Агроосвіта	ТРАКТОРИ І АВТОМОБІЛІ, частина І Електронний підручник
Головна Теоретичні відомості Тести Додатки Список використаних джерел Навчальна програма Укладачі	2. ОСНОВИ ТЕОРІЇ АВТОТРАКТОРНИХ ДВИГУНІВ
	2.1. Дійсні робочі цикли двигунів 2.1.1. Індикаторна діаграма дійсних процесів 4-тактних двигунів 2.1.2. Процес впуску: призначення, характер протікання 2.1.3. Процес стиску: призначення, характер протікання 2.1.4. Процес згорання: призначення, характер протікання 2.1.5. Процес розширення: призначення, характер протікання 2.1.6. Процес випуску: призначення, характер протікання 2.1.7. Індикаторні і ефективні показники робочого циклу 2.1.8. Тепловий баланс двигуна 2.1.9. Порівняльні параметри 2.1.10. Визначення основних розмірів двигуна 2.1.1. Індикаторна діаграма дійсних процесів 4-тактних двигунів Рис. 2.1.1. Найпростіша індикаторна діаграма 4-тактного ДВЗ Дійсні цикли зображують за допомогою індикаторних діаграм (рис. 2.1.1) у координатах р – V або р – ϕ, де ϕ – кут повороту колінчастого вала. Останню діаграму називають розгорнутою індикаторною. Індикаторні діаграми одержують експериментально, записуючи зміни тиску в циліндрі ДВЗ за допомогою спеціальних самописних приладів, або розрахунком. В останньому випадку виконують тепловий розрахунок ДВЗ, внаслідок чого знаходять значення тиску і температури газів у характерних точках циклу, на основі яких будують діаграму циклу. На рис. 2.1.2 в координатах р – V тонкими лініями зображено діаграму циклу чотиритактного бензинового або газового ДВЗ, побудовану за розрахунковими значеннями тиску газу в характерних точках а, с, z, b, r. Такий цикл називається розрахунковим. У ньому не враховується вплив випередження і запізнення відкриття і закриття впускних і випускних клапанів, випередження запалювання або впорскування палива та вплив швидкості зміни тиску газів під час згоряння. Після врахування названих факторів шляхом відповідної корекції діаграма розрахункового циклу наближається до індикаторної діаграми дійсного циклу, яка показана на рис. 1.1 товстою лінією. На цій діаграмі точки 1, 2 відповідають відкриттю і закриттю впускного, а точки 3,4 – відкриттю і закриттю випускного клапанів. На ділянці 1 – 4 відображено так зване перекриття клапанів, коли одночасно відкриті впускний і випускний клапани. Точками с/ і с/// позначені початок і кінець згоряння. На ділянці 1 – r – 4 – а – 2 впускається свіжий заряд. У бензинових карбюраторних і газових ДВЗ і в ДВЗ з впорскуванням легкого палива у впускний колектор в циліндри двигуна надходить суміш повітря з паливом або газом – горюча суміш. У циліндрах до неї домішуються залишкові гази від попереднього робочого циклу, внаслідок чого утворюється робоча суміш. У ДВЗ з впорскуванням легкого палива безпосередньо в циліндр у ньому також утворюється робоча суміш. Рис. 2.1.2. Індикаторна діаграма дійсного циклу чотиритактного бензинового ДВЗ з іскровим запалюванням На ділянці а – 2 – с/ – с// стискується робоча суміш. На ділянці а – 2 – с/ цей процес політропний. У точці с/ робоча суміш запалюється від електричної іскри і тиск починає швидко підвищуватися до точки с//. В розрахунковому циклі згоряння закінчується в точці z і в цей точці тиск продуктів згоряння досягає найбільшого значення рz. Але в дійсному циклі тиск газів не досягає розрахункового значення рz, оскільки швидкість згоряння робочої суміші скінчена і за період її згоряння поршень встигає переміститися від в.м.