Теория двигателей внутреннего сгорания

Основы теории двигателя внутреннего сгорания. Часть 1

Основные понятия и сокращения
Дроссельная заслонка (ДС) – металлическая пластина, жестко соединенная с педалью «газа». При нажатии педали она открывается и в карбюратор или во входной коллектор системы впрыска засасывается больше воздуха, вызывая увеличение оборотов коленчатого вала двигателя.
Топливно-воздушная смесь (ТВС) или горючая смесь – смесь бензина с воздухом приготовляемая карбюратором или системами впрыска, и подаваемая в предклапанную зону Двигателя внутреннего сгорания (ДВС).
Рабочая смесь – смесь ТВС с остаточными газами, которая поджигается свечами зажигания и сгорает в камере сгорания двигателя, приводя в движение поршни и коленчатый вал.
Угол поворота коленчатого вала (УПКВ) – поскольку скорость вращения коленчатого вала изменяется в зависимости от скорости автомобиля, то и длительность процессов, происходящих в работающем двигателе тоже непостоянна и зависит от скорости вращения коленчатого вала. В связи с этим величиной однозначно характеризующей длительность отдельных этапов работы ДВС является УПКВ. Например, полный цикл работы четырехтактного ДВС составляет два оборота коленчатого вала, или 720º УПКВ.
Угол опережения зажигания (УОЗ) – один из основных параметров работы двигателя. Дело в том, что время горения рабочей смеси величина вообще говоря постоянная. Конечно она изменяется в зависимости от качества топлива, характеристик ТВС, температуры, формы и размеров КС и др., но для конкретного двигателя с исправной системой питания она является почти константой. Но так как скорость вращения коленвала постоянно меняется, то и угол опережения зажигания необходимо постоянно подстраивать так, чтобы воспламенение смеси происходило в тот момент, когда поршень находится близко к верху цилиндра (верхней мертвой точке ВМТ). Если же угол опережения зажигания выставлен неправильно, то возможны два случая:
— если УОЗ мал, то максимальная энергия горения выделяется в тот момент, когда поршень еще не дошел до ВМТ и энергия тратится не на разгон двигателя, а на его торможение. При этом металл камеры сгорания (КС) и клапанов сильно разогреваются, и возникает явление детонации в цилиндрах;
— если УОЗ слишком велик, то максимальная энергия горения выделяется в тот момент, когда поршень уже прошел ВМТ и под действием инерции маховика идет назад. При этом энергия горения рабочей смеси воздействует на поршень не все время рабочего хода, а только его часть, что значительно снижает мощность двигателя и приводит к перерасходу топлива.
Для обеспечения максимальной мощности ДВС необходимо, чтобы УОЗ был бы как можно меньше, но при этом его значение не переходило ту грань, за которой начинается детонация. Поэтому значение УОЗ выражается формулой , где – установочный угол опережения зажигания, – поправка УОЗ.
Установочный УОЗ определяется по характеристикам двигателя и выставляется или корректируется вручную при установке зажигания. Поправка УОЗ многофункциональна. Она зависит от частоты вращения коленчатого вала, температуры охлаждающей жидкости, качества топлива и т.д.
Подробнее про УОЗ здесь.
Детонация – взрывное воспламенение рабочей смеси и ее сгорание со скоростью значительно превышающей обычную скорость сгорания. Сопровождается характерным металлическим стуком и перегревом двигателя. Может привести к повреждению поршней, зеркала цилиндра, клапанов и свечей зажигания.
Электронный блок управления двигателем ЭБУ – предназначен для управления работой ДВС путем анализа информации получаемой от различных датчиков, расположенных в разных местах двигателя, и управления его работой с помощью исполнительных устройств. Главные параметры, с помощью которых ЭБУ воздействует на ДВС, это изменение угла опережения зажигания и количество впрыснутого топлива (качество горючей смеси).
Рабочий цикл двигателя
Рабочим циклом двигателя называется совокупность процессов, периодически повторяющихся в определенной последовательности – «впуск», «сжатие», «рабочий ход», «выпуск».
Объем, освобождаемый поршнем при движении от верхней мертвой точки ВМТ к нижней мертвой точке НМТ, называется рабочим объемом цилиндра. Суммарный рабочий объем всех цилиндров называется литражом двигателя. Объем над поршнем в ВМТ называется объемом камеры сгорания КС. Отношение полного рабочего объема к объему КС называется степенью сжатия. Характеристики работы блока цилиндров представлены в таблице 1.
Моменты открытия и закрытия клапанов, выражаемые в углах поворота коленчатого вала УПКВ, называется фазами газораспределения. Момент, когда открыты оба клапана, называется углом перекрытия клапанов в районе ВМТ. Сжатие необходимо для создания оптимальных условий горения, для увеличения температуры перепада цикла, для увеличения КПД ДВС.

