К вопросу о танковых двигателях. Часть 1

Немаловажно и полезно разобраться теперь и с термодинамическими циклами ДВС.

Карбюраторные двигатели, а также двигатели газогенераторные, газобаллонные и с впрыском легкого топлива работают по циклу, в котором горючая смесь, вошедшая в цилиндр во время впуска, сжимается, поджигается искрой и быстро сгорает в момент нахождения поршня около ВМТ, т. е. при почти неизменяемом объеме.

По  циклу  с подводом теплоты при постоянном давлении работают стационарные и судовые компрессорные двигатели с воспламенением от сжатия или компрессорные дизели.

В дизели в процессе впуска поступает воздух, давление и температура которого повышаются в процессе сжатия. Вследствие применения в дизелях высоких степеней сжатия (от 14 до 20) давление конца сжатия приближается к 3–4 МПа и соответствующая температура значительно превышает температуру самовоспламенения топлива. Топливо впрыскивается в конце сжатия через форсунку, мелко распыляется и, приходя в соприкосновение с сильно нагретым воздухом, начинает гореть.

В этих двигателях для обеспечения хорошего распыливания топлива используют сжатый воздух с давлением около 6 МПа, получаемый в специальных компрессорах, включенных в конструктивную схему двигателя. Насос подает топливо в форсунку, в которую из компрессора подводится сжатый воздух, и в нужный момент внутренняя полость форсунки сообщается с цилиндром, куда поступает смесь распыляющего воздуха и топлива.

Ввиду постепенной подачи топлива через форсунку нельзя получить резкого повышения давления при сгорании, как в цикле с сообщением теплоты при V = const, где все топливо перед сгоранием находится в цилиндре. В двигателях, работающих по циклу с подводом теплоты при P = const, топливо горит постепенно по мере его поступления в цилиндр, в результате чего процесс сгорания происходит при перемещающемся поршне, при почти постоянном давлении.

Цикл двигателей с подводом тепла при постоянном объеме и постоянном давлении (смешанный цикл)

Современные двигатели БТТ работают по смешанному циклу на дизельном топливе. Для самовоспламенения впрыскиваемого топлива степень сжатия должна быть не ниже 14.

 В смешанном цикле повышение степени сжатия улучшает экономические и мощностные показатели. Однако по мере увеличения степени сжатия прирост использования теплоты постепенно замедляется и после значений степени сжатия 10–12 становится малоощутимым. В дизельных двигателях значении степени сжатия больше 15 объясняются желанием облегчить пуск холодных двигателей. При повышении степени сжатия растет температура конца сжатия, что обеспечивает самовоспламенение топлива даже при низких температурах стенок цилиндра и засасываемого воздуха. Сгорание топлива в двигателе обычно происходит при некотором недостатке или некотором избытке воздуха по сравнению с теоретически необходимым количеством.

Процесс сгорания сопровождается тепловыми потерями. Часть тепла в процессе сгорания передается в охлаждающую среду через стенки цилиндра. Часть топлива проникает в картер через неплотности поршневых колец. Из-за недостатка времени и несовершенства смесеобразования часть топлива не успевает сгореть и догорает во время расширения. В то же время под влиянием высоких температур происходит расщепление молекул Н₂О и CO₂ продуктов сгорания, расщеплению сопутствует поглощение тепла.

Коэффициентом использования тепла называется часть теплотворной способности топлива, которая действительно используется для повышения энергии газов при сгорании. Коэффициент использования тепла всегда меньше единицы. Он тем выше, чем совершеннее смесеобразование, выше скорость распространения пламени, короче промежуток времени, затрачиваемый на сгорание. Коэффициент использования тепла, в зависимости от режима работы двигателя, изменяется в карбюраторных двигателях в пределах 0.85–0.95, в дизельных от 0.7 до 0.9.