т. до точки с///; тому об’єм надпоршневого простору збільшується. Фактичний максимальний тиск при згорянні приймається рівним рzд =0,85 рz. Тому згоряння в дійсному циклі відбувається на ділянці с – с// – zд – с///, причому на ділянці zд – с/// має місце так зване догоряння, яке помітно не впливає на тиск газів. На ділянці zД – с/// – 3 – b/ відбувається розширення продуктів згоряння, на ділянці zд – с/// – 3 воно політропне. Після початку відкривання випускного клапана (точка 3) тиск в циліндрі швидко спадає. На ділянці 3 – b/ – r – 4 – випускаються відпрацьовані гази. Процеси впуску свіжою заряду і випуску відпрацьованих газів називаються процесами газообміну. Рис. 2.1.3. Індикаторна діаграма дійсного циклу чотиритактного дизеля без наддуву На рис. 2.1.3 показані суміщені діаграми розрахункового і дійсного циклів чотиритактного дизеля або газодизеля. У циліндри дизеля під час впуску надходить повітря (у газодизелі змішане з газом). Там до нього домішуються залишкові гази, але частка їх відносно повітря незначна. У точці с/ самозаймається паливо, впорскнуте через форсунку. У цей час температура повітря у циліндрі на 150–250 К вища від температури самозаймання палива. На індикаторній діаграмі можна виділити такі характерні ділянки: 1 – r – 4 – а – 2 – впуск повітря; а – 2 – с/ – стискання робочої суміші за політропою; с/ – с – с// – z/ – z – с/// – згоряння палива за циклом із змішаним підведенням теплоти; z – с/// – 3 – b/ – розширення (до точки 3 політропне), а потім швидке спадання тиску в циліндрі, 3 – b/ – 1 – r – 4 – випускання відпрацьованих газів. Швидкість згоряння в дизелях у 2 – 3 рази вища, ніж у бензинових двигунах, а ступінь підвищення тиску під час згоряння менший. Тому лінію с// – z/ на ділянці підведення теплоти при V=const на діаграмі дійсного циклу проводять вертикально, а лінію z/ – z на ділянці підведення теплоти при p = const – горизонтально. На індикаторній діаграмі краю ділянки z/ – z округляють. Порівняно з бензиновим двигуном в дизелі і газодизелі процес згоряння закінчується значно дальше від в.м.т. (точка с///). На рис. 2.1.2, 2.1.3 показано індикаторні діаграми ДВЗ без наддуву. Індикаторні діаграми ДВЗ з наддувом відрізняються від них проходженням ділянок впуску і випуску. Це пов’язано з тим, що свіжий заряд подається в циліндри ДВЗ під надлишковим тиском, а в ДВЗ з газотурбінним наддувом, крім того, підвищується тиск у випускній системі у зв'язку з опором рухові відпрацьованих газів, що його створює турбіна. 2.1.4 а. Індикаторні діаграми чотиритактного карбюраторного двигуна: 1 – карбюратор; 2 – впускний клапан; 3 – свічка запалення; 4 – випускний клапан Рис. 2.1.5 б. Індикаторні діаграми 4-х тактного дизеля без наддування 1 – впускний клапан; 2 – форсунка; 3 – випускний клапан Рис. 2.1.6. Індикаторна діаграма двохтактного двигуна 2.1.2. Процес впуску: призначення, характер протікання Розглянемо процеси, що відбуваються в циліндрах двигуна з чотирикратним циклом. Впуск (наповнення, заряджання циліндра). Рис. 2.1.7. Графічне зображення окремої ділянки на індикаторній діаграмі двигуна при процесі впуску Процес впуску умовно розпочинається тоді, коли відкривається впускний клапан (до приходу поршня у ВМТ, рис. 2.1.7, точка 1), а закінчується після НМТ (точка 2). Горюча суміш у карбюраторному двигуні змішується в циліндрі із залишковими газами й утворюється робоча суміш (робоче тіло). Рис. 2.2.8. Індикаторна діаграма чотиритактного дизеля з газотурбінним наддувом Рис. 2.1.9. Діаграма фаз газорозподілу Тиск у циліндрі двигуна в процесі впуску змінний, що зумовлено змінами прохідного перерізу впускного клапана та швидкості поршня (ділянка впуску на індикаторній діаграмі хвилеподібна). Процес впуску характеризується рядом показників: Та, Тк – температура в кінці впуску відповідно без наддуву і з наддувом; Ра, Рк– тиск газів в кінці впуску (точка а діаграми) відповідно у двигунах без наддуву і з наддувом; nV – коефіцієнт наповнення циліндра двигуна. Наповненість циліндра двигуна оцінюють за коефіцієнтом наповнення nV, що характеризує відношення справжньої кількості свіжого заряду, який надійшов у циліндр під час впуску, до кількості, яка могла б уміститися в робочому об'ємі циліндра за умови зрівнювання температур і тисків у ньому та в середовищі, з якого надійшов свіжий заряд: = , де: Та, Тк – температура в кінці впуску відповідно без наддуву і з наддувом; Ра, Рк – тиск газів (точка а діаграми) відповідно у двигунах без наддуву і з наддувом. Рис. 2.1.10. Індикаторна діаграма (а) та діаграма фаз газорозподілу (б) чотиритактного дизеля з вільним впуском (без наддуву) У дизелі з вільним впуском (без наддуву) у циліндр надходить чисте повітря (рис. 2.1.10, ділянка АБ). Характерним для дизеля з наддувом є те, що тиск впуску вищий за тиск випуску, і лінія впуску повітря в циліндр на діаграмі лежить вище від лінії випуску газів з циліндра (рис. 2.1.5 б). Середній ефективний тиск, який характеризує питому роботу на колінчастому валу за цикл, зростає зі збільшенням циклової подачі палива та щільності заряду, від якого залежить масове наповнення циліндра. Останнє можна істотно збільшити за допомогою турбонаддуву. Рис. 2.1.11. Діаграми газообміну чотиритактних ДВЗ: а – без наддуву; б – з наддувом від привідного нагнітача; в – з газотурбінним наддувом при рк < рвип; г – з газотурбінним наддувом при рк > рвип 2.1.3. Процес стиску: призначення, характер протікання Процес стиску відбувається під час руху поршня від НМТ до ВМТ за закритих клапанів (рис. 2.1.12). Наприкінці такту робоча суміш спалахує від електричної іскри або самоспалахує внаслідок високої температури в циліндрі, зумовленої стисканням повітря (дизель). Процес стискування відбувається за безперервної зміни теплообміну між робочим тілом і стінками циліндра. Його ускладнюють часткове випаровування палива в циліндрі, витікання газів крізь нещільності поршневих кілець, клапанів, дозаряджування циліндра внаслідок запізнення закривання впускного клапана після НМТ та інші явища. Рис. 2.1.12. Графічне зображення окремої ділянки на індикаторній діаграмі двигуна при процесі стискання Процес стискання характеризується рядом показників: Тс – температура в кінці процесу; Рс – тиск газів в кінці процесу; n1 – показник політропи стискання; ɛ – коефіцієнт стикання паливної суміші в циліндрі двигуна. Орієнтовні показники параметрів робочого тіла (температура, тиск) наприкінці стискування: для карбюраторних двигунів – 460 – 600 °С, 0,9 – 1,6 МПа; для дизелів без наддуву – 660 – 760 °С, 3,5 – 5,0 МПа; для дизелів з наддувом – 750 – 880 °С, Є,0 – 8,0 МПа. 2.1.4.Процес згорання: призначення, характер протікання Параметри процесу згоряння визначаються особливостями хімічних реакцій, умовами тепло- та масообміну в зоні полум'я тощо. Процес горіння характеризується рядом показників: Тz – температура в кінці процесу; Рz – тиск газів в кінці процесу; λ – коефіцієнт надлишку повітря в циліндрі двигуна. Згоряння в двигуні з іскровим запалюванням. За нормальний умов суміш палива, що випарувалося повітря й залишкових газів (робоча суміш) запалюється електричною іскрою. Згоряння в дизелі. Внаслідок короткочасності процесу сумішоутворення до початку згоряння