Вимоги до двигунів внутрішнього згоряння дуже складні, часто вимагають суперечливих вимог розробників. Мехатроніка відіграє дуже важливу роль у цих напрямках розвитку. Розроблений тут матеріал знайомить читача з роботою двигунів внутрішнього згоряння, елементами та роботою систем, що ними керують. Він також робить акцент на представлення причин і наслідків. Звичайно, у зазначених рамках можна було зробити лише «короткий» резюме, але в кінці кожної глави були вказані ресурси, які можна використовувати для подальшого розширення знань.
7.1. Двигуни внутрішнього згоряння
Двигун внутрішнього згоряння - це машина, в якій хімічна енергія при згорянні перетворюється на тепло, яке газоподібним робочим середовищем перетворюється на механічну роботу. У процесі енергія виглядає насамперед потенційно у вигляді тиску.
У наш час поршневі двигуни мають майже монополію серед двигунів внутрішнього згоряння. Основні назви та позначення, що використовуються для них, наведені в 7.1. Малюнок.
Факторами, що принципово впливають на конструкцію двигунів, є робочий процес та конструкція. Визначення з точки зору робочого процесу:
принцип роботи двигуна
потрапляння свіжого заряду (повітря або суміші) в балон
характер палива
місце утворення суміші
конструкція камери згоряння
Що стосується конструкції:
розташування циліндрів
контроль процесу газообміну
Відповідно до принципу роботи ми розрізняємо чотиритактні (всмоктування, стиснення, розширення, вихлоп) і двотактні (всмоктування + стиснення, розширення + випуск) та інші системи, наприклад Цикл Аткінсона, Ванкель та ін. Чотиритактний двигун вимагає чотирьох тактів за весь робочий процес, тоді як двотактний двигун вимагає двох тактів. Свіжий заряд може потрапити в циліндровий простір всмоктуванням або наповненням. Якщо середовище тече безпосередньо із зовнішньої атмосфери в двигун, ми говоримо про всмоктуючий двигун. Якщо в робочий відсік циліндра двигуна надходить більше робочої рідини, ніж атмосферний стан, із збільшенням обсягу, що відповідає робочому обсягу поршня, двигун заряджається. Відцентровий компресор і газова турбіна на загальній шахті найчастіше використовуються для доставки середовища з більшою щільністю в циліндровий простір, і в цьому випадку мова йде про турбований двигун.
Двигуни внутрішнього згоряння можуть використовувати рідке та газоподібне паливо - можливо їх суміші. Найчастіше використовуються види палива - бензин, дизель та різні гази. З економічних та екологічних міркувань також використовуються відновлювані види палива та їх суміші із звичайними видами палива (ефіри рослинної олії, етанол, DME, біометан тощо).
Утворення повітряно-паливної суміші може відбуватися поза моторним відсіком (зовнішнє змішування) та всередині моторного відсіку (внутрішнє перемішування). Тоді як зовнішнє змішування характерне для звичайних бензинових і газових двигунів, дизельних двигунів і т.зв. для прямого впорскування бензинових двигунів використовується внутрішнє змішування.
Спалювання палива відбувається переважно в камері згоряння (компресійній камері) поблизу верхньої мертвої точки. Форма камери згоряння принципово впливає на інтенсивність і хід горіння. Камера згоряння може бути спільною для камери циліндра (нероздільна камера згоряння). У випадку неподільної камери згоряння вимоги до утворення суміші вищі.
Енергія, необхідна для займання паливно-повітряної суміші, може забезпечуватися зовнішньою енергією (наприклад, електричною іскрою). Це т. Зв. двигуни з іскровим запалюванням, яких після їх винахідника ще називають двигунами Отто. Якщо температура паливно-повітряної суміші під час стиснення підніметься вище температури займання, суміш самозаймається. Це двигуни із запаленням від стиску, які в народі називають дизельними двигунами.
