Впуск
В процессе впуска в цилиндры двигателя поступает смесь, образовавшаяся в карбюраторе (для карбюраторных двигателей) при смешивании топлива с поступающим из воздухоочистителя воздухом. Действительный цикл по сравнению с теоретическим циклом требует периодического проведения газообмена (удаления продуктов горения и добавление горючей смеси), который и осуществляется в процессе тактов впуска и выпуска. Открытие и закрытие клапанов в действительном цикле происходит, когда положение поршня не соответствует его положению в верхней и нижней мертвых точках. Открытие впускного клапана с опережением улучшает удаление продуктов сгорания, а закрытие с запаздыванием приводит к увеличению наполнения цилиндров. Такт впуска действительного цикла начинается, когда поршень уже начинает двигаться от верхней мертвой точки к нижней мертвой точке (так как давление остаточных газов выше давления окружающей среды, то нет поступления в цилиндр свежей горючей смеси, а изменение соотношения давления происходит при расширении газа уже во время движения поршня к нижней мертвой точке). То есть, давление в цилиндре при впуске меньше, чем давление окружающей среды. Минимальное значение давления соответствует половине хода поршня (примерно). Силы инерции поступающей горючей смеси приводят к некоторому увеличению давления в конце такта впуска.
Давление в конце такта впуска ра равно разности давления окружающей среды ро и уменьшению давления Δpa из-за гидравлических сопротивлений впускной системы: ра = ро — Δpa. Увеличение скорости движения поршня приводит к уменьшению давления ра в конце такта впуска. Чем больше ра, тем больше масса поступающей в цилиндр свежей порции смеси.
Давление ра в конце такта впуска вычисляется по следующей формуле:
где ne — частота вращения коленчатого вала,
Vh — рабочий объем цилиндра,
fкл — площадь проходного сечения клапана, для большинства двигателей равна 2,35·3,1 см²/(л·1000 об./мин),
m — отношение максимальной частоты вращения коленчатого вала к 1000, m = 0,001·ne max,
φ — коэффициент гидравлического сопротивления впускной системы (равен 0,7—0,8),
k — показатель адиабаты расширения смеси (в карбюраторах) или (в дизелях) воздуха (равен 1,35—1,45).
Скорость со поступления горючей смеси в цилиндры равна: ω = 0,017·nc + 27.
Площадь проходного отверстия клапана fкл вычисляется по формуле:
fкл = πdh cos θ,
где d — средний диаметр опорной поверхности клапана,
h — средняя высота подъема клапана,
θ — угол между фаской седла клапана и плоскостью его головки.
Продолжительность открытия клапана равна сотым долям секунды, например при ne = 1000 об/мин продолжительность открытия равна 0,04 с.
Давление в конце выпуска pr вычисляется по формуле:
pr = 1,03 (1 + 0,55) х 10-4ne max
Поскольку на изменение давления в конце выпуска влияют, кроме частоты вращения коленчатого вала, и другие факторы (нагрузка, сопротивление системы и др.), которые сложно учесть, считается, что давление pr постоянно в процессе выпуска и равно 0,105-0,135 МПа.
В начале впуска давление остаточных газов понижается от величины pr до pa, температура понижается, объем увеличивается.
Температура Tr остаточных газов в конце выпуска в градусах Кельвина вычисляется по формуле:
Tr = 1450/ε — 738/α + 0,14ne + 1336,
где ε — степень сжатия, α — коэффициент избытка воздуха. Для карбюраторов температура остаточных газов в конце выпуска равна 900—1200°С, для дизелей — 800—950°С.
Температура остаточных газов в начале впуска T'r вычисляется по формуле:
где m — показатель политропы расширения остаточных газов, равен 1,3—1,38, ра — давление в конце такта впуска рассчитывается по формуле (см. выше), pr — давление в конце выпуска; Tr — температура остаточных газов в конце выпуска.
Температура Т'o поступающей в цилиндры горючей смеси равна
Т'o = Тo + ΔT,
где То — температура окружающего воздуха, считается равной 288°С, ΔТ — приращение температуры за счет нагрева деталями двигателя, равна 10 40°С (для карбюраторов) и 10~25°С (для дизелей).
