Анализ эффективности работы двигателя внутреннего сгорания

Температура начала кипения  бензина должна быть не ниже 30 °С, для того, чтобы в жаркое время года не образовывались "паровые" пробки в топливо проводах и фильтрах.

Стойкость бензина против детонации оценивается октановым  числом, которое присутствует в каждой марке бензина. Так, например, в марке  бензина АИ-92 буква А означает, что бензин предназначен для автомобилей, буква И — что октановое число данного бензина определяют по исследовательскому методу, а цифра 92 — октановое число. В марке А-76, где нет буквы И — октановое число 76 определено по моторному методу.

Чем выше октановое число, тем меньше склонность бензина к  детонации, поэтому для повышения  октанового числа к бензинам добавляют  антидетонатор — этиловую жидкость. Присутствие в бензине кислот и сернистых соединений вызывает коррозию металлов, поэтому содержание их строго ограничивается.

Вода и механические примеси в бензине не допускаются. Вода способствует коррозии топливных  баков и тары, а также ускоряет осмоление бензина.

Дизельные топлива.

Основными свойствами дизельного топлива являются температура самовоспламенения, температура застывания и вязкость.

Цетановое число — характеристика воспламеняемости дизельных топлив, определяющая период задержки воспламенения смеси (промежуток времени от впрыска топлива в цилиндр до начала его горения). Чем выше цетановое число, тем меньше задержка и тем более спокойно и плавно горит топливная смесь.

Температурой самовоспламенения  называется температура, до которой необходимо нагреть смесь дизельного топлива с воздухом, чтобы начался процесс ее горения. Эта температура равна примерно 300—350 °С. Самовоспламеняемость дизельного топлива определяют по цетановому числу. Чтобы определить цетановое число, дизельное топливо сравнивают с эталонными топливами, цетановое число которых заранее известно. Цетановое число находится в пределах 40—45 единиц.

Температура застывания дизельного топлива оказывает влияние на работу дизеля: чем она ниже, тем надежнее работает дизель, так как при застывании топливо превращается в желеобразную массу и подача его из топливных баков в цилиндры двигателя становится невозможной. Температура застывания дизельного топлива должна быть на 10—15°С ниже температуры окружающего воздуха в районе его эксплуатации.

Выпускают следующие марки  дизельного топлива: Л — летнее, 3 — зимнее, А — арктическое.

Газовое топливо, используемое в газобаллонных автомобилях, может  быть как естественного, так и  искусственного происхождения и  применяться в сжатом или сжиженном  виде. К сжатым газам относят природный  газ (метан) и промышленные газы. Сжиженными называют такие газы, которые переходят  из газообразного в жидкое состояние  при нормальной температуре и  давлении до 1,6 МПа. К ним относят  углеводороды, получаемые при переработке  нефти.

Газ как топливо имеет  ряд преимуществ: обеспечивает лучшее смесеобразование, позволяет использовать бедные горючие смеси. К недостаткам  газового топлива относят меньшую  теплоту сгорания горючей смеси. В результате этого мощность двигателя  уменьшается на 7...20%.

К физико-химическим характеристикам  топлива относят:

- испаряемость – способность  переходить в парообразное состояние,  характеризуется фракционным составом;

- вязкость влияет на  процессы распыливания и топливоподачи;

- детонационная стойкость  влияет на нормальное распределение  пламени при сгорании. Работа  двигателя на детонационном режиме  недопустима вследствие перегрева  двигателя, падения мощности, прогорания  поршней, клапанов. Детонационная  стойкость бензина характеризуется  октановым числом, т.е. процентным  по объему содержанием изооктана  в такой смеси с нормальным  гептаном, которая по детонационной  стойкости равноценна данному  топливу. Так, если исследуемое  топливо детонирует так же, как  смесь, содержащая 70% изооктана и  30% нормального гептана, то октановое  число такого топлива = 70;

- склонность к воспламенению.  Воспламеняемость дизельных топлив  зависит от группового химического  состава;

- примеси. Топливо не  должно содержать механические  примеси, воду, корродирующие вещества;

- температуру кристаллизации.

Одной из наиболее важных технических  характеристик топлива является теплота сгорания.

Теплотой сгорания называют количество тепла, которое выделяется при полном сгорании 1 нм³ газообразного топлива. Различают высшую и низшую теплоту сгорания топлива.