утворення робочої суміші в усьому об'ємі камери згоряння завершитися не встигає. Тому процес відбувається в гетерогенній (неоднорідній за агрегатним станом) паливо повітряній суміші. Можна уявити такий механізм спалахування. Спочатку відбувається низькотемпературне холоднополуменеве спалахування, що виникає за температури близько 280 °С (температура спалахування дизельного палива, за якої розпочинається виділення теплоти 440°С. Період від початку впорскування палива до бурхливого тепловиділення, упродовж якого відбувається розпадання струменя на краплі, переміщення крапель в об'ємі камери згоряння та їх підігрівання, часткове змішування пари палива з повітрям, розвиток холоднополуменевих реакцій, називають періодом затримки спалахування. Наступна умовна фаза – швидке згоряння. На її параметри впливають: тривалість періоду затримки спалахування, кількість палива, поданого в циліндр упродовж періоду затримки спалахування, якість розпилювання палива, швидкість руху заряду в циліндрі, режим роботи двигуна. Завершується процес фазою догоряння: тепловиділення уповільнюється. За порушення нормального процесу згоряння повне тепловиділення не досягається й у відпрацьованих газах залишаються сажа, оксидів вуглецю тощо. 2.1.5. Процес розширення: призначення, характер протікання Процес розширення. В цьому процесі гази виконують роботу (рис. 2.1.13), тому його називають робочим ходом. Рис. 2.1.13. Графічне зображення окремої ділянки на індикаторній діаграмі двигуна при процесі розширення (робочий хід) На хід процесу розширення істотно впливає догоряння суміші, особливо у дизелях, внаслідок дифузійного характеру згоряння в заключній фазі. При цьому догоряння може відбуватися на значній зоні процесу розширення. Крім тепловитрат у результаті тепловіддачі в стінки та тепловідведення від догоряння, на хід процесу розширення впливає витікання газів крізь нещільності поршневих кілець, що відбивається на характері зміни тиску подібно до втрати теплоти. Процес розширення характеризується рядом показників: Тв – температура в кінці процесу; Рв – тиск газів в кінці процесу; Ρ – ступінь попереднього розширення (для дизеля); n2 – показник політропи розширення. Тиск і температура в циліндрі в кінці процесу становлять: для карбюраторних двигунів – 0,35 – 0,60 МПа, 1280 – 1580 °С; для дизелів – 0,2 - 0,5 МПа, 880 - 1200 °С. 2.1.6. Процес випуску: призначення, характер протікання Процес випуску має забезпечувати очищення циліндра (рис. 2.1.14) від продуктів згоряння – відпрацьованих газів. Рис. 2.1.14. Графічне зображення окремої ділянки на індикаторній діаграмі двигуна при процесі випуску Випускання відпрацьованих газів розпочинається з відкривання випускного клапана, який відкривається задовго до приходу поршня в НМТ під час робочого ходу (див. рис. 2.1.14). У момент його відкривання тиск у циліндрі в 3 – 4 рази перевищує тиск навколишнього повітря. Тому витікання відбувається зі швидкістю 600 – 700 м/с. В міру зменшення кількості газів у циліндрі зменшується їх тиск, і в певний момент поблизу НМТ швидкість спадає до дозвукової (100 – 250 м/с). До цього часу випускний клапан встигає відкритися приблизно наполовину. Наступна частина процесу випускання – це витіснення продуктів згоряння поршнем, який рухається від НМТ до ВМТ. Процес випуску характеризується рядом показників: Тв – температура в кінці процесу; Рв – тиск газів в кінці процесу; ɣr – коефіцієнт неповноти згорання палива в циліндрі двигуна; t – коефіцієнт токсичності відпрацьованих газів. Принцип роботи дизельного двигуна