Variklio cilindre tam tikru periodiškumu atliekami termodinaminiai ciklai, kuriuos lydi nuolatinis darbinio skysčio termodinaminių parametrų – slėgio, tūrio, temperatūros – pokytis. Keičiant tūrį, kuro degimo energija paverčiama mechaniniu darbu. Šilumos pavertimo mechaniniu darbu sąlyga yra ciklų seka. Šie vidaus degimo variklio taktai apima cilindrų įsiurbimą (užpildymą) degiu mišiniu arba oru, suspaudimą, degimą, plėtimąsi ir išmetimą. Kintamasis tūris yra cilindro tūris, kuris didėja (mažėja) su stūmoklio judesiu. Tūrio padidėjimas atsiranda dėl produktų išsiplėtimo deginant degųjį mišinį, o sumažėjimas atsiranda dėl naujo degiojo mišinio ar oro įkrovos suspaudimo. Dujų slėgio jėgos ant cilindro sienelių ir stūmoklio plėtimosi takto metu paverčiamos mechaniniu darbu.
Degaluose sukaupta energija termodinaminių ciklų metu paverčiama šilumine energija, šilumos ir šviesos spinduliuote perduodama į cilindro sieneles, spinduliuote, o iš cilindro sienelių - šilumos laidumo būdu į aušinimo skystį ir variklio masę bei į aplinkinę erdvę iš variklio. laisvi ir priverstiniai paviršiai
konvekcija. Variklyje yra visų tipų šilumos perdavimo, o tai rodo vykstančių procesų sudėtingumą.
Šilumos panaudojimas variklyje pasižymi efektyvumu, kuo mažiau kuro degimo šilumos perduodama į aušinimo sistemą ir variklio masę, tuo daugiau dirbama ir tuo didesnis efektyvumas.
Variklio veikimo ciklas atliekamas dviem arba keturiais taktais. Pagrindiniai kiekvieno darbo ciklo procesai yra įsiurbimo, suspaudimo, galios eigos ir išmetimo taktai. Suspaudimo takto įvedimas į variklių darbo procesą leido sumažinti aušinimo paviršių ir kartu padidinti kuro degimo slėgį. Degimo produktai plečiasi priklausomai nuo degiojo mišinio suspaudimo. Šis procesas leidžia sumažinti šilumos nuostolius cilindro sienelėse ir su išmetamosiomis dujomis, padidinti dujų slėgį ant stūmoklio, o tai žymiai padidina variklio galią ir ekonomines charakteristikas.
Tikrieji šiluminiai procesai variklyje gerokai skiriasi nuo teorinių, pagrįstų termodinamikos dėsniais. Teorinis termodinaminis ciklas yra uždaras, būtina jo įgyvendinimo sąlyga yra šilumos perdavimas šaltam kūnui. Pagal antrąjį termodinamikos dėsnį ir teoriniame šilumos variklyje neįmanoma visiškai paversti šiluminės energijos mechanine energija. Dyzeliniuose varikliuose, kurių cilindrai pripildyti šviežio oro ir turi aukštus suspaudimo laipsnius, degiojo mišinio temperatūra įsiurbimo takto pabaigoje yra 310...350 K, o tai paaiškinama santykinai mažu. likutinių dujų kiekis benzininiuose varikliuose įsiurbimo temperatūra takto pabaigoje yra 340... .400 K. Degiojo mišinio šiluminis balansas įsiurbimo takto metu gali būti pavaizduotas kaip
kur?) p t - darbinio skysčio šilumos kiekis įsiurbimo takto pradžioje; Os.ts - šilumos kiekis, patenkantis į darbinį skystį, kai jis liečiasi su šildomais įsiurbimo trakto ir cilindro paviršiais; Qo g – šilumos kiekis liekamosiose dujose.
Pagal šilumos balanso lygtį galima nustatyti temperatūrą įsiurbimo takto pabaigoje. Imkime naujo krūvio masės vertę t s z, likutinės dujos - t o g Su žinoma naujo įkrovimo šilumine galia su R, likutines dujas s“ p ir darbinis mišinys su p lygtis (2.34) pavaizduota kaip
Kur T s h - šviežio įkrovimo temperatūra prieš įėjimą; A T sz- naujo įkrovimo pašildymas, kai jis įpurškiamas į cilindrą; T g- likutinių dujų temperatūra išleidimo pabaigoje. Galima pakankamai tiksliai manyti, kad s“ p = su p Ir s" r - s, s r, kur c; - pataisos koeficientas, priklausantis nuo T sz ir mišinio sudėtį. Su a = 1,8 ir dyzeliniu kuru
Sprendžiant (2.35) lygtį dėl T a pažymėkime santykį 
Formulė, skirta nustatyti temperatūrą cilindre ties įleidimo anga, turi formą
Ši formulė galioja ir keturtakčiams, ir dvitakčiams varikliams su turbokompresoriumi, temperatūra įsiurbimo pabaigoje apskaičiuojama pagal (2.36) formulę, jei; q = 1. Priimta sąlyga neįtraukia didelių skaičiavimo klaidų. Lentelėje pateiktos parametrų reikšmės įsiurbimo takto pabaigoje, eksperimentiškai nustatytos vardiniu režimu. 2.2.