За розташуванням циліндрів ми розрізняємо: стоячий, лежачий, підвісний, зірковий, W, “боксер”, V-двигуни тощо. Найпоширенішими є стаціонарні двигуни, або їх трохи похилий варіант - косі двигуни. Циліндри, як правило, розміщуються один за одним (рядні двигуни), але також можуть бути розташовані один навпроти одного (наприклад, 180-градусний V-двигун або боксерні двигуни).
Процес газообміну контролюється в основному клапанами, існує кілька типів, заснованих на конструкції. Що стосується розміщення, він може бути бічним (SV) або верхнім клапаном. Управління відкриттям клапана може бути контрольованим (OHV [3]) або надрегульованим. Останні можуть бути одним (OHC) або двома розподільними валами (DOHC). Час відкривання та закриття клапана може бути фіксованим або змінним, багато типів є загальними, наприклад VVT-i, VANOS, AVS, VTECH та ін. Управління гніздами (поршневе управління) в основному застосовувалось для двотактних двигунів (старшого типу).
Двигуни можуть охолоджуватися повітрям або водою. Повітряне охолодження характерне для двигунів менших розмірів, тоді як великі двигуни використовують лише воду для більш інтенсивного охолодження.
7.2. Схеми, втрати та ККД двигунів внутрішнього згоряння
Хімічна енергія палива, спаленого в моторному відсіку (Q введена теплова енергія), не може бути перетворена на ефективну роботу W e, яка може бути повністю використана на валу двигуна через втрати, що виникають. Введена теплова енергія:
Q b e = d t ⋅ H i
Де d t - доза (маса палива, що вводиться в процес, H i - теплотворна здатність.
W e = Q b e - V e s z t e s é g e k
Втрати двигуна поділяються на три основні групи:
Деякі втрати можна добре проілюструвати на p-v діаграмі двигунів. (Малюнок 7.2)
У теоретичному циклі стиснення є адіабатичним (див. Криві 1-2 на рисунку 7.2). Тепло можна подавати при постійному обсязі (2-3 секції) та/або при постійному тиску (3-4 секції). Його зазвичай називають циклом Отто, який наближається до введення тепла при постійному обсязі, і циклом Дизеля, який наближається до введення тепла при постійному тиску. Розширення є адіабатичним (криві 4-5). Для того, щоб повернутися до початкового стану 1 в циклі, тепло потрібно відводити у постійному обсязі (Розділ 5-1). Основними втратами двигуна є кількість тепла, що виділяється з робочого процесу ідеального двигуна (теоретичний робочий процес): Qel.
Основні втрати характеризуються тепловою ефективністю:
η t = Q b e - Q e l Q b e = W 0 Q b e
Q b e = Q b e 1 + Q b e 2
Теплова ефективність залежить головним чином від величини стиснення (ε = V L + V c V c) і лише меншою мірою від інших параметрів (надлишок повітря, κ, відношення теплової енергії, що вводиться при постійному обсязі та постійному тиску). Типова зміна в 7.3. На малюнку 1 показано.
Як описано у розділі 7.3. Можна бачити, що при менших значеннях стиснення можна досягти значного збільшення ефективності за рахунок збільшення стиснення. Ось чому для двигунів Отто, де значення ε становить приблизно. Вони варіюються від 6 до 12, прагнучи збільшити компресію. На противагу цьому для дизельних двигунів, де ε = 16-24, збільшення компресії більше не призводить до значного збільшення ефективності.
Перепад тиску в камері згоряння реального двигуна - його індикаторна схема - суттєво відрізняється від теоретичної схеми через внутрішні втрати двигуна.
