Падає температура двигуна під час руху. Тепловий двигун на новому термодинамічному принципі Визначення допустимої кількості шкідливих речовин

ЯКЩО ДВИГУН ПЕРЕГРІВСЯ...

Весна завжди приносить автовласникам проблеми. Вони виникають не тільки у тих, хто всю зиму тримав машину в гаражі або на стоянці, після чого автомобіль, що довго не діяв, підносить сюрпризи у вигляді відмов систем і агрегатів. Але й у тих, хто їздить цілий рік. Деякі дефекти, що "дрімали" до певного часу, дають про себе знати, як тільки стовпчик термометра стійко перевалить в область позитивних температур. І один із таких небезпечних сюрпризів – перегрів двигуна.

Перегрів у принципі можливий будь-якої пори року - і взимку, і влітку. Але, як показує практика, на весну припадає найбільше таких випадків. Пояснюється це просто. Взимку всі системи автомобіля, у тому числі і система охолодження двигуна, працюють у дуже важких умовах. Великі перепади температур - від "мінусових" ночами до дуже високих робітників після нетривалого руху - негативно діють на багато агрегатів та систем.

Як виявити перегрів?

Відповідь начебто очевидна - подивитися на покажчик температури охолоджуючої рідини. Насправді все значно складніше. Коли рух на дорозі інтенсивний, водій не одразу помічає, що стрілка вказівника зрушила далеко у бік червоної зони шкали. Однак є низка непрямих ознакзнаючи, які можна вловити момент перегріву і не дивлячись на прилади.

Так, якщо перегрів виникає через малу кількість антифризу в системі охолодження, то першим на це відреагує обігрівач, розташований у високій точці системи, - гарячий антифриз перестане туди надходити. Те саме станеться і за кипіння антифризу, т.к. воно починається в самому гарячому місці - в головці блоку циліндрів біля стінок камери згоряння, - а парові пробки, що утворилися, замикають прохід охолоджуючої рідини до обігрівача. В результаті подача гарячого повітря до салону припиняється.

Про те, що температура в системі досягла критичного значення, точним чином свідчить детонація, що раптово з'явилася. Оскільки температура стінок камери згоряння при перегріві значно вища за норму, це неодмінно провокує виникнення ненормального горіння. В результаті перегрітий двигун при натисканні на педаль газу нагадає про несправність характерним дзвінким стукотом.

На жаль, і ці ознаки нерідко можуть залишитися непоміченими: при підвищеній температурі повітря вимикають обігрівач, а детонацію при гарній шумоізоляції салону можна просто не почути. Тоді при подальшому русі автомобіля з перегрітим двигуномпочне падати потужність, і з'явиться стукіт, сильніший і рівномірніший, ніж при детонації. Теплове розширення поршнів у циліндрі призведе до збільшення їх тиску на стінки та значного зростання сил тертя. Якщо ж ця ознака не буде помічена водієм, то при подальшій роботі двигун отримає ґрунтовні пошкодження, і без серйозного ремонту вже, на жаль, не обійтися.

Чому виникає перегрів

Уважно придивіться до системи системи охолодження. Практично кожен її елемент у певних обставинах може стати відправною точкою перегріву. А його першопричини здебільшого такі: погане охолодження антифризу в радіаторі; порушення ущільнення камери згоряння; недостатня кількість охолоджуючої рідини, а також негерметичність у системі і, як наслідок -зменшення надлишкового тиску в ній.

Перша група, крім очевидного зовнішнього забруднення радіатора пилом, тополиним пухом, листям включає ще несправності термостата, датчика, електродвигуна або муфти включення вентилятора. Зустрічається і внутрішнє забруднення радіатора, проте не через накип, як бувало багато років тому після тривалої експлуатаціїдвигуна на воді. Той самий ефект, а іноді набагато сильніший, дає застосування різних герметиків для радіатора. І якщо останній справді забитий таким засобом, то прочистити його тонкі трубки досить серйозна проблема. Зазвичай несправності цієї групи легко виявляються, а щоб доїхати до стоянки або СТО, достатньо поповнити рівень рідини в системі і включити обігрівач.

