Двигатели внутреннего сгорания

Страница 5

Жёсткость работы двигателя.

Под жёсткой работой двигателя понимают работу, при которой давление сгорания в цилиндре нарастает очень быстро. Такой характер изменения давления сгорания, сопровождается значительным увеличением максимального давления цикла Р2, позволяет увеличить мощность и улучшить топливную экономичность двигателя. Однако при этом элементы кривошипно-шатунного механизма подвергаются значительным ударным воздействиям, возрастает механическая нагруженность двигателя, снижается его надёжность, при работе появляются стуки.

Скорость повышения давления при сгорании оценивается приращением давления Δр в Мпа на градус поворота φ коленчатого вала . Жёсткость Wp на развёрнутой диаграмме (рис.13) можно представить как тангенс угла наклона касательной к линии сгорания.

Максимальное значение Wp для дизелей составляет 1,0-1,5 МПа/°; для карбюраторных двигателей Wp≤0,2-0,3 МПа/°.

Для дизелей Wp зависит от продолжительности периода задержки воспламенения Δφзад и количества топлива σзад, поступающего в цилиндр за этот период.

При большой жёсткости работы двигателя возможна поломка поршневых колец, нарушение подшипников и др. явления, ведущие к аварии.

Уменьшение жёсткости работы возможно при снижении количества топлива σзад и сокращении задержки воспламенения Δφзад.

Процесс расширения.

При расширении часть тепловой энергии, подведённой к рабочему телу при сгорании топлива, преобразуется в механическую и расходуется на совершение работы.

В реальных условиях расширение начинается в ВМТ и в начальной стадии протекает одновременно с процессом сгорания.

К числу факторов, определяющих развитие процесса расширения, относится цикл тепловыделения, обусловленное догоранием топлива, и теплоотдача в стенки цилиндра. При этом соотношение между количеством теплоты, подведённой к рабочему телу и отведённой от него, непрерывно меняется. На процесс расширения влияют также утечка газа, вызванная неплотностями, изменение интенсивности диссоциации и теплоёмкости рабочего тела.

Таким образом, расширение рабочего тела следует рассматривать как политропный процесс с переменным показателем политропы n'. Однако этот показатель заменяют с некоторым средним по значению показателем n2', в целях упрощения расчёта.

В зависимости от типа двигателя и режима его работы средние показатели политропы расширения n2'=1,18-1,32.

Начальные и конечные параметры рабочего тела в процессе расширения расчётного цикла связаны известными термодинамическими соотношениями:

; .

Для карбюраторных двигателей ρ=1, поэтому:

; .

Процесс выпуска.

В процессе выпуска отработавших газов внутрицилиндровую полость необходимо сообщать с атмосферой. Для этой цели используются выпускные устройства (клапаны). В четырёхтактных двигателях выпускные клапаны открываются в такте расширения за 30-70˚ до НМТ. В первый период выпуска происходит свободное истечение газов под действием больших перепадов давления (). Вследствие высоких скоростей истечения и больших проходных сечений в результате опережения открытия выпускного клапана в этот период из цилиндра удаляется значительная часть (до 60-70%) отработавших газов.

Опережение открытия выпускного клапана выбирают не только из соображений лучшей очистки цилиндра, но и для уменьшения потерь энергетического цикла (рис.14). Чрезмерно раннее открытие клапана уменьшает полезную работу цикла. Слишком позднее открытие клапана обуславливает повышение потерь на совершение такта выпуска (штриховая линия от точки b1''). Угол опережения открытия выпускного клапана подбирают экспериментально. Чем быстроходнее двигатель, тем больше угол опережения открытия выпускного клапана.

Второй период выпуска характеризуется принудительным вытеснением газов из цилиндра поршнем, движущимся к ВМТ.

Закрывается выпускной клапан обычно с некоторым запаздыванием относительно ВМТ. Для двигателей без наддува закрытие выпускного клапана составляет 5-40˚, что улучшает очистку цилиндров.

В процессе выпуска часть газов (остаточные газы) остаётся в цилиндре, перемешивается с воздушным зарядом и участвует в совершении следующего цикла.

Отработавшие газы удаляются из цилиндра двигателя с большой скоростью, что создаёт шум. Для уменьшения уровня шума на выпускном трубопроводе устанавливают глушитель, в котором газы расширяются, скорость их уменьшается, и они выбрасываются в атмосферу с меньшим уровнем шума. Использование глушителя создаёт дополнительное сопротивление на выпуске.

Уменьшение загруженности атмосферы отработавшими газами.

Отработавшие газы двигателей, выбрасываемые в атмосферу, содержат следующие компоненты, вредные для здоровья человека:

окись углерода СО, образующаяся в результате неполного сгорания топлива. В карбюраторных двигателях, при работе на обогащённой смеси количество СО по объёму от общего количества продуктов сгорания составляет 6%. В дизелях СО образуется значительно меньше (0,2-0,5%);

окись NO, двуокись NO2 и др. оксиды азота, составляющие в карбюраторных двигателях до 0,5% и дизелях до 0,25%;

сернистый антигидрид SO2, который в зависимости от содержания серы в топливе, составляет в карбюраторных двигателях до 0,008% и в дизелях до 0,03%;

соединения свинца, образующиеся при работе двигателя на этилированном бензине;

сажа – продукт молекул топлива под воздействием высокой температуры при недостатке кислорода, составляющая в карбюраторных двигателях до 0,05%, а в дизелях до 0,25%.

Для снижения количества выбрасываемых в атмосферу вредных соединений применяют различные методы улучшения процессов смесеобразования, воспламенения и сгорания, уменьшающие образование токсичных компонентов, и методы обезвреживания отработавших газов.

Улучшение процессов смесеобразования, направленное на обеспечение необходимого состава горючей смеси, соответствующего режиму работы двигателя и равномерного распределения топлива в воздухе достигается совершенствованием конструкции карбюраторов, в том числе многокамерных, а также применением пневматического распыливания топлива под давлением, ультразвука и различных механических устройств.

Токсичность отработавших газов в значительной степени зависит от регулировки карбюратора и системы зажигания в карбюраторных двигателях или насоса и форсунок в дизелях. Для обезвреживания отработавших газов в выпускной системе применяют дополнительные устройства, которые улавливают или нейтрализуют токсичные компоненты, одновременно выполняя функции глушителя.

Показатели, характеризующие работу двигателя.

Часть индикаторной мощности Рi двигателя, расходуемая на преодоление различных сопротивлений внутри двигателя и на привод вспомогательных агрегатов (водяного, масляного, топливного насосов и т.п.), называется мощностью механических потерь Рп; другая часть индикаторной мощности, снимаемой с коленчатого вала двигателя, называется эффективной мощностью Рв и расходуется на совершение внешней работы, т.е.: