Лекция 3
Тема 3: Действительные циклы двс

Цель лекции: Выявить факторы влияющие на протекание процессов в реальных двс.

План лекции:

1. Процесс впуска и факторы влияющие на такие параметры как коэффициент наполнения, температура и давление газов в конце такта впуска.

2. Процесс сжатия.

3. Процесс сгорания в дизельных и карбюраторных двс.

4. Процесс расширения и выпуска. Пути снижения токсичности отработавших газов.

Литература: [1] с.40…61

3.1 Индикаторные диаграммы двс

Индикаторная диаграмма – это графическая зависимость индикаторного давления от изменения объема цилиндра (хода поршня).

Расчёт процессов действительного рабочего цикла позволяет определить значения основных параметров конструкции двигателя для любых заданных условий его работы. При этом устанавливают характер изменения давления и температуры в каждом процессе, определяют основные размеры проектируемого двигателя.

Рекомендуемые материалы

По заданной или расчётной мощности определяют рабочий объём цилиндра и основные размеры двигателя (Д и S).

Две задачи:  N_{е зад} ó определяем (Д и S);

                     (Д и S)_задàN_{e факт.}

В двс периодически повторяются циклы превращения химической энергии топлива в механическую. Каждый цикл представляет собой совокупность определённых процессов, органически связанных между собой.

В реальном двигателе:

1. Существует процесс газообмена. Каждый цикл осуществляется с участием вновь поступившей свежей смеси и после каждого цикла производится очистка цилиндров от отработавших газов.

2. Теплоёмкость рабочего тела не остаётся постоянной, а зависит от температуры t⁰ и состава рабочего тела.

3. Процесс сгорания протекает во времени по сложному закону с интенсивным теплообменом.

4. Наличие дополнительных тепловых потерь (стенки цилиндров, головка, днище поршня) и утечки рабочего тела через неплотности.

Рисунок 3.1 – Индикаторная диаграмма четырёхтактного карбюраторного двигателя

Рисунок 3.2 – Индикаторная диаграмма четырёхтактного дизельного двигателя без наддува

Рисунок 3.3 – Индикаторная диаграмма четырёхтактного дизельного двигателя с наддувом

Рисунок 3.4 – Индикаторная диаграмма двухтактного двигателя:

ra – продувка;

А – открытие выпускного окна;

Б – закрытие выпускного окна;

r – открытие продувочного окна;

а – НМТ.

Пределы изменения параметров для двигателей:

3.2 Процесс впуска

Наполнение цилиндра двигателя горючей смесью или воздухом представляет собой совокупность процессов, происходящих в течение: предварения впуска, основного впуска и опаздывания впуска.

Рисунок 3.4 – Процесс впуска четырёхтактного двигателя без наддува

Рисунок 3.5 – Процесс впуска четырёхтактного двигателя с наддувом

Процесс впуска включает три этапа:

1. r`r - предварение впуска;

2. ra – основной впуск;

3. aa` - опаздывание впуска (дозарядка).

Точки r` и a` - момент открытия и закрытия впускного клапана.

В действительности давление в ц. д. в процессе впуска непрерывно изменяется, а кривая впуска на индикаторной диаграмме имеет волнообразный характер. Это объясняется изменением проходного сечения клапана и скорости движения поршня.

Рисунок 3.6 – Действительное изменение давления на впуске

3.2.1 Среднее давление в конце впуска

Среднее давление в конце впуска может быть представлено в виде:

 - без наддува;

 - с наддувом;

где:

P₀ – давление окружающей среды, P₀ = 0,103 МПа.

P_к – давление надувных газов (после компрессора).

Принимаем:  P_к = 1,5 P₀ – низкий наддув;

                       P_к = (1,5…2,2) P₀ – средний наддув;

                       P_к = (2,2…2,5) P₀ – высокий наддув.

 - потери давления за счёт сопротивления впускной системы определяется из уравнения Бернулли (из условия неразрывности струи газового заряда):

,  МПа

где:

β – коэффициент затухания скорости движения заряда в сечении клапана;

ξ_вп – коэффициент сопротивления впускной системы;

ω_вп – средняя скорость движения заряда на впуске в наименьшем сечении впускной системы  м/с;

ρ_к(о) – плотность заряда на впуске при наддуве и без него, кг/м³;

В современных двигателях при n_н значение скобки принимается:   = 2,5…4,0;    ω_вп = 50…130 м/с.

