Действительный рабочий цикл ДВС

Действительный рабочий цикл ДВС

Определение и принцип действия ДВС

ДВС является доминирующим источником на наземном транспорте. Причины этого заключаются в его компактности, экономичности, надежности и долговечности.

Поршневой ДВС (ПДВС) – тепловая машина, в которой сжигание топлива и преобразование части выделившейся теплоты в работу происходят непосредственно внутри рабочего цилиндра двигателя. Конструктивно ДВС представляет собой комплекс механизмов и систем, предназначенных для выполнения этой задачи.

Механизм – совокупность подвижно соединённых тел (звеньев), совершающих целенаправленное движение под действием приложенных сил определённые целесообразные движения. Он предназначен для преобразования движения одних звеньев в требуемые движения других.

ДВС имеет два механизма:

· кривошипно-шатунный (КШМ), преобразующий возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение коленчатого вала, и

· механизм газораспределения (МГР), обеспечивающий своевременное поступление рабочего тела в цилиндр и удалением продуктов сгорания.

Система – множество элементов (узлов, агрегатов, приборов и т.д.) с отношениями и связями между ними, образующих некоторую целостность и подчинённых определённому руководящему принципу.

· Система охлаждения обеспечивает поддержание требуемого теплового состояния двигателя в соответствии с режимом работы двигателя..

· Смазочная система предназначена для снижения потерь на трение и уменьшения износа трущихся поверхностей деталей.

· Система питания или топливная система предназначена для подачи необходимого количества топлива в двигатель, а также частично для организации процессов его смешения с воздухом и сгорания.

· Система зажигания (только в двигателях с искровым зажиганием) осуществляет создание искровых разрядов в цилиндрах двигателя для воспламенения топлива в соответствии с порядком его работы.

· Система газообмена включает в себя подсистему воздухоподачи и подсистему выпуска отработавших газов. Первая из них осуществляет очистку воздуха, глушение шума впуска, организацию его движения на входе в цилиндр и при необходимости (при наличии наддува) повышение его давления. Вторая подсистема осуществляет удаление отработавших газов (ОГ), глушение шума выпуска, нейтрализацию ОГ, а также улавливание твёрдых частиц (только для дизелей). При наличии газотурбинного наддува в состав подсистемы выпуска включается турбина, приводящая в действие компрессор.

· Система пуска обеспечивает надёжный и быстрый пуск двигателя в различных эксплуатационных условиях.

· Система управления двигателем координирует работу остальных систем с целью достижения желаемого эффекта. В современных машинах она входит в состав общей системы управления машиной.

· Система электропитания обеспечивает подачу электроэнергии ко всем локальным исполнительным механизмам или устройствам, потребляющим электроэнергию. В её состав входит подсистема зарядки аккумуляторных батарей,

Принципиальная схема ДВС включает в себя следующие основные элементы: · цилиндр, образующий рабочую полость и одновременно служащий для направления движения поршня; головка цилиндра, также образующая рабочую полость, но одновременно служащая для размещения органов газообмена; · поршень, воспринимающий давление газов и передающий усилие на коленчатый вал; · шатун (ПГШ+Ст Ш+КГШ); · коленчатый вал (КВ (КШ+ШШ+Щ)), являющийся последним элементом преобразования движения поршня во вращательное движение; · маховик для снижения неравномерности частоты вращения и для облегчения процесса трогания машины с места; · картер для размещения элементов КШМ и МГР, а также элементов смазочной системы и системы охлаждения; · поддон для размещения элементов смазочной системы.

Принцип действия ДВС основан на использовании силы давления газов вследствие их расширения при нагреве, вызванном процессом сгорания топлива, перемешанного с воздухом. Через поршень и шатун усилие передается на КВ, сообщая ему вращательное движение.