Порушення ущільнення камери згоряння – також досить поширена причина перегріву. Продукти згоряння палива, перебуваючи під великим тиском в циліндрі, через нещільності проникають в сорочку охолодження і витісняють від стінок камери згоряння рідину, що охолоджує. Утворюється гаряча газова "подушка", що додатково нагріває стінку. Подібна картина виникає через прогар прокладки головки, тріщин в головці і гільзі циліндра, деформації привалкової площини головки або блоку, - найчастіше внаслідок перегріву, що передував. Визначити, що подібна негерметичність має місце, можна за запахом вихлопних газівв розширювальному бачку, витіканню антифризу з бачка при роботі двигуна, швидкому підвищенню тиску в системі охолодження відразу після запуску, а також характерною водомасляною емульсією в картері. Але встановити конкретно, з чим пов'язана негерметичність, вдається, як правило, лише після часткового розбирання двигуна.

Явна негерметичність у системі охолодження виникає найчастіше через тріщини в шлангах, послаблення затяжки хомутів, зносу ущільнення насоса, несправності крана обігрівача, радіатора та інших причин. Зазначимо, що текти радіатора часто з'являються після "роз'їдання" трубок так званим "Тосолом" невідомого походження, а текти ущільнення насоса - після тривалої експлуатації на воді. Встановити, що рідини, що охолоджує, в системі мало, візуально так само просто, як і визначити місце витоку.

Негерметичність системи охолодження у її верхній частині, у тому числі через несправність клапана пробки радіатора, призводить до падіння тиску в системі до атмосферного. Як відомо, чим менший тиск - тим нижча температура кипіння рідини. Якщо робоча температура в системі близька до 100 градусів, то рідина може закипіти. Нерідко кипіння в негерметичній системі виникає навіть не під час роботи двигуна, а після його вимикання. Визначити, що система справді негерметична, можна за відсутністю тиску у верхньому шлангу радіатора на прогрітому двигуні.

Що відбувається при перегріві

Як зазначено вище, при перегріві двигуна починається кипіння рідини у сорочці охолодження головки блоку циліндрів. Парова пробка (або подушка), що утворюється, перешкоджає безпосередньому контакту охолоджуючої рідини з металевими стінками. Через це ефективність їхнього охолодження різко зменшується, а температура значно зростає.

Таке явище має місцевий характер - поблизу області кипіння температура стінки може бути помітно вище, ніж на покажчику (а все тому, що датчик встановлюється на зовнішній стінці головки). В результаті в головці блоку можуть з'явитися дефекти, в першу чергу – тріщини. У бензинових двигунах- зазвичай між сідлами клапанів, а в дизелях - між сідлом випускного клапана та кришкою форкамери. У чавунних головках іноді трапляються і тріщини поперек сідла випускного клапана. Тріщини виникають також у сорочці охолодження, наприклад, по ліжках розподільчого валуабо за отворами болтів кріплення головки блоку. Такі дефекти краще усувати заміною головки, а не зварюванням, яке поки що не вдається виконати з високою надійністю.

При перегріві навіть якщо тріщин не виникло, головка блоку часто отримує значні деформації. Так як по краях головка притиснута до блоку болтами, а перегрівається її середня частина, відбувається таке. Більшість сучасних двигунівголовка виготовлена ​​з алюмінієвого сплаву, який при нагріванні розширюється більше ніж сталь кріпильних болтів. При сильному нагріванні розширення головки призводить до різкого зростання зусиль стиснення прокладки по краях, де розташовані болти, тоді як розширення перегрітої середньої частини головки болтами не стримується. Через це відбувається, з одного боку, деформація (провал від площини) середньої частини головки, а з іншого - додаткове обтиснення та деформація прокладки зусиллями, що значно перевищують експлуатаційні.

Очевидно, після охолодження двигуна в окремих місцях, особливо біля країв циліндрів, прокладка вже не буде затиснута належним чином, що може спричинити текти. При подальшій експлуатації такого двигуна металеве окантування прокладки, втративши тепловий контакт з площинами головки та блоку, перегрівається, а потім прогоряє. Особливо це характерно для двигунів зі вставними "мокрими" гільзами або якщо між циліндрами надто вузькі перемички.

На додачу до всього деформація головки призводить, як правило, до викривлення осі ліжок розподільного валу, розташованих у її верхній частині. І без серйозного ремонту ці наслідки перегріву усунути не вдасться.

Не менш небезпечний перегрів і для циліндро-поршневої групи. Оскільки кипіння охолоджуючої рідини поширюється поступово від головки на дедалі більшу частину сорочки охолодження, різко знижується і ефективність охолодження циліндрів. А це означає, що погіршується відведення тепла від поршня, що нагрівається гарячими газами (тепло від нього відводиться в основному через поршневі кільцяу стінку циліндра). Температура поршня зростає, одночасно відбувається його теплове розширення. Оскільки поршень алюмінієвий, а циліндр, як правило, чавунний, різниця в тепловому розширенні матеріалів призводить до зменшення робочого зазору в циліндрі.