Таблица 1. Характеристики работы блока цилиндров

Название такта Угол поворота коленчатого вала Впускной клапан Выпускной клапан Температура КС, ºC Давление в КС, атм.
Впуск 0…180 Открыт Закрыт 80-120 0. 8
Сжатие 180…360 Закрыт Закрыт 200-400 6-12
Раб. ход 360. 540 Закрыт Закрыт 2000 40-50
Выпуск 540. 720 Закрыт Открыт 500-600 0,1 — 1,2
Читайте также:  Сразу включается вентилятор радиатора

Процесс сгорания топлива
І. Момент подачи искры – угол задержки зажигания. Период задержки воспламенения 4…6º УПКВ зависит от химического состава топлива и состава ТВС. При увеличении этого времени ухудшается стабильность воспламенения. На этот период влияет состав ТВС, степень сжатия, количество остаточных газов, обороты, нагрузка, энергия искры.
II. Период эффективного горения – 20…30º УПКВ – зависит от состава ТВС, угла опережения зажигания, нагрузки, степени сжатия, формы КС, скорости завихрения потока, степенью нарастания давления. Если Р25º УПКВ, то горение идет медленно.
III. Период догорания – на процесс горения влияют скорость распространения фронта пламени. Она зависит от состава смеси, степени сжатия, угла опережения зажигания, формы камеры сгорания, место расположения свечи, степени завихрения потока. При обогащении смеси скорость фронта пламени падает из-за неполного сгорания, при обеднении скорость падает из-за дополнительных затрат теплоты на нагревание избыточного воздуха.

Начальная температура воспламенения топливно-воздушной смеси (ТВС)
При увеличении температуры ТВС увеличивается скорость распространения фронта пламени за счет увеличения скорости химических реакций.
За счет увеличения степени сжатия увеличивается одновременно температура и давление ТВС и снижается количество остаточных газов, что увеличивает скорость распространения пламени.
Форма КС влияет на длину фронта пламени и на теплообмен. Чем меньше отношение площади КС к ее объему, тем меньше потери тепла, следовательно, скорость распространения фронта пламени выше.
Угол опережения зажигания должен обеспечить окончание сгорания вблизи ВМТ (10…15º УПКВ), поэтому момент воспламенения смеси должен меняться в зависимости от состава ТВС и нагрузки. При увеличении оборотов двигателя угол опережения зажигания увеличивается.

Основная характеристика ТВС
Расчет состава смеси базируется на соблюдении стехиометрического соотношения количества топлива и воздуха: на один килограмм бензина требуется 14,7 кг воздуха. Коэффициент избытка воздуха равен:

где – количество воздуха, поступившее во впускной коллектор
λ>1 – обедненная смесь
λ Вернуться Комментариев: 0

В этой части рассмотрим такое явление, как детонация. Основная ошибка в вопросах связанных с детонацией заключается в терминологии, поэтому, сразу отделим «мух от котлет». Детонация, это взрывообразное сгорание рабочей смеси. Всё. Ни каких «самопроизвольных» и «неконтролируемых» сгораний. Рассмотрим, как, вообще, происходит сгорание рабочей смеси в ДВС. Пусть это будет двигатель Magnum 318 в режиме максимального крутящего момента (полный дроссель, 2800 об./мин., 407 Нм). В тот момент, когда между электродами свечи зажигания «проскакивает» искра, появляется очаг возгорания рабочей смеси, объёмом несколько кубических миллиметров. Далее, пламя распространяется по камере сгорания в виде фронта. Нормальная скорость распространения фронта пламени составляет, порядка 85 м/сек. (иногда больше, иногда меньше). Итак, фронт пламени распространяется по камере сгорания. Уже сгоревшая часть рабочей смеси, в виде отработанных газов, начинает сжимать ещё не сгоревшую рабочую смесь. На этом этапе очень важно, чтобы давление в цилиндре не превысило такого значения, при котором может произойти детонация (взрыв) той самой пока ещё не сгоревшей рабочей смеси. Если это значение будет превышено, то скорость распространения племени будет измеряться не десятками, а тысячами метров в секунду. При этом, возникают ударные волны, многократно отражающиеся от стенок камеры сгорания и поршня, что приводит к многократным скачкообразным изменениям давления в цилиндре в очень короткий промежуток времени. Для того, что бы лучше всё это представить – посмотрим на картинку.

