Робочі тіла і їх властивості

У поршневих двигунах внутрішнього згорання робоче тіло складається з окислювача, палива і продуктів його згорання. Окислювачем для більшості двигунів служить атмосферне повітря, що містить 21 % (за об'ємом) кисню і 79 % інертних газів, в основному азоту. При реалізації циклу робоче тіло зазнає фізичні і хімічні зміни. Залежно від типу двигуна, в період впуску в циліндр поступає або повітря, або горюча суміш, що складається з газоподібного або рідкого палива і повітря. Повітря або горючу суміш, що поступають в циліндр і залишаються в нім до моменту початку стиску, називають свіжим зарядом. В процесі стиску в циліндрі знаходиться суміш свіжого заряду із залишковими газами, яка називається робочою. В процесі розширення і випуску робочим тілом є продукти згорання палива.

При розрахунку робочого циклу двигуна необхідно знати нижчу теплоту згорання палива, яка залежить від композиційного складу палива і кількісного співвідношення елементів, складових його горючу частину. Підведення теплоти до робочого тіла в дійсному циклі здійснюється в результаті згорання палива безпосередньо в циліндрі двигуна, що пред'являє певні вимоги до фізичних і хімічних властивостей палива, які приведені в таблиці 2.1.

Таблиця 2.1 Характеристики рідких палив для двигунів внутрішнього згорання

Паливо	Елементарний склад (середній) 1 кг палива, кг	Молекулярна маса, m_T, Кг/кмоль	Нижча теплота згорання, h_u, MДж/кг
С	Н	0_Т
Автомобільний бензин Дизельне паливо	0.855 0.870	0.145 0.126	– 0.004	110–120 180–200	42.5

Згорання палива в циліндрах двигуна протікає згідно наступним реакціям:

Кількість кисню, необхідна для повного згорання палива, можна підрахувати таким чином:

Для палива, що має склад по вазі:

масова кількість кисню, необхідна для повного згорання 1 кг палива, складе:

,або

або, обчислюючи в кмоль

При розрахунку склад сухого атмосферного повітря приймають рівним: у % по вазі О – 23, N – 77, а в % за об'ємом О – 21, N – 79.

Тоді теоретично необхідна кількість сухого атмосферного повітря для повного згорання 1 кг рідкого палива може бути визначене по наступних формулах:

У ваговому виразі

У молярному виразі

Зв'язок між l₀ і L₀ має вигляд:

Згорання палива в двигуні зазвичай відбувається при деякому недоліку або деякому надлишку повітря в порівнянні з теоретично необхідною кількістю.

Відношення кількості повітря L (l) в горючій суміші до кількості повітря L0 (l0), яке необхідне для повного згорання палива, називається коефіцієнтом надлишку повітря:

При роботі двигуна склад горючої суміші змінюється. Горючу суміш прийнято називати нормальною, якщо α = 1, бідною, якщо α > 1 і багатою, якщо α < 1.

Коефіцієнт надлишку повітря знаходиться в наступних межах: для карбюраторних двигунів α = 0,8–1,3, для дизельних – α = 1,2 – 5.

Кількість свіжого заряду, що доводиться на 1 кг палива, складає:

для карбюраторного двигуна

[кг повітря / кг пал.]

або

[кмоль повітря / кг пал.],

де т_Т – молекулярна маса палива.

Для дизельного двигуна

[кг повітря / кг пал.]

або

[кмоль повітря / кг пал.].

Молекулярна маса автомобільного бензину т_Т =114. Тому величиною зазвичай нехтують.

В кінці стиску перед згоранням циліндр двигуна заповнений робочою сумішшю, кількість якої рівна:

,

де Мr - кількість кмолей залишкових газів.

Відношення кількості залишкових газів до дійсної кількості свіжого заряду називається коефіцієнтом залишкових газів:

.

Підставивши вираз у вираз для Ма, отримаємо: .

Процес згорання супроводиться тепловими втратами. Частина тепла в процесі згорання передається в середовище, що охолоджує, через стінки циліндра. Частина палива проникає в картер через нещільність поршневих кілець. Через нестачу часу і недосконалості сумішоутворення частина палива не встигає згоріти і догорає під час розширення. В той же час під впливом високих температур відбувається розщеплювання молекул Н2о і CO₂ продуктів згорання, розщеплюванню супроводить поглинання тепла.

