Vo valci motora sa s určitou periodicitou vykonávajú termodynamické cykly, ktoré sú sprevádzané nepretržitou zmenou termodynamických parametrov pracovnej tekutiny - tlaku, objemu, teploty. Pri zmene objemu sa energia spaľovania paliva premieňa na mechanickú prácu. Podmienkou premeny tepla na mechanickú prácu je sled cyklov. Tieto zdvihy v spaľovacom motore zahŕňajú nasávanie (plnenie) valcov horľavou zmesou alebo vzduchom, kompresiu, spaľovanie, expanziu a výfuk. Premenlivý objem je objem valca, ktorý sa zväčšuje (zmenšuje) s translačným pohybom piesta. K zväčšeniu objemu dochádza v dôsledku expanzie produktov pri spaľovaní horľavej zmesi, zatiaľ čo k poklesu dochádza v dôsledku stlačenia novej náplne horľavej zmesi alebo vzduchu. Tlakové sily plynov na steny valca a na piest sa počas expanzného zdvihu premieňajú na mechanickú prácu.
Energia nahromadená v palive sa pri termodynamických cykloch premieňa na tepelnú energiu, prenáša sa na steny valcov tepelným a svetelným žiarením, sálaním a zo stien valcov - do chladiacej kvapaliny a hmoty motora vedením tepla a do okolitého priestoru od motora povrchy voľné a nútené
konvekcia. V motore sú prítomné všetky typy prenosu tepla, čo naznačuje zložitosť procesov, ktoré sa vyskytujú.
Využitie tepla v motore sa vyznačuje účinnosťou, čím menej tepla zo spaľovania paliva sa prenesie do chladiaceho systému a hmoty motora, tým viac práce sa vykoná a tým vyššia je účinnosť.
Pracovný cyklus motora sa vykonáva v dvoch alebo štyroch zdvihoch. Hlavnými procesmi každého prevádzkového cyklu sú sacie, stláčacie, výkonové a výfukové zdvihy. Zavedenie kompresného zdvihu do pracovného procesu motorov umožnilo minimalizovať chladiacu plochu a súčasne zvýšiť tlak spaľovania paliva. Splodiny horenia expandujú podľa stlačenia horľavej zmesi. Tento proces umožňuje znížiť tepelné straty v stenách valcov a s výfukovými plynmi, zvýšiť tlak plynu na piest, čím sa výrazne zvýši výkon a ekonomický výkon motora.
Skutočné tepelné procesy v motore sa výrazne líšia od teoretických procesov založených na zákonoch termodynamiky. Teoretický termodynamický cyklus je uzavretý predpokladom jeho realizácie je odovzdanie tepla chladnému telesu. V súlade s druhým zákonom termodynamiky a v teoretickom tepelnom stroji nie je možné úplne premeniť tepelnú energiu na mechanickú energiu. V dieselových motoroch, ktorých valce sú naplnené čerstvým vzduchom a majú vysoké kompresné pomery, je teplota horľavej zmesi na konci sacieho zdvihu 310...350 K, čo sa vysvetľuje relatívne malým množstvo zvyškových plynov v benzínových motoroch je teplota nasávania na konci zdvihu 340... .400 K. Tepelnú bilanciu horľavej zmesi počas sacieho zdvihu možno znázorniť ako
kde?) p t - množstvo tepla pracovnej tekutiny na začiatku sacieho zdvihu; Os.ts - množstvo tepla vstupujúceho do pracovnej tekutiny pri kontakte s vyhrievanými povrchmi sacieho traktu a valca; Qo g - množstvo tepla v zvyškových plynoch.
Z rovnice tepelnej bilancie možno určiť teplotu na konci sacieho zdvihu. Zoberme si hmotnostnú hodnotu množstva čerstvého náboja t s z, zvyškové plyny - t o g So známou tepelnou kapacitou čerstvej náplne s R, zvyškové plyny s" str a pracovná zmes s p rovnica (2.34) je znázornená ako
Kde T s h - teplota čerstvej náplne pred vstupom; A T sz- ohrev čerstvej náplne pri jej vstrekovaní do valca; T g- teplota zvyškových plynov na konci uvoľňovania. Dá sa s dostatočnou presnosťou predpokladať, že s" str = s p A s" r - s, s r, kde c; - korekčný faktor v závislosti od T sz a zloženie zmesi. S a = 1,8 a motorovou naftou
Pri riešení rovnice (2.35) ohľadom T a označme vzťah 
Vzorec na určenie teploty vo valci na vstupe má tvar
Tento vzorec platí pre štvortaktné aj dvojtaktné motory pre motory s turbodúchadlom, teplota na konci nasávania sa vypočíta podľa vzorca (2.36), ak je to tak q = 1. Prijatá podmienka nevnáša do výpočtu veľké chyby. Hodnoty parametrov na konci sacieho zdvihu, stanovené experimentálne v nominálnom režime, sú uvedené v tabuľke. 2.2.
