Ступенем підвищення тиску під час згоряння

. (4)

Три з цих параметрів зв'язані між собою співвідношенням

e = rd. (5)

Основними показниками термодинамічних циклів є термічний ККД h _t і питома робота, або середній тиск циклу p_t.

Термічний ККД характеризує ефективність використання теплоти в термодинамічному циклі і являє собою відношення корисної роботи до загальної кількості підведеної теплоти:

, (6)

де Q₁ - Q ₂ — кількість теплоти, використаної в циклі на корисну роботу, Дж; L_t - робота, яка здійснюється за цикл, Дж.

Питома робота, або середній тиск циклу p_t дорівнює роботі циклу L_t, Дж, яка віднесена до робочого об'єму V_h, м³:

. (7)

Аналіз розмірності формули (7): Дж/м³=Н·м/м³=Н/м²=Па, тобто відношення роботи до об'єму має розмірність тиску.

Для замкнутого циклу робота L_t визначається площею контуру, яким описаний цикл (рис. 2). Як видно із залежності (7), питома робота дорівнює деякому умовному постійному тиску p_t,що діє на поршень ДВЗ на протязі часу, за який відбувається зміна об'єму від V_c до V_a, тобто на V_h. Звідси витікає, що p_t можна визначити як висоту прямокутника з основою V_h, площа якого дорівнює площі діаграми циклу. Цей тиск називають середнім тиском циклу і використовують для порівняння між собою робочих циклів, які відбуваються у ДВЗ з неоднаковими розмірами циліндрів.

У курсі термодинаміки приводяться такі рівняння для визначення термічного ККД і питомої роботи циклів з різними способами підведення теплоти:

цикл із змішаним підведенням теплоти (дизельні двигуни)

; (8)

. (9)

цикл з підводом теплоти при р = const (l = 0)

цикл з підводом теплоти при V = const (r = 1) (бензинові двигуни)

; (12)

. (13)

З рівнянь (8), (10), (12) видно, що у всіх трьох циклах термічний ККД залежить від ступеню стиску e і показника адіабати k. Чим більші e та k, тим вищий термічний ККД. У циклі зі змішаним підводом теплоти на термодинамічний ККД впливають, крім того, коефіцієнти lі r, а у циклі з підводом теплоти при р = const - коефіцієнт r. Розрахунки показують, що підвищення lпризводить до зросту h _t, а підвищення r - до його зниження.

Із збільшенням e термічний ККД згідно з рівняннями (8), (10), (12) зростає, асимптотично наближаючись до одиниці (рис. 3). Ріст ККД іде досить швидко до значень ступеня стиску є= 13...14, а подальше збільшення є недоцільне, оскільки в реальних ДВЗ це приводить до значного зростання максимального тиску згоряння і збільшення втрат на тертя, які перекривають приріст термічного ККД. Але в дизелях застосовуються і більш високі значення e=14...23, щоб підвищити температуру наприкінці стиску для полегшення пуску холодного дизеля.

У рівняннях (8) і (10) маємо (lr ^k -1)>1, і (r ^k -1)>1, тому при однакових значеннях є найбільший ККД у циклі з підведенням теплоти при V= const, який реалізують в ДВЗ з іскровим запалюванням. Слід відмітити, що в реальних ДВЗ з іскровим запалюванням e = 7...9. Дальшому підвищенню є перешкоджає виникнення детонації.

Підвищення ступеня стиску в циклі з підведенням теплоти при V=const понад є=11...12 недоцільно також із-за значного збільшення тиску в кінці згоряння.

Що стосується показника адіабати k, то він залежить від кількості атомів, які містяться в молях газу. Для двохатомних газів, які в основному містяться в повітрі, k =1,4; для трьохатомних газів, що становлять основну частину продуктів згоряння, k =1,33. Тому працювати на бідних сумішах з великим вмістом повітря вигідніше, ніж на багатих.

Із сказаного випливає, що основним напрямком підвищення економічності бензинових двигунів з іскровим запалюванням є забезпечення бездетонаційної роботи на збіднених горючих сумішах при якнайбільшому ступені стиску.

