ГОРЕНИЕ РАБОЧЕЙ СМЕСИ, ТЕРМОДИНАМИКА И МЕХАНИКА ДВИГАТЕЛЯ

Индикаторная диаграмма 2-тактного двигателя
Индикаторная диаграмма 2-тактного двигателя

При рассмотрении рабочих циклов двигателей внутреннего сгорания целесообразно воспользоваться графическим изображением процессов, используя для этого систему координат «давление — объем», P—V. В системе координат P—V представляется зависимость давления газа в цилиндре от объема надпоршневого пространства. Диаграмма P—V получается в процессе измерения давления в надпоршневом пространстве с помощью специального прибора. Этот прибор называется индикатором, и поэтому диаграмма P—V называется индикаторной. На рисунке выше представлена индикаторная диаграмма 2-тактного двигателя.

Устройство современного 2-тактного двигателя
Устройство современного 2-тактного двигателя

В 2-тактном двигателе горючая смесь до поступления в цилиндр заполняет картер, расположенный под поршнем. В стенке цилиндра имеются два окна: впускное (канал впуска) и выпускное (канал выпуска), а также окна продувочных каналов. Картер непосредственно с атмосферой не сообщается, впускное окно соединено с карбюратором. Продувочные окна сообщаются с картером камерой через каналы продувки.

Рабочий процесс 2-тактного карбюраторного двигателя
Рабочий процесс 2-тактного карбюраторного двигателя

Рассмотрим подробнее рабочий цикл двигателя.

Всасывание, сжатие и зажигание

При движении вверх поршень (2) сжимает топливовоздушную смесь в камере сгорания (1). В картере создается разряжение (5). Так как впускной канал (4) открыт, свежая порция рабочей смеси попадает в картер (5). В это же время поршень (2) перекрывает выпускной канал (3) и перепускные каналы (7). Смесь сжимается и воспламеняется с помощью свечи зажигания (8) немного раньше ВМТ. Давление, возникающее при сгорании топлива, толкает поршень (2) вниз.

Работа, предварительное сжатие и выпуск

Поршень (2) работает, когда он движется вниз и вращает коленчатый вал (6), одновременно предварительно сжимая смесь в картере (5). Выпускной канал (3) и перепускные каналы (7) открыты. Выхлопные газы покидают камеру сгорания (1) через выпускной канал (3). Свежая, предварительно сжатая смесь движется через перепускные каналы (7) в камеру сгорания (1) и одновременно выталкивает наружу оставшиеся выхлопные газы.

У 2-тактного двигателя впуск, сжатие, работа и выпуск накладываются друг на друга во времени, и за два хода поршня совершается весь рабочий цикл — другими словами, при каждом обороте коленвала.

Это позволяет осуществить процесс газообмена за более короткое время и реализовать цикл за два хода поршня, или за один оборот коленчатого вала.

Для 4-тактных двигателей рабочий цикл осуществляется при последовательном прохождении всех четырех процессов: впуск, сжатие, сгорание и расширение продуктов сгорания (рабочий ход), выпуск. При этом поршень совершает четыре хода, а коленчатый вал двигателя два оборота. Такты впуска и выпуска являются вспомогательными. Поэтому на процесс газообмена в 4-тактном двигателе отводится более половины времени цикла.

Помимо мощности важной характеристикой двигателя является крутящий момент, говорящий о его «силовых возможностях». Лучше понять его можно на следующей сравнительной иллюстрации 2-тактного и 4-тактного двигателей.

Крутящий момент создается при расширении сгоревших газов, толкающих поршень вниз при такте работы, вращая коленвал. Величина крутящего момента зависит от конструкции двигателя. Напомним, что у 2-тактных двигателей такт работы приходится на каждый оборот двигателя, у 4-тактных — на каждый второй.

При этом 2-тактный двигатель теряет силу толкания поршня, как только открывается выпускное отверстие, позволяя выхлопным газам попадать в глушитель. Другими словами, вращающееся действие коленвала исчезает после того, как он сделал примерно 120°. В 4-тактном двигателе процесс сгорания продолжает действовать на поршень и вращать коленвал в течение 180° оборота.

