Вплив температури на двигун внутрішнього згоряння. Двигун на невеликому перепаді температури

У циліндрі двигуна з деякою періодичністю здійснюються термодинамічні цикли, які супроводжуються безперервною зміною термодинамічних параметрів робочого тіла – тиску, об'єму, температури. Енергія згоряння палива при зміні обсягу перетворюється на механічну роботу. Умовою перетворення теплоти на механічну роботу є послідовність тактів. До цих тактів у двигуні внутрішнього згоряннявідносяться впуск (наповнення) циліндрів горючою сумішшю або повітрям, стиснення, згоряння, розширення та випуск. Обміном, що змінюється, є об'єм циліндра, який збільшується (зменшується) при поступальному русі поршня. Збільшення обсягу відбувається внаслідок розширення продуктів при згорянні горючої суміші, зменшення – при стисканні нового заряду паливної суміші чи повітря. Сили тиску газів на стінки циліндра та на поршень при такті розширення перетворюються на механічну роботу.

Акумульована в паливі енергія перетворюється на теплову енергію при скоєнні термодинамічних циклів, передається стінкам циліндрів шляхом теплового та світлового випромінювання, радіацією та від стінок циліндрів - охолоджуючої рідини та масі двигуна шляхом теплопровідності та в навколишній простір від поверхонь двигуна вільної та вимушеної

конвекцією. У двигуні присутні всі види передачі теплоти, що свідчить про складність процесів, що відбуваються.

Використання теплоти в двигуні характеризується ККД, що менше теплоти згоряння палива віддається у систему охолодження й у масу двигуна, то більше вписується роботи і вище ККД.

Робочий цикл двигуна здійснюється за два чи чотири такти. Основними процесами кожного робочого циклу є такти впуску, стискування, робочого ходу та випуску. Введення в робочий процес двигунів такту стиснення дозволило максимально зменшити охолодну поверхню і одіовремепіо підвищити тиск згоряння палива. Продукти горіння розширюються відповідно до стиснення горючої суміші. Такий процес дозволяє скоротити теплові втрати у стінки циліндрів та з випускними газами, збільшити тиск газів на поршень, що значно підвищує потужнісні та економічні показники двигуна.

Реальні теплові процеси у двигуні істотно відрізняються від теоретичних, заснованих на законах термодинаміки. Теоретичний термодинамічний цикл є замкнутим, обов'язкова умова його здійснення – передача теплоти холодному тілу. Відповідно до другого закону термодинаміки та в теоретичній тепловій машині повністю перетворити теплову енергію на механічну неможливо. У дизелях, циліндри яких заповнюються свіжим зарядом повітря і мають високі ступеня стиснення, температура горючої суміші в кінці такту впуску становить 310...350 К, що пояснюється відносно невеликою кількістю залишкових газів, бензинових двигунахтемпература впуску наприкінці такту становить 340...400 К . Тепловий баланс горючої суміші при такті впуску можна подати у вигляді

де?) р т – кількість теплоти робочого тіла на початку такту впуску; Ос.ц - кількість теплоти, що надійшло робоче тіло при контакті з нагрітими поверхнями впускного тракту і циліндра; Qo г – кількість теплоти в залишкових газах.

З рівняння теплового балансу можна визначити температуру наприкінці такту впуску. Приймемо масове значення кількості свіжого заряду т з з,залишкових газів - т о гПри відомій теплоємності свіжого заряду з Р,залишкових газів с" рта робочої суміші з ррівняння (2.34) подається у вигляді

де Т сз – температура свіжого заряду перед впуском; А Т сз- Підігрів свіжого заряду при впуску його в циліндр; Т г- Температура залишкових газів в кінці випуску. Можливо з достатньою точністю вважати, що с" р = з рі с" р - с,з р,де с; - поправочний коефіцієнт, що залежить від Т сзта складу суміші. При а = 1,8 та дизельному паливі

При вирішенні рівняння (2.35) щодо Т апозначимо ставлення

Формула для визначення температури в циліндрі при впускі має вигляд

Ця формула справедлива як для чотиритактних, так і для двотактних двигунів, для двигунів з турбонаддувом температура в кінці впуску розраховується за формулою (2.36) за умови, що q = 1. Ухвалена умова не вносить великих похибок до розрахунку. Значення параметрів наприкінці такту впуску, визначені експериментально на номінальному режимі, представлені у табл. 2.2.