Tabuľka 2.2
|
Štvortaktné spaľovacie motory |
Dvojtaktné spaľovacie motory |
||
|
Index |
s iskrovým zapaľovaním |
so schémou výmeny plynu s priamym tokom |
|
|
Koeficient zvyškového plynu |
|||
|
Teplota výfukových plynov na konci výfuku G p K |
|||
|
Ohrievanie čerstvého náboja, K |
|||
|
Teplota pracovnej tekutiny na konci príjmu T a, TO |
|||
Počas sacieho zdvihu sa sací ventil v naftovom motore otvorí o 20...30° predtým, ako piest dosiahne TDC a zatvorí sa po prejdení BDC o 40...60°. Doba otvorenia sacieho ventilu je 240...290°. Teplota vo valci na konci predchádzajúceho výfukového zdvihu sa rovná T g= 600...900 K. Vzduchová náplň, ktorá má teplotu oveľa nižšiu, sa zmiešava so zvyškovými plynmi vo valci, čím sa teplota vo valci na konci nasávania zníži na Ta = 310...350 K. Rozdiel teplôt vo valci medzi výfukovým a sacím zdvihom je AT a. g = Ta - T g. Pretože T a AT a. t = 290...550°.
Rýchlosť zmeny teploty vo valci za jednotku času na zdvih sa rovná:
Pre dieselový motor rýchlosť zmeny teploty počas sacieho zdvihu pri n e= 2400 min-1 a fa = 260° je s d = (2,9...3,9) 104°/s. Teplota na konci sacieho zdvihu vo valci je teda určená hmotnosťou a teplotou zvyškových plynov po výfukovom zdvihu a zahriatím čerstvej náplne od častí motora. Grafy funkcie co rt =/(D e) sací zdvih pre naftové a benzínové motory, uvedené na obr. 2.13 a 2.14 svedčia o výrazne vyššej rýchlosti zmeny teploty vo valci benzínového motora v porovnaní s naftovým motorom a následne o väčšej intenzite tepelného toku z pracovnej kvapaliny a jej raste s rastúcimi otáčkami kľukového hriadeľa. Priemerná štatisticky vypočítaná hodnota rýchlosti zmeny teploty počas sacieho zdvihu naftového motora v rámci otáčok kľukového hriadeľa 1500...2500 min -1 sa rovná = 2,3 10 4 ± 0,18 st./sa pre benzínový motor
motora pri otáčkach 2000...6000 min -1 - teda I = = 4,38 10 4 ± 0,16 deg/s. Počas sacieho zdvihu je teplota pracovnej kvapaliny približne rovnaká ako prevádzková teplota chladiacej kvapaliny,
Ryža. 2.13.
Ryža. 2.14.
teplo stien valca sa vynakladá na ohrev pracovnej tekutiny a nemá významný vplyv na teplotu chladiacej kvapaliny chladiaceho systému.
o kompresný zdvih Vo vnútri valca prebiehajú pomerne zložité procesy výmeny tepla. Na začiatku kompresného zdvihu je teplota náplne horľavej zmesi nižšia ako teplota povrchov stien valca a náplň sa zahrieva, pričom pokračuje v odvádzaní tepla zo stien valca. Mechanická práca stláčania je sprevádzaná absorpciou tepla z vonkajšieho prostredia. V určitom (nekonečne malom) časovom období sa teploty povrchu valca a náplne zmesi vyrovnajú, v dôsledku čoho sa výmena tepla medzi nimi zastaví. Pri ďalšom stláčaní teplota náplne horľavej zmesi prevyšuje teplotu povrchov stien valcov a tepelný tok mení smer, t.j. teplo prúdi na steny valca. Celkový prenos tepla z náplne horľavej zmesi je nevýznamný, je to cca 1,0... 1,5 % množstva tepla dodaného s palivom.
Teplota pracovnej tekutiny na konci nasávania a jej teplota na konci kompresie sú vo vzájomnom vzťahu podľa kompresnej polytropickej rovnice:
kde 8 je kompresný pomer; p l - polytropický index.
Teplota na konci kompresného zdvihu sa vo všeobecnosti vypočíta pomocou priemernej konštantnej hodnoty polytropného indexu pre celý proces sch. V konkrétnom prípade sa polytropný index vypočíta z tepelnej bilancie počas procesu lisovania vo forme
Kde a s A A" - vnútorná energia 1 kmol čerstvého náboja; a a A A" - vnútorná energia 1 kmol zvyškových plynov.