Общее сравнение 2-тактного и 4-тактного двигателей по создаваемому крутящему моменту
Общее сравнение 2-тактного и 4-тактного двигателей по создаваемому крутящему моменту

Так в ходе такта работы 4-тактный двигатель создает больший крутящий момент по сравнению с 2-тактным.

Пример круговой диаграммы фаз газораспределения 2-тактного двигателя
Пример круговой диаграммы фаз распределения 2-тактного двигателя

Для анализа фаз газораспределения часто пользуются круговой диаграммой, на которой показываются моменты начала открытия и конца закрытия впускных и выпускных окон (клапанов для 4-тактных ДВС), выраженные в углах поворота коленчатого вала относительно мертвых точек. Фазы подбирают опытным путем при конструировании двигателя в зависимости от его быстроходности и конструкции его впускной и выпускной систем. Пример круговой диаграммы фаз газораспределения 2-тактного двигателя представлен на рисунке выше.

При одинаковых размерах цилиндра и частоте вращения, в 2-тактных ДВС сгорает вдвое больше топлива и теоретически может быть получена вдвое большая мощность, чем у 4-тактных, но 4-тактные двигатели более экономичны. Практически мощность 2-тактного двигателя больше в 1,7 —1,8 раза, что объясняется потерей части хода поршня при такте расширения, когда давление газа в цилиндре резко падает.

Мощность двигателя зависит от степени использования тепла, которое выделяется при горении топлива в цилиндре. В полезную работу превращается только 30-40 % выделившегося тепла, остальное тепло уходит с отработанными газами, отводится от нагретых деталей двигателя и рассеивается в воздухе.

Различают индикаторную и эффективную мощности двигателя. Индикаторной называют мощность, которая развивается газами внутри цилиндра двигателя.

Индикаторную мощность можно определить по формуле:

Ni = (Pi × V× i × n × 103)/τ,

где Pi — индикаторное давление, МПа; Vh — рабочий объем ци­линдра; i — число цилиндров двигателя; n — частота вращения коленчатого вала, с_1; τ — тактность двигателя.

Тактность двигателя — это число, показывающее, за сколько оборотов коленчатого вала совершается рабочий цикл. Для 2-такт­ного двигателя τ =1.

При работе двигателя часть индикаторной мощности затрачива­ется на преодоление сопротивления трения движущихся деталей двигателя, привод вспомогательных механизмов и агрегатов и на осуществление процессов газообмена в двигателе. Мощность, равно­ценная этим потерям, называется мощностью механических потерь Nm.

Мощность двигателя, снимаемая с его коленчатого вала, на­зывается эффективной мощностью Ne. Ее можно определить по формуле:

Ne = N— Nm, кВт.

Для оценки механических потерь пользуются механическим КПД (ƞм) двигателя. Механическим коэффициентом полезного действия ƞм называется отношение эффективной мощности к индикаторной:

ƞм = N/ Ni.

При увеличении индикаторной мощности Ni и постоянном значении мощности механических потерь Nm, механический КПД ƞм также будет увеличиваться.

Одним из показателей экономичности работы двигателя служит эффективный КПД (ƞе). Он представляет собой отношение количества теплоты, превращенной в полезную работу, к затраченной теплоте:

ƞе = L/ (Gt × hu),

где Le — теплота, эквивалентная эффективной работе, полученной при сгорании топлива; Gt — часовой расход топлива, кг/ч; hu — низшая удельная теплота сгорания топлива, МДж/кг.

В другом виде: ƞе = ƞi × ƞм.

Здесь ƞi — индикаторный КПД двигателя, который оценивает величину потерь работы цикла, вызванных теплообменом между стенками цилиндра и рабочим телом, перетечками, несовершен­ством процесса сгорания топлива и пр.:

ƞ= L/ Lц,

где Li — работа цикла реального двигателя, равная площади дей­ствительной индикаторной диаграммы (индикаторная работа), Lц — работа цикла идеального двигателя.

Таким образом, эффективным КПД (ƞе) учитываются как тепло­вые, так и механические потери в двигателе.