Эта картинка не только иллюстрирует причины возникновения детонации, но ещё и показывает необходимость изменения угла опережения зажигания, в зависимости от оборотов коленвала и нагрузки на двигатель. Сейчас вам всё станет предельно ясно. Итак, вернёмся к нормальному сгоранию рабочей смеси (зелёная кривая). Зажигание рабочей смеси происходит ещё до момента достижения поршнем ВМТ. В тот момент, когда часть уже сгоревшей рабочей смеси, в виде отработанных газов, начинает сжимать ещё несгоревшую рабочую смесь до опасных значений (в плане детонации), поршень проходит ВМТ и объём цилиндра начинает увеличиваться. Это позволяет не превысить критического (в плане детонации) давления на ещё не сгоревшую рабочую смесь. Далее, оставшаяся часть рабочей смеси сгорает таким образом, что максимальное давление в цилиндре (в конце сгорания рабочей смеси) приходится на 15° ПКВ после ВМТ. При этом, достигаются максимальные эффективные показатели двигателя. Теперь увеличим нагрузку на двигатель (красная кривая). Напомню, что «наш» двигатель уже работает на режиме максимального крутящего момента, при полном дросселе. Так-что увеличение нагрузки неизбежно приведёт к снижению оборотов коленвала. Если при этом угол опережения зажигания останется прежним, то произойдёт следующее. Часть смеси сгорит с той же скоростью, что и в первом случае. Но сейчас-то поршень двигаться медленнее и если в первом случае поршень успевал «перемахнуть» через ВМТ и «отбежать» от неё, то в данной ситуации он (поршень) этого сделать не успеет. Это приведёт к тому, что давление в цилиндре достигнет критического значения и процесс сгорания «оставшейся» части рабочей смеси примет взрывообразный характер, т.е. произойдёт детонация (красная кривая на картинке). Что бы этого избежать, достаточно уменьшить угол опережения зажигания. А что произойдёт, если нагрузку на двигатель не увеличить, а снизить? Посмотрите на синюю кривую, а я прокомментирую. Ещё раз напоминаю, что «наш» двигатель работает на режиме максимального крутящего момента, при полном дросселе. Очевидно, что при этом, снижение нагрузки приведёт к увеличению оборотов коленвала. Т.е., при одинаковом давлении, поршень будет быстрее «убегать» вниз (нагрузка-то снизилась). Если не увеличить угол опережения зажигания, то при нормальной скорости сгорания рабочей смеси, поршень слишком быстро «перемахнёт» и «отбежит» от ВМТ. Это приведёт к тому, что, во-первых, значение максимального давления в цилиндре будет меньше, чем в первом случае. Во-вторых, достигнуто оно (максимальное давление) будет уже не на 15° поворота коленвала после ВМТ, а позже. Это приведёт к снижению эффективных показателей двигателя. Почему так произошло? Да потому, что рабочую смесь подожгли «поздно» и пока она (рабочая смесь) вся сгорела, поршень очень далеко «убежал» от ВМТ. Другими словами, поршень «сбежал» при меньшем давлении, чем «готова была создать» рабочая смесь. Ну «сбежал» и «сбежал» (поршень), жалко что ли? На самом деле, жалко. Жалко неэффективно сгоревшее топливо. Дело в том, что если максимальное давление в цилиндре достигается более, чем на 15° поворота коленвала после ВМТ, то эффективные показатели двигателя снижаются. Опять же напомню, что у нас «супер краткий курс» теории ДВС. Но для того, кто захочет «копнуть» глубже – рекомендую почитать запись про двигатель Toyota 2AZ-FE, на который поставили турбонаддув, без изменения степени сжатия. Если в двух словах, то определяющую роль, в достижении выдающихся (не побоюсь этого слова) результатов, сыграла форма камеры сгорания. Такая форма обеспечила «максимальную» возможную площадь фронта пламени, что привело к снижению времени сгорания всей рабочей смеси. Ну и, для полноты картины, остановимся на таких часто встречающихся терминах, как «самопроизвольное» и «неконтролируемое» сгорание рабочей смеси. Начнём с «неконтролируемого»… Позвольте задать вопрос: А как, вообще, осуществляется контроль за сгоранием рабочей смеси? Ответ очевиден – ни как. Поэтому термин «неконтролируемое» — «в топку». Теперь рассмотрим «самопроизвольное»… Да, такое случается по двум причинам. Первой причиной является возгорание рабочей смеси не от искры, а от раскалённых частей деталей в камере сгорания (включая поршень). Но мы же ещё в начале записи договорились отделять «мух от котлет». Вот и будем отделять. Самопроизвольное возгорание от раскалённых частей приводит только к самопроизвольному возгоранию рабочей смеси, а не к детонации. После самопроизвольного возгорания смеси, детонация может произойти, а может и не произойти. Вполне возможно, что после самопроизвольного возгорания рабочей смеси она сгорит с нормальной скоростью и давление в цилиндре не превысит критических значений. Т.е., самопроизвольное возгорание рабочей смеси есть, а детонации нет. А может быть, что дело закончится детонацией. Но причины детонации будут не в самопроизвольном возгорании рабочей смеси, а в превышении критического давления в процессе сгорания рабочей смеси (что было описано выше). Другими словами, не надо объединять причины и следствия. Вторая причина самопроизвольного возгорания рабочей смеси (вот тут очень важно, что не горючей, а именно рабочей смеси) носит название «дизелинг». Ну, это (если кто-то ещё помнит, конечно) когда карбюраторный двигатель после выключения зажигания ещё какое-то время продолжал работать. Ну как, работать? Дрыгался на очень низких оборотах, да и всё. В наше время, это совершенно неактуально, поэтому останавливаться на этом явлении не будем. Вообще, тема детонации и методов борьбы с этим явлением очень большая и, наверное, самая интересная, т.к. на пути повышения эффективных показателей ДВС именно детонация встаёт «непреодолимой стеной» (может быть, как-нибудь в другой раз, «разжуём» эту тему подробней). Но для «супер краткого курса теории ДВС» написанного выше вполне достаточно. В следующий раз поговорим о смесях (бедных, богатых, стехиометрических).