Подальша доля такого двигуна відома. капітальний ремонтз розточуванням блоку та заміною поршнів та кілець на ремонтні. Перелік робіт із голівки блоку взагалі виходить непередбачуваним. Краще все-таки двигун до цього не доводити. Відкриваючи періодично капот і перевіряючи рівень рідини, можна певною мірою убезпечити себе. Можна, можливо. Але не на усі 100 відсотків.

Якщо двигун таки перегрівся

Очевидно, треба відразу зупинитися на узбіччі дороги або біля тротуару, вимкнути двигун та відкрити капот – так двигун охолоджуватиметься швидше. До речі, на цій стадії у подібних ситуаціях так чинять усі водії. А ось далі вони припускаються серйозних помилок, від яких ми хочемо застерегти.

У жодному разі не можна відкривати пробку радіатора. На пробках іномарок не дарма пишуть "Never open hot" - ніколи не відкривайте, якщо гарячий радіатор! Адже це зрозуміло: при справному клапані пробки система охолодження перебуває під тиском. Осередок кипіння розташований у двигуні, а пробка - на радіаторі або розширювальному бачку. Відкриваючи пробку, ми провокуємо викид значної кількості гарячої рідини, що охолоджує - пара виштовхне її назовні, як з гармати. При цьому опік рук і обличчя майже неминучий - струмінь окропу вдаряє в капот і рикошетом - у водія!

На жаль, від незнання або від розпачу так чинять усі (або майже всі) водії, мабуть, вважаючи, що цим розряджають ситуацію. Насправді вони, виплеснувши залишки антифризу із системи, створюють собі додаткові проблеми. Справа в тому, що рідина, що кипить "всередині" двигуна, все-таки вирівнює температуру деталей, тим самим знижуючи її в найбільш перегрітих місцях.

Перегрів двигуна - це саме той випадок, коли, не знаючи, що робити, краще нічого не робити. Хвилин десять-п'ятнадцять, принаймні. За цей час кипіння припиниться, тиск у системі впаде. І тоді можна приступати до дій.

Переконавшись, що верхній шланг радіатора втратив колишню пружність (означає, тиску в системі немає), акуратно відкриваємо пробку радіатора. Тепер можна долити рідину, що википіла.

Робимо це акуратно та повільно, т.к. холодна рідина, потрапляючи на гарячі стінки сорочки головки блоку, викликає їхнє швидке охолодження, що може призвести до утворення тріщин.

Закривши пробку, запускаємо двигун. Спостерігаючи за покажчиком температури, перевіряємо, як нагріваються верхній та нижній шланги радіатора, чи вмикається після прогрівання вентилятор і чи немає витоків рідини.

Найнеприємніше - відмова термостата. При цьому, якщо клапан його "завис" у відкритому положенні - біди немає. Просто двигун буде повільніше прогріватися, оскільки весь потік охолоджуючої рідини попрямує великим контуром, через радіатор.

Якщо термостат залишається закритим (стрілка покажчика, повільно досягнувши середини шкали, швидко спрямується до червоної зони, а шланги радіатора, особливо нижній, залишаться холодними), рух неможливий навіть взимку - двигун відразу знову перегріється. У цьому випадку необхідно демонтувати термостат або хоча б його клапан.

Якщо виявлено текти рідини, що охолоджує, її бажано усунути або хоча б зменшити до розумних меж. Зазвичай "тече" радіатор через корозію трубок на ребрах чи місцях паяння. Іноді такі трубки вдається заглушити, перекусивши їх та загнувши краї пасатижами.

У випадках, коли повністю усунути серйозну несправність у системі охолодження на місці не вдається, потрібно хоча б доїхати до найближчої СТО чи населеного пункту.

Якщо несправний вентилятор, можна продовжити рух із включеним на "максимум" обігрівачем, який бере на себе значну частину теплового навантаження. У салоні буде "трошки" спекотно - не біда. Як відомо, "пар кісток не ломить".

Гірше якщо відмовив термостат. Вище ми вже розглянули один варіант. Але якщо ви не можете впоратися з цим приладом (не хочете, не маєте інструментів тощо) можна спробувати ще один спосіб. Почніть рух, але, як тільки стрілка покажчика наблизиться до червоної зони, вимикайте двигун і рухайтеся накатом. Коли швидкість впаде, увімкніть запалення (легко переконатися, що через 10-15 секунд температура вже буде менше), знову запустіть двигун і повторюйте все спочатку, безперервно стежачи за стрілкою вказівника температури.