Коефіцієнтом використання тепла називається частина теплотворної здатності палива, яка дійсно використовується для підвищення енергії газів при згоранні:

де: hu – нижча теплотворна здатність палива;

Δ Q – втрати тепла в процесі згорання.

Коефіцієнт використання тепла завжди менше одиниці. Він тим вище, чим досконало смесеобразование, вище швидкість розповсюдження полум'я, коротше проміжок часу, що витрачається на згорання.

Коефіцієнт використання тепла, залежно від режиму роботи двигуна, змінюється в карбюраторних двигунах в межах 0,85–0,95, в дизельних від 0,7 до 0,9.

При повному згоранні рідкого палива, коли α≥1, утворюються наступні основні продукти згорання: CO₂ і Н₂О – продукти повного згорання вуглецю і водню, що містяться в паливі, N₂ – азот повітря і O₂ – вільний кисень повітря.

Сумарна кількість продуктів згорання 1 кг палива рівна:

Підставивши в праву частину рівняння значення доданків:

отримаємо:

В процесі згорання відбувається збільшення кількості кмоль газів.

Це збільшення залежить від складу палива і коефіцієнта надлишку повітря.

Для карбюраторних ДВЗ

Для дизельних ДВЗ

Відношення кількості кмоль продуктів згорання М₂ до кількості кмоль суміші до згорання М₁ називається коефіцієнтом молекулярної зміни.

Залежно від того, чи враховується при обчисленні коефіцієнта молекулярної зміни кількість залишкових газів чи ні, розрізняють коефіцієнт молекулярної зміни горючій суміші

і коефіцієнт молекулярної зміни робочій суміші.

або .

Отже, у карбюраторних і дизельних двигунів коефіцієнт молекулярної зміни завжди більше одиниці.

Збільшення кількості кмолей газів при згоранні, оцінюване коефіцієнтом молекулярної зміни, викликає збільшення корисної роботи при розширенні продуктів згорання в циліндрі, що підвищує потужність двигуна. Отже, чим вище коефіцієнт молекулярної зміни, тим більше потужність, що розвивається двигуном.

Середня молярна ізохорна теплоємність заряду в кінці стиску для карбюраторних і дизельних двигунах може бути визначена по наступній формулі:

кДж/кмоль ·К.

Середня молекулярна теплоємність продуктів згорання визначається по формулі (кДж/кмоль До):

процес згорання при V = const

;

процес згорання при p = const

Процес впуску

Тиск і температура залишкових газів на початку впуску залежить головним чином від прохідного перетину і коефіцієнта опору випускної системи, а також від числа обертів двигуна. Із збільшенням числа обертів тиск залишкових газів зростає. Це пояснюється тим, що із збільшенням обертів тривалість процесу випуску скорочується, а швидкість газів у випускній системі збільшується. Із збільшенням опору випускної системи тиск залишкових газів зростає, наповнення циліндрів погіршується і потужність двигуна знижується.

Тиск залишкових газів на початку впуску для двигуна без глушника складає за досвідченими даними:

де Р₀ — тиск навколишнього середовища.

Менші значення тут відносяться до малих і середніх обертів, великі – до обертів двигуна, відповідних максимальній потужності.

При установці глушника тиск залишкових газів зростає.

Температура залишкових газів на початку впуску залежить головним чином від складу суміші і числа обертів двигуна. Із збільшенням числа обертів температура залишкових газів зростає. Відбувається це в основному унаслідок погіршення охолоджування продуктів згорання із-за скорочення тривалості циклу. За досвідченими даними, температура залишкових газів Tr на початку впуску при обертах двигуна, відповідних максимальній потужності, знаходиться в наступних межах: у карбюраторних двигунів 900–1200 К, у дизельних двигунів 600–800 К.

Дійсна кількість свіжого заряду, що поступив в циліндр двигуна за період впуску, значно менше теоретично можливої кількості, яка могла б заповнити робочий об'єм циліндра.

Якість газообміну оцінюється не абсолютною, а відносною кількістю свіжого заряду, що поступив в циліндр при впусканні.

Відношення кількості свіжого заряду, що поступив в циліндр за один цикл, до кількості, який мав би заряд, що заповнює робочий об'єм циліндра при тиску і температурі на вході в систему впуску (Ро, То), називається коефіцієнтом наповнення.

У карбюраторних двигунів кількість палива, що міститься в заряді, в порівнянні з кількістю повітря порівняно невелико. Тому коефіцієнт наповнення часто визначають по відношенню кількостей повітря. Помилка при цьому не перевищує 1–2%.

