Процес згоряння. Особливості протікання процесу згоряння в карбюраторному і дизельному двигунах.

Параметри процесу згоряння визначаються особливостями хімічних реакцій, умовами тепло- та масообміну в зоні полумя тощо. Горіння відбувається в газовій фазі, найшвидше – в однорідних сумішах, коли молекули палива рівномірно розміщені між молекулами кисню.

Згоряння в двигуні з іскровим запалюванням.За нормальних умов суміш палива, що випаровалося, повітря й залишкових газів (робоча суміш) запалюється єлектричною іскрою. Повнота і швидкість згоряння визначають ефективність робочого процесу в циліндрі двигуна, тому застосовують:

- транзисторні або тиристорні системи запалювання, які розширюють межі збіднення

сумішей під час роботи з малими навантаженнями, знижують витрату палива й токсичність викидів;

- завихрення заряду на впуску;

- розшарування заряду (концентрування збагаченої суміші в зоні іскрової свічки, а збідненої – у віддалених зонах).

Розглянемо аномалії процесу згоряння та заходи щодо їх усунення. За нормального згоряння суміші фронт полум’я поширюється від іскрової свічки зі швидкістю 20-30 м/с. Після досягнення фронтом полум’я найвіддаленішої зони й вигоряння палива процес там припиняється. Під час поширення полум’я камеру згоряння щомиті можна уявити як таку, в одній частині якої паливо уже згоріло, а в іншій (попереду) – знаходиться стиснена робоча суміш. Внаслідок адіабатичного стиснення ця суміш розігрівається так, що кожен наступний шар у момент спалахування від полум’я має все вищу і вищу температуру.

За певних умов рівень розігрівання суміші за рахунок адіабатичного підтискання може досягти такого значення, за якого частина її спалахує до підходу фронту полум’я. Як правило, таке самоспалахування суміші виникає в найвіддаленішій від свічки зоні. Це явище називають детонацією. Описаний процес спричинює локальне зростання тиску в зоні й породжує детонаційну хвилю тиску, що поширюється в камері згоряння зі швидкістю звуку. Ударна хвиля відбивається від стінок і рухається в зустрічному напрямку. Частота ударів досить висока, що виявляється у характерному високотональному звуку. Іншими зовнішніми виявами детонації є спад потужності та чорне забарвлення випускних газів.

Тривала робота двигуна з детонацією призводить до руйнування поршнів, обгоряння прокладки й електродів свічок (температура в циліндрі може досягти 3500 ⁰С). Ударна хвиля руйнує плівку оливи на поверхні верхньої частини циліндрів.

Згоряння в дизелі. Внаслідок короткочасності процесу сумішоутворення до початку згоряння утворення робочої суміші в усьому об’ємі камери згоряння завершитись не встигає. Тому процес відбувається в гетерогенній (неоднорідній за агресивним станом) паливоповітряній суміші. Період від початку впорскування палива до бурхливого тепловиділення, упродовж якого відбувається розпадання струменя на каплі, переміщення крапель в об’ємі камери згоряння та їх підігрівання, часткове змішування пари палива з повітрям, розвиток холоднополуменевих реакцій, називають періодом затримки спалахування.

Тривалість періоду затримки спалахування істотно впливає на розвиток процесу згоряння і залежить від таких чинників: хімічного складу палива; ступеня стиску; параметрів надуву.

Жорсткість роботи дизеля характеризується згорянням у камері великої кількості палива з інтенсивним виділенням теплоти. Це явище збільшує навантаження кривошипно-шатунного механізму. Великою мірою жорсткість роботи залежить від способу сумішоутворення (визначається формою камери згоряння та кутом випередження подачі палива).

5. Процес розширення.

Процес розширення. В цьому процесі гази виконують роботу, тому його називають робочим ходом.

На хід процесу розширення істотно впливає догоряння суміші, особливо у дизелях, в наслідок дифузійного характеру згоряння в заключній фазі. При цьому догоряння може відбуматися на значній зоні процесу розширення. Крім тепловитрат у результаті тепловідачі в стінки та тепловідведення від догоряння, на хід процксу розширення впливає витікання газів крізь нещільності поршневих колець, що відбивається на характері зміни тиску подібно до втрати теплоти.

Справжній процес розширення можна уявити (аналогічно процесу стискання), як політропний. Значення усередненого показника політропи розширення для сучасних автомобільних і тракторних двигунів у режимі номінального навантаження перебувають у межах: карбюраторних- 1,23-1,30; дизельних- 1,18 – 1,12; газових – 1,25 – 1,35. При цьому менші значення стосуються форсованих дизелів з високим наддувом (внаслідок догоряння на лінії розширення).

Показник політропи розширення зростає за умови інтенсифікації охолодження деталей, збільшення відносної поверхні й часу теплообміну, швидкості згоряння та витікання заряду крізь нещільності. Зі збільшенням навантаження двигуна зростають втрати теплоти й витікання заряду, що спричинює зменшення показника політропи.