Коэффициент γ остаточных газов равен отношению массы остаточных газов Gr к массе поступающей смеси Со, то есть
g = Gr / Go
Он характеризует степень загрязнения поступающей новой порции смеси отработавшими газами, которые остались от предыдущего цикла. Этот коэффициент может быть вычислен по формулам:
где ηv — коэффициент наполнения горючей смесью цилиндров двигателя, μ — коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси, ε — степень сжатия, ΔТ — приращение температуры за счет нагрева деталями двигателя (10—40°С (для карбюраторов) и 10—25°С (для дизелей)), ро — давление газа в цилиндре в конце процесса сжатия, pr — давление в конце выпуска; То — температура окружающего воздуха; Tr — температура остаточных газов в конце выпуска. Обычно коэффициент γ равен 0,04— 0,08 (для карбюраторов) и 0,05—0,06 (для дизелей).
Температура Та рабочей смеси в конце впуска вычисляется по формуле:
где ψ — коэффициент, равный отношению теплоемкостей остаточных газов и горючей смеси, коэффициент у остаточных газов равен 0,04—0,08 (для карбюраторов) и 0,05—0,06 (для дизелей), ε — степень сжатия, где ηv — коэффициент наполнения горючей смесью цилиндров двигателя, Ро — давление газа в цилиндре в конце процесса сжатия, ра — давление в конце такта впуска, То — температура окружающего воздуха; Tr — температура остаточных газов в конце выпуска; ΔT — приращение температуры за счет нагрева деталями двигателя (10—40°С (для карбюраторов) и 10—25°С (для дизелей). Температура Та равна 350—400°С (для карбюраторов) и 315—370°С (для дизелей).
Коэффициент наполнения ηv, определяющий степень совершенства процесса впуска, равен отношению массы фактически поступившей в цилиндр свежей горючей смеси Gф (или воздуха для дизелей) к массе Gm, вычисленной теоретически при температуре То и давлении ро окружающей среды, hv = Gф/Gm. Его можно вычислить по формулам:
где коэффициент γ остаточных газов, ε — степень сжатия, ро — давление газа в цилиндре в конце процесса сжатия, ра — давление в конце такта впуска, pr — давление в конце выпуска; То — температура окружающего воздуха; Tr — температура остаточных газов в конце выпуска; Тa — температура рабочей смеси в конце впуска.
Коэффициент ηv равен 0,65—0,75 (при максимальной частоте вращения коленчатого вала), 0,8—0,85 (при частоте вращения, соответствующей максимальному крутящему моменту), 0,6—0,7 (при меньшей частоте вращения коленчатого вала).
Сжатие
Действительный процесс сжатия не адиабатический, так как имеет место теплообмен между деталями двигателя и поступающей горючей смесью. Сжатие начинается при закрытых впускном и выпускном клапанах, происходящий теплообмен не постоянен (политропа с переменным показателем), то есть сначала вновь поступающий газ нагревается от деталей, затем температура повышается и от сжатия, в какой-то момент теплообмен прекращается, а затем происходит отвод теплоты от газа, и в конце такта сжатия теплообмен уменьшается.
Показатель политропы n1 вычисляется по формуле:
n1 = 1,38 — 0,03ne max/nep,
где ne max — максимальная частота вращения коленчатого вала, nep — частота вращения, для которой определяется показатель политропы. Показатель политропы обычно равен 1,32—1,39 (для карбюраторов) и 1,36—1,4 (для дизелей), зависит не только от частоты вращения коленчатого вала, но и от интенсивности охлаждения, геометрических размеров деталей, формы камеры сгорания.
Давление рс в конце сжатия можно вычислить по формуле (приближенно, считается, что в конце сжатия политропа имеет постоянный показатель):
где n1 — показатель политропы, Vа — полный объем цилиндра, Vc — объем камеры сгорания, ε — степень сжатия, ра — давление в конце такта впуска.
Давление рс равно 0,8—1,9 МПа (для карбюраторов) и 3,5—5,0 МПа (для дизелей).
Температура Тс в конце сжатия вычисляется по формуле:
где Та — температура рабочей смеси в конце впуска, n1 — показатель политропы, Vа — полный объем цилиндра, Vc — объем камеры сгорания, ε — степень сжатия.
Она равна 600—750°С (для карбюраторов) и 800—975°С (для дизелей) и должна быть выше температуры самовоспламенения на 150—250°C.
Степень сжатия е для карбюраторов равна 6—11 (ограничена детонацией), для дизелей 14—21 (без наддува) и 13—16 (с наддувом).
Сгорание
Действительный процесс сгорания начинается до прихода поршня к верхней мертвой точке, а заканчивается после того, как поршень дойдет до верхней мертвой точки, то есть, протекает не при постоянном объеме.
