Теоретические циклы двс. Индикаторные диаграммы циклов V-const
Теоретический цикл отличается от действительного тем, что в нем отсутствуют потери теплоты, за исключением отдачи теплоты холодному источнику по второму закону термодинамики. Теоретический цикл осуществляется при соблюдении следующих условий: - цикл является замкнутым (обратимым) и протекает с постоянным количеством одного и того же рабочего тела, в качестве которого принимают идеальный газ; -процесс сгорания топлива в цилиндре заменен мгновенным подводом теплоты от постороннего горячего источника, а процесс выпуска отработавших газов — мгновенным отводом теплоты в холодный источник; -процессы сжатия и расширения являются адиабатными: протекающими без теплообмена с внешней средой; -теплоемкость рабочего тела на протяжении всего цикла принимается постоянной для любой температуры.
Для анализа поршневых ДВС используют два основных теоретических цикла:
-Цикл с подводом теплоты при постоянном объеме — теоретический для карбюраторных и газовых двигателей.
-Смешанный цикл с подводом части теплоты при постоянном объеме и части теплоты при постоянном давлении — теоретический для бескомпрессорных дизелей.
Отвод теплоты у этих циклов осуществляется при постоянном объеме.
Цикл со смешанным подводом теплоты.
В цилиндре идеализированного двигателя имеется рабочее тело с начальными параметрами ра, Та. При перемещении поршня от НМТ до ВМТ происходит адиабатное сжатие рабочего тела по кривой а—с. На участке с - z' к рабочему телу от горячего источника подводится теплота Q при постоянном объеме, на участке z'- z — теплота Q" при постоянном давлении. Затем происходит адиабатное расширение газа с совершением механической работы (кривая z-b) и отвод теплоты Q2 к холодному источнику при постоянном объеме (линия b - а).
Цикл с подводом теплоты при постоянном объемеявляется частным случаем цикла, рассмотренного выше.
Цикл Отто ( v=const) Цикл Дизеля ( p=const )
Цикл Тринклера ( со смешанным сгоранием).
1-2 В р бочем цилиндре воздух адиабатически сжимается за счет инерции маховика , сидящего на валу двигателя, нагреваясь при этом до температуры,обеспечивающей воспламенение жидкого топлива. 2-5 Сгорание части топлива в небольшом объеме форкамеры(v=const). 5-3 Догорание оставшегося топлива врабочем цилиндре(p=const). 3-4 Адиабатическое расширение продуктов сгорания. 4-1 Удаление отработавших газов.
Жидкое топливо, введенное в форкамеру при сравнительно невысоком давлении, распыляется струей сжатого воздуха, поступающего из основного цилиндра. Вместе с тем цикл со смешанным сгоранием частично сохраняет преимущества цикла Дизеля перед циклом Отто – часть процесса сгорания осуществляется при постоянном давлении.
Нарушение нормального сгорания в Двс с искровым зажиганием
Основные нарушения нормального сгорания в двигателях с искровым зажиганием.
Детонация. Внешне детонация проявляется в возникновении при работе двигателя на больших нагрузках звонких металлических стуков, являющихся результатом многократных периодических отражений от стенок камеры сгорания образующихся в газах ударных волн. При этом в конце сгорания регистрируются вибрации давления в виде ряда постепенно затухающих острых пиков, наблюдаемых на индикаторных диаграммах (рис. 60). Частота этих вибраций давления равна основной частоте слышимых стуков. Она зависит от скоростей распространения ударных волн и проходимого пути между последовательными отражениями от стенок, определяемого размерами цилиндра (в основном его диаметром). При слабой детонации стуки возникают не в каждом рабочем цикле, амплитуда вибраций давления невелика, составляет всего несколько процентов rмах , и средние скорости распространения ударных волн в продуктах сгорания колеблются в пределах 1000 –1200 м/с. При диаметре цилиндра 100 мм частота вибраций равна примерно 5000 Гц. При интенсивной детонации сильные стуки с несколько большей частотой возникают в каждом цикле, при этом мощность двигателя падает и появляется черный дым в отработавших газах. Длительная работа двигателя в детонацией совершенно недопустима, так как при наличии ударных волн резко возрастает теплоотдача от сгоревших газов в стенки, что может приводить к перегреву двигателя и к разрушению отдельных деталей в камерах сгорания (обгоранию кромок поршней, прокладок между цилиндрами и головкой блока, электродов свечей). Вибрационный характер нагрузки на поршень при наличии детонации может вызывать разрушение антифрикционного слоя в шатунных подшипниках. Усиливается также износ верхней части гильз цилиндров, так как ударные волны разрушают масляную пленку, покрывающую поверхность металла, в результате чего возникает сухое трение и одновременно усиливается коррозионный износ под воздействием содержащихся в продуктах сгорания активных веществ, в частности окислов азота.