Таблиця 2.2

При такті впуску клапан в дизелі відкривається на 20...30° до приходу поршня в ВМТ і закривається після проходження НМТ на 40...60°. Тривалість відкриття впускного клапана становить 240...290°. Температура в циліндрі наприкінці попереднього такту - випуску дорівнює Т г= 600...900 К. Заряд повітря, що має температуру значно нижче, змішується з залишковими газами, що знаходяться в циліндрі, що знижує температуру в циліндрі в кінці впуску до Т а = 310...350 К. Перепад температур у циліндрі між тактами випуску та впуску дорівнює АТ а. г = Т а - Т р.Оскільки Т аАТ а. т = 290 ... 550 °.

Швидкість зміни температури в циліндрі в одиницю часу за такт дорівнює:

Для дизеля швидкість зміни температури при такті впуску при п е= 2400 хв -1 і фа = 260 ° складає з д = (2,9 ... 3,9) 10 4 град / с. Таким чином, температура в кінці такту впуску в циліндрі визначається масою та температурою залишкових газів після такту випуску та нагріванням свіжого заряду від деталей двигуна. Графіки функції co rt =/(Д е) такту впуску для дизелів та бензинових двигунів, представлені на рис. 2.13 і 2.14, свідчать про значно більшу швидкість зміни температури в циліндрі бензинового двигуна в порівнянні з дизелем і, отже, більшу інтенсивність теплового потоку від робочого тіла та її зростання зі збільшенням частоти обертання колінчастого валу. Середньостатистичне розрахункове значення швидкості зміни температури при такті впуску дизеля в межах частоти обертання колінчастого валу 1500...2500 хв -1 дорівнює = 2,3 10 4 ± 0,18 град/с, а у бензинового

двигуна в межах частоти обертання 2000 ... 6000 хв -1 - з I = 4,38 10 4 ± 0,16 град / с. При такті впуску температура робочого тіла приблизно дорівнює робочій температурі рідини, що охолоджує,

Рис. 2.13.

Рис. 2.14.

теплота стінок циліндра витрачається на нагрівання робочого тіла і не істотно впливає на температуру охолоджуючої рідини системи охолодження.

При такті стисненнявідбуваються досить складні процеси теплообміну усередині циліндра. На початку такту стиснення температура заряду паливної суміші менша за температуру поверхонь стінок циліндра і заряд нагрівається, продовжуючи віднімати теплоту від стінок циліндра. Механічна робота стиснення супроводжується поглинанням теплоти із зовнішнього середовища. У певний (нескінченно малий) проміжок часу температури поверхні циліндра та заряду суміші вирівнюються, внаслідок чого теплообмін між ними припиняється. При подальшому стисканні температура заряду горючої суміші перевищує температуру поверхонь стінок циліндра і тепловий потік змінює напрямок, тобто. теплота надходить до стінок циліндра. Загальна віддача теплоти від заряду горючої суміші незначна, вона становить близько 1,0...1,5 % кількості теплоти, що надходить з паливом.

Температура робочого тіла в кінці впуску та його ж температура в кінці стиснення пов'язані між собою рівнянням політропи стиснення:

де 8 – ступінь стиснення; п л -показник політроп.

Температура в кінці такту стиснення за загальним правилом розраховується за середнім постійним для всього процесу значенням показника політропи. щ.В окремому випадку показник політропи розраховується за балансом теплоти в процесі стиснення у вигляді

де і зі і" -внутрішня енергія 1 км свіжого заряду; і аі і" -внутрішня енергія 1 кмоль залишкових газів.

