Індикаторна діаграма двигуна

1.9. Побудова індикаторної діаграми.

Індикаторна діаграма двигуна внутрішнього згоряння будується з використанням даних розрахунку робочого процесу. На початку побудови на осі абсцис відкладається відрізок АВ, що відповідає робочому обсягу циліндра V_h, а по величині рівній ходу поршня в масштабі М_s, відрізок ОА (мм), що відповідає обсягу камери згоряння V_c:

, V_c= ОА = 0,01.

Побудова політропи стиску і розширення можна робити аналітичним методом. При цьому обчислюється ряд точок для проміжних обсягів, розташованих між V_c і V_а та між V_z і V_b по рівнянню політропи РV ⁿ = соnst;.

Для політропи стиску: ,

де Р_x і V_x – тиск і об'єм у шуканій точці процесу стиску.

Р_x1 =0,0988 (0,7/0,1)^1,35 = 1,37 МПа

Р_x2 =0,0988 (0,7/0,2)^1,35 = 0,54 МПа

Р_x3 =0,0988 (0,7/0,3)^1,35 = 0,31 МПа

Р_x4 =0,0988 (0,7/0,4)^1,35 = 0,21 МПа

Р_x5 =0,0988 (0,7/0,5)^1,35 = 0,16 Мпа

Р_x6 =0,0988 (0,7/0,6)^1,35 = 0,12 МПа

Р_x7 =0,0988 (0,7/0,7)^1,35 = 0,01 МПа

Р_x8 =0,0988 (0,7/0,8)^1,35 = 0,08 МПа

Аналогічно для політропи розширення:

Р_x1 =0,47 (0,7/0,1)^1,25 = 5,35 МПа Р_x2 =0,47 (0,7/0,2)^1,25 = 2,25 МПа

Р_x3 =0,47 (0,7/0,3)^1,25 = 1,35 МПа Р_x4 =0,47 (0,7/0,4)^1,25 = 0,95 МПа

Р_x5 =0,47 (0,7/0,5)^1,25 = 0,72 МПа Р_x6 =0,47 (0,7/0,6)^1,25 = 0,57 МПа

Р_x7 =0,47 (0,7/0,7)^1,25 = 0,47 МПа Р_x8 =0,47 (0,7/0,8)^1,25 = 0,40 МПа

Р_x9 =0,47 (0,7/0,9)^1,25 =0,34 МПа Р_x10 =0,47 (0,7/1,0)^1,25 =0,3 МПа

Р_x12 =0,47 (0,7/1,2) = 0,2 МПа Р_x15 =0,47 (0,7/1,5)^1,25 =0,18 МПа

Для карбюраторних двигунів відношення V_d/ V_x змінюється в інтервалі (1- ε ). При аналітичному методі побудови діаграми визначення ординат розрахункових точок політроп стиску і розширення зручно робити в табличній формі.

По індикаторній діаграмі для перевірки теплового розрахунку і правильності побудови діаграми визначаємо

,

де F - площа діаграми.

Нижче приведен приклад побудови діаграми згідно розрахунку вручну [1-2, 4-5]. Рекомендуеться її побудова діаграми з використанням ЕОМ в любому з редакторів, наприклад Ехcеl, чи Mathcad, у випадку побудови діаграми вручну, рекомендовано використання міліметрового паперу.

Індикаторна діаграма бензинового двигуна

2. Система відведення відпрацьованих газів. Каталізатор.

Система випуску призначена для відведення відпрацьованих газів від циліндрів двигуна.

До системи випуску відносять випускний колектор, приймальну (нижню) трубу, каталітичний конвертор (нейтралізатор), до трьох окремих глушників (передній, середній та задній) та вихлопну (задню) трубу. Трубопроводи (окрім двох названих труб) звичайно не є самостійними деталями та утворюють з глушником єдине ціле. Додамо до цього допоміжні елементи (хомути, подушки, прокладки та дрібні деталі), призначені для з’єднання компонентів, їх взаємної фіксації та для кріплення системи до кузова.

Випуск має відбуватися з найменшими втратами на його здійснення. Для цього в перший момент випуску відпрацьовані гази повинні витікати з найбільшою швидкістю. Тому випускний клапан починає відкриватися за 40...80⁰ п.к.в. до н.м.т.

Момент відкриття випускного клапана вибирається експериментально, щоб забезпечити найменшу втрату корисної площі індикаторної діаграми порівняно з розрахунковою.

Закривається випускний клапан через 15...60⁰ п.к.в. після в.м.т. для підвищення якості очищення циліндра за рахунок продування в період перекриття клапанів.

Розрізняють три стадії випуску:

1. Надкритична ділянка витікання. Тиск відпрацьованих газів у циліндрі ще високий. Швидкість витікання стала і дорівнює швидкості звуку у відпрацьованих газах (порядку 500...700м/с) у залежності від температури газів.