Spoločné riešenie rovníc (2.37) a (2.39) pri známej teplote T a umožňuje určiť polytropický index sch. Polytropický index je ovplyvnený intenzitou chladenia valca. Pri nízkych teplotách chladiacej kvapaliny je povrchová teplota valca nižšia, a preto p l bude toho menej.
Hodnoty parametrov na konci kompresného zdvihu sú uvedené v tabuľke. 2.3.
Tabuľka23
Počas kompresného zdvihu sú sacie a výfukové ventily zatvorené a piest sa pohybuje smerom k TDC. Čas kompresného zdvihu pre dieselové motory pri otáčkach 1500...2400 min -1 je 1,49 1SG 2 ...9,31 KG 3 s, čo zodpovedá natočeniu kľukového hriadeľa o uhol f (. = 134°, pre benzín motory pri otáčkach 2400...5600 min -1 a avg = 116° - (3,45...8,06) 1(G 4 s. Rozdiel teplôt pracovnej kvapaliny vo valci medzi kompresným a sacím zdvihom AT s_a = T s - T a pre dieselové motory je to v rozmedzí 390...550 °C, pre benzínové motory - 280...370 °C.
Rýchlosť zmeny teploty vo valci na kompresný zdvih sa rovná:
a pre dieselové motory pri otáčkach 1500...2500 min -1 rýchlosť zmeny teploty je (3,3...5,5) 10 4 deg/s, pre benzínové motory pri otáčkach 2000...6000 min -1 - (3,2...9,5) x x 104 stupňov/s. Tepelný tok počas kompresného zdvihu smeruje z pracovnej tekutiny vo valci na steny a do chladiacej kvapaliny. Grafy funkcie co = f(n e) pre dieselové a benzínové motory sú znázornené na obr. 2.13 a 2.14. Vyplýva z nich, že rýchlosť zmeny teploty pracovnej kvapaliny u dieselových motorov je vyššia ako u benzínových motorov pri rovnakých otáčkach.
Procesy prenosu tepla počas kompresného zdvihu sú určené teplotným rozdielom medzi povrchom valca a náplňou horľavej zmesi, relatívne malým povrchom valca na konci zdvihu, hmotnosťou horľavej zmesi a obmedzeným krátky časový úsek, počas ktorého dochádza k prenosu tepla z horľavej zmesi na povrch valca. Predpokladá sa, že kompresný zdvih nemá významný vplyv na teplotný režim chladiaceho systému.
Expanzný zdvih je jediný zdvih pracovného cyklu motora, počas ktorého sa vykonáva užitočná mechanická práca. Tomuto kroku predchádza proces spaľovania horľavej zmesi. Výsledkom horenia je zvýšenie vnútornej energie pracovnej tekutiny premenenej na expanznú prácu.
Spaľovací proces je komplex fyzikálnych a chemických javov oxidácie paliva s intenzívnym uvoľňovaním
teplo. V prípade kvapalných uhľovodíkových palív (benzín, motorová nafta) je proces spaľovania chemickou reakciou spájania uhlíka a vodíka s kyslíkom vo vzduchu. Teplo spaľovania náplne horľavej zmesi sa vynakladá na ohrev pracovnej tekutiny a vykonávanie mechanickej práce. Časť tepla z pracovnej tekutiny cez steny valca a hlavu ohrieva kľukovú skriňu a ostatné časti motora, ako aj chladiacu kvapalinu. Termodynamický proces reálneho pracovného procesu, zohľadňujúci stratu tepla spaľovania paliva, zohľadňujúci nedokonalé spaľovanie, prestup tepla do stien valca a pod., je mimoriadne zložitý. V dieselových a benzínových motoroch je proces spaľovania odlišný a má svoje vlastné charakteristiky. V dieselových motoroch dochádza k spaľovaniu rôznymi rýchlosťami v závislosti od zdvihu piesta: najskôr intenzívne a potom pomaly. V benzínových motoroch dochádza k spaľovaniu okamžite; všeobecne sa uznáva, že k nemu dochádza pri konštantnom objeme.
Pre zohľadnenie tepla stratovými zložkami, vrátane prestupu tepla do stien valcov, je pre dieselové motory zavedený súčiniteľ využitia tepla spaľovaním = 0,70...0,85 a benzínové motory?, = 0,85...0,90 zo stavovej rovnice plynov na začiatku a na konci expanzie:
kde je stupeň predbežnej expanzie.
Pre diesely
Potom 
Pre benzínové motory 
Potom
Hodnoty parametrov počas spaľovania a na konci expanzného zdvihu pre motory)