Особенности ДВС как источника энергии

1) Многостадийность преобразования энергии: внутренняя химически связанная потенциальная энергия топлива в результате сгорания (химической реакции между компонентами топлива и кислородом воздуха) преобразуется во внутреннюю кинетическую энергию газов, которая частично преобразуется в механическую энергию.

2) Цикличность рабочего процесса – широкий диапазон изменения температур (от 300 к до 2500 к) и давлений (0,1-10 МПа). Это дает возможность использовать высокие температуры без опасности превышения предела термопрочности. Но вместе с тем это приводит к высоким динамическим нагрузкам и термическим напряжениям.

Вследствие цикличности рабочего процесса детали соприкасаются с горячими газами в течение короткого времени (сгорание – расширение), а в остальных процессах – впуска, выпуска, сжатия, температура относительно невысокая. Таким образом, периодичность позволяет осуществить цикл в более широких температурных пределах, чем это имеет место в циклах других тепловых машин, что обеспечивает поршневым ДВС более высокий КПД.

3) Высокая частота циклов (частота вращения современных двигателей легковых автомобилей достигает n=6000 мин^-1, что резко снижает время, отводимое на совершение всех рабочих процессов. При n=6000 мин^-1, время рабочего цикла t_w = 0,02 с. В итоге предъявляются высокие требования к организации рабочего процесса.

4) Поскольку полезная работа совершается только в части рабочего цикла, а остальная часть занята вспомогательными процессами, то это снижает агрегатную мощность ДВС.

 

Требования к ДВС автомобилей и ДСМ

Анализ условий работы ДВС автомобилей, тракторов и ДСМ позволяет сформулировать основные требования к ДВС подобного назначения.

1) Регулируемость – способность изменять мощность при изменении внешней нагрузки.

2) Быстрая адаптация к изменению внешней нагрузки или к изменению положения органа управления, т.е. высокие динамические свойства.

3) Экономичность.

4) Высокие экологические показатели.

5) Высокая надёжность.

6) Быстрый запуск двигателя.

7) Минимальные габариты и масса

8) Простота обслуживания.

Необходимо отметить, что требования высокой экономичности, высоких экологических показателей и надёжности должны обеспечиваться в широком диапазоне его скоростных и нагрузочных режимов, а также при частой их смене.

Двигатели внутреннего сгорания, применяемые в качестве силовых установок для автомобилей, тракторов и ДСМ, в значительной мере удовлетворяют указанным требованиям.

Вместе с тем им присущи следующие недостатки.

1) Ограниченная агрегатная мощность, вызванная цикличностью рабочего процесса. Под эти показателем понимается отношение массы двигателя на единицу мощности. В настоящее время этот показатель 4…6 кг/кВт, (в начале века ХХ века 20…40 кг/кВт). По этому показателю они уступают газотурбинным двигателям.

2) Высокий уровень шума.

3) Высокая частота вращения при пуске двигателя.

4) Токсичность ОГ.

5) Наличие значительных вращающихся масс (ВМ) и возвратно-поступательно движущихся и масс (ВПДМ) является причиной неуравновешенности ДВС.

6) Неблагоприятная естественная тяговая характеристика ДВС, исключающая возможность его непосредственного соединения с колесами транспортной машины.

По всем этим показателям они уступают газотурбинным установкам (ГТД).

За 150 лет своего существования поршневые ДВС показали перспективность их конструкции и резервы их совершенствования.

 

Классификация ДВС

1) По способу осуществления рабочего цикла ДВС подразделяются на: 4-тактные

и 2-тактные, в которых рабочий цикл совершается соответственно за два оборота КВ и за один оборот КВ.

2) По способу регулирования мощности:

· ДВС с количественным регулированием, когда изменяется количество смеси при слабом изменении ее состава (качества).

· ДВС с качественным регулированием, когда изменяется состав смеси при слабом изменении ее количества.

3) По способу смесеобразования:

· с внешним смесеобразованием, когда смесь воздуха с топливом создаётся преимущественно вне цилиндра; подача топлива осуществляется во впускной воздушный тракт;

· с внутренним смесеобразованием, когда смесь топлива с воздухом создаётся непосредственно в цилиндре; соответственно подача топлива осуществляется непосредственно в цилиндр.