Давление и температура остаточных газов в начале впуска зависит главным образом от проходного сечения и коэффициента сопротивления выпускной системы, а также от числа оборотов двигателя. С увеличением числа оборотов давление остаточных газов возрастает. Это объясняется тем, что с увеличением оборотов продолжительность процесса выпуска сокращается, а скорость газов в выпускной системе увеличивается. С увеличением сопротивления выпускной системы давление остаточных газов возрастает, наполнение цилиндров ухудшается и мощность двигателя понижается. Меньшие значения относятся к малым и средним оборотам, большие – к оборотам двигателя, соответствующим максимальной мощности. При установке глушителя давление остаточных газов возрастает.

Температура остаточных газов в начале впуска зависит главным образом от состава смеси и числа оборотов двигателя. С увеличением числа оборотов температура остаточных газов возрастает. Происходит это в основном вследствие ухудшения охлаждения продуктов сгорания из-за сокращения продолжительности цикла. По опытным данным, температура остаточных газов T_r в начале впуска при оборотах двигателя, соответствующих максимальной мощности, находится в следующих пределах: у карбюраторных двигателей 900–1200 К, у дизельных двигателей 600–800 К.

Действительное количество свежего заряда, поступившего в цилиндр двигателя за период впуска, значительно меньше теоретически возможного количества, которое могло бы заполнить рабочий объем цилиндра. Качество газообмена оценивается не абсолютным, а относительным количеством свежего заряда, поступившего в цилиндр при впуске. Отношение количества свежего заряда, поступившего в цилиндр за один цикл, к количеству, который имел бы заряд, заполняющий рабочий объем цилиндра при давлении и температуре на входе в систему впуска (Р_о, Т_о), называется коэффициентом наполнения.

У карбюраторных двигателей количество топлива, содержащегося в заряде, по сравнению с количеством воздуха сравнительно невелико. Поэтому коэффициент наполнения часто определяют по отношению количеств воздуха. Ошибка при этом не превышает 1–2%. У карбюраторных и дизельных двигателей, работающих без наддува, параметры свежего заряда при поступлении его в систему впуска совпадают с параметрами окружающей среды (при расчетах двигателей без наддува принимают Р_о = 0.101 МПа; Т₀ =273 +15 = 288 К).

Коэффициент наполнения зависит главным образом от давления и температуры газов в конце впуска, числа оборотов и нагрузки двигателя . С понижением давления и повышением температуры заряда коэффициент наполнения резко уменьшается. С увеличением числа оборотов двигателя коэффициент наполнения из-за сокращения продолжительности впуска понижается. Коэффициент наполнения дизельных двигателей выше, чем карбюраторных, т. к. впускная система у первых конструктивно более проста, а подогрев свежего заряда менее интенсивен. Коэффициент наполнения карбюраторных двигателей при работе с полной нагрузкой находится в зависимости от числа оборотов в пределах 0.65–0.85, дизельных двигателей 0.7–0.9. При работе двигателя с наддувом коэффициент наполнения значительно повышается.

Из этого следует, что коэффициент остаточных газов уменьшается при повышении степени сжатия, повышении коэффициента наполнения, увеличении температуры и понижении давления остаточных газов. На коэффициент остаточных газов оказывают влияние число оборотов и нагрузка двигателя. С увеличением числа оборотов и уменьшением нагрузки коэффициент остаточных газов возрастает. Коэффициент остаточных газов при полной нагрузке двигателя колеблется в пределах: для карбюраторных двигателей от 0.06 до 0.18, для дизельных – от 0.02 до 0.06.

Температура свежего заряда на входе в цилиндр зависит от температуры окружающей среды Т₀ и приращения температуры  вследствие подогрева заряда от соприкосновения с горячими стенками впускного тракта (впускной коллектор и клапанные каналы). Температура свежего заряда различных двигателей неодинакова. Для улучшения испаряемости топлива у карбюраторных двигателей применяется подогрев горючей смеси. Приращение температуры заряда  характеризуется следующими данными:

• карбюраторные двигатели, работающие на бензине 10–45 °С;
• дизельные двигатели 10–25 °С.

