Ve válci motoru se s určitou periodicitou provádějí termodynamické cykly, které jsou doprovázeny plynulou změnou termodynamických parametrů pracovní tekutiny - tlaku, objemu, teploty. Energie spalování paliva se změnou objemu se přeměňuje na mechanickou práci. Podmínkou pro přeměnu tepla na mechanickou práci je sled cyklů. Tyto cykly ve spalovacím motoru zahrnují sání (plnění) válců hořlavou směsí nebo vzduchem, kompresi, spalování, expanzi a výfuk. Proměnný objem je objem válce, který se zvětšuje (zmenšuje) při pohybu pístu dopředu. Ke zvýšení objemu dochází v důsledku expanze produktů během spalování hořlavé směsi, snížení - v důsledku stlačení nové náplně hořlavé směsi nebo vzduchu. Síly tlaku plynu na stěny válce a na píst při expanzním zdvihu se přeměňují na mechanickou práci.
Energie nahromaděná v palivu se při provádění termodynamických cyklů přeměňuje na tepelnou energii, přenáší se na stěny válců tepelným a světelným zářením, sáláním a ze stěn válců - do chladicí kapaliny a hmoty motoru vedením tepla a do okolního prostoru z povrchy motoru volné a nucené
proudění. V motoru jsou přítomny všechny druhy přenosu tepla, což ukazuje na složitost probíhajících procesů.
Využití tepla v motoru se vyznačuje účinností, čím méně spalného tepla paliva je odevzdáno chladicí soustavě a hmotě motoru, tím více práce je vykonáno a tím vyšší je účinnost.
Pracovní cyklus motoru se provádí ve dvou nebo čtyřech cyklech. Hlavními procesy každého pracovního cyklu jsou sací, kompresní, zdvihový a výfukový zdvih. Zavedení kompresního zdvihu do pracovního procesu motorů umožnilo minimalizovat chladicí plochu a současně zvýšit spalovací tlak paliva. Produkty hoření expandují podle stlačení hořlavé směsi. Tento proces umožňuje snížit tepelné ztráty ve stěnách válců a s výfukovými plyny, zvýšit tlak plynu na píst, což výrazně zvyšuje výkon a ekonomický výkon motoru.
Reálné tepelné procesy v motoru se výrazně liší od teoretických vycházejících ze zákonů termodynamiky. Teoretický termodynamický cyklus je uzavřen a nezbytnou podmínkou pro jeho realizaci je přenos tepla do chladného tělesa. V souladu s druhým termodynamickým zákonem a v teoretickém tepelném motoru je nemožné zcela přeměnit tepelnou energii na mechanickou energii. U vznětových motorů, jejichž válce jsou naplněny čerstvou vzduchovou náplní a mají vysoké kompresní poměry, je teplota hořlavé směsi na konci sacího zdvihu 310... .400 K . Tepelnou bilanci hořlavé směsi během sacího zdvihu lze znázornit jako
kde?) p t - množství tepla pracovní tekutiny na začátku sacího zdvihu; Os.ts - množství tepla, které vstoupilo do pracovní tekutiny v kontaktu s vyhřívanými povrchy sacího traktu a válce; Qo g - množství tepla ve zbytkových plynech.
Z rovnice tepelné bilance lze určit teplotu na konci sacího zdvihu. Vezmeme hmotnostní hodnotu množství čerstvé vsázky t se z, zbytkové plyny - t o g Se známou tepelnou kapacitou čerstvé náplně s R, zbytkové plyny s"r a pracovní směs s p rovnice (2.34) je znázorněna jako
Kde T s h - teplota čerstvého nabití před odběrem; A T sz- ohřev čerstvé náplně, když vstupuje do válce; T g je teplota zbytkových plynů na konci výstupu. To lze s dostatečnou přesností předpokládat s"r = s p A s "r - s, s p, kde s; - korekční faktor v závislosti na T sz a složení směsi. S a = 1,8 a motorovou naftou
Při řešení rovnice (2.35) s ohledem na T a označují vztah 
Vzorec pro stanovení teploty ve válci na vstupu je
Tento vzorec platí pro čtyřdobé i dvoudobé motory, u přeplňovaných motorů se teplota na konci sání vypočítá podle vzorce (2.36), pokud q = 1. Přijatá podmínka nezavádí do výpočtu velké chyby. Hodnoty parametrů na konci sacího zdvihu, stanovené experimentálně v nominálním režimu, jsou uvedeny v tabulce. 2.2.