4).По способу воспламенения горючей смеси:

· с принудительным зажиганием (от искрового разряда);

· с воспламенением от сжатия (вследствие повышения температуры заряда при сжатии);

· газодизельные или бензодизельные.

4) По виду применяемого топлива: · легкого топлива (бензины); · тяжелого топлива (дизельное топливо); · газовые (сжиженный газ или сжатый природный газ); · многотопливные.

Под понятием двигатель с искровым зажиганием (ДсИЗ) понимается двигатель лёгкого топлива, с внешним смесеобразованием; с воспламенением от искры; с количественным регулированием.

Под понятием дизель понимается двигатель тяжёлого топлива; с внутренним смесеобразованием; с воспламенением от сжатия; с качественным регулированием.

5) По способу охлаждения в зависимости от вида внешнего теплоносителя различают двигатели: · с жидкостным охлаждением; · с воздушным охлаждением.

 

6. Действительный рабочий цикл: основные определения и конструктивные параметры ДВС

6.1. Основные определения

Действительным циклом ПДВС называется последовательность периодически повторяющихся процессов, осуществляемых с целью превращения части термохимической энергии топлива в механическую работу.

Рабочий цикл ПДВС состоит из 5 основных процессов: впуска, сжатия, сгорания, расширения, выпуска. Все процессы в ДВС осуществляются при перемещении поршня в цилиндре двигателя, в результате чего изменяется объем надпоршневого пространства.

Преобразование возвратно-поступательного движения поршня во вращательное реализуется с помощью кривошипно-шатунного механизма (КШМ).

Мёртвыми точками КШМ называют положение КШМ, при котором ось шатуна лежит в плоскости кривошипа КВ. При этих положениях сила, приложенная к поршню, не может вызвать вращательное движение КВ. Мёртвым точкам соответствуют крайние положения поршня в цилиндре.

Крайнее положение поршня, при котором его расстояние от оси КВ достигает максимума, называется верхней мёртвой точкой (ВМТ)..

Крайнее положение поршня, при котором его расстояние от оси КВ достигает минимума, называют нижней мёртвой точкой (НМТ).

	Схема КШМ

 

Ход поршня S – расстояние между крайними его положениями в цилиндре, те. расстояние, которое проходит поршень при его движении между верхней и нижней мёртвыми точками. От величины хода поршня существенно зависит его средняя скорость с_п при перемещении поршня между мёртвыми точками, которая в значительной мере определяет износ двигателя. Величина скорости поршня зависит от значения хода поршня S (м) и частоты вращения коленчатого вала n (мин^-1): c_п = S×n/30 м/с.

Часть рабочего цикла, осуществляемая при перемещении поршня между ВМТ и НМТ, называют тактом. Такту присваивается название процесса, который является по длительности доминирующим при данном перемещении поршня между мёртвыми точками.

В связи с этим различают такты: впуска, сжатия, расширения (или рабочего хода) и выпуска. При этом длительность процессов впуска и выпуска больше длительности соответствующих тактов. Напротив, длительность процессов сжатия и расширения меньше длительности соответствующих тактов.

В многоцилиндровых двигателях последовательность чередования одноимённых тактов в разных цилиндрах называется порядком работы двигателя. При этом нумерация цилиндров осуществляется со стороны, противоположной валу отбора мощности. Для двух рядных двигателей отсчёт сначала ведётся по правому блоку (если смотреть со стороны отбора мощности), а потом – по левому. От порядка работы цилиндров существенно зависит равномерность работы двигателя.

При перемещении поршня происходит изменение объём внутренней полости цилиндра.

Объём V_с внутренней полости цилиндра при положении поршня в ВМТ называют объёмом сжатия или камерой сжатия (КС).