В карбюраторах процесс сгорания можно разделить на следующие этапы (развернутая индикаторная диаграмма, рис. 70).
Рис. 70. Развернутая индикаторная диаграмма. Ось абсцис α — отложены углы поворота коленчатого вала; ось ординат р — давления газов в цилиндре; θ0.3 — угол опережения зажигания; ВМТ — верхняя мертвая точка
- период задержки воспламенения от начала воспламенения рабочей смеси в т. 1 до т. 2 (точке 1 соответствует угол опережения зажигания — угол поворота коленчатого вала от начала воспламенения до того, как поршень достигнет верхней мертвой точки);
- период видимого эффективного сгорания от т. 2, после которой интенсивность сгорания возрастает и за счет продолжающегося сжатия, до т. z', соответствующей максимальному давлению газов в цилиндре (в это время сгорает 90% горючей смеси);
- период догорания смеси (от т. z') при расширении.
Процесс сгорания делится на два периода: I период — от т. 1 до т. 2 в этот период процесс сгорания только развивается; во II период, который называют периодом видимого эффективного сгорания (это участок диаграммы от т. 2 до т. z'), процесс сгорания развивается.
Температура и давление газов при увеличении скорости сгорания резко повышаются. Если приращение давления более 0,25—0,3 МПа на один градус поворота коленчатого вала, то работа двигателя считается жесткой, если менее (с максимумом в точке z') — мягкой. Жесткая работа двигателя уменьшает срок его службы и приводит к ускорению изнашивания деталей. Максимальная мощность двигателя достигается при сгорании рабочей смеси в минимальном объеме.
Детонация при сгорании может возникнуть, если сгорающая часть смеси сжимает несгоревшую часть до того, что температура несгоревшей части превысит температуру самовоспламенения; или если сорт топлива не соответствует степени сжатия. Она оказывает отрицательное влияние на детали двигателя, так как вызывает нежелательные вибрации цилиндров.
В дизелях процесс смесеобразования и сгорания тоже можно разделить на 4 этапа:
- 1) период задержки воспламенения (длится от 0,001 до 0,003 с, в течение этого периода за счет физико-химических процессов начинает повышаться давление);
- 2) период быстрого сгорания (сопровождается выделением большого количества тепла и резким возрастанием давления, соответствует теоретическому сгоранию при постоянном объеме);
- 3) период медленного нарастания давления (соответствует теоретическому сгоранию при постоянном давлении, давление в течение этого периода максимальное, длится этот период до наступления равновесия между понижением давления от расширения и повышением давления от выделения теплоты);
- 4) период догорания смеси.
Состав топлива (жидкое), на котором работают двигатели внутреннего сгорания, обычно задается в процентах по массе для каждого составляющего (углерод С, водород Н и, если имеется, кислород О). Например, состав бензина может быть указан следующим образом: С — 85,5%, Н — 14,5%.
В процессе сгорания топлива образуются углекислый газ (диоксид углерода) СО2 и водяной пар Н2О. Если сгорание неполное (недостаток кислорода), то не весь углерод превращается в углекислый газ, часть углерода превращается в оксид углерода СО.
Из химических реакций окислении углерода С + О2 → СО2 и водорода Н2 + ½О2 → Н2О следует, что на сгорание 1 кг углерода требуется 8/3 кг кислорода, а на окисление 1 кг водорода — 8 кг кислорода. Тогда на полное сгорание 1 кг топлива необходимо количество l'o кислорода, равное
l'o = 8С/3 + 8Н — От,
здесь буквами С, Н указано процентное содержание по массе соответствующего элемента, От — количество участвующего в сгорании кислорода, содержащегося в 1 кг топлива.
Зная массовую долю содержания кислорода в воздухе (0,23), получаем количество L'o воздуха, необходимое для сгорания 1 кг топлива
L'о = (8С/3 + 8Н — От)/0,23.
В киломолях (кмоль) количество кислорода и воздуха, необходимые для сгорания 1 кг топлива, соответственно равны:
lo = L'о/32 = С/12 + Н/4 — От/32
и
Lo = lo/0,21 = (С/12 + Н/4 — От/32)/0,21
(здесь 0,21 — объемная доля содержания кислорода в воздухе) или
Lo = L'о/mo = (8С/3 + 8Н — От)/(0,23mo),
где средняя молекулярная масса воздуха mo = 28,96.
Зная процентный состав топлива, по этим формулам легко вычислить необходимое теоретически для сгорания количество воздуха (кг или кмоль). В действительности на сгорание 1 кг топлива необходимо количество воздуха Lд=αLo, где α — коэффициент избытка воздуха.