Tabulka 2.2
|
Čtyřdobé spalovací motory |
Dvoudobé spalovací motory |
||
|
Index |
s jiskrovým zapalováním |
s přímým schématem výměny plynu |
|
|
Koeficient zbytkového plynu y |
|||
|
Teplota výfukových plynů na konci výfuku G p K |
|||
|
Ohřev čerstvé náplně, K |
|||
|
Teplota pracovní kapaliny na konci vstupu T a, NA |
|||
Během sacího zdvihu se sací ventil u vznětového motoru otevře o 20...30° předtím, než píst dosáhne TDC a uzavře se po průchodu BDC o 40...60°. Doba otevření sacího ventilu je 240...290°. Teplota ve válci na konci předchozího zdvihu - výfuk je rovna T g\u003d 600 ... 900 K. Náplň vzduchu, která má teplotu mnohem nižší, se mísí se zbytkovými plyny ve válci, což snižuje teplotu ve válci na konci sání na Ta = 310 ... 350 K. Rozdíl teplot ve válci mezi výfukovým a sacím zdvihem je AT a. g \u003d Ta - T g. Protože T a AT a. t = 290...550°.
Rychlost změny teploty ve válci za jednotku času na cyklus je:
U vznětového motoru rychlost změny teploty během sacího zdvihu při p e\u003d 2400 min -1 a fa \u003d 260 ° je tak d \u003d (2,9 ... 3,9) 10 4 stupňů / s. Teplota na konci sacího zdvihu ve válci je tedy dána hmotností a teplotou zbytkových plynů po výfukovém zdvihu a ohřevem čerstvé náplně od částí motoru. Grafy funkce co rt \u003d / (D e) sacího zdvihu pro vznětové a benzínové motory uvedené na obr. 2.13 a 2.14 ukazují na výrazně vyšší rychlost změny teploty ve válci benzinového motoru oproti motoru vznětovému a následně i větší intenzitu tepelného toku z pracovní kapaliny a jeho růst s rostoucími otáčkami klikového hřídele. Průměrná vypočtená hodnota rychlosti změny teploty při sacím zdvihu nafty v rámci otáček klikového hřídele 1500 ... 2500 min -1 je = 2,3 10 4 ± 0,18 stupňů/s, a pro benzín
motoru v rozsahu otáček 2000...6000 min -1 - co i = = 4,38 10 4 ± 0,16 deg/s. Během sacího zdvihu je teplota pracovní kapaliny přibližně stejná jako provozní teplota chladicí kapaliny,
Rýže. 2.13.
Rýže. 2.14.
teplo stěn válců se spotřebuje na ohřev pracovní tekutiny a významně neovlivňuje teplotu chladicí kapaliny chladicího systému.
Na kompresní zdvih uvnitř válce probíhají poměrně složité procesy přenosu tepla. Na začátku kompresního zdvihu je teplota náplně hořlavé směsi nižší než teplota povrchů stěn válce a vsázka se zahřívá a nadále odebírá teplo ze stěn válce. Mechanická práce stlačení je doprovázena absorpcí tepla z vnějšího prostředí. V určitém (nekonečně malém) časovém úseku se vyrovnají teploty povrchu válce a náplně směsi, v důsledku čehož se výměna tepla mezi nimi zastaví. Při dalším stlačování překročí teplota náplně hořlavé směsi teplotu povrchů stěn válce a tepelný tok změní směr, tzn. teplo se přenáší na stěny válce. Celkový přenos tepla z vsázky hořlavé směsi je nevýznamný, činí cca 1,0 ... 1,5 % množství tepla dodaného s palivem.
Teplota pracovní tekutiny na konci sání a její teplota na konci komprese jsou vzájemně propojeny rovnicí kompresního polytropu:
kde 8 - kompresní poměr; p l - polytropní index.
Teplota na konci kompresního zdvihu se zpravidla vypočítává z průměrné konstantní hodnoty polytropního indexu pro celý proces sch. V konkrétním případě se polytropní index vypočítá z tepelné bilance v procesu lisování ve formě
Kde a s A A" - vnitřní energie 1 kmol čerstvého náboje; a a A A" - vnitřní energie 1 kmol zbytkových plynů.