При певній акуратності та підходящих дорожніх умовах(немає крутих підйомів) у такий спосіб можна проїхати десятки кілометрів, навіть коли охолоджуючої рідини в системі залишилося зовсім мало. Свого часу автору вдалося в такий спосіб здолати близько 30 км, не завдавши двигуну помітної шкоди.

Під час роботи електродвигуна частина електричної енергії перетворюється на теплову. Це пов'язано з втратами енергії на тертя в підшипниках, на і перемагнічування сталі статора і ротора, а також в обмоток статора і ротора. Втрати енергії в обмотках статора та ротора пропорційні квадрату величини їх струмів. Струм статора і ротора пропорційний
навантаження на валу. Інші втрати у двигуні майже не залежать від навантаження.

При постійному навантаженні на валу у двигуні виділяється певну кількість теплоти в одиницю часу.

Підвищення температури двигуна відбувається нерівномірно. Спочатку вона зростає швидко: майже вся теплота йде на підвищення температури, і лише невелика кількість її йде в навколишнє середовище. Перепад температур (різниця між температурою двигуна та температурою навколишнього повітря) поки що невеликий. Однак у міру збільшення температури двигуна перепад зростає і тепловіддача в довкілля збільшується. Зростання температури двигуна сповільнюється.

Схема вимірювання температури електродвигуна: а - за схемою з перемикачем; б - за схемою зі штепсельною вилкою.

Температура двигуна припиняє зростати, коли вся теплота, що знову виділяється, буде повністю розсіюватися в навколишнє середовище. Така температура двигуна називається встановленою. Величина температури двигуна, що встановилася, залежить від навантаження на його валу. При великому навантаженнівиділяється велика кількість теплоти в одиницю часу, значить, вище встановлена ​​температура двигуна.

Після вимкнення двигун охолоджується. Температура його спочатку знижується швидко, оскільки перепад її великий, та був у міру зменшення перепаду - повільно.

Величина допустимої температури двигуна, що встановилася, обумовлюється властивостями ізоляції обмоток.

Більшість двигунів загального застосування для ізоляції обмотки використовуються емалі, синтетичні плівки, просочені картони, бавовняна пряжа. Гранично допустима температура нагріву цих матеріалів 105 °С. Температура обмотки двигуна при номінальному навантаженні повинна бути на 20...25 °С нижче за гранично допустиму величину.

Значно нижча температура двигуна відповідає роботі з малим навантаженням на валу. При цьому коефіцієнт корисної діїдвигуна та коефіцієнт його потужності невеликі.

Режими роботи електродвигунів

Розрізняють три основні режими роботи двигунів: тривалий, повторно-короткочасний та короткочасний.

Тривалим називається режим роботи двигуна при постійному навантаженні тривалістю не менше, ніж необхідно для досягнення температури, що встановилася при незмінній температурі навколишнього повітря.

Повторно-короткочасним називається такий режим роботи, при якому короткочасне постійне навантаження чергується з відключеннями двигуна, причому під час навантаження температура двигуна не досягає встановленого значення, а під час паузи двигун не встигає охолонути до температури навколишнього повітря.

Короткочасним називається такий режим, при якому за час навантаження двигуна температура його не досягає значення, а за час паузи встигає охолодитися до температури навколишнього повітря.

Малюнок 1. Схема нагріву та охолодження двигунів: а - тривалого режиму роботи, б - повторно-короткочасного, в - короткочасного

На рис. 1 зображені криві нагріву та охолодження двигуна і потужності Р, що підводяться, для трьох режимів роботи. Для тривалого режиму роботи зображені три криві нагріву та охолодження 1, 2, 3 (рис. 1, а), що відповідають трьом різним навантаженням на його валу. Крива 3 відповідає найбільшому навантаженню на валу; при цьому підводиться потужність P3> P2> Pi. При повторно-короткочасному режимі двигуна (рис. 1 б) температура його за час навантаження не досягає встановилася. Температура двигуна підвищувалася б за пунктирною кривою, якби час навантаження був більш тривалим. Тривалість включення двигуна обмежується 15, 25, 40 та 60% часу циклу. Тривалість одного циклу tц приймається рівною 10 хв і визначається сумою часу навантаження N та часу паузи R, тобто.