     или   ,   кг/м³;

где R_в – удельная газовая постоянная воздуха, Дж/кг град.

,      R_м = 8315 Дж/Кмоль град – универсальная газовая постоянная;

μ_в – молекулярная масса воздуха, кг/Кмоль;   μ_в=28,96 кг/Кмоль.

Поэтому:     R_в = 287 Дж/кг град.

Р₀ – давление окружающей среды, МПа.

Принимается:           Р₀=0,1,3 МПа.

Р_к – давление наддува, МПа; принимают в зависимости от нагнетателя (компрессора) :

Р_к = 1,5 Р₀ – низкий наддув n_н = 1,4…1,6;

Р_к = (1,5…2,3) Р₀ – средний наддув n_н = 1,55…1,75;

Р_к = (2,2…2,5) Р₀ – высокий наддув n_н = 1,40…1,80.

где n_н – показатель политропы сжатия воздуха в компрессоре.

Т₀ – температура окружающей среды,  Т₀=288⁰ К;

Т_н – температура воздуха за компрессором

где:

n_k – показатель политропы сжатия.

ΔР_а для современных двигателей находится в следующих пределах:

ΔР_а = (0,05…0,2) Р₀ – карбюраторный двигатель;

ΔР_а = (0,03…0,18) Р₀ – дизельный без наддува;

ΔР_а = (0,03…0,10) Р₀ – дизельный с наддувом.

3.2.2 Температура в конце впуска

Температура в конце впуска (Т_а) – зависит от температуры и массы свежего заряда и оставшихся газов в цилиндре от предыдущего цикла, а также степени подогрева заряда.

Т_а – определяется из уравнения теплового баланса, составленного по линии впуска r_a

.

Выразим через мольные теплоёмкости:

где Q₁ – количество теплоты, внесённое свежим зарядом, с учетом подогрева,  кДж;

Q_r – количество теплоты остаточных газов, кДж;

Q_a – количество теплоты в рабочей смеси, кДж;

M₁ и M_r – число молей соответственно свежего заряда и остаточных газов, Кмоль.

 - рабочая смесь

μС_р – мольная теплоёмкость свежего заряда, КДж/Кмоль град;

μС_р^’’ - мольная теплоёмкость остаточных газов, КДж/Кмоль град;

μС_р^’ - мольная теплоёмкость рабочей смеси, КДж/Кмоль град;

ΔТ – величина подогрева заряда, град:

ΔТ=-5…+25⁰ – карбюраторный двигатель;

ΔТ=10…40⁰ – дизельный двигатель без наддува;

ΔТ=0…10⁰ - дизельный двигатель с наддувом.

Принимая с некоторым приближением

, получим:

 - коэффициент остаточных газов

 - температура в конце впуска

Т_а=320…370 К – карбюраторный двигатель;

Т_а=310…350 К – дизельный двигатель без наддува;

Т_а=320…400 К – дизельный двигатель с наддувом.

3.2.3 Коэффициент наполнения

Коэффициент наполнения (η_v) представляет собой отношение действительного количества свежего заряда, поступившего в процессе впуска, к тому количеству, которое могло бы поступить в рабочий объём цилиндра V_h, при исходных параметрах среды, при условии, что температура (Т) и давление (Р) в нём равны температуре и давлению среды, из которой поступает свежий заряд (Р₀, Т₀ – для двигателей без наддува и Р_к и Т_к – с наддувом).

или

η_v – отношение действительного количества свежего заряда к теоретически возможному при условиях окружающей среды.

,

где М₁, G₁ – действительное количество свежего заряда, кмоль, кг.

М₁, G₁ – число молей и масса (кг) свежего заряда, которое могло бы поступить в рабочем объёме цилиндра двигателя при Т₀ и Р₀ (Т_к и Р_к);

ρ_к(0) – плотность свежего заряда; кг/м³.

η_v может быть определён исходя из уравнения теплового баланса конца такта впуска.

