Впуск рабочего тела (горючей смеси)

Бензин обладает высокой испаряемостью, поэтому легко образует горючую смесь с воздухом. Качество перемешивания бензина с воздухом очень высокое. Практически все молекулы бензина имеют возможность вступить в реакцию окисления кислородом воздуха, поэтому бензин в цилиндре расширительной машины теплового двигателя сгорает почти мгновенно.

J Устройство для { воспламенения { бензина (свеча) Рис. 10.10. Конструктивная схема бензинового двигателя

На рис. 10.10 представлена конструктивная схема бензинового двигате­ля[34]. Пусть поршень расширительной машины находится в ВМТ. Кривошип коленчатого вала в этом случае тоже будет находиться в верхнем поло­жении. Это положение кривошипа коленчатого вала выберем в качестве исходного для осуществления анализа работы расширительной машины. Такое положение кривошипа соответствует углу поворота, равному 0°. При положении поршня в ВМТ объем цилиндра расширительной машины ми­нимален (равен Vc). Минимальный объем цилиндра Vc называют объемом камеры сжатия (иногда, объемом камеры сгорания).

Рис. 10.11. Индикаторная диаграмма условного цикла четырехтактного бензи­нового двигателя

Давление среды под поршнем двигателя равно атмосферному давлению Ро, так как эта полость в современных поршневых двигателях соединяется с окружающей средой. Откроем впускной клапан (рис. 10.10). В этом случае давление рабочего тела (оставшихся отработавших газов) также равно атмосферному давлению р0. Так как давление среды снизу и сверху поршня одинаково, силы, приложенные к поршню сверху и снизу, также равны. Поршень расширительной машины не может перемещаться под действием рабочего тела.

Исследование рабочего процесса двигателя будем вести с применением свернутой (рис. 10.11) и развернутой (рис. 10.12) индикаторных диаграмм. На диаграммах отмечаются две вертикальные линии, соответствующие положению поршня в ВМТ и НМТ, и проводится горизонтальная линия Ро, соответствующая давлению окружающей среды, действующему на пор­шень снизу (строится в некотором масштабе). Это давление не изменяется, если не принимать во внимание его колебания по естественным условиям.

Если график процесса располагается выше линии р0, это означает, что на поршень сверху действует большая сила, чем снизу. Если линия процесса располагается ниже линии р0, то на поршень сверху действует меньшая сила, чем снизу. Сила снизу препятствует перемещению поршня. Положению поршня в ВМТ на индикаторной диаграмме (рис. 10.11, 10.12) соответствует точка г.

Если маховик вращается, то он обладает запасом кинетической энергии

Где I — осевой момент инерции маховика; ш — угловая скорость маховика.

| |1 Отвод энергии в —Т7~~ тепловой форме ~Т7~ с (выпуск и впуск) а

Этот запас механической энергии позволяет маховику вращать криво­шип. Пусть под действием маховика кривошип повернулся на угол 180° (рис. 10.13). Движение от кривошипа через шатун передается на поршень, в результате чего он переместится от ВМТ к НМТ. Объем цилиндра будет увеличиваться. Это должно вызвать понижение в нем давления рабочего тела (остаточных газов) относительно давления окружающей среды. В ци-

Р Pz

0 180 J-4— "J 7-й оборот кривошипа |—

360 540 720 ; ._____________ , ! ————— { 2-й оборот кривошипа]——- ►!

Угол поворота кривошипа, град

Н.

Рис. 10.12. Развернутая по углу поворота кривошипа индикаторная диаграмма цикла четырехтактного бензинового двигателя

Рис. 10.13. Диаграмма фаз газорас­пределения четырехтактного бензиново­го двигателя

Линдре возникает небольшое разрежение, т. е. давление рабочего тела над поршнем будет меньше давления среды, действующей на поршень снизу:

Др = р-ро_>-0, (10.59)

Где Ро — давление окружающей среды; р — давление рабочего тела в цилин­дре расширительной машины.