Для повторно короткочасного режиму роботи випускаються двигуни з тривалістю роботи ПВ 15, 25, 40 і 60%: ПВ = N: (N + R) * 100%

На рис. 1 зображені криві нагріву і охолодження двигуна при короткочасному режимі роботи. Для цього режиму робляться двигуни з тривалістю періоду постійного номінального навантаження 15, 30, 60, 90 хв.

Теплоємність двигуна - величина значна, тому нагрівання його до температури, що встановилася, може тривати кілька годин. Двигун короткочасного режиму за час навантаження не встигає нагрітися до температури, що встановилася, тому він працює з більшим навантаженням на валу і більшою потужністю, що підводиться, ніж такий же двигун тривалого режиму роботи. Двигун повторно короткочасного режиму роботи також працює з більшим навантаженням на валу, ніж такий же двигун тривалого режиму роботи. Чим менша тривалість увімкнення двигуна, тим більше допустиме навантаженняна його валу.

Для більшості машин (компресори, вентилятори, картоплечистки та ін) застосовуються асинхронні двигуни загального застосування тривалого режиму роботи. Для підйомників, кранів, касових апаратів використовуються двигуни повторно-короткочасного режиму роботи. Двигуни короткочасного режиму роботи використовуються для машин, що використовуються під час ремонтних робіт, наприклад електричних талей та кранів.

у циліндрі працюватиме якась рідина. А від руху поршня, так само як і в паровий машині, за допомогою колінчастого валупочнуть обертатися і маховик, і шків. Таким чином, буде виходити механічна

Значить, потрібно лише по черзі нагрівати та охолоджувати якусь робочу рідину. Для цього і були використані арктичні контрасти: до циліндра трапляється по черзі вода з-під- морського льодуто холодне повітря; температура рідини у циліндрі швидко змінюється, і такий двигун починає працювати. Не важливо, чи будуть температури вище або нижче за нуль, потрібно тільки, щоб між ними була різниця. При цьому, звісно, робоча рідинадля двигуна повинна бути взята така, яка не замерзала б за найнижчої температури.

Вже 1937 р. було сконструйовано двигун, працюючий різниці температур. Конструкція цього двигуна дещо відрізнялася від описаної схеми. Було сконструйовано дві системи труб, одна з яких повинна бути в повітрі, а інша у воді. Робоча рідина в циліндрі автоматично приводиться в контакт то з однією, то з іншою системою труб. Рідина всередині труб і циліндра не стоїть нерухомо: її весь час рухають насосами. Двигун має кілька циліндрів, і вони по черзі трапляються до труб. Всі ці пристрої дозволяють прискорити процес нагрівання і охолодження рідини, а отже, і обертання валу, до якого приєднані штоки поршнів. В результаті виходять такі швидкості, що їх можна передати через редуктор на вал електричного генератора і, таким чином, переробити теплову енергію, отриману від різниці температур, електричну енергію.

Перший двигун, що працює на різниці температур, вдалося сконструювати тільки для порівняно великих перепадів температури близько 50°. Це була невелика -танція потужністю 100 кіловат, що працювала

на різниці температур повітря та води з гарячих джерел, які є подекуди на Півночі.

На цій установці вдалося перевірити конструкцію різнотемпературного Двигуна і, найголовніше, вдалося накопичити досвідчений матеріал. Потім був побудований двигун, який використовує менші температурні перепади – між водою моря та холодним арктичним повітрям. Будівля різнотемпературних станцій стала можливою повсюдно.

Дещо пізніше було сконструйовано ще інше різнотемпературне джерело електричної енергії. Але це був уже не механічний двигун, а установка, що діє подібно до величезного гальванічного елементу.

Як відомо, у гальванічних елементах відбувається хімічна реакція, внаслідок якої виходить електрична енергія. Багато хімічні реакціїпов'язані або з виділенням або з поглинанням тепла. Можна підібрати такі електроди та електроліт, що жодної реакції не буде, поки температура елементів залишається незмінною. Але варто лише підігріти, як вони почнуть давати струм. І тут немає значення абсолютна температура; важливо тільки, щоб температура електроліту почала підвищуватися щодо температури повітря, що оточує установку.

Таким чином, і в цьому випадку, якщо таку установку помістити в холодному, арктичному повітрі та підводити до неї «теплу» морську воду, буде отримуватись електрична енергія.

Різностно-температурні установки були вже досить поширені в Арктиці 50-х років. Вони були досить потужними станціями.