Объём V_а внутренней полости цилиндра при положении поршня в НМТ, называют полным объемом цилиндра.

Объём V_h, описываемый поршнем при его движении от ВМТ к НМТ, называют рабочим объемом цилиндра.

V_a = V_h + V_c.

Отношение V_a/V_c = e называют степенью сжатия. Этот конструктивный параметр влияет на экономические показатели двигателя.

Величина рабочего объёма определяется как произведение хода поршня S на площадь поршня А: V_h = S×A = S×(p×D²/4), где D – диаметр цилиндра.

Диаметр цилиндра оказывает существенное влияние как на организацию рабочего процесса в двигателе, так и на динамические нагрузки. Известно, что масса поршня пропорциональна кубу диаметра цилиндра, т.е. m_п ~ D³. Это является причиной больших значений сил инерции возвратно-поступательно движущихся масс.

Отношение хода поршня S к диаметру цилиндра D называется коэффициентом короткоходности K =S/D.

При совершении рабочего цикла в ДВС давление в цилиндре изменяется. Для анализа рабочих процессов в ДВС широко используется зависимость давления газов в цилиндре (р) от текущего объема надпоршневого пространства (V_х), освобождаемого поршнем. Эта зависимость р_г = f(V_х) называется индикаторной диаграммой. Учитывая, что объем Vх однозначно связан с перемещением поршня S_х. Индикаторная диаграмма может строиться в координатах р_г = f(S_х).

С помощью индикаторной диаграммы определяются газовые силы, действующие на детали КШМ.

Для реализации рабочего цикла необходимо заполнение цилиндра свежей смесью и освобождение цилиндра от продуктов сгорания. Эти функции выполняет механизм газораспределения (МГР), открывающий и закрывающий в необходимые моменты цикла впускные и выпускные клапаны.

Моменты начала открытия и конца закрытия впускных и выпускных клапанов относительно мёртвых точек, выраженные в градусах ПКВ, называют фазами газораспределения (ФГР).

Количества воздуха и топлива, поступившие в цилиндр за один рабочий цикл, называются соответственно цикловыми зарядами воздуха и топлива (G_ВЦ, G_ТЦ). Соотношение топлива и воздуха в цилиндре называют составом смеси.

Для, так называемого, полного сгорания 1 кг топлива минимально требуется l₀ кг количества воздуха (l₀ = 14.9 кг в/кг т для бензинов и l₀ = 14,4 кг в/кг т - для дизельного топлив а). Соответственн о, количество воздуха, теоретически необходимого для полного сгорания всего топлива, составит (l₀ ×G_тц).

Состав смеси в ДВС принято характеризовать коэффициентом избытка воздуха a, представляющим отношение действительного количества воздуха, оставшегося в цилиндре после закрытия впускного клапана (или поступившего в цилиндр) к теоретически необходимому для полного сгорания всего поданного топлива.

a = G_вц (l₀ ×G_тц).

При a =1 в смеси содержится минимальное количество воздуха, необходимое для полного сгорания топлива (стехиометрическая смесь). В этом случае в продуктах сгорания углеводородного топлива содержатся только продукты полного окисления горючих компонентов топлива (СО₂, Н₂О) и азот (N₂), но и при этом отсутствует свободный кислород (О₂).

При a < 1 воздуха меньше, чем необходимо для полного сгорания топлива (богатая смесь). В составе отработавших газов появляются (по сравнению с компонентами при стехиометрическом составе) продукты неполного окисления компонентов топлива: оксид углерода (СО), а также водород (Н₂).

При a > 1 воздуха, больше, чем необходимо для полного сгорания топлива (бедная смесь). Тогда к составу продуктов сгорания стехиометрической смеси добавляется свободный кислород (О₂).

Характер протекания процессов, формирующих рабочий цикл (РЦ), в значительной степени зависит от: · способа его организации в части газообмена; · способа организации смесеобразования и · способа воспламенения смеси.