У карбюраторних і дизельних двигунів, що працюють без наддуву, параметри свіжого заряду під час вступу його в систему впуску збігаються з параметрами навколишнього середовища (при розрахунках двигунів без наддуву приймають Ро = 0,101 Мпа; Т₀ =273 +15 = 288 К.

Кількість газів, що заповнюють циліндр двигуна в кінці впуску, складає:

Характеристичні рівняння для Ma, M₀, Mr мають наступний вигляд:

;;,

де: Ра, Та – тиск і температура газів в кінці впуску;

Ra, R0, Rr – відповідні газові постійні.

Після підстановки характеристичних рівнянь в рівняння для Ma отримаємо

Якщо допустити рівність газових постійних Ra, R0, Rr і розділити обидві частини отриманого виразу на Vc, можна написати

Враховуючи, що

після відповідних перетворень отримаємо:

Коефіцієнт наповнення залежить головним чином від тиску і температури газів в кінці впуску, числа обертів і навантаження двигуна (рис. 2.4).

З пониженням тиску і підвищенням температури заряду коефіцієнт наповнення різко зменшується. Із збільшенням числа обертів двигуна коефіцієнт наповнення із-за скорочення тривалості впуску знижується.

Коефіцієнт наповнення дизельних двигунів вищий, ніж карбюраторних, оскільки впускна система у перших конструктивно простіша, а підігрів свіжого заряду менш інтенсивний.

Коефіцієнт наповнення карбюраторних двигунів при роботі з повним навантаженням знаходиться залежно від числа обертів в межах 0,65–0,85, дизельних двигунів 0,7–0,9.

При роботі двигуна з наддувом коефіцієнт наповнення значно підвищується.

Рис. 2.4. Залежність коефіцієнта наповнення від числа обертів

Ступінь забрудненості свіжого заряду залишковими газами горючої суміші характеризує коефіцієнтом залишкових газів, який рівний:

Провівши відповідні перетворення, отримаємо:

З даного виразу виходить, що коефіцієнт залишкових газів зменшується при підвищенні ступеня стиску, підвищенні коефіцієнта наповнення, збільшенні температури і пониженні тиску залишкових газів.

На коефіцієнт залишкових газів роблять вплив число обертів і навантаження двигуна. Із збільшенням числа обертів і зменшенням навантаження коефіцієнт залишкових газів зростає.

Коефіцієнт залишкових газів при повному навантаженні двигуна коливається в межах: для карбюраторних двигунів від 0,06 до 0,18, для дизельних – від 0,02 до 0,06.

Температура свіжого заряду на вході в циліндр залежить від температури навколишнього середовища Т₀ і прирости температури ΔТ унаслідок підігріву заряду від зіткнення з гарячими стінками впускного тракту (впускний колектор і клапанні канали).

Температура свіжого заряду різних двигунів неоднакова. Для поліпшення випаровуваності палива у карбюраторних двигунів застосовується підігрів горючої суміші. Приріст температури заряду ΔТ характеризується наступними даними:

· карбюраторні двигуни, що працюють на бензині 10–45 °С;

· дизельні двигуни 10–25 °С.

Тиск і температура газів в кінці впуску Та, коли циліндр двигуна заповнений газами, що представляють суміш свіжозасмоктаного заряду і залишкових газів, можуть бути визначені при вирішенні рівняння теплового балансу:

Поставивши в рівняння теплового балансу виразу для його складових, отримаємо:

Поділимо кожен доданок на M₁ і, вважаючи, що, отримуємо:

Із зміною умов навколишнього середовища, інтенсивності підігріву, опори впускного і випускного трактів температура газів в кінці впуску помітно змінюється. Значно змінюється вона також залежно від навантаження і числа обертів двигуна.

При зміні числа обертів температура в кінці впуску знаходиться в наступних межах: у карбюраторних двигунах 340–400 К, в дизельних 310–360 К.

Тиск газів в кінці впуску Ра визначається досвідченим шляхом і складає.

Великий із значень тиск газів в кінці впуску слід приймати для дизелів, а менші - для карбюраторних двигунів.

Крім того, тиск газів в кінці впуску Ра можна визначити при відомому коефіцієнті наповнення η_υ по формулі:

Процес стиску

Процес стиску відбувається при закритих впускному і випускному клапанах і служить для збільшення температурного перепаду циклу і ступеня розширення продуктів згорання палива. Це створює сприятливі умови для займання і згорання робочої суміші і забезпечує ефективне перетворення теплоти в механічну роботу.