2. Підкритична ділянка витікання. Швидкість витікання газів поступово зменшується в міру зниження тиску в циліндрі.

3. Виштовхування газів поршнем. Швидкість витікання газів визначається швидкістю поршня.

Під час витікання відпрацьованих газів з великою швидкістю створюється різкий шум. Тому на випускній трубі встановлюється глушник. Його опір повинен бути якомога меншим, оскільки із збільшенням опору випускної системи підвищується тиск у циліндрі в період випуску, що приводить до зниження коефіцієнта наповнення. Тиск на випуску підвищується й у ДВЗ з газотурбінним наддувом через додатковий опір, який створює газова турбіна. Але в цьому разі збільшення втрат випускної системи компенсується позитивним ефектом від застосування наддуву.

У випускній системі відбуваються різні коливання тиску газів. У розрахунках для спрощення приймають середній тиск газів за процес випуску. Значення P_r і T_r для автомобільних двигунів приведені в таблиці.

Параметр	Двигуни
	карбюраторні		Дизелі
	бензинові	газові	без наддуву	з наддувом
Тиск кінцю випуску Pr, МПа	0,102-0,120	0,102-0,120	0,102-0,125	(0,8-0,95)рк
Температура кінця випуску Tr, К	900-1000	750-950	600-900	600-900
Коефіцієнт залишкових газів ν	0,06-0,08	0,06-0,08	0,03-0,06	0,03-0,06

Глушники зменшують шум під час випуску відпрацьованих газів. Частота звукових коливань, які сприймаються вухом людини, знаходиться в інтервалі від 16 до 16*10³ Гц. Найбільш вживаними характеристиками звукових коливань є тиск, інтенсивність звуку і звукового тиску.

Джерела шуму можна умовно поділити на джерела шуму механічного та газодинамічного походження. Шум механічного походження виникає внаслідок незрівноваженості частин механізмів, вібрації деталей, окремих елементів, інше. Причинами шуму газодинамічного походження являється збурення при рухові газового та рідинного середовищ у системах двигуна. Найбільш інтенсивні частини сектора шуму знаходяться в області низьких та середніх частот і кратні частоті обертання колінчастого вала та числу циліндрів.

Рівень шуму знижують капотуванням двигуна, використанням звукопоглинаючих перегородок, установкою глушників та за допомогою спеціальних конструктивних заходів, таких, як дезаксіально-кривошипно-шатунний механізм, зменшенням зазору між поршнем та циліндрами, збільшенням направляючої частини поршня, інше.

За принципом дії глушники розділяють на активні та реактивні. У активних звукова енергія перетворюється на теплову при проходженні хвилі через опір сітки, перфоровані листи на інше. Реактивні глушники являють собою розширювальну або ряд резонансних камер. В цих глушниках зменшення амплітуди коливань відбувається внаслідок розширення потоку газу. Реактивні глушники ефективні відносно низькочастотних шумів, а активні – високочастотних. Звичайно на автомобілі об’єднують глушники обох типів.

У системі випуску перший тепловий удар приймає колектор, температура в якому досягає 1300⁰С. Частіше всього його роблять з жароміцного чавуну. Довжина випускного тракту для кожного з циліндрів має бути (хочаб приблизно) рівною. В іншому випадку відбудуться стрибки у значеннях гідравлічного опору та, як наслідок, нерівномірна робота двигуна.

До однієї труби надходять відпрацьовані гази перед „переробкою”. Звичайно – у кінці приймальної труби, перед входом у конвертер або передній глушник. Температура тут – до 1100⁰С, тому останнім часом приймальну (нижню) трубу роблять з подвійними стінками з нержавіючої сталі. Окрім зниження теплових втрат таке рішення дозволяє не перегрівати сусідні вузли та агрегати.

Гранична температура у конвертері, що у робочому стані до 1050⁰С. Каталітична реакція, під час якої токсичні гази (СО, СН, NO_х) перетворюються на менш шкідливі (СО₂, Н₂О, N₂ ), починається при 300-350⁰С. Оптимальна робоча температура – 600-800⁰С, звичайна – 400-800⁰С.

Найбільш ефективним напрямком зниження шкідливих викидів автомобільних двигунів є нейтралізація шкідливих речовин у процесі випуску. Широке розповсюдження отримали каталітичні нейтралізатори. Суть каталітичного нейтралізатора полягає у хімічних перетвореннях шкідливих речовин у присутності каталізаторів, прискорюючи протікання хімічних реакцій, внаслідок яких ці речовини перетворюються в нешкідливі для людини і оточуючого середовища. Для знешкодження продуктів неповного згоряння СО і С_nН_m використовуються окисні реакції, NO_х - відновлювальні.