Повышение эффективного КПД достигается совершенствова­нием рабочего цикла.

Повышение механического КПД, то есть снижение механиче­ских потерь, обеспечивается совершенствованием конструкции двигателя.

Мощность двигателя зависит от его рабочего объема, давления газов в цилиндре, частоты вращения коленчатого вала и тактности.

Эффективность использования рабочего объема, тепловую и динамическую напряженность двигателя оценивают по литровой мощности Nл, представляющей отношение номинальной эффек­тивной мощности к рабочему объему двигателя (Vл). Для 2-такт­ного двигателя:

Nл = N/ Vл, кВт/л.

В зависимости от совершенства конструкции и технического состояния двигатель для выполнения одной и той же полезной работы расходует разное количество топлива. Зная расход топли­ва, можно определить индикаторный и эффективный удельные расходы топлива. Удельный индикаторный расход топлива g ха­рактеризует экономичность действительного цикла, удельный эффективный расход топлива ge характеризует экономичность двигателя.

Удельный индикаторный расход топлива — это масса топлива, расходуемая на единицу индикаторной мощности за 1 час:

gi = 3600 × Gt / Ni, кг/кВт*ч, или gi = 1000 × Gt / Ni, г/кВт*ч.

Удельный эффективный расход топлива — это масса топлива, расходуемая на единицу эффективной мощности за 1 час:

ge = 3600 × Gt /Ne, кг/кВт*ч, или^. = 1000 × Gt/ Ne, г/кВт*ч.

Процесс (горения)рабочей смеси

Горение в цилиндре двигателя возможно только при определен­ном соотношении топлива и воздуха. От состава топливно­-воздушной смеси зависит скорость горения и количество выделен­ной теплоты, следовательно, и мощность двигателя. Смесь топли­ва с воздухом, поступающая в цилиндр двигателя, называется также свежим зарядом. В состав свежего заряда, для карбюратор­ного 2-тактного двигателя, дополнительно вводится моторное или специальное масло для смазки самого двигателя. Для определения состава свежего заряда необходимо знать массовые доли основных элементов топлива.

В состав типичных жидких топлив входят углерод С, водород Н, кислород От, содержащийся в топливе. Для 1 кг топлива можно записать его состав в символьном виде как 1 = С + Н + От.

Бензин, используемый в карбюраторных двигателях, представ­ляет собой смесь углеводородов. В составе чистого бензина угле­рода С — 84,9 %; водорода — 14,4 %; кислорода — 0,7 %.

В зависимости от количества кислорода, поступающего в ци­линдр двигателя с атмосферным воздухом, сгорание может быть полным или неполным. При полном сгорании выделяется макси­мальное количество теплоты.

Реакции окисления углерода и водорода позволяют определить количество кислорода, необходимого для полного сгорания 1 кг топлива.

Углерод в соединении с кислородом образует углекислый газ и выделяет тепло. Процесс протекает по реакции:

С + 02 = С02 + Q.

Водород в соединении с кислородом образует воду и также вы­деляет тепло. Процесс происходит по реакции:

2 + 02 = 2Н2O + Q.

Для полного сгорания 1 кг углерода необходимо 2,67 кг кислоро­да, а для полного сгорания 1 кг водорода требуется 8 кг кислорода.

Кислород для горения берется из воздуха, который состоит, как известно, из 23 % кислорода и 77% азота.

Для полного сгорания 1 кг топлива теоретически необходимое количество воздуха для карбюраторных двигателей определяется по формуле и составляет:

L0 = 1/0,23 × (2,67С + 8Н — От),
L0 = 1/0,23 × (2,67 × 0,849 + 8 × 0,144 — 0,07) = 14,8 кг.

Горючая смесь характеризуется коэффициентом избытка воз­духа α, представляющим собой отношение поступившего количе­ства воздуха Lg в цилиндр двигателя к теоретически необходимому количеству воздуха L0 для полного сгорания топлива:

α = L/ L0.

