движения заряда в наименьшем сечении впускной системы. На величину влияет также конструкция впускного тракта (расположение клапанов, наличие поворотов, местных сопротивлений и др.), качество обработки внутренней поверхности стенок впускной системы, положение дроссельной заслонки (у двигателей с внешним смесеобразованием) и скоростной режим.

 

Давление остаточных газов

Давление влияет на . Более высокое давление при неизменной температуре соответствует наличию в цилиндре большего количества остаточных газов. В этом случае при движении поршня от в.м.т. на расстояние остаточных газов затрачивается большая часть хода поршня и впуск начинается позже, вследствие чего коэффициент уменьшается. Давление оказывает в раз меньшее влияние на , чем давление конца впуска . Оно зависит от условий организации выпуска и сопротивления выпускного тракта. Как и в системе впуска, сопротивление выпускной системы пропорционально квадрату скорости истечения газа в наименьшем проходном сечении и, следовательно, пропорционально квадрату частоты вращения коленчатого вала двигателя. Учитывая меньшее влияние на в некоторых конструкциях двигателей, несколько уменьшают проходные сечения выпускных клапанов и соответственно увеличивают проходные сечения впускных клапанов, повышая тем самым .

Подогрев заряда

Подогрев свежего заряда от стенок впускного коллектора и цилиндра уменьшает плотность заряда. В результате с ростом коэффициент наполнения уменьшается, рис. 9.

В двигателях с внешним смесеобразованием часть теплоты, вносимой с воздухом, расходуется на подогрев и испарение бензина. Однако чаще всего количество теплоты воздуха, которое используется для указанных целей, не может обеспечить полное испарение находящегося во впускном трубопроводе топлива. При низкой температуре окружающей среды возможно обледенение трубопровода. Поэтому при таком способе смесеобразования смесь дополнительно подогревают во впускном трубопроводе. Следует иметь в виду, что чрезмерный подогрев ведет к снижению .

В дизеле топливо вводится и испаряется в цилиндре в конце сжатия. Поэтому подогревать воздушный заряд при впуске нецелесообразно. Однако при впуске двигателя и низкой температуре окружающей среды осуществляется подогрев. Особенно это имеет место для дизелей с пленочным или пристеночном способе смесеобразования, а также в дизелях с разделенной камерой сгорания. Этим достигается более высокая температура воздуха к концу также сжатия, необходимая для воспламенения топлива. После запуска дизеля подогрев отключается.

 

 

Наполнение двигателя при n = соnst и изменения нагрузки

 

 

При уменьшении нагрузки карбюраторного двигателя и соответствующем прекрытии дроссельной заслонки гидравлические сопротивления возрастают, что приводит к изменению характера протекания процесса газообмена. Зависимость давления от положения дроссельной заслонки показана на рис. 10. При большом прикрытии дроссельной заслонки коэффициент остаточных газов увеличивается. Подогрев заряда вследствие меньшей температуры поверхности при снижении нагрузки несколько уменьшается. Однако изменение в данном случае незначительно. В результате совместного действия этих факторов с уменьшением нагрузки коэффициент также снижается.

У четырехтактных дизелей во впускной системе отсутствует устройство, изменяющее количество подаваемого в цилиндр воздуха. Вследствие этого при и изменении нагрузки гидравлические сопротивления во впускной системе не меняются. При увеличении нагрузки, что связано с подачей большего количества топлива, температура теплопередающей поверхности становится выше, подвод теплоты к свежему заряду и соответственно увеличивается. В результате уменьшается плотность заряда и, соответственно, его массовое поступление. Коэффициент наполнения уменьшается. Влияние на не превышает 4,5%.

 

Рис.10. Зависимость давления и коэффициентов и от нагрузки карбюраторного двигателя	Рис.11. Зависимость коэффициента наполнения и потерь от нагрузки дизеля ): 1- изменение наполнения, ; 2 - уменьшение наполнения от подогрева, ; 3 – сопротивление системы; 4 – наличие остаточных газов

 

Влияние изменения на наполнение

Четырехтактных двигателей

При изменении частоты вращения и работе двигателя с полной нагрузкой (по внешней скоростной характеристике) на качество наполнения влияют сопротивление во впускной системе, подогрев заряда и наличие остаточных газов. Вместе с тем большое влияние оказывают фазы газораспределения и волновые явления, возникающие в системах впуска и выпуска.

На рис. 12 показано изменение отдельных факторов, влияющих на в зависимости от скоростного режима двигателя. С увеличением частоты вращения сопротивление системы возрастает пропорционально ее квадрату, в результате чего повышается, а давление снижается. Температура подогрева заряда , несмотря на увеличение средней температуры теплопередающей поверхности, уменьшается из-за сокращения времени теплообмена. Коэффициент остаточных газов несколько увеличивается. В результате этого с увеличением частоты вращения, если не учитывать влияния фаз газораспределения и утечки заряда через неплотности в кольцах коэффициент будет снижаться.

Путем соответствующего выбора фаз впуска и выпуска удается получить соответствующие условиям эксплуатации зависимости количества поступившего заряда и коэффициента наполнения от (см. рис. 12). С увеличением частоты вращения растет, а затем после достижения максимального значения уменьшается. Ранее было показано, что для обеспечения лучшей очистки, наполнения цилиндра и дозарядки четырехтактного двигателя полезно расширять фазы впуска и выпуска. Фазы выбирают экспериментально с учетом достижения наибольшего коэффициента на тех скоростных режимах, на которых необходимо получить максимальный крутящий момент¹.