Встановлювалися ці станції на Т-подібному молу, що глибоко вдається в морську затоку, Таке розташування станції скорочує трубопроводи, що зв'язують робочу рідину різницево-темнературної установки з водою моря. Для хорошої роботи установки потрібна значна глибина затоки. Поблизу станції повинні бути великі маси води, щоб при охолодженні її внаслідок віддачі тепла двигуну не відбувалося замерзання.

Різностно-температурна електростанція

Електростанція, що використовує різницю температур між водою і повітрям, встановлюється на іолу, що глибоко врізається в затоку. На даху будівлі електростанції видно циліндричні повітряні радіатори. Від повітряних радіаторів йдуть труби, по яких до кожного двигуна подається робоча рідина. Від двигуна вниз також йдуть труби - до водяного радіатора, зануреного в море (на малюнку не показаний). "генераторами через редуктори (на малюнку вони видно на розкритій частині будівлі, посередині між бвигателем ^а генератором), в яких за допомогою" черв'ячної передачізбільшується кількість оборотів. Від генератора електрична енергія йде до трансформаторів, що підвищують напругу (трансформа/пори знаходяться у лівій частині)

будівлі, не розкритої на малюнку), а від трансформаторів - до розподільних щитів (верхній поверх на передньому плані) і потім у лінію передачі. Частина електроенергії йде до величезних нагрівальних елементів, занурених у море (на малюнку їх не видно). Ці л створюють порт, що незамерзає.

У циліндрі двигуна з деякою періодичністю здійснюються термодинамічні цикли, які супроводжуються безперервною зміною термодинамічних параметрів робочого тіла – тиску, об'єму, температури. Енергія згоряння палива при зміні обсягу перетворюється на механічну роботу. Умовою перетворення теплоти на механічну роботу є послідовність тактів. До цих тактів у двигуні внутрішнього згоряннявідносяться впуск (наповнення) циліндрів горючою сумішшю або повітрям, стиснення, згоряння, розширення та випуск. Обміном, що змінюється, є об'єм циліндра, який збільшується (зменшується) при поступальному русі поршня. Збільшення обсягу відбувається внаслідок розширення продуктів при згорянні горючої суміші, зменшення – при стисканні нового заряду паливної суміші чи повітря. Сили тиску газів на стінки циліндра та на поршень при такті розширення перетворюються на механічну роботу.

Акумульована в паливі енергія перетворюється на теплову енергію при скоєнні термодинамічних циклів, передається стінкам циліндрів шляхом теплового та світлового випромінювання, радіацією та від стінок циліндрів - охолоджуючої рідини та масі двигуна шляхом теплопровідності та в навколишній простір від поверхонь двигуна вільної та вимушеної

конвекцією. У двигуні присутні всі види передачі теплоти, що свідчить про складність процесів, що відбуваються.

Використання теплоти в двигуні характеризується ККД, що менше теплоти згоряння палива віддається у систему охолодження й у масу двигуна, то більше вписується роботи і вище ККД.

Робочий цикл двигуна здійснюється за два чи чотири такти. Основними процесами кожного робочого циклу є такти впуску, стискування, робочого ходу та випуску. Введення в робочий процес двигунів такту стиснення дозволило максимально зменшити охолодну поверхню і одіовремепіо підвищити тиск згоряння палива. Продукти горіння розширюються відповідно до стиснення горючої суміші. Такий процес дозволяє скоротити теплові втрати у стінки циліндрів та з випускними газами, збільшити тиск газів на поршень, що значно підвищує потужнісні та економічні показники двигуна.

Реальні теплові процеси у двигуні істотно відрізняються від теоретичних, заснованих на законах термодинаміки. Теоретичний термодинамічний цикл є замкнутим, обов'язкова умова його здійснення – передача теплоти холодному тілу. Відповідно до другого закону термодинаміки та в теоретичній тепловій машині повністю перетворити теплову енергію на механічну неможливо. У дизелях, циліндри яких заповнюються свіжим зарядом повітря і мають високі ступеня стиснення, температура горючої суміші в кінці такту впуску становить 310...350 К, що пояснюється відносно невеликою кількістю залишкових газів, в бензинових двигунах температура впуску в кінці такту становить 340. .400 До. Тепловий баланс горючої суміші при такті впуску можна подати у вигляді

де?) р т – кількість теплоти робочого тіла на початку такту впуску; Ос.ц - кількість теплоти, що надійшло робоче тіло при контакті з нагрітими поверхнями впускного тракту і циліндра; Qo г – кількість теплоти в залишкових газах.

