Сущность и параметры рабочего процесса поршневого двигателя внутреннего сгорания

1. Классификация автомобильных двигателей

2. Требования, предъявляемые к автомобильным двигателям

3. Устройство автомобильного двигателя

4. Техническая характеристика поршневого двигателя

5. Идеальный цикл ДВС

6. Индикаторные диаграммы и параметры

7. Эффективные параметры

7.1 Механические потери

7.2 Внешняя скоростная характеристика

8. Характерные коэффициенты и особенности рабочего процесса ДВС

8.1 Коэффициент избытка воздуха

8.2 Коэффициент наполнения

8.3 Коэффициент остаточных газов

8.4 Сгорание топлива и токсичность отработавших газов Библиографический список

1. Классификация автомобильных двигателей На автомобильном транспорте применяются разные типы двигателей, прежде всего, поршневых ДВС.

Существует несколько их классификаций по конструктивным и иным особенностям. Одна из таких укрупненных классификаций с существенными отличительными признаками:

1) назначение двигателя: автомобильный, тракторный, тепловозный, для других установок;

2) способ организации рабочего процесса: двухи четырехтактные, с другим числом тактов;

3) способ образования горючей топливовоздушной смеси: с внеш-ним смесеобразованием вне цилиндров и воспламенением смеси от искры (карбюраторные, инжекторные, газовые двигатели), с внутренним смесеобразованием — впрыском топлива в камеру сгорания и самовоспламенением топлива на такте сжатия (дизельные двигатели), с комбинированным смесеобразованием (газодизели, другие двухи многотопливные двигатели);

4) расположение цилиндров: рядные, V-образные, выполненные по другим схемам;

5) система охлаждения: жидкостная или воздушная;

6) экологичность: двигатели, соответствующие и не соответствующие экологическим нормам конкретных регионов (стран) по выделениям загрязняющих веществ, например, нормам Евро — 1, 2, 3, 4.

2. Требования, предъявляемые к автомобильным двигателям К автомобильным двигателям предъявляются непрерывно возрастающие комплексные требования. Из-за того, что во многих населенных пунктах автомобильный транспорт является основным источником выделений в атмосферу токсичных веществ (до 90% от общего количества выбросов загрязнений), то, естественно, для ряда регионов главное требование — допустимая токсичность отработавших газов (ОГ) автомобильных ДВС. Например, предельно допускаемые выбросы вредных веществ по нормам Евро — 1 (1993 г.) и Евро — 3 (1999 г.) составляют соответственно (в г/км): оксид углерода (СО) не более 2,72 (1,0); углеводороды (Сn Hm) 0,97 (0,1); оксиды азота (NОx) 0,97 (0,1). Как видно из приведенных данных, международные европейские требования к токсичности ОГ за указанные 6 лет возросли в несколько раз и продолжают ужесточаться. Повышенная токсичность ОГ — один из крупных недостатков многих типов автомобилей, выпускаемых в настоящее время, что существенно снижает их цену на рынке и коммерческие возможности на международных маршрутах. Токсичность ОГ сильно зависит не только от конструкции двигателя, но и в не меньшей степени от его технического состояния. Например, одна неисправная свеча зажигания бензинового двигателя может вызывать многократное увеличение выбросов СО и Сn Hm в ОГ.

Кроме приемлемой токсичности, современный двигатель должен соответствовать ряду других показателей, важнейшие из них для бензиновых моделей легковых автомобилей представлены в таблице 1 по данным.

Таблица 1

Показатели бензиновых ДВС

3. Устройство автомобильного двигателя В настоящее время на автомобильном транспорте распространены четырехтактные поршневые двигатели без наддува цилиндров сжатым воздухом и с наддувом. Данные типы двигателей обеспечивают лучшие эксплуатационные показатели транспортного средства: экологичность, экономичность и динамические качества. Продолжается тенденция по замене карбюраторных двигателей более экономичными и экологичными их инжекторными модификациями.

Представление о типичном современном инжекторном двигателе дают рис. 1−4, где показаны основные детали, узлы и связи между ними.

Рис. 1. Вид ДВС слева:

1 — входной патрубок водяного насоса; 2 — датчик контрольной лампы перегрева охлаждающей жидкости; 3 — датчик указателя температуры охлаждающей жидкости; 4 — датчик температуры охлаждающей жидкости; 5 — выходной патрубок термостата; 6 — датчик контрольной лампы аварийного давления масла; 7 — датчик указателя давления масла; 8 — клапан рециркуляции отработавших газов; 9 — трубка рециркуляции отработавших газов; 10 — стержневой указатель уровня масла; 11 — катушки зажигания; 12 — датчик положения распределительного вала; 13 — пробка сливного отверстия масляного картера; 14 — выпускной коллектор; 15 — сливной краник охлаждающей жидкости Рис. 2. Вид ДВС справа:

1 — ресивер с впускной трубой в сборе; 2 — регулятор дополнительного воздуха; 3 — патрубок дросселя с датчиком положения; 4 -генератор; 5 — зубчатый диск синхронизации; 6 — датчик положения коленчатого вала; 7 — шланг, подводящий к дроссельному патрубку; 8 — масляный фильтр; 9 — шланг, отводящий от дроссельного патрубка; 10 — стартер; 11 — датчик детонации; 12 — датчик температуры воздуха во впускном трубопроводе

Рис. 3. Поперечный разрез двигателя:

1 — распределительный вал впускных клапанов; 2 — распределительный вал выпускных клапанов; 3 — головка блока; 4 — выпускная труба; 5 — блок цилиндров; 6 — масляный картер; 7 — масляный насос; 8 — коленчатый вал; 9 — валик привода масляного насоса; 10 — промежуточный вал; 11 — впускная труба с ресивером Рис. 4. Частичный продольный разрез двигателя:

1 — картер сцепления; 2 — штуцер отбора горячей жидкости; 3 — шатун; 4 — поршень; 5 — поршневой палец; 6 — шкив водяного насоса; 7 — промежуточный вал; 8 — шкив коленчатого вала; 9 — диск синхронизации; 10 — передний конец коленчатого вала; 11 — средняя (3-я) коренная шейка коленчатого вала; 12 — маховик

4. Техническая характеристика поршневого двигателя Полная техническая характеристика автомобильного поршневого двигателя представляется несколькими десятками показателей, например по ГОСТ 14 846–81 «Двигатели автомобильные. Методы стендовых испытаний». В руководствах по эксплуатации автомобилей обычно приводятся важнейшие эксплуатационные параметры двигателя.