2.2 lentelė
|
Keturtakčiai vidaus degimo varikliai |
Dviejų taktų vidaus degimo varikliai |
||
|
Rodiklis |
su kibirkštiniu uždegimu |
su tiesioginio srauto dujų mainų schema |
|
|
Likutinis dujų koeficientas |
|||
|
Išmetamųjų dujų temperatūra išmetimo pabaigoje G p K |
|||
|
Šildymas šviežiu įkrovimu, K |
|||
|
Darbinio skysčio temperatūra įsiurbimo pabaigoje T a, KAM |
|||
Įsiurbimo takto metu įsiurbimo vožtuvas dyzeliniame variklyje atsidaro 20...30°, kol stūmoklis pasiekia TDC ir užsidaro pravažiavus BDC 40...60°. Įsiurbimo vožtuvo atsidarymo trukmė 240...290°. Temperatūra cilindre ankstesnio išmetimo takto pabaigoje yra lygi T g= 600...900 K. Oro įkrova, kurios temperatūra yra daug žemesnė, susimaišo su likutinėmis dujomis balione, o tai sumažina temperatūrą balione įsiurbimo pabaigoje iki T a = 310...350 K. Temperatūros skirtumas cilindre tarp išmetimo ir įsiurbimo taktų yra AT a. g = T a - T g. Kadangi T a AT a. t = 290...550°.
Temperatūros kitimo greitis cilindre per laiko vienetą per taktą yra lygus:
Dyzeliniam varikliui temperatūros pokyčio greitis įsiurbimo takto metu n e= 2400 min -1 ir f a = 260° yra su d = (2,9...3,9) 10 4 laipsniai/s. Taigi, temperatūrą cilindro įsiurbimo takto pabaigoje lemia likusių dujų masė ir temperatūra po išmetimo takto ir šviežio įkrovimo iš variklio dalių kaitinimo. Dyzelinių ir benzininių variklių funkcijos co rt =/(D e) įsiurbimo takto grafikai, pateikti pav. 2.13 ir 2.14 rodo žymiai didesnį temperatūrų pokytį benzininio variklio cilindre, palyginti su dyzeliniu varikliu, ir dėl to didesnį šilumos srauto iš darbinio skysčio intensyvumą bei jo augimą didėjant alkūninio veleno apsisukimų dažniui. Vidutinė statistinė skaičiuojama temperatūrų kitimo greičio per dyzelinio variklio įsiurbimo taktą esant 1500...2500 min -1 alkūninio veleno sūkiams lygi = 2,3 10 4 ± 0,18 laipsnio/s, o benzininiam varikliui.
variklis sukimosi greičiu 2000...6000 min -1 - taigi I = = 4,38 10 4 ± 0,16 laipsnio/s. Įsiurbimo takto metu darbinio skysčio temperatūra yra maždaug lygi aušinimo skysčio darbinei temperatūrai,
Ryžiai. 2.13.
Ryžiai. 2.14.
cilindro sienelių šiluma išleidžiama darbiniam skysčiui šildyti ir neturi didelės įtakos aušinimo sistemos aušinimo skysčio temperatūrai.
At suspaudimo eiga Cilindro viduje vyksta gana sudėtingi šilumos mainų procesai. Suspaudimo takto pradžioje degiojo mišinio užtaiso temperatūra yra mažesnė už cilindro sienelių paviršių temperatūrą ir įkrova įkaista, toliau šalindama šilumą iš cilindro sienelių. Mechaninį suspaudimo darbą lydi šilumos sugėrimas iš išorinės aplinkos. Per tam tikrą (be galo mažą) laiko tarpą cilindro paviršiaus ir mišinio krūvio temperatūros susilygina, dėl to šilumos mainai tarp jų nutrūksta. Toliau suspaudžiant, degiojo mišinio įkrovos temperatūra viršija cilindro sienelių paviršių temperatūrą ir šilumos srautas keičia kryptį, t.y. šiluma teka į cilindro sieneles. Bendras šilumos perdavimas iš degiojo mišinio įkrovos yra nereikšmingas, jis sudaro apie 1,0... 1,5% tiekiamo su kuru šilumos kiekio.
Darbinio skysčio temperatūra įsiurbimo pabaigoje ir jo temperatūra suspaudimo pabaigoje yra tarpusavyje susijusios suspaudimo politropine lygtimi:
kur 8 yra suspaudimo laipsnis; p l - politropinis indeksas.
Temperatūra suspaudimo takto pabaigoje paprastai apskaičiuojama naudojant vidutinę pastovią viso proceso politropinio indekso vertę sch. Konkrečiu atveju politropinis indeksas apskaičiuojamas pagal šilumos balansą suspaudimo proceso metu formoje
Kur ir su Ir Ir" - 1 kmole šviežio krūvio vidinė energija; ir a Ir Ir" - 1 kmolio liekamųjų dujų vidinė energija.