Тиск і температура в циліндрі у кінці процесу становлять: для карбюраторних двигунів – 0,35 – 0,60 МПа, 1280 – 1580⁰С; для дизелів – 0,2 – 0,5 МПа, 880 –1200⁰С.

6. Процес випуску.

Процес випуску має забезпечувати очищення циліндра від продуктів згоряння – відпрацьованих газів. Випускання відпрацьованих газів розпочинається з відкривання випускного клапана, який відкривається задовго до приходу поршня в НМТ під час робочого ходу (див. рис. 1). У момент його відкривання тиск у циліндрі в 3-4 рази перевищує тиск навколишнього повітря. Тому витікання відбувається зі швидкістю 600-700 м/с. В міру зменшення кількості газів у циліндрі зменшується їх тиск, і в певний момент поблизу НМТ швидкість спадає до дозвукової (100-250 м/с). До цього часу випускний клапан встигає відкритися приблизно наполовину. Наступна частина процесу випускання – це витіснення продуктів згоряння поршнем, який рухається від НМТ до ВМТ.

Ділянку випускання від початку відкривання випускного клапана до НМТ називають вільним випусканням (гази витікають під власним тиском), а ділянку, на якій гази виштовхуються поршнем, - примусовим.

Питання для самоконтролю:

1. З яких послідовних процесів складається робочий цикл поршневого двигуна внутрішнього згоряння?

2. Які фактори впливають на процес впуску?

3. За скільки градусів відкривається впускний клапан у двигуні Д- 240 до приходу поршня у ВМТ?

4. Яка температура і тиск наприкінці стискування для карбюраторних двигунів?

5. Що спричинює зменшення показника політропи?

 

Тема 2.2. Кінематика і динаміка КШМ.

Питання, що виносяться на самостійне вивчення:

1. Зрівноважування двигуна.(модульне.)

2. Методи і засоби зрівноваження двигунів.

3. Дійсне зрівноважування двигуна.

Рекомендована література:

 

/1/, с. 46...49.

Методичні вказівки:

Зрівноважування двигуна

Двигун буде повністю зрівноважений, якщо при встановленому режимі роботи n=const сили і моменти, що діють на опори, рівні нулю чи постійні по величині і напряму.

Зрівноважені:

- сила тиску газів у циліндрі двигуна;

- сили тертя.

Незрівноважені:

- сили інерції зворотньо-поступальних мас;

- відцентрові сили інерції незрівноважених обертових мас;

- дотичні сили інерції обертових мас при ω≠const кривошипа;

- сили реакції рухомих рідин і газів.

Умови рівноваги двигуна по силах інерції і моментах від них можуть бути записані системою рівнянь:

∑Р_j1=0; ∑Р_j2=0; ∑Р_r=0;

∑P_j1=0; ∑P_j2=0; ∑P_r=0;

Зрівноважування здійснюється:

а) вибором певного числа циліндрів, розміщенням циліндрів і кривошипів колінчастого вала (щоб сили і моменти від них взаємнозрівноважувались);

б) встановленням противаг.

Зрівноважування 1 – циліндрового двигуна.

Незрівноважені:

- сила інерції зворотньо-поступальних мас

Р_j= -m₁∙ω²∙r∙(cos α+2cos2 α)

- відцентрова сила інерції незрівноваженних обертових мас

Р_r= -m_r ώ² Ч

- перекидний момент

М_оп= - N^.А

Сила інерції зворотньо – поступальних мас зрівноважується спеціальним механізмом:

 

Рис.2. Зрівноважування 1Ц двигуна по методу Лангестерна.

На кінці двох допоміжних валиків розміщених семетрично з обох сторін циліндра і 2 осі КВ, жорстко посаджені шестерні 3 і 4. Ці шестерні приводяться в рух від шестерні 1,закріпленої на КВ, через шестерню. Шестерні 1, 3, 4 обертаються з одинаковою швидкістю.

Горизонтальні складові відценрових сил інертної противоположені при будь якому α рівні, але протилежні, тому зрівноважуються.

 

m_пр ω² r cos α

Вертикальні складові цих сил дають рівнодійну R=2 ———————=

= m_пр ω² r cos α= P_j, але направлену в протилежну сторону (зрівноважується).

При допомозі аналогічного механізму можна зрівноважувати і силу інерції другого порядку. Для цього треба противаги на допоміжних валиках приводити в рух з подвоєною кутовою швидкістю (складний механізм), тому P_j в автотракторних двигунах не зрівноважується.

Сила інерції обертових мас повністю зрівноважується встановленням противаг (на щоках К.В., чи на маховику і шківі приводу вентилятора).

 

2. Методи і засоби зрівноваження двигунів.