З рівняння теплового балансу можна визначити температуру наприкінці такту впуску. Приймемо масове значення кількості свіжого заряду т з з,залишкових газів - т о гПри відомій теплоємності свіжого заряду з Р,залишкових газів с" рта робочої суміші з ррівняння (2.34) подається у вигляді

де Т сз – температура свіжого заряду перед впуском; А Т сз- Підігрів свіжого заряду при впуску його в циліндр; Т г- Температура залишкових газів в кінці випуску. Можливо з достатньою точністю вважати, що с" р = з рі с" р - с,з р,де с; - поправочний коефіцієнт, що залежить від Т сзта складу суміші. При а = 1,8 та дизельному паливі

При вирішенні рівняння (2.35) щодо Т апозначимо ставлення

Формула для визначення температури в циліндрі при впускі має вигляд

Ця формула справедлива як для чотиритактних, так і для двотактних двигунів, Для двигунів з турбонаддувом температура в кінці впуску розраховується за формулою (2.36) за умови, що q = 1. Ухвалена умова не вносить великих похибок до розрахунку. Значення параметрів наприкінці такту впуску, визначені експериментально на номінальному режимі, представлені у табл. 2.2.

Таблиця 2.2

При такті впуску клапан в дизелі відкривається на 20...30° до приходу поршня в ВМТ і закривається після проходження НМТ на 40...60°. Тривалість відкриття впускного клапана становить 240...290°. Температура в циліндрі наприкінці попереднього такту - випуску дорівнює Т г= 600...900 К. Заряд повітря, що має температуру значно нижче, змішується з залишковими газами, що знаходяться в циліндрі, що знижує температуру в циліндрі в кінці впуску до Т а = 310...350 К. Перепад температур у циліндрі між тактами випуску та впуску дорівнює АТ а. г = Т а - Т р.Оскільки Т аАТ а. т = 290 ... 550 °.

Швидкість зміни температури в циліндрі в одиницю часу за такт дорівнює:

Для дизеля швидкість зміни температури при такті впуску при п е= 2400 хв -1 і фа = 260 ° складає з д = (2,9 ... 3,9) 10 4 град / с. Таким чином, температура в кінці такту впуску в циліндрі визначається масою та температурою залишкових газів після такту випуску та нагріванням свіжого заряду від деталей двигуна. Графіки функції co rt =/(Д е) такту впуску для дизелів та бензинових двигунів, представлені на рис. 2.13 і 2.14, свідчать про значно більшу швидкість зміни температури в циліндрі бензинового двигуна в порівнянні з дизелем і, отже, більшу інтенсивність теплового потоку від робочого тіла та її зростання зі збільшенням частоти обертання колінчастого валу. Середньостатистичне розрахункове значення швидкості зміни температури при такті впуску дизеля в межах частоти обертання колінчастого валу 1500...2500 хв -1 дорівнює = 2,3 10 4 ± 0,18 град/с, а у бензинового

двигуна в межах частоти обертання 2000 ... 6000 хв -1 - з I = 4,38 10 4 ± 0,16 град / с. При такті впуску температура робочого тіла приблизно дорівнює робочій температурі рідини, що охолоджує,

Мал. 2.13.

Мал. 2.14.

теплота стінок циліндра витрачається на нагрівання робочого тіла і не істотно впливає на температуру охолоджуючої рідини системи охолодження.

При такті стисненнявідбуваються досить складні процеси теплообміну усередині циліндра. На початку такту стиснення температура заряду паливної суміші менша за температуру поверхонь стінок циліндра і заряд нагрівається, продовжуючи віднімати теплоту від стінок циліндра. Механічна робота стиснення супроводжується поглинанням теплоти із зовнішнього середовища. У певний (нескінченно малий) проміжок часу температури поверхні циліндра та заряду суміші вирівнюються, внаслідок чого теплообмін між ними припиняється. При подальшому стисканні температура заряду горючої суміші перевищує температуру поверхонь стінок циліндра і тепловий потік змінює напрямок, тобто. теплота надходить до стінок циліндра. Загальна віддача теплоти від заряду горючої суміші незначна, вона становить близько 1,0...1,5 % кількості теплоти, що надходить з паливом.

Температура робочого тіла в кінці впуску та його ж температура в кінці стиснення пов'язані між собою рівнянням політропи стиснення:

де 8 – ступінь стиснення; п л -показник політроп.