Можно принять, что для сгорания 1 кг топлива необходимо L0 = 15 кг воздуха. При плотности воздуха ρв = 1,293 кг/м3 можно определить, что для сгорания 1 кг топлива потребуется примерно 11,26 м3 воздуха.

Различают несколько видов горючей смеси исходя из действи­тельно поступающего воздуха. Карбюраторные двигатели работают на горючих смесях с коэффициентом избытка воздуха а в диапазо­не от 0,6 до 1,15.

При α < 0,6 — богатая горючая смесь.
При 0,6 < α < 1,0 — обогащенная горючая смесь.
При α = 1,0 — нормальная горючая смесь.
При 1,0 < α < 1,15 — обедненная горючая смесь.
При α > 1,15 — бедная горючая смесь.

При коэффициенте избытка воздуха α = 1 все топливо в усло­виях цилиндра обычно не может сгореть до конечных продуктов полного окисления ввиду невозможности получения однородной по составу смеси во всем объеме камеры сгорания. Практически полное сгорание топлива возможно только при α > 1.

Коэффициент избытка воздуха является одним из параметров, характеризующих качество топливовоздушной смеси, от которой в свою очередь зависит состав продуктов сгорания и количество выделяющейся при сгорании теплоты.

Развитие реакций окисления (сгорания) в цилиндре двигателя происходит в результате перемешивания топлива с воздухом.

Количество выделяющейся при сгорании теплоты также зависит от степени сжатия рабочей смеси в цилиндре двигателя и приме­няемого топлива.

Процесс сжатия происходит при закрытых впускных и выпуск­ных окнах (клапанах) и служит для увеличения температурного перепада цикла и степени расширения продуктов сгорания топли­ва. Это создает благоприятные условия для воспламенения и сго­рания рабочей смеси и обеспечивает эффективное преобразование теплоты в механическую работу, то есть достижение максимальной мощности двигателя.

Благоприятные условия для воспламенения и сгорания рабочей смеси зависят от частоты вращения коленчатого вала, степени сжатия, интенсивности охлаждения цилиндров, нагрузки на дви­гатель, степени износа цилиндро-поршневой группы двигателя.

С повышением частоты вращения коленчатого вала и степени сжатия мощность будет возрастать.

При интенсивном охлаждении цилиндра, увеличении зазоров между кольцами и цилиндром вследствие их износа мощность будет снижаться.

Если рабочая смесь перед воспламенением подвергается воз­действию высоких температур и давлений, нормальное сгорание при определенных условиях может перейти в детонационное.

Детонация (в двигателях внутреннего сгорания) — быстрый, приближающийся к взрыву процесс горения топливной смеси в цилиндре карбюраторного двигателя, сопровождающийся неу­стойчивой работой (металлический стук в цилиндре, дымный выпуск и др.), износом и разрушением деталей.

Повышение давления и температуры в цилиндре приводит к образованию активных центров цепных реакций, в результате чего часть рабочей смеси самовоспламеняется раньше, чем к ней подойдет фронт основного пламени. При этом в камере сгорания возникают и распространяются волны давления, оказывающие влияние на процесс дальнейшего распространения фронта пламе­ни и характер изменения давления в цилиндре.

Внешним признаком детонационного сгорания является по­явление звонких металлических стуков, возникающих при отра­жении ударных волн от стенок камеры сгорания. Работа двигателя при детонационном сгорании сопровождается увеличением тепло­вых и механических нагрузок на детали кривошипно-шатунного механизма, снижением мощности, дымным выхлопом и ухудше­нием экономичности.

Детонационное сгорание рабочей смеси возникает при несоот­ветствии сорта бензина и степени сжатия, слишком больших углах опережения зажигания (раннее зажигание), при перегрузке двига­теля и его перегреве, повышенном нагарообразовании на стенках камеры сгорания. Длительная работа двигателя при детонационном сгорании недопустима, так как приводит к износу и разрушению деталей кривошипно-шатунного механизма, неполному сгоранию топлива и ухудшению топливной экономичности.