Рабочий объем двигателя — это сумма рабочих объемов всех цилиндров двигателя — Vh, л. Для одного цилиндра рабочий объем:

где D и S — диаметр и ход поршня в дм.

Vh = iцVh,

где iц — число цилиндров двигателя.

Степень сжатия. Для четырехтактных двигателей, нашедших наибольшее применение на автомобилях, в технических данных обычно приводят геометрическую степень сжатия:

где Vmax и Vmin — максимальный надпоршневой объем (когда поршень находится в НМТ) и минимальный (при положении поршня в ВМТ). Vmax= Vh+Vmin.

У современных автомобильных двигателей 6,523. По известным величинам геометрической степени сжатия, радиуса кривошипа, длины шатуна и угла запаздывания закрытия впускного клапана относительно нижней мертвой точки можно подсчитать действительную степень сжатия как отношение надпоршневого объема при закрытии впускного клапана к объему Vmin.

Компрессия. В технических данных на автомобильные двигатели многие их изготовители указывают величину компрессии рс в цилиндрах. Эта величина представляет давление сжатия рабочего тела, содержащегося в цилиндре (например, воздуха), в ВМТ. Значение рс косвенно характеризует техническое состояние цилиндропоршневой группы, герметичность надпоршневого объема и зависит от ряда факторов: исправности поршневых колец, герметичности посадочных узлов клапанов механизма газораспределения, частоты вращения коленчатого вала при определении рс, величины прогрева охлаждающей жидкости двигателя и др. Для определения рс используются приборы — механические или электронные компрессометры. Измерения компрессии проводятся по специальным методам, рекомендованным изготовителями двигателей или компрессометров, другими компетентными организациями. В технической документации по ремонту и техническому обслуживанию двигателей обычно указывается минимально допустимая компрессия рс min. Для современных бензиновых двигателей рс min0,9 МПа, у дизелей рс min 2 МПа. Допустимые отклонения рс по цилиндрам не должны превышать 0,1 (для бензиновых двигателей) и 0,2 МПа у дизелей.

Аналитически можно оценить максимально возможную компрессию:

рс max = рок,

где ро, к — соответственно давление окружающей среды и показатель адиабаты сжатия рабочего тела в цилиндре.

Отношение косвенно характеризует совершенство процесса сжатия рабочего тела с точки зрения тепловых потерь в окружающую среду и утечек газа через поршневые кольца. Чем меньше указанные потери и утечки, тем выше кс. Максимальное значение кс=

Номинальная мощность (брутто) Neн, снимаемая с коленчатого вала (КВ) двигателя в стандартных стендовых условиях при полной топливоподаче. При этом для двигателей с искровой системой зажигания горючей смеси дроссельная заслонка полностью открыта, номинальная частота вращения коленчатого вала (КВ) — номинальная nн, минДля дизелей при снятии номинальной мощности рейка топливного насоса высокого давления находится на упоре. У исправного двигателя величина Neн — не менее соответствующей мощности, указанной в технических условиях на его изготовление или капитальный ремонт.

Экспериментально величина Neн определяется в стандартных условиях на моторном стенде по формуле в кВт:

где Мен — крутящийся момент в Нм, развиваемый двигателем (снимаемый с КВ на тормозе стенда). Величина Neн может сниматься по упомянутому выше отечественному ГОСТу или другим стандартам, например, ISО и DIN. Приближенно эта мощность оценивается по ряду упрощенных нестандартных методов.

Аналогично величине Neн определяется в стандартных условиях полная мощность двигателя нетто со штатными, серийными навесными узлами (вентилятором, воздушным фильтром и др.).

Литровая мощность Nл косвенно характеризует тепловую нагрузку на детали камеры сгорания и цилиндропоршневой группы

кВт/л.

Удельная мощность снаряженного автомобиля представляет отношение номинальной мощности двигателя к полной массе снаряженного автомобиля. Чем выше данное отношение, тем лучше динамические качества автомобиля при прочих одинаковых условиях.

Максимальный крутящийся момент Ме max снимается из внешней скоростной характеристики двигателя в стандартных условиях как наибольшая величина зависимости Me=f (n), Me=Me max. Для проектируемого двигателя значение Ме max определяется известными методами [1, 3].

Отношение представляет запас крутящего момента. Чем больше этот запас, тем лучше приспосабливается двигатель к возрастанию сопротивления вращению ведущих колес автомобиля без изменения передаточного числа его трансмиссии.

Минимальный удельный эффективный расход топлива. Удельный эффективный расход топлива в г/(кВт· ч):

ge=

где Gт, кг/ч — часовой расход топлива, определяемый экспериментально, например, с помощью весов и секундомера (рис. 5, 6); Ne — эффективная мощность для рассматриваемого режима работы двигателя.

Рис. 5. Схема моторного стенда с электротормозом:

1, 2 — масляный и водяной радиаторы; 3 — вентилятор; 4 — двигатель; 5 — щиток приборов; 6 — стробоскоп; 7 — расходомер воздуха; 8 — весы; 9 — стойка; 10 — статор (корпус) электротормоза; 11 — ротор; 12 — циферблат измерителя крутящего момента; 13 — тяга; 14 — эксцентриковый вал; 15 — стойка весового механизма; 16 — верхний валик; 17 — малая шестерня; 18 — стрелка; 19 — сектор большой шестерни; 20 — маятник; 21 — груз; 22 — отборник отработавших газов; 23 — термопара Рис. 6. Схемы моторного стенда и характеристик нагрузочных тормозов:

а, б — с гидравлическим тормозом; в — с электротормозом; г, д — варианты характеристик тормозов; 1 — расходомер воды; 2 — двигатель; 3 — смеситель; 4 — расходомер топлива; 5 — датчик температуры воды; 6 — термопара; 7 — щиток приборов; 8 — весы; 9 — дроссельный расходомер воздуха; 10 — стробоскоп; 11, 12 — тахометры; 13 — гидротормоз; 14 — динамометр; 15, 16 — статор и ротор электротормоза; 17 — зонд газоанализатора; NТ — мощность, поглощаемая тормозом; Nе — эффективная мощность двигателя; a1, b1, cl, d1, a2, b2, d2 — характерные точки зависимостей NТ =f (п) Значение ge min снимается с внешней скоростной характеристики двигателя как минимальная величина зависимости ge=f (n), ge= gemin.