У теоретичному циклі передбачається, що лінія стиску є адіабатою із змінним показником. У дійсному циклі процес стиску протікає складніше. Він характерний безперервною зміною температури заряду і наявністю теплообміну між газами і стінками циліндра, тобто є політропним.

На початку стиску, до моменту, поки не порівняється температура газів і стінок циліндра, гази нагріваються. При цьому показник політропи стиску підвищується. У подальший період за рахунок вищої температури газів відбувається перехід тепла від газів до стінок циліндра. Це викликає пониження показника політропи стиску.

Таким чином, за період стиску між газами і стінками циліндра відбувається теплообмін, різний не тільки по величині, але і по знаку.

При розрахунках, з деяким наближенням, прийнято вважати показник політропи стиску за постійний і рівний середньому показнику п₁.

Величина показника політропи стиску залежить від частоти обертання колінчастого валу, ступеня стиску, інтенсивності охолоджування циліндрів, навантаження на двигун, ступені зносу цилиндропоршневой групи двигуна. З підвищенням частоти обертання колінчастого валу і ступеня стиску показник політропи стиску п₁ збільшується. При інтенсивному охолоджуванні циліндрів, збільшенні зазорів між поршневими кільцями і циліндрами унаслідок їх зносу величина п₁ зменшується.

Дані, отримані при випробуваннях двигунів, показують, що середній показник п₁, залежно від числа обертів, змінюється в наступних межах: у карбюраторних двигунів 1,30–1,40; у дизельних 1,20–1,35.

При розрахунку карбюраторних двигунів для визначення політропічного показника зазвичай використовують формулу, запропоновану професором Ст. А. Петровим:

де n - частота обертання двигуна [об/хв].

Тиск в кінці процесу стиску рівний:

Температура в кінці процесу стиску складає:

У карбюраторних двигунах температура газів в кінці стиску знаходиться в межах 500–700 К, в дизельних двигунах 750–950 К. У карбюраторних двигунах температура газів в кінці стиску щоб уникнути детонаційного згорання не повинна перевищувати температуру самозаймання палива.

У дизельних двигунах для поліпшення процесу згорання температура газів в кінці стиску повинна на 300–400°С перевищувати температуру самозаймання уприскуваного палива.

Процес згорання

Розвиток реакцій окислення в циліндрі двигуна з необхідною швидкістю забезпечується гомогенною (рівномірною) сумішшю палива з повітрям. Зважаючи на відмінності властивостей палива, способи сумішоутворення і займання робочої суміші, розглянемо окремо процеси згорання палива в циліндрах карбюраторних і дизельних двигунів. Процес згорання палива зручніше аналізувати по індикаторній діаграмі в координатах р-α°, на якій зображається залежність тиску газу усередині циліндра від кута повороту колінчастого валу. Така діаграма називається розгорненою. Процес згорання палива в карбюраторному двигуні.

На рис. 2.5 представлена частина розгорненої індикаторної діаграми, де показані фаза процесу згорання в карбюраторних двигунах.

Рис. 2.5. Процес згорання карбюраторного ДВЗ

Запалення проводиться в кінці такту стиску з випередженням, рівним куту φ. Моменту запалення відповідає крапка а. Видиме підвищення тиску починається в крапці б. Крапкою в відмічений максимальний тиск.

Період від крапки а до крапки б називається першим періодом згорання, періодом утворення вогнища горіння, або періодом затримки займання. Тривалість його змінюється залежно від властивостей палива, складу суміші, ступеня стиску, числа обертів, вихрового стану суміші і інтенсивності іскрового розряду, а також ряду інших чинників. Чим менше перший період згорання, тим повільніше наростає тиск в другий період, тим “м'якше” і з меншим зносом працює двигун.

Період від крапки б до крапки в називається другим періодом згорання, періодом розповсюдження полум'я, або періодом видимого згорання. Цей період характеризується значним підвищенням тиску і зазвичай закінчується на 12–18° після ВМТ. Після проходження поршнем крапки в, відповідною максимальному тиску згорання, починається процес розширення. При цьому тиск падає, а гази розширюються. Частина суміші, що не встигла згоріти своєчасно, догорає в процесі розширення.

Тривалість згорання характеризується швидкістю згорання і швидкістю розповсюдження полум'я.