З практичної точки зору доцільно порівнювати цикли поршневих ДВЗ не при однакових є, а при однакових максимальних тисках і температурах (рис. 4), оскільки саме ці умови визначають міцність і надійність ДВЗ при експлуатації. Згідно з наведеними на рис. 4 графіками при однакових тисках і температурах найбільший ступінь стиску в циклі з підведенням теплоти при р = const, а найменший у циклі з підведенням теплоти при V = const. Термічний ККД у циклі з підведенням теплоти при р = const теж буде більший, а для циклу при V = const – найменший. Змішаний цикл займає проміжне місце.

Термічний ККД характеризує економічність циклу, а середній тиск - механічну віддачу циклу.

З рівнянь (9), (11), (13) видно, що середній тиск циклу підвищується, якщо збільшуються параметри р_а, h _t,l, k. Підвищення ступеню стиску також сприяє збільшенню p_t, але цей вплив менший, ніж вплив e на h _t. У циклі з підводом теплоти при р=const середній тиск p_t росте з підвищенням r, а у змішаному циклі це залежить від відношення між lі r. Він збільшується, якщо lросте і відповідно знижується r, тому що при цьому підвищується h _t.

Найбільш ефективним способом збільшення p_t є підвищення початкового тиску р_а,оскільки це призводить до збільшення маси заряду циліндра за цикл. Тому для підвищення потужності двигуна застосовують наддув, тобто підвищення тиску свіжого заряду, який подається в циліндри.

В ДВЗ з газотурбінним наддувом застосовують цикли з продовженим розширенням і відведенням теплоти при сталому тиску. Ці цикли являють собою сукупність циклів з неповним і повним розширенням робочого тіла. Неповне розширення відбувається в циліндрах ДВЗ, а наступне повне - у газовій турбіні турбокомпресора. Тому такі ДВЗ називають комбінованими.У поршневій частині може здійснюватися будь-який з трьох розглянутих вище циклів, а у газовій турбіні - або цикл з підведенням теплоти в турбіну за сталим об'ємом, або цикл з підведенням теплоти за сталим тиском. У першому випадку використовують імпульсну газову турбіну, у яку відпрацьовані гази з циліндрів ДВЗ спрямовуються безпосередньо. Тиск газів у міру їх розширення поступово зменшується, у турбіні використовується кінетична енергія газів. У циклі ДВЗ з імпульсною турбіною (рис. 5, a): s-а - адіабатний стиск у компресорі; а-с - адіабатний стиск у циліндрі ДВЗ; с-z'-z - змішане підведення теплоти; z-b - адіабатне розширення газів у циліндрі ДВЗ; b-f - продовження розширення газів у випускному трубопроводі й газовій турбіні; f-s — відведення теплоти при p = const.

Підведення теплоти в газову турбіну здійснюється на ділянці b—а при сталому об'ємі.

У другому випадку відпрацьовані гази надходять у випускний трубопровід збільшеного об'єму й подаються з нього в газову турбіну приблизно при сталому тиску. Кінетична енергія газів у турбіні не використовується. У циклі з турбіною сталого тиску (рис. 5, б): s-а -адіабатний стиск у компресорі; а-с - адіабатний стиск у циліндрі ДВЗ; с-z'-z - змішане підведення теплоти; z-b - адіабатне розширення в циліндрі ДВЗ; b-а - відведення теплоти при V=const із циліндра; а-е - підведення теплоти, відведеної з циліндра, у газову турбіну при р = const; е-f - адіабатне розширення в турбіні; f-s - відведення теплоти при р = const.

Термічний ККД і середній тиск циклу в ДВЗ з наддувом залежать від способів підведення теплоти в поршневу частину і турбіну турбокомпресора.

У циклі зі змішаним підведенням теплоти в поршневій частині і імпульсною турбіною

, (14)

де k — ступінь підвищення тиску в компресорі.