где Q_a – количество теплоты рабочей смеси, КДж;

Q₂ – количество теплоты остаточных газов, КДж;

Q₁– количество теплоты внесённое свежим зарядом, КДж.

Выразим через массовые теплоёмкости:

где    (или );

ΔТ – величина подогрева свежего заряда;

Ср_а, Ср_r, Ср₁ – массовые теплоёмкости газов.

Из уравнения Клайперона – Менделеева

; имеем, учитывая что:

;        ;           .

Подставим в уравнение баланса

Разделим на , учитывая что:

;       ;       

 - для двс без наддува  [P₀, Т₀];

 - для двс с наддувом  [P_к, Т_к].

с учётом продувки и дозарядки:

Вывод: коэффициент наполнения (η_v) возрастает с увеличением давления в конце впуска (Р_а) и понижается с увеличением давления выпуска (Р_r) и температуры подогрева рабочей смеси (ΔТ), т. е. η_v тем выше, чем меньше Р_r и ΔТ и больше Р_а.

Чем больше потеря давления ΔР_а = Р₀ - Р_а, тем меньше Р_а и меньше η_v.

При эксплуатации тракторов и других машин нужно следить за воздухоочистителем, зазорами в клапанах, что влияет на проходное сечение и фазы газораспределения.

Вывод: η_v увеличивается при Р_аàвозрастает;

                                               Р_rß уменьшается;

                                               ΔТß уменьшается.

На величину η_v влияет n_e (частота вращения вала двигателя).

На величину ηv оказывает влияние частота вращения вала двигателя.

Рисунок 3.7 – Влияние частоты вращения вала двигателя на коэффициент наполнения цилиндров

При n=min, η_v=min, т. к. происходит выброс части заряда из цилиндра во впускную систему в период запаздывания закрытия впускного клапана после НМТ.

При больших η_v=mах, η_và уменьшается, т. к. возрастает скорость заряда и сопротивление, т. к. ΔР_а – растёт.

На величину η_v оказывает влияние нагрузка двигателя.

С ростом нагрузки N_e:

В дизеле η_v снижается за счёт повышения подогрева свежего заряда (увеличивается нагрев)

В карбюраторном двигателе η_v растёт за счёт открытия дроссельной заслонки и уменьшения сопротивления.

ε – С ростом ε значение η_v практически не меняется (отдельные факторы компенсируются).

Рисунок 3.8 – Влияние нагрузки двигателя на коэффициент наполнения цилиндров

3.2.4 Давление и температура остаточных газов

В цилиндре двигателя перед началом процесса наполнения всегда содержится некоторое количество остаточных газов (параметры P_r и T_r) в объёме V_c.

Давление остаточных газов Р_r зависит от числа и расположения клапанов, сопротивление впускного и выпускного трактов, n_e, нагрузки и др.

Давление остаточных газов находится в пределах:

P_rн=(1,05…1,25)Р₀ – для автотракторных двигателей без наддува.

P_rн=(0,75…0,98)Р_к -  для автотракторных двигателей с наддувом.

Для различных скоростных режимов P_r определяют:

,

где n – текущая частота вращения вала двигателя, об/мин;

,

P_rн – давление остаточных газов при n_ном;

n_н – номинальная частота вращения вала двигателя, об/мин.

Температуру остаточных газов определяют по:

- эмпирическим зависимостям:

    ⁰К при α≤1

      ⁰К при α>1

- по прототипам двигателя:

Т_r=900…1100⁰К – карбюраторный двигатель;

Т_r=600…900⁰К – дизель;

Т_r=900…1100⁰К – газовый двигатель.

3.2.5  Коэффициент остаточных газов

Коэффициент остаточных газов – это отношение (количества молей) остаточных газов М_r в цилиндре от предыдущего цикла, к (количеству молей) свежего заряда М₁, поступающих в цилиндр в процессе впуска.

    или   

;

где М_r и G_r – количество остаточных молей (кмоль), количество остаточных газов (кг);

М₁ и G₁ – количество молей (кмоль), количество свежего заряда (кг);

η_v – коэффициент наполнения цилиндра двигателя;

М₀ и G₀ – число молей и масса помещающегося заряда в рабочем объеме при (Т₀ и Р₀), (Т₀ и Р₀).