 С изменением условий окружающей среды, интенсивности подогрева, сопротивления впускного и выпускного трактов температура газов в конце впуска заметно изменяется. Значительно изменяется она также в зависимости от нагрузки и числа оборотов двигателя. При изменении числа оборотов температура в конце впуска находится в следующих пределах: в карбюраторных двигателях 340–400 К, в дизельных 310–360 К.

Сжатие и сгорание.
Процесс сжатия происходит при закрытых впускном и выпускном клапанах и служит для увеличения температурного перепада цикла и степени расширения продуктов сгорания топлива. Это создает благоприятные условия для воспламенения и сгорания рабочей смеси и обеспечивает эффективное преобразование теплоты в механическую работу. В теоретическом цикле предполагается, что линия сжатия представляет собой адиабату с переменным показателем. В действительном цикле процесс сжатия протекает сложнее. Он характерен непрерывным изменением температуры заряда и наличием теплообмена между газами и стенками цилиндра, т. е. является политропным.

В начале сжатия, до момента, пока не сравняется температура газов и стенок цилиндра, газы нагреваются. При этом показатель политропы сжатия повышается. В последующий период за счет более высокой температуры газов происходит переход тепла от газов к стенкам цилиндра. Это вызывает понижение показателя политропы сжатия. Таким образом, за период сжатия между газами и стенками цилиндра происходит теплообмен, различный не только по величине, но и по знаку. При расчетах, с некоторым приближением, принято считать показатель политропы сжатия постоянным и равным среднему показателю п₁.

Величина показателя политропы сжатия зависит от частоты вращения коленчатого вала, степени сжатия, интенсивности охлаждения цилиндров, нагрузки на двигатель, степени износа цилиндропоршневой группы двигателя. С повышением частоты вращения коленчатого вала и степени сжатия показатель поли-тропы сжатия п₁ увеличивается. При интенсивном охлаждении цилиндров, увеличении зазоров между поршневыми кольцами и цилиндрами вследствие их износа валичина п₁ уменьшается.

Данные, полученные при испытаниях двигателей, показывают, что средний показатель п₁, в зависимости от числа оборотов, изменяется в следующих пределах: у карбюраторных двигателей 1.30–1.40; у дизельных 1.20–1.35. В карбюраторных двигателях температура газов в конце сжатия находится в пределах 500–700 К, в дизельных двигателях 750–950 К. В карбюраторных двигателях температура газов в конце сжатия во избежание детонационного сгорания не должна превышать температуру самовоспламенения топлива. В дизельных двигателях для улучшения процесса сгорания температура газов в конце сжатия должна на 300–400 °С превышать температуру самовоспламенения впрыскиваемого топлива.

Теперь, определившись с минимальным пониманием ПОЧЕМУ ОНИ КРУТЯТСЯ, постараюсь перейти к более обобщенным выводам.

Двухтактные двигатели обладают по сравнению с четырехтактными следующими преимуществами:

• Мощность двухтактных двигателей при прочих равных условиях значительно выше мощности четырехтактных двигателей. Теоретическая мощность двухтактного двигателя должна в два раза превышать мощность четырехтактного двигателя, так как рабочий цикл двухтактного двигателя совершается не за два, а за один оборот коленчатого вала. Однако из-за уноса части горючей смеси вместе с продуктами сгорания и несовершенной очистки цилиндров фактическое увеличение мощности составляет только 50 – 70% .
• Двухтактные двигатели обеспечивают большую равномерность хода, так как каждый рабочий ход у них совершается за один оборот вала.
• Двухтактные двигатели имеют меньшие габариты и вес.