Якщо теплота в поршневій частині підводиться р = const, то  = 1 і

. (15)

У разі підведення теплоти при V = const показник  = 1 і

. (16)

У циклах з турбіною сталого циклу із змішаним підведенням теплоти в поршневій частині

; (17)

при підведенні теплоти при р = const ( = 1)

(18)

і при підведенні теплоти при V = const ( = 1)

. (19)

З рівнянь (17) - (19) і (14) - (16) видно, що t в циклах з наддувом із застосуванням турбіни сталого тиску нижчий від циклів з наддувом із застосуванням імпульсної турбіни.

З рівнянь (14) - (19) і (8), (10) і (12) також видно, що термічний ККД ДВЗ з газотурбінним наддувом вищий, ніж без нього. Так, при = 14...18 (дизелі з імпульсною турбіною) термічний ККД підвищується на 5...6 %, а при  = 5...7 (бензинові і газові ДВЗ) на 10...12 % порівняно з тими ж ДВЗ без наддуву.

Середній тиск циклу з газотурбінним наддувом доцільно відносити до поршневої частини ДВЗ. У такому разі pt можна визначити за рівняннями (9), (11) і (13), якщо підставляти в них t з рівнянь (14)—(19). Оскільки в циклах з газотурбінним наддувом t більший, ніж в циклах без наддуву, то і pt у них більший.

Відзначимо, що продовжене розширення можна реалізувати і в звичайному ДВЗ, відповідно збільшуючи хід поршня. Але це приводить до істотного збільшення розмірів циліндра і всього двигуна, а в реальних ДВЗ - і до зростання втрат на теплообмін і тертя, які не компенсуються невеликим збільшенням площі діаграми.

Тема 2. Процеси робочого циклу поршневих двигунів.

Заняття 2. Дійсні цикли.

1. Вивчити сутність та основні показники дійсних циклів ДВЗ.

2. Ознайомитись із особливостями дійсних циклів чотиритактних та двотактних двигунів.

3. Виховувати у студентів здатність до творчого мислення, прагнення до володіння знаннями, почуття відповідальності за знання теорії і матеріальної частини автомобіля та гордість за обраний фах.

1. Сукупність періодично повторюваних в циліндрі реального двигуна теплових, хімічних та газодинамічних процесів, в результаті здійснення яких термохімічна енергія палива перетворюється в механічну роботу називається дійсним циклом двигуна.

Вони протікають в циліндрах реального двигуна і здійснюються робочим тілом, що змінюється на протязі процесів впуску і випуску. В сучасних високооборотних чотиритактних двигунах (дизелі для вантажного автомобіля до 3000 об/хв., легкового до 5000 об/хв., двигуни з іскровим запалюванням до 6000 об/хв.) на один цикл приходить 0,15-0,02 с.

За цей проміжок часу повинні бути здійснені наступні процеси: введення в циліндр палива та повітря, стиснення, випаровування палива і його перемішування з повітрям, запалювання паливо повітряної суміші і її згорання, котре призводить до підвищення температури та тиску газів, розширення і викид відпрацьованих газів. Для всіх розглянутих процесів характерним являється зміна на протязі їх протікання термо- і газодинамічних параметрів (теплообмін, зміна теплоємності, неповнота згорання, дисоціація, втрати на перетікання газу).

Аналітично визначити роботу, що здійснюється в дійсному циклі утруднено, так як неможливо заздалегідь для заданого двигуна визначити втрати при здійсненні кожного процесу окремо. Такі розрахунки ведуться з урахуванням дослідних коефіцієнтів, отриманих в результаті великої кількості досліджень.

Дійсні цикли двигунів графічно зображуються в координатах тиск-об’єм (P-V), або в координатах тиск-кут повороту колінчастого валу (P-φ). Такі графічні залежності тиску від вказаних параметрів називають індикаторними діаграмами. Якщо в якості незалежної змінної приймається об’єм робочої порожнини циліндра V, то індикаторна діаграма носить назву звернута, а якщо кут повороту φ колінчастого валу – розвернута.