Зависимость (10.59) следует понимать следующим образом:

• давление рабочего тела в цилиндре меньше атмосферного (р <р0);

• разность давления рабочего тела и давления окружающей среды беско­нечно мала (р«р0)-

Из-за разрежения воздух из окружающей среды через открытый впуск­ной клапан перемещается внутрь цилиндра расширительной машины. На своем пути он проходит через специальное устройство (карбюратор), где
смешивается с парами бензина. Таким образом, в цилиндр поступает уже качественно приготовленная горючая смесь (смесь паров бензина с воздухом). Такой процесс наполнения цилиндра двигателя горючей смесью называют впуском. Впуск не является термодинамическим процессом, так как состояние рабочего тела в любой момент времени нельзя описать уравнением состояния идеального газа. Во время впуска происходит толь­ко изменение массы рабочего тела в цилиндре теплового двигателя. На индикаторной диаграмме (рис. 10.11) процесс впуска отмечен пунктирной линией R-а. Таким образом, повороту кривошипа на угол 0 —► 180° (рис. 10.13) на индикаторной диаграмме (рис. 10.11, 10.12) соответствует пунктирная линия R-а. Линия R-а расположена почти на линии р0, так как в процессе впуска р « pQ. В момент прихода поршня в НМТ (точка а; рис. 10.11, 10.12) впускной клапан закрывается. Дуга r-а (рис. 10.13) соответствует открытому положению впускного клапана расширительной машины. Открытое положение клапана, выраженное в градусах поворота кривошипа коленчатого вала, называют фазой.

В процессе впуска r-а (рис. 10.11, 10.12) поршень перемещается от ВМТ к НМТ. Движение поршня от одной мертвой точки к другой (не имеет значения, какая точка является исходной) называют тактом.

Понятие «такт» характеризует движение поршня между некоторыми крайними точками, в которых его скорость равна нулю. Понятие «процесс» характеризует изменение параметров состояния рабочего тела (но не порш­ня). Следовательно, линия R-а (рис. 10.11) лишь условно характеризует процесс наполнения цилиндра горючей смесью, который происходит в результате движения поршня от ВМТ к НМТ.

При перемещении поршня между мертвыми точками он проходит мак­симально возможное расстояние, называемое ходом поршня (обозначается S). На рис. 10.10 видно, что ход поршня равен

S = 2 Я, (10.60)

Где R — радиус кривошипа (расстояние от оси вращения коленчатого вала до оси шатунной шейки).

В теории ДВС тактам поршня приписывают наименование того процес­са, который осуществляется рабочим телом в цилиндре расширительной машины. При таком наименовании тактов становится понятным, какой процесс происходит в цилиндре теплового двигателя. Например, в процессе впуска рабочего тела R-а (рис. 10.11) поршень совершает такт впуска— поршень движется от ВМТ к НМТ, так как только в этом случае возможно наполнение цилиндра двигателя рабочим телом (горючей смесью).

За счет кинетической энергии маховика происходит дальнейшее вра­щение кривошипа. При повороте кривошипа коленчатого вала на угол 180° —► 360° (рис. 10.13) происходит движение поршня от НМТ к ВМТ при закрытых клапанах (рис. 10.10). В этом случае объем цилиндра (и рабочего тела) уменьшается. Происходит процесс сжатия а-с (рис. 10.11, 10.12), в результате которого к рабочему телу подводится энергия в механической форме И/сж. Посредством расширительной машины происходит преобра­зование энергии из механической формы в тепловую форму. Внутренняя энергия (и температура) рабочего тела увеличивается. Давление рабочего тела в процессе сжатия также увеличивается.