Основные недостатки двухтактных двигателей по сравнению с четырехтактными заключаются в следующем:

• Неизбежные потери топлива в период продувки (очистки) цилиндров резко ухудшают экономичность и КПД двигателя. Эти потери топлива наиболее значительны у карбюраторных двигателей с кривошипно-камерной продувкой, что в значительной мере и ограничивает сферу их применения.
• Двухтактные двигатели в процессе работы отличаются большей тепловой напряженностью деталей кривошипно-шатунного механизма, что является следствием удвоенной частоты рабочих ходов; в более напряженных условиях работает и топливоподающая аппаратура (дизельные двигатели).

Указанные недостатки в значительной мере уменьшаются у двухтактных дизельных двигателей с прямоточно-клапанной продувкой при помощи нагнетателя. Это объясняется тем, что по сравнению с кривошипно-камерной продувкой при прямоточно-клапанной продувке происходит в основном замещение отработавших газов свежим зарядом (продувочный воздух), при этом перемешивание отработавших газов и воздуха незначительно и достигается хорошая очистка цилиндров от продуктов сгорания. Потери топлива в процессе прямоточно-клапанной продувки практически исключаются, экономичность двигателя значительно возрастает, днище поршня и выпускные клапаны в конце продувки охлаждаются воздухом, что снижает их температуру.

Однако двухтактные дизельные двигатели с прямоточно-клапанной продувкой при помощи нагнетателя довольно сложны по конструкции и недостаточно долговечны. Двигатель с бесклапанной продувкой (в том числе с петлевой) прост по конструкции, так как не имеет клапанного механизма. Нагнетатель двигателя работает при невысоком давлении продувочного воздуха и поэтому не требует значительных затрат мощности на привод. Его экономичность находится в близком соответствии с экономичностью современных четырехтактных дизелей, но среднее эффективное давление меньше (до 0.5 МПа), а габариты и вес значительно больше.

Литровой мощностью двигателя называется эффективная мощность двигателя, отнесенная к его литражу: повышение литровой мощности достижимо путем увеличения среднего эффективного давления, числа оборотов. Чем больше литровая мощность, тем меньше (при прочих равных условиях) габариты и вес двигателя. Литровая мощность дает возможность сравнивать степень использования рабочего объема двигателей, развивающих одинаковое число оборотов.

Удельной поршневой мощностью двигателя называется эффективная мощность двигателя, отнесенная в сумме площадей поршня двигателя:

Удельная поршневая мощность характеризует общую напряженность двигателя.

Коэффициентом форсировки называется произведение средней скорости поршня на среднее эффективное давление.

Коэффициент форсировки показывает два пути повышения мощности двигателя:

1. Применение наддува с увеличением цикловой подачи топлива и соответствующим возрастанием P_e;
2. Увеличение частоты вращения двигателя и возрастанием скорости поршня ?_ср.

Сухим весом двигателя G_Д называют вес двигателя без воды и масла, без коробки передач, муфты сцепления, радиатора и без агрегатов, не имеющих непосредственного отношения к двигателю, но с вентилятором, генератором и воздухоочистителем.
Литровым весом двигателя называется сухой вес двигателя, приходящийся на единицу литража: Литровой вес дает возможность судить о степени совершенства конструкции и технологии изготовления двигателя.
Удельным весом двигателя называется сухой вес двигателя, приходящийся на единицу эффективной мощности:

Главное достоинство турбированных двигателей – большая, чем у моторов без наддува, мощность (при одинаковых объеме цилиндров, габаритных размерах и весе). Прирост мощности, обеспечиваемый турбонаддувом, составляет 25 – 80%. Например, мощность бензинового ДВС объемом 1,8 л при установке наддува низкого давления можно увеличить со 110 до 150 л. с. Установка турбины высокого давления позволяет увеличить мощность того же двигателя до 180 – 210 л. с.

Для получения максимального крутящего момента на определенных режимах работы мотора – на средних или высоких оборотах – ЭБУ турбонаддува можно перепрограммировать. Кроме того, системы наддува позволяют эксплуатировать двигатель с сохранением мощности в условиях разреженного воздуха высокогорья. Они способствуют уменьшению токсичности отработавших газов (вследствие более полного сгорания топлива) и снижению уровня шума, так как турбокомпрессор играет роль дополнительного глушителя в выпускной системе. Вместе с тем, системам с турбонаддувом присущи и недостатки. Они очень сложны в изготовлении и ремонте. Стоят они дорого.