По звернутим індикаторним діаграмам (рис. 1.1) зручно проводити термодинамічний аналіз (визначати індикаторну роботу, температуру процесів стиснення і розширення, тепловиділення і т.д.). Індикаторну діаграму при дослідженнях двигунів частіше всього записують в координатах P-φ, при еобхідності за допомогою гарфічних та аналітичних методів вона може бути перебудована в координати P-V. Розгорнута індикаторна діаграма, котра характеризує дійсний робочий цикл чотиритактного двигуна з іскровим запаленням (ІЗ), представлена на рис. 1.2.

По розгорнутим діаграмам зручно аналізувати протікання процесу згорання з оцінкою його динамічності та подовженості.

Наряду з експериментальними індикаторні діаграми можуть бути побудовані на основі теплового розрахунку або отримані шляхом моделювання робочого процесу.

2.

Дійний цикл чотиритактного двигуна здійснюється за два оберти колінчастого валу. Для двигунів з іскровим запалюванням із зовнішнім сумішоутворенням він включає наступні процеси (див. рис. 1.1):

- Впуск свіжого заряду (f-r-d-a-k). В період впуску свіжого заряду поршень рухається від ВМТ до НМТ, і об’єм, що ним звільняється заповнюється свіжим зарядом. Цей заряд представляє собою суміш палива і повітря;

- Стиснення (a-k-c’);

- Момент подачі іскри на електроди свічі (точка c’);

- Горіння (c’-c’’-z’-zд’-z’’);

- Робочий хід (zд-z’’-b’-b’’). Підчас цього ходу відбувається розширення продуктів згорання і перетворення теплової енергії в механічну роботу;

- Випуск відпрацьованих газів (b’-b’’-f-r-d). При випуску відпрацьованих газів робоча порожнина циліндра двигуна очищається за рахунок їх вільного витікання (b’-b’’) та примусового витіснення поршнем при його русі від НМТ до ВМТ.

Із приведеного рис.1.1 видно, що границі реальних процесів не співпадають з мертвими точками, як це відбувається в ідеальному циклі.

Згорнута індикаторна діаграма чотиритактного дизеля з вільним впуском (без надуву) приведена на рис. 1.3.

При відкритті впускного клапана (на ділянці f-r-d-a-k) в циліндр поступає повітря, а потім відбувається його політропне стиснення (після закриття впускного клапана) на ділянці k-c. Точка c’ відповідає моменту початку впорскування палива в камеру згорання. Далі відбувається перемішування розпиленого палива з повітрям, його випаровування, хімічні перетворення і запалювання за рахунок високої температури стиснення. Згорання палива супроводжується різким підвищенням температури тиску і температури (ділянка c’-c’’-z’), на ділянці z’-z відбувається подальше підвищення температури при незначному підвищені тиску. Процес згорання закінчується в точці z’’. Протікання процесу згорання суттєво залежить від ступеню стиску, фізико-хімічних властивостей палива, способу паливоподачі, форми камери згорання, інтенсивності завихрення паливо-повітряного заряду та інших факторів.

Після згорання відбувається процес політропного розширення. В точці b’ (початок відкриття випускного клапану) гази починають віддалятись від циліндра двигуна. Випуск відпрацьованих газів закінчується з циліндра двигуна. Випуск відпрацьованих газів закінчується в точці d, тобто він займає частину процесу впуску. На ділянці f-r-d (обидва клапани відкриті) відбувається продувка циліндра.

3. 3.1 Принцип роботи двотактного двигуна.

Основні процеси двотактних двигунів – стиснення повітряного заряду в дизельному або паливо повітряної суміші в двигуні з ІЗ, сумішоутворення і згорання – аналогічні чотирьохтактним двигунам.

Основна відмінність робочого циклу двотактного двигуна від чотирьохтактного заключається в тому, що в першому нема спеціальних ходів поршня для здійснення процесів газообміну. Є лише два основних такти – стиснення і робочий хід, котрі відбуваються за один оберт колінчастого валу. Очистка циліндрів від відпрацьованих газів і його наповнення свіжим зарядом відбуваються вкінці процесу розширення і на початку стиснення. В цьому випадку очистка і наповнення здійснюються примусово свіжим зарядом, попередньо стиснутим до певного тиску.