7.3. Реальні робочі процеси та внутрішні втрати
Фактичний робочий процес відрізняється від теоретичних циклів через низку факторів. Ці фактори включають:
Втрати на заміну заряду
Стиснення та розширення не є адіабатичними
Кінцева швидкість горіння, передача тепла стінам під час горіння та недосконале горіння
7.3.1. Втрати на заміну заряду
Під час процесу заміни заряду свіжий заряд нагрівається, коли циліндр надходить і його тиск зменшується через втрати потоку (насамперед опір впускного колектора та клапанів). Впускні клапани відкриваються до кінця ходу вихлопу (верхня мертва точка) і повністю закриваються лише після нижньої мертвої точки. Випускний клапан відкривається до кінця розширення, і тиск середовища зменшується, але через втрати потоку його тиск залишається вище тиску навколишнього середовища. В результаті вищевикладеного, під час процесу зміни середовища необхідно провести роботу над носієм, тобто утворюється негативна робоча зона
Частина маси всмоктуваного повітря або повітряно-паливної суміші (м лев) залишає камеру згоряння через вихлопну систему як продувне повітря завдяки відкриттю клапана разом як продувне повітря (м ö). Таким чином, свіжа начинка:
Однак навіть під впливом продувочного повітря не можна виключати, що димові гази залишаються (м м) у камері згоряння, так що маса фактичного утвореного заряду (м т):
Оптимізуючи спільне відкриття клапана та умови потоку в камері згоряння, можна збільшити ступінь наповнення за рахунок всмоктуючого ефекту відпрацьованих димових газів. Оптимізація цього динамічного ефекту вирішується змінним регулюванням клапана.
Отриманий заряд характеризується ступенем заряду (λ т). Це відношення маси фактичного свіжого заряду, що надходить у циліндр, до маси теоретичного свіжого заряду.
λ t = m v a l ó s m e l m .
Теоретичний свіжий заряд:
m e l m = V l ρ 0
Вага заряду:
m v a l ó s = p h V l, H R T h = (p 0 - D p) V l, H R (T 0 + D T)
- теоретичний заряд полягає в заповненні балона навколишнім середовищем.
m 0 = p 0 V l, H R T 0
Таким чином, ступінь заряду:
λ t = m v a l ó s m e l m. = p h T 0 p 0 T h
Варіанти підвищення рівня заряду:
Зниження DP, наприклад:
використання декількох впускних клапанів
малий опір клапана
впускний колектор низький опір
Зменшення DT, наприклад
всмоктувальна труба не повинна знаходитися поблизу «гарячих» частин
Використання динамічного наповнення (наприклад, спільне відкриття клапана).
Швидкість має значний вплив на отриманий заряд і, отже, на ступінь заряду. На низьких швидкостях низькі витрати не дають належного потоку. Зі збільшенням швидкості цей ефект покращується, тому рівень заряду зростає. Однак із збільшенням швидкості втрати потоку та теплове навантаження двигуна зростають, так що заряд нагрівається і вище певної швидкості ступінь заряду знову погіршується. Це явище впливає на криву характеру двигунів.
7.3.2. Стиснення та розширення не є адіабатичними
На початку стиснення середня температура свіжого заряду нижча за температуру стінки, тому він поглинає тепло від стінок (рис. 7.6). Під час стиснення температура середовища зростає, в даному положенні середня температура стінки і середовища однакова, і виникає т.зв. адіабатична точка. Після цього температура середовища продовжує зростати, а напрямок теплопередачі змінюється, оскільки середовище віддає тепло в напрямку стін. Тепловіддача ще більше збільшується в процесі горіння, а потім зменшується під час розширення. Тепловіддачу в камері згоряння можна розділити на три типи:
Це головний елемент теплопередачі, який суттєво залежить від потоку та температурних умов. Відомо кілька методів обчислення та вимірювання.
Під час процесу горіння та на початку розширення тепло, що виділяється або поглинається у вузькому діапазоні довжин хвиль, що виділяються різними газами згоряння, розуміється як передача тепла газовим випромінюванням.
Безперервне спектральне випромінювання тепла від високотемпературних частинок, що утворюються в процесі горіння - освітлюючого полум'я - називається полум'яним випромінюванням.