Швидкість згорання характеризує інтенсивність протікання реакцій згорання і оцінюється кількістю тепла, що виділяється в одиницю часу. Швидкість згорання може бути визначена по індикаторній діаграмі як тривалість всього процесу згорання від моменту запалення до моменту утворення кінцевих продуктів, тобто практично до моменту, відповідного максимальному тиску згорання.

Швидкість розповсюдження полум'я характеризує швидкість переміщення по камері згорання фронту полум'я від місця його виникнення (фронтом полум'я називається зона реакції згорання, що відокремлює свіжу суміш від продуктів згорання).

Швидкість згорання пропорційна швидкості розповсюдження полум'я. Остання змінюється в значних межах (від 25 до 40 м/сек) і залежить від конструкції двигуна (форми камери згорання, ступеня стиску, розташування свічки) і його експлуатаційних особливостей (властивостей палива, складу суміші, числа обертів, навантаження).

Швидкість наростання тиску залежить від інтенсивності згорання, тобто від кількості тепла, що виділяється в одиницю часу. У перший період згорання кількість теплоти, що виділяється в одиницю часу, трохи. Тому лінія, що характеризує перший період згорання на індикаторній діаграмі, не відрізняється від лінії стиску при вимкненому запаленні. Другий період згорання характерний значним підвищенням тиску. Швидкість наростання тиску в цей період характеризується відношенням dP/d?, що оцінює приріст тиску в період згорання на 1° кута повороту колінчастого валу. Це відношення називається також показником жорсткості роботи двигуна.

Встановлено, що швидкість наростання тиску у карбюраторних двигунів не повинна перевищувати 0,25 Мпа на 1° повороту валу. Із збільшенням швидкості наростання тиску динамічні навантаження на кривошипно-шатуновий механізм значно зростають і виникають явища вібрації двигуна. При цьому збільшується знос зв'язаних вузлів, і довговічність двигуна різко скорочується.

Час, що відводиться для згорання в циліндрах двигуна, визначається всього декількома тисячними долями секунди. При цьому максимальна потужність двигуна досягається тільки в тому випадку, якщо займання суміші відбувається в кінці такту стиску, декілька раніше того моменту, коли поршень прийде у ВМТ.

Кутом випередження запалення називається кут повороту колінчастого валу від моменту запалення до ВМТ, вимірюваний в градусах.

Якщо кут випередження запалення вибраний правильно, до моменту, коли поршень прийде у ВМТ, процес згорання суміші розвиватиметься сприятливо. При цьому згорання суміші закінчується на 12–18° після ВМТ, а потужність, що розвивається двигуном, досягає максимального значення. Наївигоднейший момент запалення повинен відповідати максимальній потужності для кожного режиму роботи двигуна. Підбір найкращого моменту запалення проводиться досвідченим шляхом.

За певних умов нормальний процес згорання в карбюраторних двигунах може бути порушений явищами детонації. Детонаційне згорання виникає після запалення суміші і характерний високими швидкостями розповсюдження полум'я і значним підвищенням температури і тиску газів. Якщо при нормальному згоранні швидкість розповсюдження полум'я складає 25–40 м/сек, то при детонації вона досягає 2000 м/сек. Тиск газів при детонаційному згоранні підвищується до 15–20 Мпа, що значно перевищує тиск, відповідний нормальному згоранню (2,5–5,0 Мпа). Індикаторна діаграма, знята при роботі двигуна з детонацією, показана на мал. 2.6

Рис. 2.6. Процес згорання з детонацією

Детонаційне згорання супроводиться падінням потужності і погіршенням економічності двигуна. При такому згоранні порушується рідинне тертя в підшипниках і деформується антифрикційний матеріал. Робота двигуна при детонаційному згоранні недопустима, оскільки детонація викликає не тільки прискорений знос, але і руйнування вузлів кривошипно-шатунового механізму. Основними ознаками детонації є: нестійка робота і перегрів двигуна, виникнення в циліндрах різких металевих стукотів, поява чорного диму у відпрацьованих газах.

Детонаційне згорання виникає при невідповідності між ступенем стиску двигуна і детонаційною стійкістю вживаного палива. Окрім властивостей палива, на виникнення детонації роблять вплив конструктивні особливості двигуна – розмір циліндра, форма камери згорання, розташування свічки і ін., а також ряд експлуатаційних чинників – склад суміші, число обертів, положення дроселя, кут випередження запалення і ін.

