Тема1.Общиесведения о ДВС.
План
1. Понятияо сгораниитоплива,тепловойэнергиии механическойработеДВС.
2. Классификация ДВС.
3. Основныепараметры ДВС.
4. Историяразвития ДВС.
Содержание лекции
Понятия о сгораниитоплива, тепловойэнергии и механическойработе ДВС.
ДВС, двигатель внутреннего сгорания, это тепловаямашина, в которой тепловая энергия сгорающего топлива преобразуется в механическую работу.
В поршневом ДВС, сила давления газов, возникающая при сгорании топлива в рабочей камере, воздействует на поршень, который совершает возвратно-поступа-тельное движение в цилиндре двигателя и через шатун проворачивает коленчатый вал, создавая на нем крутящий момент. В этом и заключается механическая работа
Но это очень упрощенный взгляд на ДВС. На самом деле, в ДВС сосредоточены сложнейшие физические явления, осмыслению и изучению которых посвятили себя многие выдающиеся ученые. Чтобы ДВС работал, в его цилиндре, сменяя друг друга, происходят такие процессы, как движение воздуха, впрыск и распыление топлива, его испарение и смешивание с воздухом, воспламенение образовавшейся смеси, распространение пламени, удаление отработавших газов. На каждый процесс отводится несколько тысячных долей секунды. Добавьте к этому процессы, которые протекают в системах ДВС: теплообмен, течение газов и жидкостей, химические процессы нейтрализации отработавших газов, работа механизмов, механические и тепловые нагрузки, трение и изнашивание. Это далеко не полный перечень. И каждый из процессов должен быть организован наилучшим образом. Ведь из качества протекающих в ДВС процессов складывается качество двигателя в целом – его мощность, экономичность, шумность, токсичность, надежность, стоимость, вес и размеры.
Горением топлива называется процесс интенсивного химического соединения горючих составных частей топлива с кислородом, сопровождающийся выделением тепловой энергии
Для процесса сгорания требуются три элемента:
1. Воздух
2. Топливо
3. Зажигание (температура)
Эти три элемента иногда упоминаются как "триада сгорания". Если один элемент триады отсутствует, сгорание невозможно. Двигатель внутреннего сгорания рассчитывается на объединение этих трех элементов, поддерживая полный контроль над процессом.
Воздух состоит из атомов азота (N), кислорода (О) и других газов. Большую часть воздуха составляет азот, являющийся инертным, негорючим газом. Воздух не горит, но в нем содержится достаточное количество кислорода, что позволяет поддерживать сгорание.
Топливо. В качестве жидкого топлива для двигателя используют продукты переработки нефти – бензин и дизельное топливо, представляющие собой смеси различных углеводородов (СН). Могут применяться и другие виды топлива – сжатый и сжиженный газы; синтетические топлива, получаемые переработкой угля, сланцев, битуминозных песков; спирты; эфиры и др.
В топливо добавляются различные химикаты, типа ингибиторов коррозии, красителей и очищающих средств. Эти химикаты называются присадками.
Зажигание (температура)
В двигателе внутреннего сгорания воздух и топливо поступают в камеру сгорания, и затем генерируется искра зажигания, вызывающая сгорание. Перед зажиганием воздушно-топливной смеси двигатель нагревается и сжимает смесь. Нагревание помогает процессу смесеобразования, а сжатие увеличивает энергию, генерируемую при сгорании.
Процесс сгорания
В двигателе внутреннего сгорания сгорание происходит в течение доли секунды (приблизительно в течение 2 миллисекунд). В этот момент разрушаются связи между атомами водорода и углерода. Разрушение связей приводит к высвобождению энергии в камере сгорания, толканию поршня вниз и созданию вращения коленчатого вала.
После разделения атомов водорода и углерода они соединяются с атомами кислорода, содержащимися в воздухе. Атомы водорода объединяются с кислородом, образуя воду. Атомы углерода объединяются с кислородом, образуя двуокись углерода (углекислый газ).Другими словами, топливо + кислород = двуокись углерода и вода.