Если коэффициент избытка воздуха α > 1, то горючая смесь называется бедной, если α = 1, то смесь нормальная, если α < 1, то смесь богатая (воздуха для полного сгорания не хватает). Также применяются понятия обедненной и обогащенной смеси: горючая смесь считается обедненной, если коэффициент а равен 1,05—1,15 (максимальная экономичность работы двигателя); бедной, если α равен 1,2—1,25; обогащенной, если α=0,8—0,95 (максимальная по мощности работа двигателя); богатой, если α=0,4—0,7. Среднее значение коэффициента избытка воздуха для бензиновых карбюраторов 0,7—1, для газовых 0,8—1,2.
В дизелях коэффициент избытка воздуха α равен 1,3—1,8: без наддува 1,3—1,7, с наддувом 1,5—2, с предкамерным смесеобразованием 1,2—1,5.
Основными параметрами рабочего тела являются:
количество M1 горючей смеси (кмоль), приходящейся на 1 кг топлива, которое равно:
для бензинового карбюратора
М1 = αLo + 1/mт,
где mт — молекулярная масса топлива, обычно слагаемое 1/mт считают равным 0,01;
для дизелей М1=αLo, здесь величиной 1/mт пренебрегают из-за малости.
Для двигателей, работающих на газовом топливе,
М1 = αLo + 1,
где α — коэффициент избытка воздуха, Lo — количество воздуха, необходимого для сгорания 1 кг топлива, которое равно:
для бензиновых двигателей (кмоль/кг)
Lo = (С/12 + Н/4)/0,21;
для дизелей (кмоль/кг)
Lo = (С/12 + Н/4 — О/32)/0,21;
для двигателей, работающих на газовом топливе (кмоль/м³),
Lo = 1/0.21·∑(n+m/4)CnНm
здесь CnНm — химическая формула газового топлива.
В основном применяется в качестве газового топлива метан (ГСП) СН4 и пропан-бутан (ГСН), содержащий 48% бутана С4Н10 и 52% пропана С3Н8.
Параметры окружающей среды:
давление ро = 0,1013 МПа,
температура атмосферного воздуха То = 288°С.
Подогрев ΔТ свежего заряда, поступающего в цилиндры, равен:
для бензиновых двигателей 0—20°С,
для дизелей 10—40°С,
для двигателей, работающих на газовом топливе, 10—20°С.
Продуктами сгорания бедной смеси являются (для жидкого топлива); углекислый газ, водяной пар, избыточный кислород О и азот N.
Продуктами сгорания богатой смеси являются: углекислый газ, оксид углерода СО, водяной пар, азот N и оксиды азота.
Общее количество М2 продуктов сгорания (кмоль/кг) 1 кг топлива равно:
для богатой смеси
М2 = gC/12 + gH/2 + 0,21(α — 1l)Lo,
где g — удельная теплота сгорания, α — коэффициент избытка воздуха, Lo — количество воздуха, необходимое для сгорания 1 кг топлива, при этом коэффициент молекулярного изменения свежей горючей смеси равен
μo = (gH/4 + gO/32 — l/mT)/(αLo + 1/mт) (для карбюраторов),
μo = 1 + (gH/4 + gO/32)/(αLo) (для дизелей).
Коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси равен μ=(μо+γr)/(1+γ).
для бедной смеси М2=gC/12 + gH/2 + 0,79αLo, коэффициент μо равен μо=1+[0,21(1—α)Lo+gH/4+gO/32—1/mт)]/(αLo+1/mт), коэффициент μ вычисляется по той же формуле, что и для богатой смеси, при этом mт — масса топлива, γ — коэффициент остаточных газов.
Низшая теплотворность жидкого топлива равна (кДж/кг) равна:
Hu = 4,2 [8100С + 30000Н — 600(9Н — W) — 26 — (О — S)], где С, Н, W (влага), S (сера) — процентное содержание соответствующего элемента (если имеется) в топливе (обычно влага из-за малости не учитывается), при расчетах низшую теплотворность принимают равной 44000 кДж/кг (для карбюраторов) и 42500 кДж/кг (для дизелей).
Количество теплоты, потерянной из-за неполного сгорания свежего заряда смеси, ΔHu определяется только для бензиновых или газовых двигателей, работающих с коэффициентом избытка меньше единицы (обогащенные и богатые), и для карбюраторов равно ΔHu=119600(1—α)Lo, а для дизелей ΔHu=0.