 

Рис.12. Зависимость некоторых факторов, характеризующих процесс наполнения, от частоты вращения при оптимальных фазах газораспределения	Рис.13. Влияние скоростного режима двигателя на коэффициент при разных нагрузках

 

При уменьшении частоты вращения по сравнению с ее значением, при котором максимальный, снижается из-за несоответствия выбранных фаз данному скоростному режиму и утечки заряда в конце впуска (при движении поршня от н.м.т. к в.м.т.) обратно во впускную систему. При повышении частоты вращения по сравнению с ее значением, соответствующим максимальному , коэффициент уменьшается в результате увеличения сопротивления на впуске и влияния других приведенных выше факторов.

На рис. 13 показаны кривые для дизеля и карбюраторного двигателя. Кривая 3 характеризует изменение в карбюраторном двигателе при полностью открытой дроссельной заслонке. При уменьшении нагрузки заслонку прикрывают, вследствие чего сопротивления в системе впуска возрастают, и с увеличением коэффициент снижается более резко (кривая 4). По мере прикрытия дроссельной заслонки разрежение в пространстве на ней увеличивается. С момента, когда отношение равно критическому, зависимость становится гиперболической (кривая 5).

В дизеле при полной нагрузке коэффициент несколько выше (кривая 2), чем у карбюраторного двигателя (кривая 3); кроме того, кривая 2 более пологая, чем кривая 3, что объясняется меньшими гидродинамическими потерями на впуске у дизеля. При работе на холостом ходу у дизеля выше (кривая 1) из-за меньшего подогрева заряда (см. рис. 11).

В некотором диапазоне частот вращения коэффициент можно повысить путем эффективного использования волновых явлений в выпускном и впускном трубопроводах (инерционный наддув)².

	Рис.14. Изменение коэффициента при работе по внешней скоростной характеристике: а – дизелей; б – карбюраторных двигателей; 1 – быстроходный дизель при ; 2 – ЯМЗ = 238; 3 – Даймлер-Бенц ОМ-403; 4 – АЗЛК-412; 5 – АЗЛК-408; 6 – ГАЗ-24; 7 – МемЗ-968А; 8 – ГАЗ-53

 

На рис. 14 показано изменение коэффициента для некоторых карбюраторных двигателей и дизелей при работе их по внешней скоростной характеристике. При работе на номинальных режимах коэффициент изменяется в пределах 0,75 – 0,85 у карбюраторных двигателей и 0,8 – 0,9 – у дизелей.

В табл. 1 приведены фазы газораспределения некоторых автомобильных двигателей.

Таблица 1

ГЛАВА 1

Общие сведения

В процессе изучения дисциплины студент должен получить систему знаний о факторах, формирующих энергоэкономические, экологические, эксплуатационные показатели двигателей.

Показатели, характеризующие работу двигателя

Эффективная мощность, ( кВт). Мощность снимается с коленчатого вала и обеспечивает работу трансмиссии автомобиля. Мощность оценивает возможность совершения работы в единицу времени.

Среднее эффективное давление оценивает совершенство рабочего процесса, эффективность работы двигателя. От среднего эффективного давления зависит мощность и момент двигателя.

Эффективный момент двигателя, характеризует тяговые свойства автомобиля. Известно, что момент есть произведение силы на плечо.

 

На рис. 1 показана схема кривошипно-шатунного механизма. На днище поршня действует сила от давления газов при сгорании топливовоздушной смеси где – давление газов; – площадь поршня. При возвратно-поступательном движении масс возникают силы инерции, . В результате движение поршня происходит под действием суммарной силы. (1) Суммарная сила приложена к поршневому пальцу. Разложим ее на две составляющие. Одна направлена по шатуну, другая – перпендикулярна к цилиндру. Силу, направленную по шатуну, перенесем по линии действия к шатунной шейке и снова разложим на две составляющие, одна из них перпендикулярна кривошипу, другая – направлена по кривошипу.   Из рис. 1 видно, что момент равен . В данном случае индикаторный момент, а эффективный момент будет меньше индикаторного на величину механических потерь, т.е. , (2)

Рис. 1. Схема кривошипно- шатунного механизма

где – составляющая от суммарной силы и зависит от количества тепла, выделившего при сгорания смеси; – радиус с кривошипа; – механический коэффициент полезного действия.

Таким образом, эффективный момент зависит от индикаторного давления, образуемого при сгорании, и конструкции двигателя. Из этого следует, что при одинаковой мощности и конструкции трансмиссии автомобили могут иметь разные тяговые свойства из-за неодинаковых размеров кривошипа.

Одним из основных параметров увеличения мощности – увеличение частоты вращения вала двигателя (n). Но с увеличением n растет средняя скорость поршня () и, следовательно, силы инерции.

(3)

где – рабочий ход поршня, равный 2 R.

В целях обеспечения надежности двигателя не должна превышать верхнего предела. Из формулы (1) видно, что с увеличением n необходимо уменьшать (), чтобы ограничить рост , т.е. уменьшать R. В результате момент двигателя снижается, уменьшаются тяговые свойства двигателя.

С другой стороны при низких значениях n, уменьшается средняя скорость поршня, что приводит к снижению качества смесеобразования и сгорания. Из этого следует, что не должна иметь низкие значения. В низкооборотных двигателях для повышения увеличивают , другими словами R.

Неизменность рабочего объема цилиндра при изменении обеспечивается путем соответствующего изменения диаметра цилиндра, т.е. отношение .

В зависимости от этого отношения двигатели называются короткоходые или длинноходые > 1.

Итак, высокооборотные имеют , а низкооборотные > 1.