Аналитически ge находится по формуле:

ge=

где — низшая теплота сгорания топлива, кДж/кг; - эффективный к.п.д. двигателя.

При зе= зеmax, ge= gemin. Для современных автомобильных двигателей gemin185350 г/(кВт· ч).

Экспериментальное определение параметров двигателя производится в стандартных условиях на моторном стенде, типичные схемы которого показаны на рис. 5 и 6.

5. Идеальный цикл ДВС Рассмотрим схему смешанного идеального (термодинамического) цикла как упрощенную модель действительных циклов многих типов поршневых двигателей без наддува (рис. 7).

Рис. 7. Смешанный идеальный цикл Координаты: V — надпоршневой объем, р=f (V) — давление в цилиндре. Отметки: ВМТ и НМТ — верхняя и нижняя мертвые точки. Характерные процессы и параметры (стрелками показаны направления процессов): ас — адиабатическое сжатие рабочего тела (например, воздуха) в цилиндре двигателя; сz — подведение теплоты Q1−1 от условного источника к рабочему телу при V=cоnst (по изохоре); zґz — продолжение подведения теплоты Q1−2 при p=cоnst (по изобаре) и начало расширения рабочего тела; zb — адиабатическое расширение; ba — отведение теплоты Q2 холодному источнику при V=cоnst (по изохоре).

Как видно из схемы данного цикла, общее количество теплоты Q1= Q1−1+ Q1−2 подводится к рабочему телу по смешанному закону: первая часть Q1−1 при V=cоnst, вторая Q1−2 при p=cоnst; поэтому данный цикл обычно называется смешанным.

Характерным точкам: а (начало цикла, начало сжатия), с (конец сжатия), z, z, b — соответствуют параметры, в частности температуры и давления: Ta, pa; Tc, рс; Tz, рz=рz; Tz, рz; Tb, pb.

Общепринятые параметры цикла:

— показатель адиабатического сжатия и расширения (ср, cvтеплоемкости рабочего тела при p= cоnst и V=cоnst);

— степень повышения давления;

— степень предварительного расширения;

— степень последующего расширения; =.

Работа цикла Lt=Q1-Q2.

К.п.д. смешанного идеального цикла

(1)

Величина t характеризует совершенство (полноту) использования теплоты Q1 при частичном превращении ее в работу.

Среднее давление цикла

(2)

Это давление (удельная работа цикла) косвенно характеризует тепловую нагрузку единицы рабочего объема (л, см3) — форсирование двигателя по нагрузке. Геометрический смысл величины pt (рис. 7) — высота прямоугольника, равновеликого площадке Lt, в р-V-координатах.

Если =1, смешанный цикл преобразуется в цикл с подведением теплоты Q1= Q1−1 при V=cоnst — цикл Отто. При этом: Q1−2=0, =,

(3)

. (4)

автомобильный двигатель поршневой Количественные зависимости (1)-(4) позволяют ответить на ряд практических вопросов, в частности, оценить приближенно относительное улучшение параметров t и рt при увеличении и повышение рt при возрастании рa (например, за счет наддува двигателя воздухом).

Зависимость t=f () цикла Отто при прочих неизменных условиях (Q1 =cоnst, к= cоnst, Vh= cоnst) можно проиллюстрировать схематично (рис. 8).

Рис. 8. Идеальный цикл с подведением теплоты Q1 при V= cоnst

Величине соответствует работа Lt, где Vа — максимальный надпоршневой объем цилиндра при положении поршня в НМТ. При увеличении до и Q1=const появляется приращение работы Lt. Следовательно, .

Для известных значений 1 и 2 по формуле (3) можно подсчитать отношение t2/t1, которое приближенно равно соответствующему отношению эффективных к.п.д. двигателя:

(5)

Равенство (5) позволяет количественно оценить изменение топливной экономичности двигателя в эксплуатационных условиях при изменении величины, например, при переходе на иной вид топлива (допустим, с бензина А-76 на марку АИ-95).

6. Индикаторные диаграммы и параметры Совершенство протекания рабочего процесса и степень форсирования двигателя оценивают по его индикаторным (внутрицилиндровым) параметрам, получаемым обычно путем обработки индикаторных диаграмм. Экспериментально такие диаграммы снимаются с помощью приборов-индикаторов (отсюда название — индикаторные диаграммы). Данные диаграммы представляют зависимости надпоршневого давления р от надпоршневого объема V, p=f (V) или от угла поворота коленчатого вала p=f (). При необходимости один вид индикаторной диаграммы можно перестроить в другой, используя известную зависимость V= f ().

При курсовом проектировании двигателя на основании теплового расчета определяются параметры в характерных точках цикла и строится сначала нескругленная индикаторная диаграмма (аналогичная диаграмме идеального цикла, см. рис. 7). Затем производится ее скругление (корректирование) — учет особенностей рабочего процесса конкретного типа двигателя: опережения зажигания (или впрыска топлива), неполноты и несвоевременности сгорания топлива у ВМТ, фаз газораспределения, работы на газообмен в цилиндре. Эти особенности отражаются в тепловом расчете с использованием известных данных по прототипу и (или) двигателям-аналогам, статистическим данным. Например, если для прототипа nн=5200 мин-1, а у проектируемого двигателя соответственно 5600 мин-1, т. е. величина nн примерно в 1,08 раза выше, то для обеспечения своевременного сгорания топлива у ВМТ проектируемого двигателя его угол опережения зажигания () следует увеличить примерно в 1,1 раза по сравнению с соответствующим значением прототипа. Оптимальные регулировочные параметры любого двигателя окончательно устанавливаются при его испытаниях на моторном стенде.

На рис. 9 в качестве примера приведены схемы расчетных индикаторных p-V, p-S диаграмм четырехтактного двигателя без наддува с искровым зажиганием горючей смеси: одна диаграмма нескругленная — на основе теоретического цикла, вторая — скругленная. Начало координат для оси S — в точке, А (в ВМТ).

На данном рисунке показаны характерные точки, участки и площадки диаграмм, и дополнения, в том числе изображение фаз газораспределения в градусах поворота коленчатого вала.