Известно[35], чем больше степень сжатия рабочего тела в расширительной машине, тем больше термический КПД цикла. Однако в бензиновых двигателях степень сжатия ограничивают некоторым верхним пределом, зависящим в первую очередь от свойств бензина. Это ограничение вызвано следующими обстоятельствами. При увеличении температуры горючей смеси при сжатии скорость молекул топлива и воздуха увеличивается. Внутренняя энергия рабочего тела (горючей смеси) определяется суммар­ной кинетической энергией его молекул. Температура тела является мерой средней скорости молекул. В процессе движения молекулы сталкиваются. Если кинетическая энергия молекул топлива и воздуха большая, то в ре­зультате столкновения происходит их разрушение. При таком разрушении атомы водорода и углерода, входящие в состав углеводородного топлива, могут соединиться с молекулами кислорода, входящего в состав воздуха. В результате этого самопроизвольно начинается реакция окисления топлива. Эта реакция может начаться одновременно по всему объему рабочего тела (происходит взрыв). В результате мгновенного окисления (сгорания) бензина мгновенно нарастает давление рабочего тела (смеси образующихся газов). Чем больше давление рабочего тела, тем больше усилие, приложен­ное к поршню. Таких ударных нагрузок поршень не может выдержать и разрушается. Взрывное сгорание бензина в цилиндре расширительной ма­шины называют детонацией. Для исключения взрывного эффекта рабочее тело в цилиндре расширительной машины сжимают до такого давления, при котором детонация бензина невозможна.

В процессе сжатия а-с (рис. 10.11, 10.12) поршень совершает такт сжатия (второй по счету). Если стенки поршня и цилиндра являют­ся тепловыми изоляторами, то сжатие рабочего тела будет происходить адиабатически. Параметры рабочего тела в точке с можно определить, используя зависимости, приведенные выше.

В точке с (рис. 10.11,10.12) с помощью специального устройства (свечи) инициируется процесс сгорания топлива. На центральный электрод свечи (рис. 10.10) подается высокое напряжение, в результате чего между ним и корпусом возникает искровой разряд. Прохождение разряда между элек­тродами свечи эквивалентно нагреванию горючей смеси (подводу к ней энергии в тепловой форме).

В 1888 г. шведский ученый Сванте Аррениус выдвинул гипотезу, что прежде чем вступить в реакцию, молекулы должны получить некоторое минимальное количество энергии, необходимой для перехода из одного химического состояния в другое. Существует некоторый энергетический барьер (рис. 10.14), преодолев который молекулы веществ могут вступить в химическую реакцию. Этот энергетический барьер между энергией моле­кулы в исходном состоянии и ее наибольшей энергией вдоль пути реакции был назван энергией активации Еа (рис. 10.15).

При сжатии внутренняя энергия рабочего тела (горючей смеси) уве­личилась. Между электродами свечи из-за электрического разряда темпе-

Активированный Комплекс

Ратура (и внутренняя энергия) рабочего тела еще больше увеличивается. Средняя скорость молекул рабочего тела, находящегося между электрода­ми свечи, резко увеличивается. Теоретически и экспериментально доказано, что с увеличением температуры распределение молекул газа по скоростям смещается в сторону высоких значений. Только при определенной скорости молекул (следовательно, только при определенной температуре) возможны такие их соударения, которые способны разрушить существующие меж­атомные связи и образовать новые.

Аррениус обратил внимание на тот факт, что возрастание скорости большинства химических реакций при повышении температуры проис­ходит не линейно. Он установил, что в большинстве случаев константа скорости реакции подчиняется уравнению

Где Еа — энергия активации; R — универсальная газовая постоянная; Т — абсолютная температура; А — константа (почти не зависящая от темпера­туры), называемая частотным фактором, так как связана с частотой моле­кулярных столкновений и вероятностью того, что столкновения происходят при ориентации молекул, благоприятной для реакции.

Из выражения (10.61) видно, что при увеличении энергии активации Еа константа скорости реакции к уменьшается. Следовательно, скорость реакции уменьшается при повышении ее энергетического барьера.

Энергия активации Еа — это та минимальная дополнительная энергия, которую необходимо сообщить молекулам при заданных температуре и дав­лении среды (рабочего тела в цилиндре двигателя), чтобы их столкновение привело к разрушению внутримолекулярных связей.