Jungtinis (2.37) ir (2.39) lygčių sprendimas esant žinomai temperatūrai T a leidžia nustatyti politropinį indeksą sch. Politropiniam indeksui įtakos turi cilindro aušinimo intensyvumas. Esant žemai aušinimo skysčio temperatūrai, cilindro paviršiaus temperatūra yra žemesnė, taigi p l bus mažiau.
Parametrų reikšmės suspaudimo takto pabaigoje pateiktos lentelėje. 2.3.
Lentelė23
Suspaudimo takto metu įsiurbimo ir išmetimo vožtuvai uždaromi, o stūmoklis juda link TDC. Suspaudimo takto laikas dyzeliniams varikliams esant sukimosi greičiui 1500...2400 min -1 yra 1,49 1SG 2 ...9,31 KG 3 s, o tai atitinka alkūninio veleno pasukimą kampu f (. = 134°, benzinui). varikliai, kurių sukimosi greitis 2400...5600 min -1 ir vid. = 116° - (3.45...8.06) 1(G 4 s. Darbinio skysčio cilindre temperatūrų skirtumas tarp suspaudimo ir įsiurbimo taktų AT s_a = T s - T a dyzeliniams varikliams yra 390...550 °C, benzininiams - 280...370 °C.
Temperatūros kitimo greitis cilindre per suspaudimo taktą yra lygus:
o dyzeliniams varikliams esant 1500...2500 min -1 sukimosi greičiui temperatūros kitimo greitis (3,3...5,5) 10 4 laipsniai/s, benzininiams varikliams esant 2000...6000 min. -1 - (3,2...9,5) x x 10 4 laipsniai per sekundę. Šilumos srautas suspaudimo takto metu nukreipiamas iš darbinio skysčio cilindre į sieneles ir į aušinimo skystį. Funkcijos co = grafikai f(n e) dyzeliniams ir benzininiams varikliams parodyta fig. 2.13 ir 2.14. Iš jų išplaukia, kad dyzeliniuose varikliuose darbinio skysčio temperatūros kitimo greitis yra didesnis nei benzininiuose varikliuose tuo pačiu greičiu.
Šilumos perdavimo procesus suspaudimo takto metu lemia temperatūrų skirtumas tarp cilindro paviršiaus ir degiojo mišinio krūvio, santykinai mažas cilindro paviršius eigos pabaigoje, degiojo mišinio masė ir ribotas kiekis. trumpas laiko tarpas, per kurį šiluma perduodama iš degiojo mišinio į baliono paviršių. Daroma prielaida, kad suspaudimo eiga neturi didelės įtakos aušinimo sistemos temperatūros režimui.
Išsiplėtimo smūgis yra vienintelis variklio darbo ciklo taktas, kurio metu atliekamas naudingas mechaninis darbas. Prieš šį etapą vyksta degiojo mišinio degimo procesas. Degimo rezultatas yra darbinio skysčio vidinės energijos padidėjimas, paverčiamas plėtimosi darbu.
Degimo procesas yra fizinių ir cheminių kuro oksidacijos reiškinių kompleksas, intensyviai išsiskiriantis
šiluma. Skysto angliavandenilio kuro (benzino, dyzelinio kuro) degimo procesas yra cheminė anglies ir vandenilio sujungimo su deguonimi ore reakcija. Degiojo mišinio įkrovos degimo šiluma eikvojama darbiniam skysčiui šildyti ir mechaniniams darbams atlikti. Dalis šilumos iš darbinio skysčio per cilindro sieneles ir galvutę šildo karterį ir kitas variklio dalis bei aušinimo skystį. Realaus darbo proceso termodinaminis procesas, atsižvelgiant į kuro degimo šilumos nuostolius, į nepilną degimą, šilumos perdavimą į cilindro sieneles ir kt., yra itin sudėtingas. Dyzeliniuose ir benzininiuose varikliuose degimo procesas skiriasi ir turi savo ypatybes. Dyzeliniuose varikliuose degimas vyksta skirtingais greičiais, priklausomai nuo stūmoklio eigos: iš pradžių intensyviai, o paskui lėtai. Benzininiuose varikliuose degimas įvyksta akimirksniu, visuotinai priimta, kad jis vyksta esant pastoviam tūriui.
Siekiant atsižvelgti į šilumos nuostolius, įskaitant šilumos perdavimą į cilindro sieneles, įvedamas šilumos panaudojimo koeficientas dyzeliniams varikliams = 0,70...0,85 ir benzininiai varikliai?, = 0,85...0,90 iš dujų būsenos lygties plėtimosi pradžioje ir pabaigoje:
kur yra preliminaraus išsiplėtimo laipsnis.
Dyzeliams
Tada 
Benzininiams varikliams 
Tada
Parametrų vertės degimo metu ir variklių išsiplėtimo takto pabaigoje)