Рис. 9. Расчетные нескругленная и скругленная индикаторные диаграммы p-V, p-S четырехтактного двигателя без наддува с искровым зажиганием горючей смеси Точка rґ - начало открытия впускного клапана с опережением до прихода поршня к ВМТ (точке А), r rґ - фаза (этап) опережения открытия впускного клапана до ВМТ; rа — впуск свежего заряда (топливовоздушной смеси или воздуха) в цилиндр двигателя при движении поршня от ВМТ до НМТ (точке В); на этом участке давление в цилиндре меньше давления окружающей среды р0 из-за многочисленных местных аэродинамических сопротивлений во впускной системе двигателя, в частности из-за сопротивления впускных клапанов и воздушного фильтра.

— ааґґ - запаздывание закрытия впускного клапана после НМТ (фаза дозарядки цилиндра свежим зарядом). До этого участка, когда поршень движется от ВМТ к НМТ с высокой средней скоростью до 16 м/с, также с большой скоростью в цилиндр поступает поток свежего заряда, который, естественно, не может мгновенно остановиться вместе с поршнем в НМТ и продолжает по инерции поступать в цилиндр, несмотря на то что поршень в НМТ меняет направление движения на противоположное. За период дозарядки ааґґ в цилиндр поступает до 15% общей массы свежего заряда. Однако на отдельных режимах работы двигателя, например, при низкой частоте вращения коленчатого вала в период ааґґ вместо дозарядки наблюдается обратный выброс указанного заряда из цилиндра во впускную систему.

— аґґсґ - политропическое сжатие рабочего тела со средним показателем политропы сжатия n1k; часть теплоты, образующейся при сжатии рабочего тела, уходит в стенки деталей, образующих надпоршневый объем. Одновременно через неплотности надпоршневого объема часть массы рабочего тела утекает в картер двигателя. Несмотря на это, на участке аґґсґ давление и температура в точке сґ существенно повышаются по политропической зависимости.

Хотя скорость сгорания топливовоздушной смеси в камере сгорания относительно высока (до 40 м/с), этого недостаточно для того, чтобы горючая смесь сгорела полностью и своевременно у ВМТ. Если проигнорировать условие своевременного сгорания топлива и, следовательно, тепловыделения у ВМТ, то будет происходить несвоевременное тепловыделение на линии расширения и выпуска, что неизбежно повлечет ухудшение топливной экономичности и других важных показателей работы двигателя. Поэтому в камере сгорания искру между электродами свечи или топливо в дизеле подают с опережением — до прихода поршня в ВМТ (точка сґ), чтобы конец сгорания топлива завершался не позднее 30 поворота коленчатого вала после ВМТ.

— сґf — период задержки воспламенения рабочей смеси (топливовоздушной смеси и остаточных газов). В этот период в зазоре между электродами свечи протекают сложные предпламенные процессы. У дизелей в этот период происходят предпламенные процессы — подготовка к активному самовоспламенению топлива.

— f сґґzд — бурные сгорание топлива и возрастание давления и температуры в камере сгорания. Участок сґґzд — начало расширения рабочего тела и выполнения положительной работы. Точке zд соответствует максимальное давление pzд и температура Тz рабочего цикла (индикаторной диаграммы). Крутизна кривой f сґґ характеризует скорость нарастания давления в цилиндре — жесткость сгорания

.

— zдbґ - политропическое расширение рабочего тела со средним показателем политропы расширения n2k, обычно n2 n На этом участке продолжает выполняться положительная работа расширения рабочего тела, происходят утечки теплоты в стенки надпоршневого объема, прорыв ОГ через неплотности надпоршневого объема в картер двигателя, возможно интенсивное догорание топлива при различных неисправностях двигателя, например при позднем опережении зажигания.

— bґbґґ - фаза опережения открытия выпускного клапана до НМТ — свободный выпуск (выхлоп). На этом участке давление в цилиндре рр0 и до 60% массы ОГ покидают цилиндр под переменным перепадом давлений р-р0 с высокими околозвуковыми скоростями истечения через выпускной клапан и другие местные препятствия выпускной системы, что вызывает интенсивное шумоизлучение, для ограничения которого используются глушители шума и другие технические средства.

— bґґr — принудительное, механическое удаление ОГ из цилиндра под действием поршня, движущегося от НМТ к ВМТ.

— rаґ - запаздывание закрытия выпускного клапана — доочистка цилиндра от ОГ. Эта фаза по физической сущности аналогична фазе ааґґ (дозарядке цилиндра). В ВМТ поршень меняет направление движения, а ОГ по инерции продолжают покидать цилиндр вплоть до посадки выпускного клапана на свое седло (точка аґ).

У ВМТ на участке rґrаґ впускной и выпускной клапаны одновременно приоткрыты. Этот участок называется перекрытием клапанов. В дизелях с наддувом данная фаза используется для продувки цилиндров от остаточных газов и внутреннего охлаждения деталей камеры сгорания воздухом.

Участок fc — продолжение политропического сжатия рабочего тела при выключенной свече зажигания или отключенной форсунке в дизеле. Максимальное давление сжатия в ВМТ рс.

Участок ccґґz — подведение располагаемой теплоты топлива к рабочему телу в ВМТ при V=const; z — точка, соответствующая максимальному расчетному давлению диаграммы (цикла) рzр; zzд — расширение рабочего тела в расчетном цикле.

Участок bґb — продолжение политропического расширения рабочего тела при открытии выпускного клапана в НМТ (без свободного выпуска).

Площадка 1 геометрически отражает потерю индикаторной работы Li в связи с опережением зажигания до ВМТ — выполнением поршнем отрицательной работы перед ВМТ.

Площадка 2 представляет потери индикаторной работы, связанные с неполнотой и несвоевременностью сгорания топлива у ВМТ.

Площадка 3 — потери, связанные с опережением открытия выпускного клапана.

Площадка 4 — работа, затрачиваемая на наполнение цилиндра свежим зарядом и очистку надпоршневого объема от ОГ (насосные потери). Эту работу часто относят к механическим потерям двигателя из методических соображений. Экспериментально ее удобно определять вместе с механическими потерями, например, путем прокручивания коленчатого вала двигателя от электродвигателя.