Společné řešení rovnic (2.37) a (2.39) pro známou teplotu T a umožňuje určit polytropický index sch. Index polytropie je ovlivněn intenzitou chlazení válce. Při nízkých teplotách chladicí kapaliny je povrchová teplota válce nižší, a proto p l bude méně.
Hodnoty parametrů konce kompresního zdvihu jsou uvedeny v tabulce. 2.3.
Stůl23
Při kompresním zdvihu jsou sací a výfukové ventily uzavřeny a píst se pohybuje do TDC. Doba kompresního zdvihu u vznětových motorů při otáčkách 1500 ... 2400 min -1 je 1,49 1SG 2 ... 9,31 KG 3 s, což odpovídá natočení klikového hřídele pod úhlem φ (. = 134 ° , pro benzínové motory při rychlosti 2400 ... 5600 min -1 a cp g \u003d 116 ° - (3,45 ... 8,06) 1 (G 4 s. Rozdíl teplot pracovní tekutiny ve válci mezi kompresí a sací zdvihy AT s _ a = T s - T a u dieselových motorů je to v rozmezí 390 ... 550 ° C, u benzínových motorů - 280 ... 370 ° C.
Rychlost změny teploty ve válci na kompresní zdvih je:
a u dieselových motorů při otáčkách 1500...2500 min -1 rychlost změny teploty je (3,3...5,5) 10 4 deg/s, u benzínových při otáčkách 2000...6000 min -1 - ( 3,2...9,5) x x 10 4 stupňů/s. Tepelný tok během kompresního zdvihu směřuje z pracovní tekutiny ve válci ke stěnám a do chladicí kapaliny. Grafy funkce co = f(n e) pro dieselové a benzínové motory jsou uvedeny na obr. 2.13 a 2.14. Z nich vyplývá, že rychlost změny teploty pracovní kapaliny je u dieselových motorů vyšší než u benzínových motorů při jedné rychlosti.
Procesy přenosu tepla během kompresního zdvihu jsou určeny teplotním rozdílem mezi povrchem válce a náplní hořlavé směsi, relativně malým povrchem válce na konci zdvihu, hmotností hořlavé směsi a omezeným krátký časový úsek, během kterého se teplo přenáší z hořlavé směsi na povrch válce. Předpokládá se, že kompresní zdvih významně neovlivňuje teplotní režim chladicího systému.
Prodlužovací zdvih je jediným zdvihem cyklu motoru, během kterého se vykonává užitečná mechanická práce. Tomuto kroku předchází proces spalování hořlavé směsi. Výsledkem spalování je zvýšení vnitřní energie pracovní tekutiny, která se přeměňuje v práci expanze.
Spalovací proces je komplex fyzikálních a chemických jevů oxidace paliva s intenzivním uvolňováním
teplo. U kapalných uhlovodíkových paliv (benzín, motorová nafta) je spalovací proces chemickou reakcí kombinace uhlíku a vodíku se vzdušným kyslíkem. Spalné teplo vsázky hořlavé směsi se vynakládá na ohřev pracovní tekutiny, provádění mechanické práce. Část tepla z pracovní kapaliny přes stěny válců a hlavy ohřívá klikovou skříň a další části motoru a také chladicí kapalinu. Termodynamický proces reálného pracovního procesu, zohledňující ztráty spalného tepla paliva, zohledňující nedokonalost spalování, přenos tepla na stěny válce atd., je mimořádně složitý. U dieselových a benzínových motorů je proces spalování odlišný a má své vlastní charakteristiky. U vznětových motorů dochází ke spalování s různou intenzitou v závislosti na zdvihu pístu: nejprve intenzivně a poté pomalu. U benzínových motorů dochází ke spalování okamžitě, obecně se uznává, že k němu dochází při konstantním objemu.
Pro zohlednění tepla ztrátovými složkami včetně přestupu tepla na stěny válců je zaveden koeficient využití spalného tepla Koeficient využití tepla je stanoven experimentálně, pro vznětové motory = 0,70 ... 0,85 a benzínové motory?, = 0,85 ... 0,90 ze stavové rovnice plynů na začátku a na konci expanze:
kde je stupeň předexpanze.
pro diesely
Pak 
Pro benzínové motory 
Pak
Hodnoty parametrů během spalování a na konci expanzního zdvihu pro motory)