Высшая теплота сгорания определяется по формуле Менлелеева

Q_s^af=81С + 300Н − 26(О-S),

где С, Н, О, S — массовая доля элементов в веществе ТГИ, %

Низшая теплота сгорания определяется по формулам (кДж/кг или ккал/кг):

(для твердого вещества)

или

(для жидкого вещества), где:

 

• 2514 — теплота парообразования  при температуре 0 °C и атмосферном  давлении, кДж/кг;

• H^P и W^P — содержание водорода и водяных паров в рабочем топливе, %;

• 9 — коэффициент, показывающий, что  при сгорании 1 кг водорода в соединении с кислородом образуется 9 кг воды.

Соотношение между теплотой сгорания высшей и низшей в кДж/кг

Для удобства расчетов и  сравнения теплоты сгорания различных  видов топлива пользуются понятием условное топливо. Теплота сгорания условного топлива составляет 29,3 МДж/кг (7000 ккал/кг).

Для пересчета расходов натурального топлива на условное служит тепловой эквивалент топлива

,

где В_у и В_р — расходы соответственно условного и рабочего (натурального) топлива; Э — тепловой эквивалент топлива,

,

Или

Газообразное топливо  представляет собой смесь различных  газов. Природные газы содержат от 80 до 98% метана. Попутные газы, выходящие  на поверхность из нефтяных скважин  одновременно с добываемой нефтью, состоят из метана (40—60%) и тяжелых  углеводородов (этана, пропана, бутана). Теплота сгорания природного газа , попутного .

Из искусственных газов  наибольшее распространение получили генераторный газ  , коксовой с и доменный с .

 

2.4 Двух и четырёхтактные двигатели

Принцип работы четырехтактного двигателя

 

Как уже следует из самого названия, рабочий цикл четырехтактного  двигателя основывается на четырех  этапах – тактах.

Первым из этих этапов является впуск. Он характеризуется тем, что  в течение этого такта происходит опускание поршня из верхней мертвой  точки (ВМТ²)в нижнюю мертвую точку (НМТ³).

Впуск происходит за счет того, что кулачки распределительного вала открывают впускной клапан, через  который в цилиндр засасывается свежая порция воздушно-топливной смеси (рис. 8). Вторым тактом является сжатие. На этом этапе поршень, наоборот, проходит путь из НМТ в ВМТ; при этом рабочая смесь, полученная на первом этапе, сжимается. В этот момент происходит резкое повышение температуры рабочей жидкости. Главнейшим параметром на данном этапе является степень сжатия. Важность его определяется тем, что, чем выше степень сжатия, тем выше экономичность двигателя.

 
Рис. 8. Принцип работы четырехтактного двигателя

Стоит однако подчеркнуть, что для двигателя с большой степенью сжатия требуется топливо с большим октановым числом, а оно всегда стоит дороже.

На третьем этапе во время рабочего хода поршня происходит сгорание топлива и расширение рабочей смеси.

Под степенью сжатия понимается отношение рабочего объема двигателя  в НМТ к объему камеры сгорания в ВМТ.

С помощью искры от свечи  зажигания поджигается топливовоздушная смесь, причем это происходит незадолго  до конца цикла сжатия. В процессе прохождения поршня из ВМТ в НМТ  топливо сгорает. Под воздействием тепла, выработанного при сгорании топлива, рабочая смесь расширяется  и толкает поршень. Здесь одним  из важнейших параметров является угол опережения зажигания, под которым  понимается степень недоворота коленчатого вала до ВМТ в момент поджигания смеси. Дело в том, что давление газов должно достигнуть максимальной величины именно в тот момент, когда поршень находится в ВМТ, для чего и необходимо опережение зажигания.

Для регулировки угла опережения в современных двигателях используется электроника, в то время как в  старых образцах это происходит с  помощью механики.

Выпуск – четвертый  такт. Работа на данном этапе происходит следующим образом: после выхода рабочего цикла из НМТ открывается  выпускной клапан, в этот момент движущийся вверх поршень выталкивает отработанные газы из цилиндра двигателя. При достижении поршнем ВМТ выпускной клапан закрывается и цикл повторяется снова.

К преимуществам четырехтактного  двигателя можно отнести следующие  характеристики: большой ресурс, большая (по сравнению с другими двигателями) экономичность, более чистый выхлоп, меньший шум, к тому же не требуется  выхлопная система.