Площадки АZbB и АсаВ под кривыми Zb и ас представляют соответственно расчетные работы расширения Lzb и cжатия Lас. Внутрицилиндровая положительная работа нескругленной диаграммы Liґ= LzbLас. Если обе части этого равенства поделим на Vh, то получим формулу для определения расчетного среднего индикаторного давления (рiґ) нескругленной диаграммы рiґ=рzb-рас, где рzb и рас соответственно расчетные средние давления расширения и сжатия.

Перечисленные выше потери индикаторной работы обычно учитываются суммарно с помощью коэффициента полноты индикаторной диаграммы n, который для бензиновых и дизельных двигателей на полной нагрузке составляет соответственно 0,94−0,97 и 0,92−0,95. Среднее индикаторное давление скругленной диаграммы рi= n рiґ, индикаторная работа Li=nLiґ.

Совершенство протекания рабочего процесса в цилиндре двигателя количественно оценивается индикаторным к.п.д. i, который можно представить в виде:

i=,

где hu — располагаемая теплота топлива, подаваемого в цилиндр за один рабочий цикл, Дж;

где mц — массовая цикловая подача топлива, кг/цикл; Нu — низшая теплотворная способность топлива,

Величину i выражают также в виде

где — суммарная индикаторная работа, совершаемая двигателем при сжигании 1 кг топлива с теплотворностью. Для газового моторного топлива принимается в

Для современных ДВС на полных нагрузках i0,35−0,50. Большие значения i до 0,50 относятся к дизелям, особенностями рабочего процесса которых являются, в частности: сгорание относительно бедных горючих смесей (1,3 — возможность более полного выгорания топлива в камере сгорания), высокие степени сжатия (12 — лучшее использование располагаемой теплоты топлива).

Индикаторная (внутрицилиндровая) мощность двигателя

кВт, (6)

где т — тактность двигателя, для двухтактных и четырехтактных двигателей соответственно т =2 и 4.

При опытном определении мощности Ni на моторном стенде, как следует из формулы (6), Ni=f (pi) — необходимо экспериментально снять индикаторную диаграмму р=f (V) или р=f () с помощью приборов-индика-торов, обработать ее по специальной методике и подсчитать давление рi.

Топливная экономичность рабочего процесса двигателя, кроме величины i, оценивается по удельному индикаторному расходу топлива

gi=, г/(кВт· ч).

Величины зi и gi связаны зависимостью

.

Чем совершеннее протекает рабочий процесс в надпоршневом объеме двигателя, тем выше величина зi и меньше удельный расход gi.

7. Эффективные параметры Аналогично рассмотренным индикаторным показателям двигателя можно количественно выразить его эффективные параметры.

Среднее эффективное давление:

МПа, где Le — эффективная механическая работа, снимаемая с коленчатого вала и соответствующая индикаторной работе Li за один цикл.

Эффективная мощность, снимаемая с коленчатого вала

кВт.

Эффективный к.п.д.

.

Пределы изменения эффективных параметров автомобильных двигателей на полных нагрузках: pe0,5−2,0 МПа; e0,25−0,40; ge200−325 г/(кВт· ч).

7.1 Механические потери Индикаторная работа расходуется на выполнение эффективной работы на коленчатом валу и компенсацию работы механических потерь Lмn в узлах двигателя (КШМ, ЦПГ и др.).

Li=Le+ Lмn.

Поделив обе части этого уравнения на Vh, получим равенство pi= pе+ рмn, где pмn — среднее давление механических потерь.

Ni=Ne+Nмn,

где Nмn= - мощность механических потерь.

Через эффективные и индикаторные параметры выражается механический к.п.д. двигателя

.

При экспериментальном определении зм стандартным методом необходимо: индицирование двигателя — снятие индикаторной диаграммы, ее обработка — получение значения pi. Оценка pе=f (Ne) опытным путем на моторном стенде обычно не вызывает затруднений. По величинам pе и pi подсчитывают

.

С изменением нагрузки ДВС от холостого хода (Ne=0) до полной (Ne= Neн) основные его к.п.д. изменяются приближенно в пределах: 0< i 0,50; е=0−0,45; м = 0−0,9.

Приведем в табличном виде перечень параметров двигателя, учитывающих различные тепловые и механические потери (табл. 2).

Таблица 2

Параметры, учитывающие потери в ДВС

7.2 Внешняя скоростная характеристика Автомобильные двигатели эксплуатируются на переменных скоростных и нагрузочных режимах. Для количественной оценки важнейших эксплуатационных параметров двигателя: номинальной мощности Neн, максимального крутящего момента Мк mах, номинального gен и минимального gеmin удельных эффективных расходов топлива и других снимают внешнюю скоростную характеристику на моторном стенде в стандартных условиях, например по ГОСТ 14 846–8

Эксплуатационная внешняя скоростная характеристика двигателя представляет зависимости основных его параметров (Ne, ge и др.) от частоты вращения коленчатого вала n при положении органа управления топливоподачей на упоре. При этом величина n изменяется путем изменения нагрузки моторным тормозом.

В качестве типичного примера рассмотрим внешнюю скоростную характеристику бензинового двигателя легкового автомобиля ВАЗ-1111 (рис. 10).

Рис. 10. Внешняя скоростная характеристика автомобильного бензинового двигателя Характер изменения кривой Ме=f (n) предопределяется в основном зависимостями коэффициента наполнения v=f (n) и соответственно Ме=f (v). В частности, при n=3000 мин-1 коэффициент v равен его максимальному значению v= v max. В цилиндры двигателя поступает максимальная цикловая масса топливовоздушной смеси, в них выполняется максимальная индикаторная работа Li= Limax, которой соответствует максимальное значение

Ме= Меmax.

Вид характеристики Ne= f (n) определяется зависимостями Ni= f (n) и Nм.n.= f (n), так как Ne= Ni — Nм.n.

С увеличением n мощность Ni= f (v, n) сначала возрастает (увеличиваются v и n), а затем снижается из-за неизбежного увеличения аэродинамического сопротивления впускной системы и снижения v при высоких частотах n и непрерывном возрастании N м.n.=f (n).

Характеристику ge= f (n) можно перестроить в зависимость е= f (n) в соответствии с известным соотношением

.