При работе двигателя с полной нагрузкой иногда наблюдается преждевременное воспламенение рабочей смеси из-за местного перегрева стенок камеры сгорания (при нагаре на стенках) или электродов свечи зажигания при несоответствии тепловой харак­теристики свечи степени сжатия в цилиндре двигателя. Прежде­временное воспламенение рабочей смеси приводит к тому, что наибольшее давление газа в цилиндре достигается еще до прихода поршня в ВМТ, при этом резко снижается мощность двигателя; это явление может привести к перегреву поршня и его прогоранию.

Свеча зажигания служит для получения искрового разряда в камере сгорания, тепловое воздействие которого воспламеняет рабочую смесь. Условия работы свечи зажигания характеризуются значительными термическими, электрическими и механическими нагрузками.

Тепловой баланс и конструкция свечи зажигания: 1 — контактный наконечник; 2 — проводящий стержень; 3 — керамический изолятор; 4 — металлический корпус; 5 — проводящий герметик; 6 — конус изолятора; 7 — центральный электрод; 8 — боковой электрод
Тепловой баланс и конструкция свечи зажигания: 1 — контактный наконечник;
2 — проводящий стержень; 3 — керамический изолятор;
4 — металлический корпус; 5 — проводящий герметик; 6 — конус изолятора; 7 — центральный электрод; 8 — боковой электрод

Для обеспечения бесперебойной работы свечи зажигания необходимо поддерживать температуру ее теплового конуса в пределах 700—800 °С. При такой температуре нагар, отлагающийся на конусе и электродах свечи, выгорает и происходит ее самоочищение. Если температура теплового конуса выше 800—900 °С, может возникнуть «калильное зажигание», когда рабочая смесь воспламеняется не от электрической искры, а от нагретых до высокой температуры электродов и поверхности изолятора. При температуре теплового конуса ниже 500 °С изолятор нижней части свечи покрывается нагаром, что приводит к снижению пробивного напряжения и к перебоям в работе двигателя из-за возможных пропусков зажигания рабочей смеси. Тепловой баланс свечи зажигания представлен на рисунке выше.

«Горячие» и «холодные» типы свечей зажигания
«Горячие» и «холодные» типы свечей зажигания

Для поддержания необходимой температуры теплового конуса выпускаются свечи зажигания с различной степенью теплоотдачи. В двигателях с невысокой степенью сжатия применяют свечи зажигания с малой теплоотдачей, называемые горячими. Для двигателей с повышенной степенью сжатия применяют «холодные» свечи. Горячие свечи зажигания имеют удлиненную нижнюю часть изолятора и более широкую расточку корпуса, а «холодные» — укороченную нижнюю часть изолятора и узкую расточку корпуса.

На практике иногда приходится заменять свечи одной фирмы на свечи другой. Такая замена возможна, если основные параметры свечей совпадают: тепловая характеристика, размер, шаг и длина резьбы на корпусе. Длина резьбы на корпусе свечи должна соответствовать длине резьбы в головке цилиндра.

Если резьбовая часть свечи слишком длинная, то она выступает в камеру сгорания. При этом выступающие в камеру сгорания витки могут повредить поршни и клапаны, витки перегреваются и закоксовываются. Иногда такие свечи невозможно выкрутить.

Если длина резьбы свечи короткая, то ее искровой промежуток находится внутри свечного отверстия цилиндра, поэтому ухудшаются условия воспламенения топливовоздушной смеси, свеча не очищается, свободные витки отверстия цилиндра закоксовываются.

Для правильного применения необходимо знать особенности маркировки свечей зажигания. Разные производители применяют свои системы маркировки.

Получение повышенной удельной мощности в быстроходном 2-тактном двигателе требует решения проблемы качественной очистки цилиндра от отработавших газов и наполнения его свежим зарядом.

В 2-тактных двигателях более равномерно происходит вращение коленчатого вала, так как рабочий ход осуществляется за каждый его оборот.

Недостатки: менее совершенная очистка цилиндров от продуктов сгорания; меньшая экономичность из-за потери части горючей смеси через выпускные окна при продувке; повышенный расход смазочного масла. Устранение отмеченных недостатков позволит расширить область применения 2-тактных двигателей.

<<Назад     Содержание     Далее>>