Індикаторна діаграма 4-хтактного дизеля 2.1.7. Індикаторні і ефективні показники робочого циклу Процеси, що відбуваються в циліндрах двигуна, характеризуються такими показниками: середнім індикаторним тиском, індикаторною потужністю, індикаторним коефіцієнтом корисної дії (ККД), індикаторною питомою витратою палива. Середній індикаторний тиск Lі – це умовний сталий тиск у циліндрі двигуна, який за один хід поршня виконує роботу, що дорівнює роботі газів упродовж циклу. Згідно з таким визначенням, індикаторну роботу циклу можна подати формулою: = РіFS, де: Рі – середній індикаторний тиск; F – площа днища поршня; S – хід поршня. Водночас середній індикаторний тиск дорівнює роботі, виконаній за цикл, що припадає на одиницю робочого об'єму циліндра: Рі = , Індикаторна потужність Ni – це робота, що здійснюється газами в циліндрах двигуна за одиницю часу (потужність, відповідна індикаторній роботі циклу): по Білоконю і Гуревичу Ni = (кВт), по Скотникову Ni = (кВт), де: n – частота обертання колінчастого вала, хв.^-1; і – кількість циліндрів двигуна; τ – коефіцієнт тактності двигуна (кількість ходів поршня за цикл: для двотактного – 2, для чотиритактного – 4). Індикаторна питома витрата палива gi – це витрата палива віднесена до індикаторної потужності двигуна: = , де: – годинна витрата палива кг/год. Ефективність тепловикористання в двигунах визначає індикаторний ККД відношення індикаторної роботи до енергії, що міститься у витрачуваному для її отримання паливі: = , У сучасних автотракторних двигунах за номінального режиму роботи індикаторний ККД становить: для карбюраторних – 0,28 – 0,38; дизельних – 0,42 – 0,52; газових – 0,26 – 0,34. Частина індикаторної потужності двигуна витрачається на зменшення механічних втрат. Показники двигуна, в яких враховано втрати, коливають ефективними. Середній ефективний тиск Ре – умовний сталий тиск у циліндрі двигуна, який за один хід поршня здійснює роботу, що дорівнює ефективній роботі за цикл. Ре = , де: Lе = L – Lм; Lм – робота механічних втрат. Показник механічних втрат у двигуні – механічний ККД); = , Ефективна потужність Nе – потужність, що відбирається від колінчастого вала двигуна. Вона менша за індикаторну на величину втрат потужності на компенсування механічних втрат: = , Аналогічно індикаторній, формулу для обчислення ефективної потужності двигуна можна записати так: по Білоконю і Гуревичу Nе = (кВт), по Скотникову Nе = (кВт), Крутний момент Мк – середній за цикл момент, що передається від колінчастого вала, – можна визначити за залежністю для ефективної потужності: Nе = , де: ω = π*n/30 – кутова швидкість колінчастого вала. Після відповідної підстановки отримаємо = (Н∙м). Ефективну питому витрату палива qе визначають як = . Ефективний ККД ηe визначають як відношення кількості теплоти, перетвореної на роботу на колінчастому валу двигуна (Qe до кількості теплоти, підведеної за цикл Qц: = . З використанням індикаторного та механічного ККД цей показник виражають так: За номінального режиму роботи ефективний ККД автотракторних двигунів становить: карбюраторних – 0,25 – 0,35; дизельних – 0,35 – 0,40; газових – 0,23 – 0,30. 2.1.8. Тепловий баланс двигуна Рівняння балансу в абсолютних чи відносних величинах розподіл теплоти, що вводиться в двигун. Користуючись ним, можна оцінити теплову напруженість деталей двигуна, розрахувати систему охолодження, визначити резерви у використанні теплоти відпрацьованих газів тощо. Загальний вигляд рівняння в абсолютних величинах такий: Qзаг. = Qe + + Qг + Qн.