Так как е=мi, то, естественно, вид зависимости е= f (n) предопределяется характерами изменения сомножителей данного произведения м=f (n) и i= f (n). Скоростные характеристики всех указанных к.п.д. имеют дугообразный вид, аналогичный виду кривой Ме= f (n). Максимумы значений м= мmax, i= imax и е= еmax достигаются при различных величинах n. Естественно, при еmax ge= gemin.

Скоростные характеристики для Ne и особенно Мe= f (n) обычно корректируются изготовителями двигателей применительно к конкретному типу автомобилей с целью обеспечения приемлемых их динамических качеств, в частности ускорения автомобиля:

где iт, m — передаточное число трансмиссии и масса автомобиля; Дк — диаметр ведущих колес.

При постоянных параметрах iт, m и Дк аconst Мe, т. е. ускорение или замедление автомобиля предопределяются зависимостью двигателя Мe=f (n).

8. Характерные коэффициенты и особенности рабочего процесса ДВС

8.1 Коэффициент избытка воздуха При выполнении курсовой работы по автомобильным двигателям необходимо обосновывать величину коэффициента избытка воздуха. Данный коэффициент представляет отношение действительного количества воздуха Lд, приходящегося на 1 кг жидкого или 1 м³ газообразного топлива, к теоретически необходимому количеству L0 для сжигания того же количества топлива;

.

Очевидно,, где Gвд и Gm — часовые расходы воздуха и топлива двигателя. Таким образом,. В соответствии с этой формулой определяют коэффициент экспериментальным путем; при этом величину действительного расхода воздуха измеряют инструментально, в частности, дроссельным расходомером, а — весовым способом — с помощью весов и секундомера.

В инжекторных двигателях слежение за величиной системой управления работой двигателя производится в соответствии с соотношением, где и — электрические сигналы, вырабатываемые элементами систем питания двигателя воздухом и топливом, например, датчиком массового расхода воздуха и системой топливоподачи:. Важнейшие параметры работы таких двигателей автоматически корректируются путем оптимизации величины через систему датчиков и других технических средств.

Карбюраторные системы питания обеспечивают величины, приближенно приемлемые для большинства эксплуатационных режимов работы двигателя. В частности, главная дозирующая система автоматически обедняет горючую смесь (увеличивает) по мере возрастания нагрузки двигателя. Однако такие системы, в отличие от инжекторных, не имеют обратных связей между величиной и выходными параметрами работы двигателя, например, эти системы не реагируют на токсичность отработавших газов, детонацию в цилиндрах, прогрев двигателя и многие другие факторы, что существенно ухудшает эксплуатационные его параметры, особенно на частичных, неоптимальных режимах.

Для распространенных типов карбюраторных и инжекторных двигателей на полных нагрузках 0,85−1,0; на частных режимах 0,81,05; при запуске двигателей в неблагоприятных условиях 0,4−0,8. У дизелей в зависимости от способа смесеобразования в камере сгорания на полных нагрузках 1,31,8; на частичных — до 2 и более.

Работа двигателей с искровой системой зажигания топливовоздушной смеси на полных нагрузках при 0,850,95 имеет свои преимущества и недостатки. При <1 скорость сгорания горючей смеси и ее теплотворность относительно высоки, что позволяет своевременно сжигать топливо у ВМТ и развивать максимальные удельные индикаторные и эффективные параметры рi и рe и соответствующие им мощности Ni и Ne.

Однако из-за недостатка кислорода воздуха при <1 неизбежно неполное сгорание топлива в цилиндре и, как следствие, ухудшение удельных экономических и экологических показателей работы ДВС. Поэтому в современных двигателях данного типа стремятся находить технические средства для сжигания горючих смесей при 0,950,98, близких к 1, в том числе на полных нагрузках. Выбор коэффициента проектируемого двигателя целесообразно делать с учетом базового значения прототипа и величин лучших по топливной экономичности ge и экологичности аналогов. Например, если у прототипа =0,90, то для проектируемого двигателя целесообразно принять значение >0,90, допустим, =0,95. При этом вносятся усовершенствования в конструкции систем питания двигателя топливом и воздухом, зажигания и других узлов.

Можно установить связь между коэффициентом и концентрациями топлива (kт) и воздуха (kв) в топливовоздушной смеси при kт+ kв=1 или kт+kв=100%:

kт, где 1+L0 — количество топливовоздушной смеси, приходящейся на 1 кг топлива.

.

Пример: =1; Lд = L0=15; kт=6,25%; kв=93,75%.

Массовое содержание кислорода в воздухе может значительно изменяться, например, из-за поглощения кислорода на магистралях с интенсивным движением автотранспорта или в зонах стихийных бедствий (пожаров и т. д.). В этих случаях величину необходимо определять в соответствии с выражением

где и — фактическая и нормальная массовые концентрации кислорода в воздухе.

8.2 Коэффициент наполнения Этот коэффициент v для двигателей без наддува равен отношению количества свежего заряда Gвд в цилиндре двигателя (в кг или м3) к количеству такого заряда Gвт, который разместился бы в рабочем объеме при давлении p0 и температуре Т0 окружающей среды, а для двигателей с наддувом при давлении pk и температуре Тk воздуха за воздушным компрессором и охладителем (воздуха), т. е. при параметрах воздуха рk и Тk во впускном коллекторе

. (7)

Экспериментальное определение расхода Gвд описано выше. Величину Gвт для четырехкратных двигателей подсчитывают как произведение известных величин

кг/ч, где — рабочий объем двигателя в м3; и — соответственно число впусков за мин и за ч; в — плотность воздуха (кг/м3).

или ,

где = 29,3 — газовая постоянная воздуха.

Величина v количественно характеризует совершенство наполнения цилиндров двигателя свежим зарядом. Чем выше v при прочих одинаковых условиях, тем большее количество топлива можно подать в цилиндры с обеспечением нормальных скоростей и полноты его сгорания у ВМТ и тем, соответственно, большую номинальную мощность можно получить на коленчатом валу. Допустим, за счет применения в цилиндре двух впускных клапанов вместо одного удалось повысить v в 1,15 раза; таким образом, появилась реальная возможность увеличить эффективную мощность Nен примерно во столько же раз.

Можно показать, что при величине =const и расчете коэффициента v как по расходу воздуха, так и по расходу топливовоздушной смеси

.

При экспериментальном определении v используют выражение (7).