Удельная теплота сгорания gт топлива, отнесенная к массе заряда (кДж/кг), равна:
gт = ξ H/(αLo + 1)(1 + γr),
где ξ — коэффициент выделения теплоты на участке от верхней мертвой точки до достижения максимального давления.
Теплоемкость свежей смеси (средняя молярная) для карбюраторов и дизелей равна (Дж/(моль·К)):
mCvcp = 20,16 + 1740Тc,
где m — масса топлива, Cvcp — средняя теплоемкость при постоянном объеме, Тс — температура в конце сжатия.
Теплоемкость продуктов сгорания вычисляется по формуле (Дж/(моль·К)):
mCvr = (18,42 + 2,6α) + (1,55 + 1,38α)10-3Тс (быстрое сгорание)
или
mCvr = (20,1 + 0,92/α) + (1,55 + 1,38/α)10-3Тc (смешанное сгорание).
Температура в конце сгорания Tz определятся из уравнения сгорания (при подстановке числовых значений всех остальных входящих в уравнение величин), имеющего следующий вид:
(для двигателей цикла быстрого сгорания) или
(для двигателей смешанного цикла). В точке, соответствующей максимальному давлению, температура Tz равна 2500—2800°С (для карбюраторов), 1900—2300°С (для дизелей без наддува), 2100—2600°С (для дизелей с наддувом). При этом ξ — коэффициент выделения теплоты на участке от верхней мертвой точки до достижения максимального давления, Hu — низшая теплотворность жидкого топлива, m — масса топлива, Tz — температура в конце сгорания, γ — коэффициент остаточных газов, М1 — количество горючей смеси на один кг топлива, Cv — теплоемкость при постоянном объеме, λ — степень повышения давления, Тс — температура в конце сжатия, μ — коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси.
Давление pz в конце сгорания вычисляется по формуле:
(для двигателей цикла быстрого сгорания) или
pz = λpc
(для двигателей смешанного цикла). Оно равно 2,5—6 МПа (для карбюраторов), 7—11 (для дизелей без наддува), 8—16 (для дизелей с наддувом).
Расширение
Расширение происходит при движении поршня от верхней мертвой точки к нижней. Действительный процесс расширения протекает не адиабатически, как теоретический. В нем происходит подвод теплоты за счет догорания рабочей смеси и отвод через стенки цилиндров. Это политропный процесс с переменным показателем, значение которого зависит от частоты вращения коленчатого вала, рабочего объема двигателя, характера процесса сгорания.
Показатель политропы n2 для карбюраторов вычисляется по формуле:
n2 = 1,2 + 0,03(ne max/nep) (обычно равен 1,23—1,32),
для дизелей по формуле:
n2 = 1,21 + 130/nep (обычно равен 1,2—1,29),
где nep — частота вращения коленчатого вала в расчетном интервале.
Давление pb в конце расширения вычисляется исходя из уравнения политропы:
(для карбюраторов, обычно равно 0,35—0,6 МПа) и
(для дизелей, обычно равно 0,25—0,5 МПа), где δ — степень последующего расширения, Vz — давление в конце сжатия, Vb — давление в конце расширения, n2 — показатель политропы.
Степень предварительного расширения для карбюраторов равна ρ=1, δ=ε, для дизелей
ρ = (μTz)/(λTc).
Температура Tb в конце расширения вычисляется из уравнения политропы:
(для карбюраторов, обычно равна 1300—1700°С) и
(для дизелей, обычно равна 1000—1300°С).
Выпуск
Выпуск в действительном цикле начинается в конце такта расширения (до нижней мертвой точки), а заканчивается в конце впуска (после достижения поршнем верхней мертвой точки). При этом после открытия выпускного клапана и до достижения поршнем нижней мертвой точки происходит удаление около 70% всех отработавших газов, сопровождающееся отводом теплоты.
Давление рг остаточных газов в конце выпуска должно быть как можно меньше. Оно равно 0,1—0,13 МПа (для карбюраторов и дизелей) и зависит от частоты вращения коленчатого вала, геометрии и конструкции системы выпуска.
Давление отработавших газов в процессе выпуска считается постоянным (в действительности не постоянное, но его очень трудно рассчитать) и равным среднему за этот процесс значению.
Температура Tr отработавших газов равна 900—1300°С (для карбюраторов) и 700—1000°С (для дизелей).
Критическая скорость истечения газов равна:
и составляет 500—700 м/с.