 

Процесс сжатия

Назначение процесса сжатия аналогично его назначению в ДсИЗ. Возможность реализации более высокого значения степени сжатия объясняется неоднородностью состава смеси в цилиндре, что исключает вероятность появления детонации, характерной для ДсИЗ.

Процесс сжатия в дизеле характеризуется большими расчётными значениями параметров в конце сжатия из-за большей степени сжатия и отсутствия потерь теплоты на испарение топлива в процессе сжатия. В итоге давление и температура конца такта сжатия заметно выше, чем в ДсИЗ, и составляют: р_с = 3,5…6,0 МПа и Т_с = 700…900 К.

В конце такта сжатия в камеру сгорания под большим давлением впрыскивается топливо. Топливо, проходя через отверстия в распылителях форсунок и встречая сопротивление воздуха, дробится на капли и образует совокупность движущихся капель, называемую топливным факелом. Угол ПКВ от момента начала подачи топлива до ВМТ называют углом опережения впрыскивания (УОВ).

Вследствие начала процесса сгорания фактическое давление в ВМТ превышает расчётное: р_с¢ = (1,05…1,10)×р₀. Это меньше, чем в ДсИЗ, так как на данном участке в дизеле выделяется значительно меньшее количество энергии.

Процесс сгорания

В дизелях подготовка топливно-воздушной смеси (ТВС) происходит за короткий интервал, предшествующий сгоранию основной части топлива. Этот интервал называют периодом задержки воспламенения (ПЗВ) – отрезок времени или угол ПКВ от момента начала подачи топлива до появления первых очагов воспламенения За этот период происходит частичное распыливание топлива (его дробление на капли, что увеличивает поверхность испарения), нагрев капель, частичное их испарение, перегрев паров и их частичное смешение с воздухом с образованием участков с составом смеси, близким с стехиометрическому.

Воспламенение топлива в дизеле происходи вследствие повышения температуры воздуха в камере сгорания в процессе сжатия.

В отличие от ДсИЗ, в дизеле имеет место объёмное воспламенение смеси. Оно происходит в тех объёмах КС, где топливо успело перемешаться с воздухом и образовать с ним смесь подходящего состава за отрезок времени, соответствующий ПЗВ Такими участками являются, как правило, внешние границы топливного факела.. После воспламенения пламя быстро распространяется по этому участку подготовленной смеси.

.Но значительная часть топлива впрыскивается в цилиндр и проходит стадии процесса смесеобразования уже непосредственно в процессе горения. Высокая температура в цилиндре приводит к малой длительности ПЗВ, и скорость сгорания лимитируется смешением топлива с воздухом. Такое сгорание называется диффузионным и характерно только для горения неоднородных смесей. В целом горение развивается медленнее, чем в ДсИЗ.

Процессы подачи топлива, смесеобразования и сгорания в дизеле по месту и времени протекания неотделимы друг от друга и накладываются друг на друга. Значительная часть топлива впрыскивается в цилиндр уже в процессе сгорания и горит уже при заметном увеличении объёма. Таким образом, в зоне ВМТ сгорает значительно меньшая часть топлива, чем в ДсИЗ Процессы смесеобразования не прекращаются после прекращения подачи топлива. Сгорание на этой стадии также является диффузионным, но протекает более медленно, так как смешение остатков топлива с остатками неиспользованного воздуха происходит в менее благоприятных условиях при наличии в цилиндре большого количества продуктов сгорания.

Следствием этого является и то, что степень повышения давления в цикле l = p_z /p = 1,4…2,2, что меньше соответствующих значений в ДсИЗ. Но максимальные давления в цикле дизеля больше, чем в ДсИЗ, и составляют р_z = 6,0…10 МПа, что объясняется более высокой степенью сжатия.

В то же время максимальная температура цикла дизеля T_z меньше, чем в ДсИЗ, и составляет T_z = 1800…2300 K, что объясняется меньшей концентрацией топлива в смеси, т.е. более бедным составом смеси.