Для полных нагрузок автомобильных двигателей v0,7−0,95. Меньшие значения v0,70−0,75 относятся к карбюраторным двигателям устаревших моделей, в частности, с нижним расположением клапанов газораспределения. Большие величины v0,9−0,95 — преимущественно к двигателям, особенностями которых являются: отсутствие во впускной системе устройств внешнего смесеобразования (карбюратора, смесителя и др.) и относительно меньшая скорость движения воздуха по впускному тракту.

8.3 Коэффициент остаточных газов Данный коэффициент г количественно характеризует загрязненность свежего заряда остаточными ОГ; r = (gr / gвд), где gr и gвд — количества остаточных газов и воздуха, находящихся в цилиндре перед сгоранием топлива. Размерность gr и gвд — г/цикл.

Для распространенных четырехтактных двигателей без наддува величину gr количественно можно оценить по упрощенной зависимости в предположении, что остаточные газы занимают надпоршневый объем Vmin=Vr при положении поршня в ВМТ с известными их физическими параметрами: давлением рг=(1,05−1,1) ро, температурой Тr=Тог+(20ч30 К), газовой постоянной Rr? Rв; здесь Tог, Rr, Rв — соответственно температура ОГ, определяемая с помощью термопары в выпускном коллекторе, газовые постоянные ОГ и воздуха. Плотность остаточных газов

, ,

где — общее количество впусков свежего заряда для всех цилиндров iц двигателя за 1 час. Для четырехтактных двигателей =30 iцn.

На полных нагрузках указанных двигателей г=2−8%, для частичных режимов величина г карбюраторных двигателей — до 30−40%. Большое относительное количество остаточных газов в свежем заряде нежелательно, т.к. способствует ухудшению условий сгорания топлива, его перерасходу и повышению токсичности ОГ.

8.4 Сгорание топлива и токсичность отработавших газов На рис. 11 показана схема индикаторной диаграммы типичного четырехтактного ДВС без наддува с краткой иллюстрацией процессов, происходящих в цилиндре и соответствующих им характерных точек и участков. Процессы наполнения, сжатия рабочего тела и очистки цилиндров от остаточных газов важны для организации и проведения процесса сгорания — превращения располагаемой теплоты топлива, подаваемого в цилиндры, в индикаторную работу. Совершенство этого превращения предопределяется полнотой и своевременностью сгорания топлива у ВМТ. При осуществлении реального цикла двигателя необходимо стремиться к тому, чтобы максимально возможное количество топлива, подаваемого в цилиндр, полностью сгорало у ВМТ.

Рис. 11. Схема развернутой индикаторной диаграммы двигателя с искровой системой зажигания горючей смеси Один из способов количественной оценки параметров сгорания топлива в ДВС состоит в снятии на работающем двигателе и анализе развернутых индикаторных диаграмм в р—координатах (- угол поворота коленчатого вала) с помощью специальных приборов — индикаторов различного типа.

На рис. 11 в качестве примера приведена такая диаграмма типичного двигателя с искровой системой зажигания (сплошные линии). Там же пунктиром показана диаграмма сжатие — расширение рабочего тела при выключенном зажигании. Характерные точки и участки данной диаграммы работающего двигателя: с — момент подачи искры между электродами свечи зажигания, ссґ - период задержки воспламенения топлива (I участок, первая фаза сгорания топлива); сґz — период видимого сгорания топлива (интенсивное выделение теплоты, повышение температуры и давления в цилиндре), II участок, вторая фаза сгорания. Условно принято, что конец сгорания соответствует точке z. Фактически полное выгорание топлива часто завершается позже на линии расширения.

Точке z соответствует максимальное давление pz и максимальная температура Тz. Скорость нарастания давления на участке II? p/? называется средней жесткостью сгорания, которая количественно характеризует динамичность процесса сгорания (тепловыделения) и соответственно силового нагружения поршня и деталей кривошипно-шатунного механизма. Чем больше величины pz и? p/?, тем неблагоприятнее условия работы указанных деталей, в частности шатунных подшипников.

При нормальном протекании реакций сгорания топлива скорость распространения фронта пламени от электродов свечи к периферии КС достигает 30−40 м/с. Иногда эта скорость может аномально возрастать в десятки раз до 1500−2000 м/с. Такое явление называется детонацией. Ее сущность состоит в том, что часть горючей смеси в КС, удаленная от свечи, при неблагоприятных условиях (перегреве топливовоздушной смеси, недостаточной стойкости топлива против детонации и др.) самовоспламеняется с высокой скоростью сгорания до прихода основного фронта пламени от свечи. Детонационное сгорание в цилиндре недопустимо, т.к. ухудшает все эксплуатационные показатели двигателя, вызывает разрушение деталей, образующих КС: прогорание днища поршня, разрушение его колец и перемычек между ними и т. д.

Распространенные меры устранения детонации в цилиндрах: поддержание двигателя в исправном техническом состоянии; использование качественных топлив, соответствующих данному двигателю; уменьшение нагрузки на двигатель (например, путем прикрытия дроссельной заслонки системы питания) до выяснения причины детонации и ее устранения на всех рабочих режимах.

Другие возможные ненормальности сгорания топлива в КС двигателя с искровой системой зажигания и их проявления, обусловливающие ухудшение удельной топливной экономичности и экологических показателей ОГ: синее (голубое) дымление — из-за повышенного количества картерного масла, попадающего в КС, например через изношенные поршневые кольца (пониженная компрессия в цилиндрах); белое дымление — из-за попадания в ОГ несгоревшего топлива и его паров, в частности, на непрогретом двигателе или (и) при неработающей свече зажигания; так называемое преждевременное калильное воспламенение топлива не от искры, а от посторонних перегретых деталей КС, например, выхлопного клапана или свечи зажигания при интенсивном на них нагарообразовании.