Читайте также:  Автосалон лада центр сибирь отзывы

Теория двигателей внутреннего сгорания [2009, PDF, DjVu, DOC]

Сообщение Файл

Теория двигателей внутреннего сгорания

Год выпуска : 2009
Автор : Дьяченко В.Г.
Жанр : Учебное пособие
Формат : PDF / DjVu / DОС
Количество страниц : 507
Описание : Рассмотрены основные определения в двигателях внутреннего сгорания, термодинамические и реальные циклы двигателей, характеристики топлив и рабочего тела, принципы организации и математическое моделирование рабочих процессов, методы оценки технико-экономических показателей, выбор параметров рабочих процессов и конструкции двигателя.

ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЕ О ДВИГАТЕЛЯХ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
§1. Основные определения
§2. Термодинамические циклы двигателей внутреннего сгорания
§3. Действительные циклы четырёхтактных двигателей внутреннего сгорания
§4. Действительные циклы двухтактных двигателей внутреннего сгорания
§5. Краткая история развития двигателей внутреннего сгорания
§6. Классификация двигателей внутреннего сгорания
ГЛАВА 2. ТОПЛИВО ДЛЯ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
§1. Сырьевые ресурсы моторного топлива
§2. Состав нефти и нефтепродуктов
§3. Основные характеристики моторных топлив
§4. Марки моторных топлив
ГЛАВА 3. РАБОЧЕЕ ТЕЛО В ДВИГАТЕЛЯХ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ И ЕГО СВОЙСТВА
§1. Основные определения
§2. Состав и основные характеристики свежего заряда 104
§3. Состав продуктов сгорания при полном сгорании топлива 106
§4. Состав продуктов сгорания при неполном сгорании топлива 111
§5. Токсичность отработавших газов 113
§6. Теплоемкость рабочего тела 121
ГЛАВА 4. ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ ПРОЦЕССОВ В РАБОЧЕЙ ПОЛОСТИ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ 127
§1. Уравнение объемного баланса Н.М. Глаголева 127
§2. Дифференциальные уравнения процессов массообмена и теплообмена в надпоршневой полости 132
§3. Теплообмен между рабочим телом и стенками надпоршневой полости 139
ГЛАВА 5. ТЕЧЕНИЕ РАБОЧЕГО ТЕЛА ЧЕРЕЗ ОРГАНЫ ГАЗОРАС-ПРЕДЕЛЕНИЯ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ 147
§1. Площадь проходных сечений клапанов 147
§2. Площадь проходных сечений окон в стенке цилиндра 152
§3. Истечение газа через органы газораспределения 154
§4. Эффективная площадь проходных сечений органов газорас-пределения 167
ГЛАВА 6. ПРОЦЕССЫ ГАЗООБМЕНА В ЧЕТЫРЁХТАКТНЫХ ДВИГАТЕЛЯХ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ 171
§1. Особенности организации процессов газообмена в четырёхтактных двигателях
§2. Показатели процессов газообмена
§3. Приближенная оценка показателей газообмена четырёхтактного двигателя
§4. Расчет процесса выпуска
§5. Расчет процессов в надпоршневой полости на участке перекрытия клапанов
§6. Расчет процесса впуска