Величина энергии активации зависит от химической природы топлива и физических условий, при которых происходит сгорание. Если молекулы топлива непрочны, имеют свободные незамещенные связи и движутся с большими скоростями, то энергия активации обычно незначительна и реакции с участием таких молекул легко возникают и способны само­произвольно протекать даже в обычных условиях. В случае инертных
молекул требуются очень большие значения энергии активации, поэтому реакции с участием таких молекул путем непосредственного их соединения практически невозможны и могут осуществляться только в специальных условиях.

Значение энергии активации зависит также от исходного состояния реагирующих веществ (топлива и окислителя), прежде всего от темпера­туры и давления. Чем выше температура, тем больше средняя скорость молекул топлива и воздуха в цилиндре расширительной машины. Чем больше скорость молекул, тем больше их кинетическая энергия. При сжатии внутренняя (кинетическая) энергия горючей смеси увеличивается. В этом случае энергия активации уменьшается. При большом сжатии можно достичь такой температуры рабочего тела (горючей смеси), при которой энергия активации равна нулю (Еа = 0). В этом случае реак­ция окисления бензина может начаться самопроизвольно. Как правило, такая реакция окисления начинается по всему объему горючей смеси, что приводит к взрывному характеру. Возникает детонация, о которой говорилось выше. Чтобы этого не допустить, горючую смесь в цилиндре бензинового двигателя сжимают до состояния, недостаточного для возник­новения самопроизвольной реакции окисления, а недостающую энергию активации подводят к горючей смеси извне посредством электрическо­го разряда. В этом случае процесс сгорания топлива возникает между электродами свечи, и пламя последовательно распространяется по всему объему цилиндра расширительной машины двигателя. Топливо окисляется последовательно в узком слое, разделяющем несгоревшую часть топлива от сгоревшей части. Эту зону называют фронтом пламени. Фронт пламени распространяется подобно волнам на воде, образующимся при бросании камня. Перед фронтом пламени находится несгоревшая горючая смесь, за фронтом — продукты сгорания топлива.

Процесс сгорания бензина происходит настолько быстро, что объем рабочего тела при этом почти не изменяется. В процессе сгорания топлива резко увеличиваются давление и температура рабочего тела, а также происходит его химическое превращение. Можно утверждать, что процесс подвода тепловой энергии к рабочему телу в бензиновом двигателе про­исходит по изохоре C—Z (рис. 10.11 и 10.12). В точке Z процесс сгорания бензина завершается и начинается процесс расширения Z—B. Параметры рабочего тела в конце процесса сгорания можно определить по известному количеству выделившейся тепловой энергии Q\.

В идеальном случае процесс расширения может происходить адиаба­тически. Параметры рабочего тела в конце процесса расширения (точке Ь; рис. 10.11 и 10.12) можно определить, используя ранее приведенные зависимости. В процессе расширения рабочее тело отдает энергию И^асш окружающей среде через поршень. В цилиндре расширительной машины происходит преобразование энергии из тепловой формы (внутренней энер­гии) в механическую форму. В точке Ь (рис. 10.11 и 10.12) открывается выпускной клапан. Таким образом, в процессе расширения рабочего тела поршень (рис. 10.10) перемещается от ВМТ к НМТ, т. е. совершает такт расширения (третий по счету). Энергия Wpacni передается маховику. Часть этой энергии в количестве отводится дальше, а часть ее в количестве

И^сж будет в последующем затрачена на сжатие рабочего тела. В процессе расширения кривошип коленчатого вала поворачивается на угол 360° —► 540°. Вращаясь по инерции, маховик (рис. 10.10) продолжает вращать кривошип коленчатого вала двигателя, в результате чего происходит дви­жение поршня от НМТ к ВМТ (четвертый такт) при открытом выпускном клапане (процесс Ь~г на рис. 10.11 и 10.12) и выпуск отработавшего рабо­чего тела. В точке г рабочий цикл двигателя замыкается условно (через окружающую среду). После замыкания цикл повторяется аналогично.

В ходе цикла поршень совершает четыре такта, поэтому такой двигатель называют четырехтактным.

На рис. 10.13 показаны фазы (периоды) открытого состояния впускного и выпускного клапанов. Этот график называют диаграммой фаз газорас­пределения.