з + Qзал., де: Qзаг – кількість теплоти, що виділяється під час згоряння введеного в двигун палива за певний час; Qе – теплота, еквівалентна ефективній роботі; Qох+мащ. – теплота, що відводиться тотемами охолодження і мащення; Qr – теплота, що втрачається з випускними газами (їх температура і теплоємність вищі, ніж свіжого заряду; в дизелі з турбонаддувом частка теплоти відпрацьованих газів використовується в газовій турбіні); Qн.з – теплота, що не виділяється в двигуні внаслідок неповного згоряння; Qзал – залишковий член рівняння. 2.1.9. Порівняльні параметри Для оцінки конструкцій різних двигунів і можливості порівняння їх між собою використовують наступні параметри: літрову потужність, питому поршневу потужність, літрову масу двигуна і питому масу двигуна. Літровою потужністю двигуна Nл (кВт/л) називається його номінальна потужність, віднесена до робочого об'єму циліндрів: = , Питомою поршневою потужністю двигуна Nп (кВт/см²) називається його номінальна потужність, віднесена до суми площ днищ всіх поршнів: = , де: d – діаметр поршня, см. Літровою масою двигуна gл (кг/л) називається відношення маси незаправленого двигуна до робочого об'єму циліндрів. gл = , де: Gе – маса двигуна з повним комплектом допоміжного устаткування при незаправлених паливній, змащувальній і охолоджувальній системах, кг Питомою масою двигуна gN (кг/кВт) називається відношення маси незаправленого двигуна до його номінальної потужності. gN = , 2.1.10. Визначення основних розмірів двигуна Коли відомі (внаслідок розрахунків або вибору за прототипом) ефективна потужність двигуна, номінальна частота обертання колінчастого вала, кількість циліндрів, відношення ходу поршня S до діаметра циліндра В і середній ефективний тиск Ре, можна визначити основні конструкційні параметри двигуна – діаметр циліндра та хід поршня. Всі інші параметри кореляційно пов'язані з основними. Середній індикаторний тиск визначають за індикаторною діаграмою, яку отримують за результатами теплового розрахунку для номінального режиму роботи аналітичним або графічним методом (перший точніший). Внаслідок відмінності справжніх циклів від теоретичних площа основної частини індикаторної діаграми справжнього циклу менша за площу основної частини – теоретичного циклу. Практично вважають, що: = , де: μ – коефіцієнт повноти діаграми (для карбюраторних двигунів – 0,97, для дизельних – 0,92). Згідно з формулою , Водночас = Невідомі D і S визначають за рівнянням. æ = . Коефіцієнт зв'язку æ вибирають, зважаючи на таке: зі зменшенням æ знижуються висота й маса двигуна, середня швидкість поршня і, як наслідок, зростає механічний ККД, зменшується зношення, поліпшується наповнення циліндрів. Двигуни з æ < 1 називають короткоходовими, а з æ > 1 – довгоходовими. Коефіцієнт æ сучасних карбюраторних двигунів дорівнює 0,85 – 0,95, дизельних – 1,0 – 1,2. Питання для самоконтролю 1. Опишіть структуру індикаторної діаграми чотирьохтактних двигунів? 2. Яке призначення процесу впуску і який його характер протікання? 3. Яке призначення процесу стиску і який його характер протікання? 4. Яке призначення процесу згоряння і який його характер протікання? 5. Яке призначення процесу розширення і який його характер протікання? 6. Яке призначення процесу випуску і який його характер протікання? 7. Які існують індикаторні та ефективні показники робочого циклу? 8. За якою формулою визначається тепловий баланс двигуна? 9. Які показники входять до порівняльних параметрів двигуна? 10 За якими методиками визначаються основні розміри двигуна?
	Попередня тема	На початок	Наступна тема