Температура в кінці такту стиснення по загальному правилурозраховується за середнім постійним для всього процесу значенням показника політропи щ.В окремому випадку показник політропи розраховується за балансом теплоти в процесі стиснення у вигляді

де і зі і" -внутрішня енергія 1 км свіжого заряду; і аі і" -внутрішня енергія 1 кмоль залишкових газів.

Спільне рішення рівнянь (2.37) та (2.39) при відомому значенні температури Т адозволяє визначити показник політропи щ.На показник політропи впливає інтенсивність охолодження циліндра. При низьких температурах охолоджуючої рідини температура поверхні циліндра нижче, отже, і п лбуде менше.

Значення параметрів кінця такту стиснення наведено у табл. 2.3.

Таблиця23

При такті стиснення впускний та випускний клапани закриті, поршень переміщається до ВМТ. Час здійснення такту стиснення у дизелів при частоті обертання 1500...2400 хв -1 становить 1,49 1СГ 2 ...9,31 КГ 3 с, що відповідає повороту колінчастого валу на кут ф (. = 134 °, у бензинових двигунів при частоті обертання 2400 ... 5600 хв -1 і сер = 116 ° - (3,45 ... 8,06) 1 (Г 4 с. Перепад температур робочого тіла в циліндрі між тактами стиснення і впуску АТ з _ а = Т с - Т ау дизелів знаходиться в межах 390...550 °С, у бензинових двигунів - 280...370 °С.

Швидкість зміни температури в циліндрі за такт стиснення дорівнює:

і для дизелів при частоті обертання 1500...2500 хв -1 швидкість зміни температури становить (3,3...5,5) 10 4 град/с, бензинових двигунів при частоті обертання 2000...6000 хв -1 - ( 3,2 ... 9,5) х х 10 4 град / с. Тепловий потік при такті стиску направлений від робочого тіла в циліндрі до стінок і в охолоджувальну рідину. Графіки функції зі = f(n e) для дизелів та бензинових двигунів представлені на рис. 2.13 та 2.14. З них випливає, що швидкість зміни температури робочого тіла у дизелів порівняно з бензиновими двигунами за однієї частоти обертання вище.

Процеси теплообміну при такті стиснення обумовлюються перепадом температур між поверхнею циліндра і зарядом горючої суміші, відносно невеликою поверхнею циліндра в кінці такту, масою горючої суміші та обмежено коротким проміжком часу, при якому відбувається теплопередача від горючої суміші до поверхні циліндра. Передбачається, що такт стиснення істотно не впливає на температурний режим системи охолодження.

Такт розширенняє єдиним тактом робочого циклу двигуна, у якому відбувається корисна механічна робота. Цьому такту передує процес згоряння горючої суміші. Результатом згоряння є підвищення внутрішньої енергії робочого тіла, що перетворюється на роботу розширення.

Процес згоряння є комплексом фізичних та хімічних явищ окислення палива з інтенсивним виділенням

теплоти. Для рідких вуглеводневих палив (бензин, дизельне паливо) процес згоряння є хімічні реакції сполуки вуглецю і водню з киснем повітря. Теплота згоряння заряду горючої суміші витрачається на нагрівання робочого тіла, вчинення механічної роботи. Частина теплоти від робочого тіла через стінки циліндрів та головку нагріває блок-картер та інші деталі двигуна, а також охолоджувальну рідину. Термодинамічний процес реального робочого процесу з урахуванням втрат теплоти згоряння палива, що враховують неповноту згоряння, тепловіддачу стінки циліндрів та інше, вкрай складний. У дизелях і бензинових двигунах процес згоряння відрізняється і має особливості. У дизелях згоряння відбувається з різною інтенсивністю в залежності від ходу поршня: спочатку інтенсивно, а потім уповільнено. У бензинових двигунах згоряння відбувається миттєво, прийнято вважати, що воно відбувається при постійному обсязі.

Для обліку теплоти за складовими втрат, у тому числі тепловіддачі в стінки циліндрів, вводиться коефіцієнт використання теплоти згоряння Коефіцієнт використання теплоти визначається експериментально, для дизелів = 0,70...0,85 і бензинових двигунів?, = 0,85...0,90 з рівняння стану газів на початку та наприкінці розширення:

де – ступінь попереднього розширення.

Для дизелів

тоді

Для бензинових двигунів тоді

Значення параметрів у процесі згоряння та в кінці такту розширення для двигунів )