Для вивчення принципу роботи двотактних двигунів слід розглянути схему робочих органів двотактних двигунів з кривошипно-камерною продувкою і з продув очним насосом.

Індикаторну діаграму робочого циклу розглянемо на прикладі двотактного двигуна з кривошипно-камерною продувкою (рис. 1.4). При русі поршні від ВМТ до НМТ відбувається такт розширення. За час цього такту здійснюється робочий хід. В точці b’ з моменту відкриття поршнем випускних вікон 1 починається процес газообміну.

По лінії b’-f відбувається вльний випуск відпрацьованих газів. В точці f відкривається продувочне вікно 2, і свіжий заряд під невеликим надлишковим тиском поступає в циліндр двигуна. При русі поршня від НМТ до ВМТ в точці k спочатку закриваються продувочні вікна, потім в точці d випускні вікна (клапани) і далі відбувається стиснення d-c. На ділянці f-a-k одночасно відбувається випуск відпрацьованих газів і поступання свіжого заряду. Сукупність цих процесів називається продувкою циліндра.

В двотактних двигунах для забезпечення хорошої очискти і зарядки циліндрів обєм свіжого заряду, що подається в циліндри двигуна повинен бути більшим ніж сумма робочих обємів циліндрів на 20-30%.

Ступінь стиску двотактних двигунів.

З приведеного опису робочого циклу двотактних двигунів видно, що в них видалення відпрацьованих газів і наповнення циліндрів відбувається вкінці такту розширення і на початку такту стиску. Частина робочого обєму V_п виявляється втраченою для основних процесів. Тому розрізняють геометричний (повний V_h) і дійсний V_h^' робочі обєми, котрі звязані між собою рівнянням

V_h^'=V_h-V_п

Відповідно з цим в двотактних двигунах розрізняють два ступеня стиску:

геометричну ε=(V_h-V_c)/V_c,

дійсну ε_d=(V_h^'-V_c)/V_c.

В відомостях про двотактних двигунах зазвичай приводяться геометричний ступінь стиску, а в формули теплового розрахунку двигуна слідує підставляти дійсний ступінь стиску.

4. З приведеного аналізу видно, що дійсні цикли поршневих двигунів складаються із процесів: газообміну, що включає випуск відпрацьованих газів, продувку камери згорання і впуск свіжого заряду; стиснення, що супроводжується підвищенням внутрішньої енергії робочого тіла; згорання, що супроводжується виділенням теплоти, і розширення (робочий хід).

Характер протікання процесів стиснення, згорання і розширення не залежить від тактності двигуна і визначається лиш способом організації процесу сумішоутворення і запалення суміші. Процес газообміну залежить від тактності двигуна. В чотирьохтактному двигуні його продовжуваність складає більш ніж 2 хода поршня; в двотактному лише частина хода поршня.

В двотактному двигуні повітря (або паливо повітряну суміш) вводять в циліндр після попереднього стиснення його в компресорі (кривошипній камері) до тиску Pk.

Температура продувочного повітря Tk вища температури навколишнього середовища і визначається по формулі

〖T_k=T_0 (P_k/P_0)〗^((n-1)/n),

Де n – показник політропи стиснення в нагнітачі (n=1,5…1,8);

Pk – тиск продувки.

Тема 2. Процеси робочого циклу поршневих двигунів.

Заняття 3. Робоче тіло двигуна внутрішнього згорання.

1. Робочими тілами у ДВЗ називаються речовини, за допомогою яких теплота, що виділяється в циліндрі підчас згорання палива, перетворюється в механічну роботу, а саме: паливо, повітря і продукти згорання.

У карбюраторному, газовому двигунах і в газодизелі робочим тілом підчас впуску є суміш повітря і палива – горюча суміш; підчас стиску – горюча суміш і залишкові гази – робоча суміш; підчас розширення і випуску – продукти згорання. В усіх двигунах підчас згорання робоча суміш перетворюється у продукти згорання.