§7. Возможности использования численного моделирования процессов газообмена четырёхтактных двигателей для решения практических инженерных задач
ГЛАВА 7. ПРОЦЕССЫ ГАЗООБМЕНА В ДВУХТАКТНЫХ ДВИГАТЕЛЯХ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ 236
§1. Особенности организации процессов газообмена в двухтактных двигателях
§2. Расчет процессов газообмена в двухтактных двигателях с нагнетателем
§3. Расчет процессов газообмена в двухтактных двигателях с кривошипно-камерной продувкой
ГЛАВА 8. ГАЗОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ГАЗОВОЗДУШНЫХ КАНАЛАХ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
§1. Методы моделирования газодинамических процессов в газо-воздушных каналах двигателей
§2. Основные посылки моделирования неустановившегося течения газа в газовоздушных каналах двигателей
§3. Процессы разгона газа в газовоздушных каналах двигателей
§4. Процессы торможения газа в газовоздушных каналах двигателей
§5. Влияние газодинамических процессов во впускной и выпускной системах на процессы газообмена в надпоршневой полости
ГЛАВА 9. ПРОЦЕСС СЖАТИЯ
§1. Процессы, происходящие в надпоршневой полости при сжатии рабочего тела
§2. Моделирование процесса сжатия в двигателях с неразделенными (полуразделенными) камерами сгорания
§3. Моделирование процесса сжатия в двигателях с разделенными камерами сгорания
ГЛАВА10. ПРОЦЕССЫ СМЕСЕОБРАЗОВАНИЯ, СГОРАНИЯ И РАСШИРЕНИЯ В ДВИГАТЕЛЯХ С ИСКРОВЫМ ЗАЖИГАНИЕМ
§1. Процессы смесеобразования
§2. Зажигание топливовоздушных смесей от искры электрического разряда
§3. Процессы сгорания топливовоздушных смесей
§4. Методы расчета процессов сгорания и расширения
ГЛАВА11. ПРОЦЕССЫ СМЕСЕОБРАЗОВАНИЯ, ВОСПЛАМЕНЕНИЯ, СГОРАНИЯ И РАСШИРЕНИЯ В ДВИГАТЕЛЯХ С ВОСПЛАМЕНЕНИЕМ ТОПЛИВА ОТ СЖАТИЯ
§1. Системы подачи топлива в камеру сгорания дизеля
§2. Процессы смесеобразования
§3. Процессы воспламенения, сгорания и расширения
§4. Методы расчета процессов сгорания и расширения в двигателях с воспламенением топлива от сжатия
ГЛАВА12. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ 420
§1. Индикаторные показатели
§2. Механические потери
§3. Эффективные показатели
§4. Составляющие теплового баланса
ГЛАВА13. ХАРАКТЕРИСТИКИ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
§ 1. Режимы работы
§2. Регулировочные характеристики
§3. Эксплуатационные характеристики
§4. Специальные характеристики
ГЛАВА14. ВЫБОР ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ КОНСТРУКЦИИ И РАБОЧИХ ПРОЦЕССОВ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
§1. Требования, предъявляемые к двигателю
§2. Частота вращения коленчатого вала
§3. Ход поршня и отношение хода поршня к диаметру цилиндра
§4. Число и расположение цилиндров
§5. Пример выбора основных параметров конструкции и рабочих роцессов двигателя

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!:

Adblock detector