Поява детонації залежить від складу суміші. Досвідчені дані показують, що найбільша схильність до детонації спостерігається при коефіцієнті надлишку повітря рівному 0.8–0.9, коли швидкість розповсюдження полум'я найбільша.

Із збільшенням числа обертів і у міру прикриття дроселя (зменшення навантаження) схильність до детонації знижується, оскільки при цьому збільшується кількість залишкових газів. Найбільша схильність до детонації спостерігається при повному навантаженні.

Перехід до ранішого (в порівнянні з найкращим) моменту запалення викликає підвищення температури і тиску в циліндрі і сприяє виникненню детонації.

Значно прискорює виникнення детонації відкладення нагари на стінках камери згорання, клапанах і поршні, оскільки температурний режим двигуна при цьому зростає.

Детонація під час експлуатації двигунів може бути усунена прикриттям дроселя, зміною складу суміші, зменшенням кута випередження запалення або переходом на вищі оберти.

Окрім явища детонаційного горіння в процесі роботи двигуна можуть виникнути передчасні спалахи, які виникають унаслідок самозаймання суміші в процесі стиску, що відбувається до моменту запалення. Передчасні спалахи виникають в тих випадках, коли температура стислої суміші досягає температури самозаймання палива. Появі передчасних спалахів сприяє перегрів двигуна, нагарообразование, а також детонаційне згорання. Робота двигуна з передчасними спалахами супроводиться падінням потужності, перегрівом і характерна значною нерівномірністю.

Для визначення температури газів в карбюраторному двигуні складемо рівняння теплового балансу

де QC - теплота газів в кінці процесу стиску;

Qhu- теплота, що виділилася з палива в процесі згорання;

QZ - теплота газів в кінці процесу згорання.

Виразимо рівняння, що становлять:

і підставивши їх в рівняння теплового балансу, отримаємо:

Розділивши отримане рівняння на Ma, маємо наступний вид рівняння:

Після перетворень отримуємо рівняння згорання для карбюраторних двигунів:

при повному згоранні α= 1

;

при неповному згоранні α < 1

де ∆hu – втрати теплоти із-за неповного згорання палива.

Вирішуючи рівняння згорання, визначуваний TZ.

Для визначення тиску в кінці процесу згорання карбюраторного двигуна виразимо кількість газів в циліндрі двигуна до і після згорання:

Визначимо коефіцієнт молекулярної зміни робочій суміші:

і з отриманого виразу виразимо ступінь підвищення тиску:

Тоді тиск в кінці процесу згорання для карбюраторного ДВЗ можна визначити по формулі:

Процес згорання палива в дизельному двигуні.

Розгорнена індикаторна діаграма дизельного двигуна показана на рис. 2.7.

Рис. 2.7. Процес згорання в дизельному ДВЗ

Уприскування палива проводиться з випередженням, рівним куту φ, який складає 10–20° до приходу поршня у ВМТ. Моменту початку уприскування відповідає крапка а. Різке підвищення тиску починається в крапці б, відповідною початку самозаймання палива. У крапці в характер наростання тиску змінюється. Точкою грама відмічений момент кінця уприскування. Отже, уприскування палива проводиться в період, відповідний повороту валу від крапки а до точки р. Максимальному тиску згорання відповідає точка д. Весь період згорання прийнято розділяти на три фази. Перша фаза – період згорання від крапки а до крапки б – називається періодом утворення зон згорання, або періодом затримки займання. У цей період температура палива, що уприсується під тиском в середу стислого (3,5–4,5 Мпа) і нагрітого повітря (600–700 °С), підвищується і досягає температури самозаймання (200–300 °С).

Тривалість першої фази згорання складає від 0,002 до 0,006 з або від 10 до 30° повороту колінчастого валу і залежить головним чином від физико-хімічних властивостей палива (і значною мірою від його цетанового числа), ступеня стиску двигуна, інтенсивності розпилювання палива і вихрового руху в камері згорання.

Друга фаза – період згорання від крапки б до крапки в – називається періодом розповсюдження полум'я за об'ємом згорання, або періодом швидкого згорання. У цей період тиск нестримно зростає. Швидкість наростання тиску в цей період оцінюється показником жорсткості dP/dα. Тривалість другої фази згорання залежить головним чином від тривалості першої фази, швидкості подачі палива, однорідності і вихрового руху суміші.