Процесс сгорания в дизеле, также как и в ДсИЗ, завершается в такте расширения, хотя видимого окончания на индикаторной диаграмме не имеет.

Процесс расширения

Процесс расширения является частью такта одноимённого названия. Характер его протекания аналогичен тому, что имел место в ДсИЗ. Однако максимум давления в процессе сгорания в дизеле достигается несколько позднее, чем в ДсИЗ и соответствует 15…20° ПКВ после ВМТ. Аналогично максимум температуры наступает позднее (на 8…12° ПКВ) относительно момента достижения максимума давления. Расчётные термодинамические параметры рабочего тела в конце такта расширения составляют р_b = 0,20…0,4 МПа и Т_b = 1000-1200⁰ К, что значительно ниже соответствующих значений в ДсИЗ. Это объясняется большей степенью сжатия и, соответственно, большей степенью последующего расширения продуктов сгорания. Для температуры конца такта расширения Т_b это также объясняется более низким значением максимальной температуры цикла. Т _z.

Процесс расширения (реальный) заканчивается раньше такта расширения в момент начала открытия выпускного клапана, т.е. аналогично тому, что имело место в ДсИЗ..

Процесс выпуска

Процесс выпуска начинается с момента начала открытия выпускного клапана, а такт выпуска протекает при движении поршня от НМТ до ВМТ. Принципиальных особенностей по сравнению с таким же процессом в ДсИЗ не имеет. Давление в конце выпуска р_r определяется так же, как и в ДсИЗ, величиной гидравлических потерь в выпускной системе и составляет р_r = (1,05…1,20)× р_о. Температура рабочего тела в конце выпуска лежит в пределах Т_r = 700…900⁰ K. Т.е ниже, чем в ДсИЗ, что объясняется более низкой температурой конца такта расширения Т_b.

Выводы

1. Неоднородность смеси в цилиндре дизеля, впрыск топлива в цилиндр непосредственно перед сгоранием исключает детонационные явления в процессе сгорания, что позволяет иметь большую степень сжатия e. Более высокая степень сжатия обеспечивает дизелю более высокий интервал температур рабочего цикла, больший КПД и большую экономичность по сравнению с ДсИЗ.

2. Впрыскивание топлива в цилиндр непосредственно перед сгоранием и неоднородность смеси внутри цилиндра позволяют изменять мощность дизеля изменением состава смеси, т.е. количества топлива при почти неизменном количестве воздуха, что называется качественным регулированием. Это связано с тем, что неоднородность смеси в цилиндре дизеля предполагает наличие в КС зон с составом смеси, пригодным для сгорания. При этом уменьшение подачи топлива, реализуемое за счёт ее хвостовой части, приводит к сокращению длительности заключительной фазы сгорания, приближая процесс сгорания к ВМТ. В результате этого возрастает степень последующего расширения продуктов сгорания и, связанное с этим повышение термического КПД цикла. И является одной из причин улучшения экономичности дизеля при его работе на частичных нагрузках.

3. С учётом того, что в дизеле вблизи ВМТ сгорает меньшая часть топлива, то при идеализации цикла дизеля действительный процесс подвода теплоты частично циклом с подводом теплоты частично при постоянном объёме V =onst и частично при при постоянном давлении р = const.

4. В то же время, неоднородность состава смеси в цилиндре дизеля не позволяет иметь на номинальном режиме состав смеси, близкий к стехиометрическому, т. к. из-за неполноты сгорания резко ухудшается экономичность, возрастает теплонапряжённость деталей дизеля и дымность продуктов сгорания. В результате при прочих равных условиях и одинаковых рабочих объёмах двигателя дизели по сравнению с ДсИЗ имеют меньшую мощность.

5. Более высокие давления цикла требуют более тяжелых деталей КШМ, что увеличивает массу дизеля по сравнению с ДсИЗ той же мощности.

 

Действительный рабочий цикл ДВС