Наявність сил інерції, моментів сил інерції, а також перевертального моменту викликає зовнішню незрівноваженість двигуна. Конструктивну зрівноваженість двигуна описує система рівнянь

Σ Рj ₁ =0 Σ Мj ₁ =0

Σ Рj ₂ =0 Σ Мj ₂ =0

Σ Р _ş =0 Σ М _ş =0

 

Для зменшення впливу сил і моментів вживають різні конс­трукційні заходи: вибір відповідної кількості циліндрів та їх розташування, встановлення противаг і зрівноважувальних ме­ханізмів. При цьому забезпечують дотримання допусків на маси поршнів, шатунів, колінчастого вала та інших деталей; балансу­вання колінчастого вала; ідентичність робочого процесу в усіх циліндрах. Отже, зрівноважування двигуна — це комплекс конструкційних, виробничих та експлуатаційних заходів, спря­мованих на зменшення або повне усунення незрівноважених ві­льних сил інерції та моментів.

В одноциліндровому двигуні діють сили інерції першого по­рядку Рj ₁, другого порядку Рj ₂ та відцентрова сила Р _ş (рис.3). Лінії дії всіх сил знаходяться в одній площині й перетина­ються з віссю колінчастого вала в одній точці, тому незрівнова-жені моменти відсутні. Для зрівноважування Р _ş на щоках колі­нчастого вала встановлюють противаги. Сили Рj ₁ і Рj ₂ можна зрівноважити за допомогою спеціального механізму (додаткові вали з противагами на кінцях), але внаслідок складності конс­трукції його застосовують обмежено.

 

Рис. 3. Схема дії сил інерції в одноциліндровому двигуні

В однорядному двоциліндровому двигуні з розмі­щенням кривоши­пів під кутом 180° сили інерції Рj ₁ в обох циліндрах од­накові і спрямовані в протилежні боки, тобто Σ Рj ₁ =0. У площині осей ци­ліндрів сили Рj ₁ утворюють незрівноважений момент:

 

 

де L_ц — відстань між осями циліндрів.

Сили Рj ₂ в обох циліндрах однакові, спрямовані в один бік і створюють рівнодійну силу

Зрівноважують ці сили за допомогою спеціального механізму (додаткових валів з противагами на кінцях, які обертаються з подвоєною кутовою швидкістю відносно колінчастого вала в протилежному напрямку). Сили Р _ş від першого й другого цилі­ндрів взаємно зрівноважені, а момент дії цих сил зрівноважу­ється противагами.

З аналізу схеми розміщення кривошипів і напрямків сил іне­рції в однорядному чотирициліндровому двигуні (рис.4) ви­пливає: сили інерції Рj ₁ взаємно зрівноважуються і їх сума до­рівнює нулю; це саме стосується і моментів цих сил; сили інер­ції Рj ₂ для всіх циліндрів однакові і спрямовані в один бік. Їх рівнодійна

Рівнодійну Σ Рj ₂ можна зрівноважити за допомогою спеціа­льного механізму (як у однорядному двоциліндровому двигуні). Сумарний момент цих сил дорівнює нулю.

 

 

Рис.4. Схема дії сил інерції в однорядному чотирициліндровому двигуні

Відцентрові сили інерції для всіх циліндрів однакові й попарно взаємно зрівноважуються, а їх рівнодійна також дорівнює нулю:

Σ М _ş =0.

 

Незважаючи на конструкційну зрівноваженість відцентрових сил у деяких чотирициліндрових двигунах колінчасті вали ма­ють противаги (для розвантаження корінних підшипників від дії цих сил).

Колінчастий вал двоциліндрового V-подібного двигуна з кутом між циліндрами 90° — з одним коліном, на шатунній шийці яко­го встановлено два шатуни. Рівнодійна Рj ₁ стала й спрямована вздовж радіуса кривошипа, може бути

зрівноважена збільшенням маси противаг, які застосовують для зрівноваження відцентрових сил інерції. Рівнодійна Рj ₂ не зрівноважена і передається на опори двигуна. Оскільки сили інерції першого й другого порядку діють в одній площині, перпендикулярній до осі колінчастого ва­ла, то вони не створюють незрівноваженого моменту.

Восьмициліндровий V-подібний двигун можна розглядати як сукупність чотирьох двоциліндрових V-подібних з одним чотириколінним валом. У такому двигуні за допомогою противаг на щоках колінчастого вала зрівноважують сили інерції першого порядку, відцентрові сили та їхні моменти. Сили інерції другого порядку зрівноважуються взаємно.

3. Дійсне зрівноважування двигуна.

В реальних двигунах із-за відхилень розміри деталей і різної густини їх металу сили інерції рухомих деталей для окремих циліндрів будуть неодинаковими і зрівноважування двигуна порушується.

Для зиеншення цих факторів (маси і розмірів) обертові частини балансують, а зворотньо-поступальні – підбирають за масою (А-41М – комплект поршнів і шатунів не більше 30 грам, а ГАЗ-53 – 8 грам).

Постійна зміна ω_кв при роботі двигуна внаслідок М_кр≠ const також негативно впливають на зрівноважування двигуна.

Питання для самоконтролю:

1. Дайте визначення повної зрівноваженості двигуна.

2. Якими засобами зрівноважують сили інерції та відцентрові сили, що діють на колінчастий вал?

3. Які сили належать до незрівноважених?