Детонация вызывается самовоспламенением последней части рабочего заряда, до которой фронт пламени от свечи доходит в последнюю очередь. Последние порции несгоревшей смеси сжимаются до давления r1 и, если это сжатие будет адиабатическим, то их температура может достигать значения Т1а = Та (r1/rа)h – 1/ к , намного превышающего температуру самовоспламенения даже самых высокооктановых топлив. Так, например, при Та = 340°К, rа = 0,085 МПа, r1 = 4 МПа и среднем значении показателя адиабаты несгоревшей смеси К = 1,34 ее температура достигает 900°К. Возникновению детонации способствуют все факторы, увеличивающие скорость развития предпламенной реакции в последней части заряда, а именно: а) высокая реакционная способность топлива, тем большая, чем ниже октановое число; б) повышение степени сжатия, вызывающее увеличение давления и температуры последней части заряда. Примерная среднестатистическая зависимость между допускаемыми значениями e , при которых появляется слышимая детонация, и октановыми числами бензина показана на рис. 61; в) увеличение угла опережения зажигания, при котором максимальное давление r1 достигается при положении поршня ближе к ВМТ и соответственно возрастают значения давления и температуры (см. рис. 91); г) состав смеси (a » 0,9), соответствующий наиболее высоким скоростям развития предпламенных реакций в нагретой сжатием смеси; д) плохие условия охлаждения последних частей заряда и неудачная конструкция камеры сгорания, способствующая замедленному их догоранию. Возникновению детонации препятствуют факторы, ускоряющие сгорание последней части заряда во фронте пламени или каким – либо другим путем затрудняющие возникновение в ней взрывного самовоспламенения. К таким факторам относятся: а) усиленная турбулизация рабочего заряда; б) уменьшение пути, проходимого фронтом пламени от свечи до наиболее удаленных точек камеры сгорания; в) наличие в зоне последней части заряда вытеснителей, способствующих лучшему ее охлаждению и затрудняющих возникновение достаточно больших очагов взрывного самовоспламенения, способных вызвать образование ударных волн.
Влияние на детонацию частоты вращения коленчатого вала зависит от свойств используемых бензинов. В случае парафиновых и нафтеновых углеводородов, характеризующихся двух стадийным воспламенением и обладающих низкой температурной чувствительностью, склонность двигателя к детонации монотонно снижается с увеличением частоты вращения. Но в случае современных высокооктановых автомобильных бензинов, отличающихся большим содержанием ароматических углеводородов и соответственно обладающих высокой температурной чувствительностью, склонность двигателей к детонации практически не зависит от частоты вращения (рис. 62). Склонность двигателей к детонации при одинаковой частоте вращения и тех же общих длительностях сгорания значительно слабее при меньших размерах цилиндров. Это объясняется меньшими объемами остающихся порций несгоревшей смеси, в которых не так вероятно возникновение самовоспламенения взрывного типа. Преждевременное воспламенение. Сильно нагретые детали в камере сгорания двигателя (центральные электроды и изоляторы свечей, тарелки выпускных клапанов), если их температура превышает некоторые пределы (700 - 800°С), могут вызвать преждевременное воспламенение рабочего заряда или так называемое калильное зажигание до момента подачи искры. Источником преждевременного воспламенения могут также служить крупные раскаленные (тлеющие) частицы нагара. От накаленных поверхностей распространяется фронт пламени, вполне аналогичный фронту пламени от искры свечи, но момент воспламенения оказывается при этом неуправляемым.
Если калильное зажигание возникает достаточно рано в такте сжатия, то мощность двигателя уменьшается в следствии дополнительной затраты работы на сжатие уже сгоревших газов и увеличения теплоотдачи. Индикаторные диаграммы при этом имеют вид
Преждевременное воспламенение представляет собой наиболее опасный вид нарушения сгорания в двигателях с искровым зажиганием. Оно вызывает очень резкое повышение теплоотдачи в стенки вследствие повышения давления и температуры, так как уже успевшие сгореть газы дополнительно сжимаются поршнем и время контакта горячих газов со стенками сильно увеличивается. Это приводит к быстрому само усилению калильного зажигания, т.е. оно возникает все раньше и раньше в такте сжатия, в результате чего могут прогореть (расплавиться) поршни. Опасность преждевременного воспламенения усугубляется тем, что внешне оно обычно проявляется лишь в виде глухих стуков, которые не всегда удается обнаружить на фоне общего шума при работе на больших нагрузках двигателя.