Сгорание топлива в дизелях существенно отличается от рассмотренных процессов сгорания (тепловыделения) в двигателях с искровым зажиганием горючей смеси. Это обусловлено иным принципом воспламенения топлива в КС дизелей — его самовоспламенением от сжатия рабочего тела при высоких давлениях 3−5 МПа и температурах 600−700 оС. Топливо подается в КС с опережением до ВМТ с продолжительностью обычно не более 30о поворота коленчатого вала и высоким давлением впрыска форсункой до 100 МПа и более. При указанных относительно благоприятных условиях, а также вследствие организованного движения воздушных потоков в цилиндре топливо сравнительно тонко распыливается на мелкие капли, быстро испаряется, перемешивается с кислородом воздуха и окисляется — сгорает с выделением теплоты. Продолжительность смесеобразования в дизелях по углу примерно на порядок меньше, чем в двигателях с искровым зажиганием горючей смеси. Состав этой смеси по объему КС крайне неравномерен, например, по сечению капли топлива локальный (местный) коэффициент б изменяется от нуля (в жидкой фазе капли) до бесконечности на ее периферии. Поэтому средние значения б вынуждены принимать на полной нагрузке не менее 1,2. Эти величины существенно зависят от формы КС и других особенностей двигателя: в дизелях с разделенными на две части КС средняя величина б меньше, чем для неразделенных КС из-за более интенсивного перемешивания топливовоздушной смеси в первых из них.

На индикаторной диаграмме дизелей, аналогичной по виду диаграмме, показанной на рис. 11, выделяют четыре периода — фазы сгорания топлива.

Первый период — от момента начала поступления топлива в цилиндр в конце процесса сжатия до начала бурного сгорания. В этот период (i) задержки самовоспламенения топлива оно неравномерно распределяется по КС, перемешивается с воздухом, прогревается и частично испаряется. Наиболее прогретая его часть начинает относительно медленно реагировать с кислородом воздуха, что слабо влияет на приращение давления в цилиндре.

Второй период — с момента начала интенсивного нарастания давления в КС до сгорания основной массы поданного в цилиндр топлива характеризуется высокой скоростью сгорания по всему объему КС в зонах, где созданы условия для бурного окисления топлива. Средняя скорость нарастания давления — жесткость сгорания? р/? — не должна превышать 0,6 МПа на 1о угла поворота коленчатого вала с целью ограничения силовых нагрузок на поршень, другие детали КШМ и снижения шумоизлучения двигателя. Величина? р/? зависит от многих особенностей двигателя и свойств топлива, в частности, от формы КС, угла опережения впрыска топлива (?є) до ВМТ и цетанового числа топлива — его склонности к самовоспламенению. Один из простейших и эффективных способов снижения жесткости сгорания — уменьшение угла ?є. При этом топливо подается в сжатый воздух КС с повышенной температурой (до 700 єС), меньшее его количество накапливается в цилиндре в индукционный период i и, как следствие, более плавно протекает кривая р=f () во второй период. Однако снижение жесткости сгорания таким способом часто сопряжено с ухудшением топливной экономичности двигателя из-за менее своевременного тепловыделения в цилиндре относительно ВМТ.

Третий условный период начинается у ВМТ при движении поршня к НМТ и продолжается при р? const, когда топливо, ранее поданное в КС, сгорело, а продолжает гореть топливо, подаваемое форсункой в конце впрыска в пламя при неблагоприятных условиях в цилиндре из-за образования большого количества инертных продуктов сгорания и уменьшении текущего значения б. В современных дизелях продолжительность третьего периода часто близка к нулю вследствие того, что к началу этого периода топливоподача в КС завершена.

Иногда по различным причинам, например из-за неисправностей системы топливоподачи (грубого распыливания топлива на крупные капли, закоксовывания сопловых отверстий форсунки и т. д.), сгорание топлива не завершается у ВМТ и продолжается на линии расширения. Этот период называется четвертой фазой сгорания — догоранием топлива. Естественно, чем продолжительнее эта фаза, тем хуже эксплуатационные показатели двигателя.

Возможные ненормальности сгорания топлива в дизеле и их признаки во многом аналогичны ненормальностям двигателей с искровой системой зажигания горючей смеси: жесткое сгорание топлива при величинах? р/?>0,6 МПа на 1є угла, что проявляется резкими стуками в цилиндре, напоминающими детонационное сгорание; черное дымление ОГ из-за неисправностей систем питания топливом и воздухом (например, вследствие грубого распыливания топлива на крупные капли и чрезмерного загрязнения воздушного фильтра); белое дымление, чаще всего, на непрогретом двигателе, когда часть топлива, впрыснутого в КС, не воспламеняется, а лишь испаряется и выбрасывается с ОГ в виде белого топливного пара; синее дымление, аналогично двигателям с искровым зажиганием горючей смеси, из-за чрезмерного попадания в КС картерного масла, которое в ней не успевает сгореть и выбрасывается с ОГ, придавая им указанный цвет. При полном сгорании углеводородного топлива — нефтепродуктов — их ОГ почти бесцветны, слегка серого цвета. Различные интенсивные цвета ОГ косвенно отражают неисправности двигателя, его ухудшенные экономические и экологические показатели.

Токсичность отработавших газов. Наряду с индикаторными вели-чинами gi (i), важным показателем совершенства протекания рабочего процесса ДВС является токсичность ОГ, обусловленная выделениями вредных для окружающей среды веществ: СО, СnНm, NOx, C (сажи) и др. Относительное количество этих выделений, образующихся в цилиндре, предопределяется типом и другими особенностями двигателя.

К существенным особенностям двигателей с искровой системой зажигания относится использование на многих режимах работы богатых топливовоздушных смесей при коэффициенте б<1, т. е. неравенстве Lд.

Например, при запуске и холостом ходе двигателя этот коэффициент может составлять 0,9−0,7 и менее. Из-за относительного недостатка воздуха при б<1 неизбежно неполное сгорание топлива с повышенным образованием СО и СnНm. Количество этих выделений дополнительно возрастает при отрицательном влиянии на рабочий процесс различных конструктивных и эксплуатационных факторов: неравномерности распределения по цилиндрам и неоднородности горючей смеси, неисправностей систем питания топливом и зажигания, некачественного топлива и др.

Максимальная температура газов в камере сгорания может достигать 2000 оС и более. При таких высоких температурах образуется значительное количество окислов азота NO, NO2 и др., обозначаемых обычно в сумме как NOx. Относительная вредность для здоровья человека указанных веществ СО, СnНm и NOx выражается распространенным соотношением, соответственно, 1:0,67:20. В ОГ может находиться также множество других ядовитых веществ, токсичность которых в десятки и сотни раз выше, чем у перечисленных. Однако из-за большой сложности измерения особо опасных токсичных веществ, например бензапирена, в эксплуатационных условиях эти вещества обычно не контролируются.