Спільне рішення рівнянь (2.37) та (2.39) при відомому значенні температури Т адозволяє визначити показник політропи щ.На показник політропи впливає інтенсивність охолодження циліндра. При низьких температурахохолоджуючої рідини температура поверхні циліндра нижче, отже, і п лбуде менше.

Значення параметрів кінця такту стиснення наведено у табл. 2.3.

Таблиця23

При такті стиснення впускний та випускний клапани закриті, поршень переміщається до ВМТ. Час здійснення такту стиснення у дизелів при частоті обертання 1500...2400 хв -1 становить 1,49 1СГ 2 ...9,31 КГ 3 з, що відповідає повороту колінчастого валу на кут ф (. = 134 °, у бензинових двигунів при частоті обертання 2400 ... 5600 хв -1 і сер = 116 ° - (3,45 ... 8,06) 1 (Г 4 с. Перепад температур робочого тіла в циліндрі між тактами стиснення і впуску АТ з _ а = Т с - Т ау дизелів знаходиться в межах 390...550 °С, у бензинових двигунів - 280...370 °С.

Швидкість зміни температури в циліндрі за такт стиснення дорівнює:

і для дизелів при частоті обертання 1500...2500 хв -1 швидкість зміни температури становить (3,3...5,5) 10 4 град/с, бензинових двигунів при частоті обертання 2000...6000 хв -1 - ( 3,2 ... 9,5) х х 10 4 град / с. Тепловий потік при такті стиску направлений від робочого тіла в циліндрі до стінок і в охолоджувальну рідину. Графіки функції зі = f(n e) для дизелів та бензинових двигунів представлені на рис. 2.13 та 2.14. З них випливає, що швидкість зміни температури робочого тіла у дизелів порівняно з бензиновими двигунами за однієї частоти обертання вище.

Процеси теплообміну при такті стиснення обумовлюються перепадом температур між поверхнею циліндра і зарядом горючої суміші, відносно невеликою поверхнею циліндра в кінці такту, масою горючої суміші та обмежено коротким проміжком часу, при якому відбувається теплопередача від горючої суміші до поверхні циліндра. Передбачається, що такт стиснення істотно не впливає на температурний режим системи охолодження.

Такт розширенняє єдиним тактом робочого циклу двигуна, у якому відбувається корисна механічна робота. Цьому такту передує процес згоряння горючої суміші. Результатом згоряння є підвищення внутрішньої енергії робочого тіла, що перетворюється на роботу розширення.

Процес згоряння є комплексом фізичних та хімічних явищ окислення палива з інтенсивним виділенням

теплоти. Для рідких вуглеводневих палив (бензин, дизельне паливо) процес згоряння є хімічними реакціями сполуки вуглецю та водню з киснем повітря. Теплота згоряння заряду горючої суміші витрачається на нагрівання робочого тіла, здійснення механічної роботи. Частина теплоти від робочого тіла через стінки циліндрів та головку нагріває блок-картер та інші деталі двигуна, а також охолоджувальну рідину. Термодинамічний процес реального робочого процесу з урахуванням втрат теплоти згоряння палива, що враховують неповноту згоряння, тепловіддачу стінки циліндрів та інше, вкрай складний. У дизелях і бензинових двигунах процес згоряння відрізняється і має особливості. У дизелях згоряння відбувається з різною інтенсивністю в залежності від ходу поршня: спочатку інтенсивно, а потім уповільнено. У бензинових двигунах згоряння відбувається миттєво, прийнято вважати, що воно відбувається при постійному обсязі.

Для обліку теплоти за складовими втрат, у тому числі тепловіддачі в стінки циліндрів, вводиться коефіцієнт використання теплоти згоряння Коефіцієнт використання теплоти визначається експериментально, для дизелів = 0,70...0,85 і бензинових двигунів?, = 0,85...0,90 з рівняння стану газів на початку та наприкінці розширення:

де – ступінь попереднього розширення.

Для дизелів

тоді

Для бензинових двигунів тоді

Значення параметрів у процесі згоряння та в кінці такту розширення для двигунів )