Для протекания химической реакции сгорания (окисления) необходима температура воспламенения, которая затем поддерживается самим горением (тепло выделяется при окислении топлива)
Абсолютно эффективный двигатель внутреннего сгорания на выпуске имел бы только двуокись углерода (СО2) и воду (Н2О). Говоря языком химии, полное сгорание в двигателе внутреннего сгорания примерно выражается формулой:
СН + О2 = СО2+Н2 О
В идеальном случае азот должен проходить камеру сгорания не взаимодействуя с кислородом. Но когда температура в камере сгорания достигает приблизительно 1371 °С атомы азота и кислорода связываются, образуя NОX
Химическая формула процесса сгорания, при котором образуются оксиды азота выглядит следующим образом:
СН + О2 + N2 = СО +Н2О + NОx
Таким образом, в процессе сгорания могут образовываться три нежелательных побочных продукта в отработавших газах:
1. Углеводороды (НС) несгоревшие (в виде паров топлива или сажи)
2. Одноокись углерода (СО)
3. Оксиды азота (NОX)
Соотношение "воздух/топливо" Инженеры-автомобилестроители определили, что токсичность выхлопа автомобиля можно уменьшить, если бензиновый двигатель работает с соотношением "воздух/топливо", равным 14.7:1. Это "стехиометрическое соотношение". Стехиометрическое соотношение означает химически правильную (нормальную) воздушно-топливную смесь, которая производит желаемую химическую реакцию, входе которой происходит полное сгорание топлива с низкой токсичностью выхлопа.
Обеднение смеси - это состояние, когда двигатель получает горючую смесь с меньшим содержанием топлива, чем в нормальной смеси. Причиной слишком низкого содержаниятоплива в смеси может неисправная система подачи топлива.
Обогащение смеси - это состояние, когда в двигателе не могутсгореть все молекулы топлива, которое вошло в камеры сгорания из-за недостатка кислорода. Состояние обогащения может возникать в результате высокого давления топлива, проблем с опережением зажигания или низкой компрессии.
Классификация ДВС.
Автомобильные двигатели классифицируются следующим образом(рис.1.1):
а) по виду применяемого топлива:
- бензиновые, дизельные,газовые, водородные,биотопливо;
б ) по способу смесеобразования:
- с внешним смесеобразованием -карбюраторные, газовые, с впрыском во впускную систему (моновпрыск, распределенный впрыск);
- с внутренним смесеобразованием – дизели;инжекторные (непосредственный впрыск)
в) по способу наполнения цилиндров:
– без наддува; - с наддувом;
г) по способу воспламенения горючей смеси:
- с принудительным воспламенением от электрической искры,
- с самовоспламенением от сжатия;
д) по способу реализации рабочего цикла:
- четырехтактные и двухтактные;
е) по числу цилиндров:
- одноцилиндровые и многоцилиндровые;
ж) по расположению цилиндров:
- однорядные (R),
- двухрядные (V – образные и оппозитные),
- трех-, четырехрядные(W–образные);
- звездообразные.
з) по способу охлаждения: с жидкостным и воздушным охлаждением;
Рис. 1.1.Классификация автомобильных тепловых двигателей.
Основные параметры двигателя
Рассмотрим основные параметры двигателя, связанные с его работой (рис. 2).
Верхняя мертвая точка (ВМТ) — крайнее верхнее положение поршня. В этой точке поршень наиболее удален от оси коленчатого вала.
Нижняя мертвая точка (НМТ) — крайнее нижнее положение поршня. Поршень наиболее приближен к оси коленчатого вала. В мертвых точках поршень меняет направление движения, и его скорость равна нулю.
Рис.2. Основные параметры двигателя
Ход поршня (S) — расстояние между мертвыми точками, проходимое поршнем в течение одного такта рабочего цикла двигателя. Каждому ходу поршня соответствует поворот коленчатого вала на угол 180° (пол-оборота).
Ход S поршня и диаметр D цилиндра определяют размеры двигателя. Если отношение S/D < 1, то двигатель является короткоходным. Большинство двигателей легковых автомобилей короткоходные
Рабочий объем цилиндра (Vk) — объем пространства, освобождаемый поршнем при его перемещении от ВМТ до НМТ.
Vh = π d2/4*S
Объем камеры сгорания (Vc) — объем пространства над поршнем, находящимся в ВМТ.
Полный объем цилиндра (Va) — объем пространства над поршнем, находящимся в НМТV а = Vh + Vс
Рабочий объем двигателя (литраж) — сумма рабочих объемов всех цилиндров двигателя, выраженная в литрах (см3).
Степень сжатия (S) — отношение полного объема цилиндра к объему камеры сгорания, т.е. S = Va/Vc
Степень сжатия показывает, во сколько раз сжимается смесь в цилиндре двигателя при ходе поршня из НМТ в ВМТ. При повышении степени сжатия увеличивается мощность двигателя и улучшается его экономичность. Однако повышение степени сжатия ограничено качеством применяемого топлива и увеличивает нагрузки на детали двигателя. Величина степени сжатия для различных двигателей различна. Степень сжатия для бензиновых двигателей современных легковых автомобилей составляет 8 — 10, а для дизелей 15 — 22. При таких степенях сжатия в бензиновых двигателях не происходит самовоспламенение смеси, а в дизелях, наоборот, самовоспламенение смеси обеспечивается.