Третя фаза – період згорання від крапки в до точки д – називається третім періодом згорання, або періодом повільного згорання. Цей період характерний незначним підвищенням тиску. Тривалість третьої фази згорання залежить головним чином від швидкості руху частинок палива і повітря. Збільшення швидкості досягається високим тиском і раціональним напрямом струменя уприскуваного палива.

Період згорання від крапки б до точки д називають періодом видимого згорання. Після точки д починається процес розширення, при якому тиск падає. Частина палива догорає в процесі розширення.

У дизельних двигунів швидкість наростання тиску має бути не більше 0,4–0,6 Мпа на 1 градус повороту колінчастого валу. Робота при більшій швидкості наростання тиску супроводиться стукотами. Випробуваннями дизельних двигунів встановлено, що стукоти виникають унаслідок підвищеної швидкості наростання тиску на початку другої фази. Чим більше період затримки займання, тим більше палива поступає в циліндр, тим вище швидкість наростання тиску і вище максимальний тиск циклу. Плавна робота двигуна і пониження максимального тиску циклу досягаються скороченням періоду затримки займання. На скорочення періоду затримки займання значною мірою роблять вплив наступні причини:

· температура займання палива і його цетанове число, оскільки з пониженням температури самозаймання і підвищенням цетанового числа період затримки займання скорочується;

· ступінь стиску двигуна, оскільки з підвищенням ступеня стиску збільшуються температура і тиск повітря до моменту уприскування, знижується температура самозаймання палива і збільшується різниця між температурою стислого повітря і температурою самозаймання палива.

На індикаторній діаграмі (рис. 2.7) нанесені криві, що характеризують подачу палива х = f(a) і згорання палива у = f(a). Як видно з діаграми і кривих, для даного двигуна кут випередження уприскування складає ~ 10°, тривалість уприскування рівна 17°, тобто уприскування закінчується пізнішим ВМТ. Близько 50% палива уприсується до ВМТ; період затримки займання рівний ~ 7°. До ВМТ згорає порівняно невелика частина палива – близько 7%, до моменту, відповідного кінця уприскування, згорає близько 40% палива; догорання палива відбувається в процесі розширення.

Згорання в дизельному двигуні відбувається при змінному тиску і об'ємі газів, що змінюється. Для полегшення розрахунків зазвичай передбачається, що процес згорання протікає при V = const і P = const. При цьому для визначення температури в кінці процесу згорання рівняння згорання може бути виведене з балансу внесеної і використаної теплоти:

де Qc – теплота, що міститься в газах до згорання;

Qhu– теплота, що повідомляється газам при згоранні палива;

Qz' – теплота, що міститься в газах після згорання;

Qр – теплота, еквівалентна роботі розширення газів, що здійснюється за період згорання при р = const.

Виразимо рівняння, що становлять

і, підставивши в рівняння теплового балансу, отримаємо

Розділивши отримане рівняння на Ma, маємо наступний вид рівняння:

Після перетворень отримуємо рівняння згорання для дизельних двигунів:

Для вирішення цього рівняння і визначення TZ необхідно задатися ступенем підвищення тиску ?, залежною від кількості палива, що згорає при изохорическом і изобарическом процесах. Величина ступеня підвищення тиску складає у двигунів з роздільними камерами згорання 1.1–1.4, у двигунів з нероздільними камерами 1.4–2.2.

Тиску в кінці процесу згорання дизельного двигуна можна визначити по формулі:

Для визначення ступеня попереднього розширення продуктів згорання дизельного двигуна виразимо кількість газів в циліндрі двигуна до і після згорання:

Визначимо коефіцієнт молекулярної зміни робочій суміші:

і з отриманого виразу виразимо ступінь попереднього розширення продуктів згорання:

На підставі досвідчених даних встановлено, що температура в кінці процесу згорання змінюється в наступних межах: для карбюраторних двигунів – від 2400 до 2800 До, для дизельних двигунів з нероздільними камерами згорання – від 1800 до 2200 До, для дизельних двигунів з роздільними камерами згорання – від 1700 до 2100 До; тиск газів для карбюраторних двигунів від 4.0 до 6.0 Мпа, для дизельних двигунів з нероздільними камерами згорання від 6.5 до 12 Мпа, для дизельних двигунів з роздільними камерами згорання від 5.5 до 7.5 Мпа.