У ДВЗ відбувається горіння паливо-повітряної суміші в результаті окислення палива киснем повітря. Теплота, що виділяється внаслідок термохімічного окислення палива, йде на підвищення внутрішньої енергії робочого тіла і на вчинення механічної роботи. У процесі згоряння робоче тіло (гази) піддається якісним і кількісним змінам. Для розрахунку процесу згоряння необхідно визначити кількість, склад і теплоємності газів, що знаходяться в циліндрі двигуна до і після згоряння.

2.

У автомобільних двигунах застосовують в основному рідкі та газоподібні палива, отримані в результаті переробки нафти. Застосовувані палива являють собою суміш різних вуглеводнів. Зміст окремих хімічних елементів в паливі характеризує його елементарний склад, який для рідкого палива задають масовими частками вуглецю С і водню Н, що містяться в 1 кг палива (табл. 2.1). При використанні кисневмісних палив в елементарному складі враховують кисень О².

Рідкі палива виробляють в основному з нафти. Це бензини, дизельні і моторні палива, газові конденсати, що є сумішами різних вуглеводнів. Невелику кількість рідких палив дістають переробкою кам’яного вугілля й сланців, синтезом горючих газів, із рослинних продуктів і відходів сільськогосподарського виробництва та харчової промисловості.

Основними видами рідкого палива для ДВЗ із іскровим запалюванням є бензин, а для дизелів – дизельні палива.

Оскільки рідке паливо є сумішшю вуглеводнів, записати його склад хімічною формулою важко. Тому в розрахунках згорання склад палива записують у вигляді спрощеної формули елементарного складу, до якої входять масові частки елементів, що містяться в 1 кг палива.

Наприклад для дизеля 0,87кг+0,126кг+0,004кг=1кг.

Теплота згорання є найважливішим показником палива Вона характеризується кількістю теплоти, що виділяється при згорянні одиниці палива. Розрізняють три види теплоти згоряння: вища, нижча і активна.

Вища теплота згоряння виділяється при повному згорянні 1 кг палива у калориметричній бомбі з наступним охолодженням продуктів згоряння до початкової температури, кДж/кг.

Нижча теплота згорання виділяється при повному згорянні 1 кг палива без урахування теплоти, яка міститься в утвореній у процесі згоряння повітряній парі, кДж/кг. Таке згоряння відбувається в циліндрах ДВЗ при надміру повітря.

Активна теплота згоряння виділяється у результаті згоряння 1 кг палива при недостачі кисню

де – теплота, яку не можна одержати через недостачу кисню, кДж/кг.

Таке згорання відбувається в циліндрах ДВЗ при

Для бензину середнього складу

До важливих показників рідких палив також належать: для бензину – октанове число, для дизельного палива – метанове число.

Октановим числом (ОЧ) називають процентний (за об’ємом) вміст ізооктану в суміші з нормальним гептаном, яка за детонаційною стійкістю рівноцінна даному паливу. ОЧ характеризує антидетонаційні властивості палива. В ізооктані ОЧ=100. Для різних бензинів ОЧ становить 66-100. Чим більше ОЧ, тим вища детонаційна стійкість бензину.

Цетановим числом оцінюється схильність дизельних палив до самозаймання. Цетановим числом (ЦЧ) називається процентний (за об’ємом) вміст цетану в суміші з альфаметилнафталіном, яка має такий самий період затримки самозаймання, як і дане паливо. При низьких значеннях ЦЧ період затримки самозаймання більший, унаслідок чого зростає швидкість зростання тиску після самозаймання впорскнутого в циліндр палива (жорсткість роботи дизеля). При надто великих значеннях ЦЧ через малий період затримки самозаймання не встигає відбутися сумішоутворення, тому зростає неповнота згоряння. У зв’язку з цим цетанові числа дизельних палив лежать у межах 40…50 одиниць. ОЧ і ЦЧ визначаються на спеціальних двигунах із змінним ступенем стиску.

У таблиці 1.1 наведено елементарний склад палива по масі.

Таблиця 1.1