Каталітичні нейтралізатори для зменшення викидів тільки продуктів неповного згоряння СО і С_nН_m виконують у вигляді однієї камери, заповненої каталізатором, в якій створюється окислювальне середовище шляхом подачі повітря. Каталітичні нейтралізатори для одночасного зниження СО, С_nН_m, NO_х, як правило, складаються з двох камер: в першій – відновлювальне середовище, в другій – окисне.

Одночасно знизити викиди СО, С_nН_m, NO_х бензинових двигунів можна і в однокамерному нейтралізаторі з платинородієвим каталізатором. Найбільш ефективний такий нейтралізатор, якщо склад суміші близький до стехіометричного. Ефективним вважається нейтралізатор, який знешкоджує не менше 80% СО, С_nН_m, NO_х. Для забезпечення такої ефективності зміна складу суміші повинна знаходитись в межах ±0,7%, що значно менше меж, що мають місце в експлуатаційних умовах. Для забезпечення складу суміші, близького до стехіометричного застосовують електронні ситеми регулювання з зворотним зв’язком, коли склад суміші коректуються за складом відпрацювавших газів, який оцінюють за вмістом кисню, що вимірюється кисневим датчиком.

Знизити викиди продуктів неповного згоряння можна з допомогою термічних нейтралізаторів. Суть термічної нейтралізації полягає в допалюванні цих речовин. Сучасні термічні нейтралізатори являють собою ізольовану жарову трубу, в якій забезпечується збільшення часу перебування відпрацювавши газів шляхом неодноразової зміни напрямку їх руху. Перед тим, як відпрацювивші гази надходять в термічний реактор, до них в певному співвідношенні підмішується повітря. Термічні реактори забезпечують зниження викидів СО і С_nН_m на 30...80%.

На дизелях автомобілів, які працюють в підземних умовах, в місцях з обмеженим повітрообміном часто використовують рідинні нейтралізатори, робота яких полягає в затримці твердих частинок, поглинанні водорозчинних та хімічному перетворенні газоподібних шкідливих речовин при припусканні відпрацьованих газів через водні розчини різних хімічних з’єднань.

Основні причини несправності каталітичного нейтралізатора:

• Механічні пошкодження;

• Забруднення свинцем, що є у етильованому бензині;

• Порушення герметичності корпусу. Проблеми у системах запалювання й подачі палива, руйнування керамічного елементу, сильний перегрів також може вплинути на роботу нейтралізатора;

• Він може вийти з ладу при відсутності видимих деформацій та несправностей – просто від старості.

На кресленні у додатках показана схема застосованого для проектованого двигуна повітряного фільтра та глушника:

1. Термовакуумний вмикач клапана рециркуляції;

2. Випускний колектор;

3. Клапан рециркуляції;

4. Трубка рециркуляції;

5. Впускна труба;

6.Карбюратор;

7. Повітрозабірник холодного повітря;

8. Терморегулятор;

9. Патрубок підігрітого повітря;

10. Стяжний болт;

11. Корпус повітряного фільтра;

12. Стрілка для установки кришки повітряного фільтра;

13. Передочисник фільтруючого елемента;

14. Перфоровані оболонки фільтруючого елемента;

15. Картонний фільтруючий елемент;

16. Кронштейн кріплення кришки повітряного фільтра;

17. Гайка кріплення;

18. Колектор витяжної вентиляції;

19. Кришка повітряного фільтра;

20. Прийомна труба;

21. Кронштейн прийомної труби;

22. Хомути з'єднання труб;

23. Додатковий глушник;

24. Подушки підвіски глушників;

25. Основний глушник;

26. Випускна труба;

27. Задня перфорована труба додаткового глушника;

28.Задня перегородка додаткового глушника;

29. Передня перегородка;

30. Передня перфорована труба;

31. Корпус додаткового глушника;

32. Передня перфорована труба основного глушника;

33. Впускний патрубок основного глушника;

34. Випускний патрубок;

35. Корпус основного глушника;

36. Задня перегородка;

37. Середня перегородка;

38. Задня перфорована труба;

39. Передня перегородка;

I. Схема рециркуляції;

II. Повітряний фільтр;

III. Додатковий глушник;

IV. Основний глушник.

Повітряний фільтр призначений для очищення повітря, що надходить у карбюратор, від механічних домішок. На двигуні встановлюється повітряний фільтр сухого типу зі змінним фільтруючим елементом, що має передочисник Ф13. Корпус 11 фільтра кріпиться на чотири шпильки карбюратора самоконтрящимися гайками й ущільнюється гумовою прокладкою.