Из характеристического уравнения

                     

; т. к.

 - удельная газовая постоянная

Подставим значение η_v

    где

 - без наддува (или  - с наддувом)

ΔТ – температура подогрева свежего заряда.

Для двигателей с наддувом (без учёта дозарядки и продувки)

.

С учётом продувки и дозарядки

.

Величина  - зависит от:

- степени наддува;

- скоростного режима двигателя;

- продолжительности периода перекрытия клапанов.

Рисунок 3.9 – Зоны дополнительной очистки и дозарядки цилиндра

=1 – без наддува (отсутствие продувки);

=0 – с наддувом (полная очистка цилиндров от продуктов сгорания в период перекрытия клапанов).

Очистка возникает в результате предварительного открытия впускного клапана.

 Закрытие впускного клапана после НМТ позволяет, используя скоростной напор, инерционные и волновые явления во впускной системе, ввести в цилиндр двигателя дополнительную массу заряда, что учитывается .

=1,12…1,15 – для n_ном и удачно выбранных углов запаздывания закрытия клапанов;

=0,95…0,88 – при n_{e min} может быть не дозарядка, а даже выброс свежего заряда.

=0,04…0,08 – карбюраторный двс;

=0,03…0,06 – дизельный двс.

3.3 Процесс сжатия

В период процесса сжатия в цилиндре двигателя повышаются температура и давление, что создаёт надёжное воспламенение и эффективное сгорание топлива.

В действительном цикле процесс сжатия протекает по сложному закону, параметрически не подчиняющемуся термодинамическим процессам (т. к. изменяется теплоёмкость рабочего тела, переменный теплоотвод, утечки через неплотности, испарение топлива).

Рисунок 3.10 – Действительное изменение показателей процесса сжатия

Рисунок 3.11 – Изменение теоретического и действительного давления в цилиндре

Начальная стадия сжатия – температура заряда ниже температуры стенок цилиндропоршневой группы. Идёт отвод тепла от стенок цилиндра и подвод к рабочему телу, (n₁ > k₁).

При движении поршня от нмт к вмт  t_раб.т.  повышается и теплоотвод снижается. Затем происходит выравнивание t_раб.т и t_стен., теплоотвода нет,  (n₁ = k₁).

При дальнейшем сжатии t_раб.т > t_стен происходит изменение направления теплоотдачи. Фактически давление изменяется по линии adc с переменной политропой, (n₁ < k₁).

Для упрощения расчёта условно принимается, что процесс сжатия в действительном цикле происходит по политропе с постоянным показателем (n₁=const) (кривая ас).

Характерные точки:

-  – воспламенение смеси (впрыск);

- f – загорание смеси;

 - период скрытого воспламенения;

 - фактическое давление в конце сжатия.

Среднее значение показателя политропы сжатия следующие:

n₁ = 1,3…1,39 – карбюраторный двигатель;

n₁ = 1,38…1,42 – дизельный двигатель без наддува;

n₁ = 1,35…1,38 – дизельный двигатель с наддувом.

n_1k < n_1д – за счёт того что в карбюраторных двигателях:

- смесь содержит часть топлива, которое испаряется за счёт некоторого поглощения теплоты;

- теплоёмкость смеси, содержащей пары топлива, выше чем воздуха.

в расчётах показатель n₁ политропы может быть определён либо по номограммам от ε и Т_а [1, с. 48, рис. 25], либо по эмпирической формуле профессора Петрова:

 - для дизельных и карбюраторных двс (дает большую ошибку).

Расчёт давления и температуры в конце сжатия ведут по уравнениям политропного процесса:

;                      .

Давление в конце сжатия повышается до

                (точка с^//).

Ориентировочные значения параметров (для n_ном):

Рекомендуем посмотреть лекцию "Западно-тюркский каганат".

- карбюраторный двигатель:

            n₁ = 1,34…1,39; Р_с = 0,9…1,6 МПа; Т_с = 650…800 К;

- дизельный двигатель без наддува:

            n₁ = 1,38…1,42; Р_с = 3,5…5 МПа; Т_с = 700…900 К;

- дизельный двигатель с наддувом:

             n₁ = 1,35…1,38; Р_с = 6…8 МПа; Т_с = 900…1000 К.