Процес розширення

Процес розширення протікає із змінним теплообміном по ще складнішому закону, ніж процес стиску, оскільки окрім охолоджування газів, що розширюються, додаються явища догорання палива і відновлення продуктів дисоціації. На початку політропного процесу розширення підвод теплоти до газу унаслідок догорання палива превалює над відведенням її в стінки камери згорання, і ця ділянка процесу розширення наближається до ізотермічної (показник політропи розширення близький за значенням до одиниці). Надалі, у міру зниження інтенсивності догорання палива, наступає момент, коли процес розширення стає адіабатним і показник політропи дорівнюватиме показнику адіабати, визначеному по середній температурі процесу. Кінцева фаза процесу розширення супроводиться інтенсивним відведенням теплоти від робочого тіла, і показник політропи стає більше показника адіабати. При визначенні параметрів робочого тіла і роботи розширення користуються деяким постійним за значенням показником, рівним середньому значенню. Середній показник політропи розширення n2 оцінюють з урахуванням досвідчених даних: для дизельних двигунів n2 = 1.15 – 1.3; для карбюраторних двигунів n2 = 1.22 – 1.28. При розрахунку карбюраторних двигунів для визначення показника політропи розширення використовують формулу, запропоновану Ст. А. Петровим:

де n - частота обертання, про./мин.

Тиск в кінці процесу розширення може бути визначене на підставі відомих термодинамічних співвідношень для політропічного процесу

звідки

Для карбюраторних двигунів, в яких все тепло повідомляється при V = const, а отже

, , ;

для дизельного двигуна:

, ,

Величина називається ступенем подальшого розширення, тоді

У карбюраторних двигунах при повністю відкритій дросельній заслінці тиск в кінці процесу розширення близько до 0.4 Мпа. У міру дроселювання цей тиск знижується прямо пропорціонально тиску всмоктування і на неодруженому ходу двигуна складає приблизно 0.15 Мпа. У дизелях тиск кінця розширення також близько до 0.4 Мпа і при зменшенні навантаження знижується трохи.

Для визначення температури кінця розширення можна використовувати співвідношення

звідки

Тоді для карбюраторних двигунів:

;

для дизелів:

Температура в кінці процесу розширення перед відкриттям випускного клапана для карбюраторних двигунів приблизно дорівнює 1200–1500 К. По мірі дроселювання температури декілька знижуються унаслідок зменшення кількості тепла, що виділяється при горінні палива.

У двигунах з високими ступенями стиску температури і тиску в кінці процесу розширення знижуються, оскільки згорілі гази сильніше розширюються.

У дизелях ступеня стиску вище, ніж в карбюраторних двигунах, а тому температура в кінці процесу розширення на 200–300° нижче. Особливо різко знижується температура кінця розширення дизелів при зменшенні навантаження, що пояснюється зменшенням кількості уприскуваного палива.

Процес випуску

Випускний клапан починає відкриватися в кінці процесу розширення з випередженням відносно НМТ на кут 40 ... 75° і закривається після ВМТ із запізнюванням на кут 10 ... 40°. Процес випуску в чотиритактних двигунах умовно можна розділити на три періоди:

1. Вільний випуск.

На початку відкриття випускного клапана тиск в циліндрі складає 0.4 ... 0.6 Мпа, а тиск у випускному трубопроводі 0.105 ... 0.12 Мпа. Під дією цього перепаду тиску відбувається закінчення газів з циліндра з початковою швидкістю 500 ... 700 м/с. Тривалість першого періоду відповідає приблизно куту випередження відкриття випускного клапана. При вільному випуску за відносно малий час з циліндра віддаляється 50 ... 65% відпрацьованих газів.

2. Примусовий випуск.

Вважається, що примусовий випуск продовжується під час руху поршня від НМТ до ВМТ. Закінчення газу з циліндра в цей період відбувається головним чином унаслідок зміни об'єму циліндра відповідно до закону руху поршня. Швидкість закінчення газу і перепад тиску у випускному клапані визначаються швидкістю переміщення поршня, відношенням площі поперечного перетину клапанної щілини до площі поршня, характером нестаціонарного потоку газу у випускному трубопроводі. Температура і тиск газу в циліндрі в період примусового випуску змінюються трохи.

3. Продування.

Продування здійснюється в період перекриття клапанів, коли залежно від співвідношення тиску газу в циліндрі, у впускному і випускному трубопроводах рух відпрацьованих газів може бути у різних напрямах. Якісне очищення циліндрів від відпрацьованих газів забезпечується в двигунах з настроєною системою газообміну.