Фільтр складається з корпуса, що фільтрує елемент 15, кришки 19, повітрозабірника 7 холодного повітря і патрубка 9 підігрітого повітря. Корпус і кришка відштамповані з листової сталі і пофарбовані чорною емаллю. Кришка 19 кріпиться до корпуса 11 чотирма пружинними засувками й у центрі гайкою за шпильку кронштейна 16. Герметичність корпуса з кришкою забезпечується ущільнювальною прокладкою. Кришка фільтра встановлюється строго певним чином, що виключає підвищення шуму впуску. Стрілка на кришці повинна бути спрямована на прийомний патрубок корпуса фільтра.

Фільтруючий елемент 15 виготовляється зі спеціального фільтрувального картону, вставленого в металеві перфоровані оболонкці 14. З метою збільшення пилоємкості фільтруючого елемента на зовнішню перфоровану оболонку надівається передочисник 13 із синтетичної вати. Корпус повітряного фільтра має прийомний патрубок, через який усмоктується повітря, і колектор 18 витяжної вентиляції двигуна. Картерные гази відсмоктуються по шлангу через колектор у повітряний фільтр у простір за фільтруючим елементом, де відбувається їхнє змішування з очищеним повітрям. Очищенню фільтруючий елемент не підлягає, тому що при цьому можливі ушкодження фільтрувального картону, а отже, з'являється імовірність абразивного зносу циліндрів двигуна.

При нормальних умовах експлуатації автомобіля фільтруючий елемент необхідно заміняти через кожні 20000 км пробігу. Експлуатація автомобіля по курних дорогах передбачає заміну фільтруючого елемента через 10000 км пробігу.

Терморегулятор 8 забезпечує подачу підігрітого повітря, що надходить у повітряний фільтр, що сприяє більш повному згорянню робочої суміші в циліндрах двигуна, а отже, зниженню токсичності газів, що відробили. Терморегулятор складається з пластмасового корпуса з заслінкою, положення якої регулюється рукояткою. Терморегулятор установлений на патрубку фільтра і кріпиться стяжним болтом 10. Знизу корпус терморегулятора має патрубок 9 забору підігрітого повітря від дефлектора, розташованого на випускному колекторі. На корпус терморегулятора надітий повітрозабірник 7. Для зниження шуму повітрозабірник виготовлений з поліпропілену.

У залежності від температури атмосферного повітря заслінку терморегулятора рукояткою встановлюють в одне з двох положень:

НОТ - тепле повітря надходить у фільтр із зони випускного колектора;

COLD – через повітрозабірник надходить холодне повітря.

Випуск газів, що відробили, виробляється через випускний колектор, приймальню трубу 20, додатковий глушник 23 і основний глушник 25. Прийомна труба і глушителі являють собою нерозбірні вузли, що з'єднуються між собою вдвиганням труб однієї в іншу і закріплюються хомутами 22. Одна з труб має розвальцьований кінець із двома подовжніми діаметрально розташованими прорізами, що при зборці необхідно цілком перекривати трубою, що всувається. Прийомна труба 20 кріпиться на шпильках до випускного колектора чотирма обмідненими гайками і хомутом до кронштейна 21 коробки передач. Між прийомною трубою і випускним колектором встановлюється ущільнювальна прокладка, виготовлена з азбесту, армованого сталевою стрічкою. Прокладка і гайки одноразового користування. Додатковий 23 і основний 25 глушники складаються з корпусів 31 і 35, перфорованих труб і перегородок, що утворять камери, кожна з яких придушує шум визначеного діапазону частот.

Система рециркуляції газів, що відробили, установлюється на автомобілі з метою зниження викидів в атмосферу окислів азоту. Система рециркуляції складається з термовакуумного вмикача 1, що спрацьовує при температурі охолодної рідини двигуна вище 40-48°С, клапана рециркуляції 3, трубки рециркуляції 4 і вакуумних трубок.

При розгінному режимі руху автомобіля зміст окислів азоту в газах, що відробили, максимальне. Система рециркуляції дозволяє знизити процентний вміст окислів азоту, перепускаючи частину газів, що відробили, з випускного колектора через клапан рециркуляції у впускну трубу. Гази, потрапляючи у впускну трубу, розбавляють новий заряд суміші, знижують концентрацію кисню в пальній суміші і відповідно температуру в камері згоряння. Зниження температури в камері згоряння значно зменшує зміст окислів азоту в газах, що відробили.

При частково відкритій дросельній заслінці і температурі охолодної рідини вище 40-48°С спрацьовує термовакуумний вмикач 1, і через нього зі змішувальної камери карбюратора від двох отворів керування по вакуумних трубках подається розрідження на клапан рециркуляції 3. Клапан відкривається і частина газів, що відробили, попадає у впускну трубу 5. Два отвори керування дозволяють підтримувати рівномірним розрідження, необхідне для роботи клапана у відкритому стані.

На холостих оборотах система рециркуляції не працює, тому що розрідження в малому дифузорі незначне і є недостатнім для відкриття клапана рециркуляції.