Принцип работы двухтактного двигателя

В отличие от четырехтактного  двигателя рабочий цикл двухтактного происходит в течение одного оборота  коленчатого вала.

Из четырех тактов предыдущего  двигателя в данном случае присутствуют только два – сжатие и расширение. Два других цикла – впуск и  выпуск – заменены в таком двигателе  процессом продувки цилиндра вблизи НМТ поршня. В этот момент свежая струя рабочей смеси вытесняет  отработанные газы из цилиндра.

В то время когда поршень  двигается вверх, происходит сжатие рабочей смеси в цилиндре. Одновременно с этим поршень, движущийся вверх, создает  разрежение в кривошипной камере (рис. 9).

Рис. 9. Двухтактный двигатель: 1 – выпускной клапан; 2 – форсунка; 3 – продувочный насос; 4 – продувочные (впускные) окна

      Неотъемлемое преимущество двухтактного двигателя перед четырехтактным заключается в его компактных габаритах из-за отсутствия громоздкой системы клапанов и распределительного вала. К преимуществам двухтактного двигателя можно также отнести отсутствие громоздких систем смазки и газораспределения, большую мощность в пересчете на 1 л рабочего объема, простоту и дешевизну изготовления.

Четырехтактный  дизельный двигатель

На первом этапе (такт впуска, когда поршень идет вниз) в цилиндр  через открытый впускной клапан втягивается  свежая порция воздуха.

На втором этапе (такт сжатия, когда поршень идет вверх), в то время как впускной и выпускной  клапаны закрыты, воздух сжимается  в объеме примерно в 17 раз (от соотношения 14 : 1 до 24 : 1) по сравнению с общим объемом цилиндра, а воздух становится очень горячим.

 
Рис 10. Четырехтактный дизельный двигатель

 

Непосредственно перед  началом третьего такта (такт рабочего хода, когда поршень идет вниз) топливо  впрыскивается в камеру сгорания через распылитель форсунки. Оно  в момент впрыска распыляется  на мелкие частицы, которые равномерно перемешиваются со сжатым воздухом для  создания самовоспламеняемой смеси. Когда поршень начинает свое движение в такте рабочего хода, энергия при сгорании высвобождается. Впрыск продолжается, что вызывает поддержание постоянного давления сгораемого топлива на поршень.

В начале четвертого этапа (такт выпуска, когда поршень идет вверх), выпускной клапан открывается и выхлопные газы проходят через него (рис. 10).

Двухтактный дизельный двигатель.

 

Принцип работы двухтактного дизельного двигателя следующий. Поршень  расположен в нижней мертвой точке (НМТ), и цилиндр в этот момент наполнен воздухом. Воздух сжимается  во время хода поршня вверх; вблизи верхней мертвой точки (ВМТ) происходит впрыск топлива, которое самовоспламеняется.

Затем происходит рабочий  ход: продукты сгорания, расширяясь, передают энергию поршню, который движется вниз. Вблизи нижней мертвой точки  происходит продувка – продукты сгорания замещаются свежим воздухом. На этом цикл завершается.

Для осуществления продувки в нижней части цилиндра устраиваются продувочные окна. Они оказываются  открытыми в то время, когда поршень  находится внизу. Соответственно, когда  поршень поднимается, он перекрывает  окна.

Поскольку при двухтактном  цикле рабочие ходы происходят вдвое  чаще, то можно ожидать существенного  повышения мощности по сравнению  с четырехтактным циклом.

 

Глава 3. Параметры характеризующие поршневые двигатели.

3.1.Индикаторная диаграмма.

 

Индикаторная диаграмма — для различных поршневых механизмов графическая зависимость давления в цилиндре от хода поршня (или в зависимости от объёма, занимаемого газом или жидкостью в цилиндре). Индикаторные диаграммы строятся при исследовании работы поршневых насосов, двигателей внутреннего сгорания, паровых машин и других механизмов.

Индикаторная диаграмма представляет собой замкнутую линию. По оси  абсцисс откладывают величину хода поршня (или объём рабочей среды), а по оси ординат — давление.

По форме индикаторных диаграмм можно судить об исправности механизма, и при отклонении от нормальной формы  диаграммы можно определять - в  чём именно заключается неисправность. Иными словами, индикаторные диаграммы  используют в технической диагностике поршневых механизмов.(рис. 11)