Системы с турбонаддувом имеют высокую скорость вращения турбин (110 – 210 тыс. об/мин), вследствие чего требуют применения специальных сортов моторных масел и строгого соблюдения рекомендуемых изготовителем сроков их замены. Необходимо следить и за исправностью воздушного фильтра – поддерживать его чистоту и целостность. Кроме того, в работе систем с турбинами низкого давления может присутствовать эффект «турбоямы» – «провалы» мощности на низких и средних оборотах двигателя.

Турбированные моторы более «прожорливы» – за дополнительную мощность приходится «платить» увеличенным на 20 – 50% расходом топлива (по сравнению с атмосферным мотором равного объема). Еще один недостаток системы с турбонаддувом – чувствительность к износу поршневой группы двигателя, вследствие которого увеличивается давление картерных газов, что снижает ресурс турбины. При неоправданно длительной работе изношенного мотора на холостых оборотах из-за снижения давления масла наступает масляное «голодание», что ведет к поломке турбокомпрессора.

Одним из главнейших факторов, определяющих динамику процесса сгорания, является кинетика процесса сгорания или скорость сгорания. Кинетический закон сгорания характеризуется уравнением выгорания топлива в двигателях x=F(f), характеризующим изменение доли сгоревшего заряда x во времени (то есть функцию тепловыделения).

На современном этапе моторостроения у бензиновых и дизельных моторов появилось очень много общего. Например, топливо впрыскивается непосредственно в цилиндры, дозировка – несколькими порциями, оба оснащены катализаторами и лямбда-зондами, топливоподачей управляет электроника, обрабатывая данные одних и тех же датчиков, и т. д. Но тем не менее работают они по-разному.

Способы образования и воспламенения топливо-воздушной смеси – главные отличия бензинового и дизельного двигателей. В бензиновом топливо-воздушная смесь воспламеняется в определенный момент от искрового разряда. В дизеле в цилиндр попадает чистый воздух, который за счет большой степени сжатия (20:1) разогревается до 750°С. Дизтопливо впрыскивается под высоким давлением в камеру сгорания при подходе поршня к верхней мертвой точке. А так как в этом положении воздух уже сильно разогрет, после смешивания с ним происходит воспламенение топлива. Более высокая экономичность дизельного двигателя (в среднем на 30%) по сравнению с бензиновым обусловлена более высоким КПД дизеля (у дизеля – 35–45%, у бензинового – 25–35%).

Соответственно, практические методы повышения мощности двигателя:
1 Увеличение рабочего объема двигателя.
2 Увеличение степени сжатия.
3 Уменьшение механических потерь.
4 Оптимизация процессов горения смеси.
5 Увеличение наполнения цилиндров.

Так что я имею полное право заявить, что шумные пиар-акции производителей, по поводу очередного «шедевра высоких технологий», вызывают саркастическую усмешку - вот уж воистину: «Всё новое, это хорошо забытое старое!» Ну, а подробный обзор уже давненько известных конструкций перспективных ДВС, их путей развития и т.д. постараюсь разобрать в Части 2.

 Список литературы, использованной для Части 1:

1. Вырубов Д. Н. и др. Двигатели внутреннего сгорания: теория поршневых и комбинированных двигателей. М.: Машиностроение, 1983.
2. Лесные машины: Учебник для вызов /под ред. д-ра техн. наук проф. Г. М. Анисимова. М.: Лесн. пром-сть, 1989.
3. Гольдберг А. М., Галямичев В. А. Тепловой расчет четырехтактного двигателя: Методич. указ. для студентов лесомеханического факультета спец. 0519. Л., 1985.
4. Васильев В. Н., Куликов М. И., Фрейндлинг А.Ф. Тяговые расчеты лесных машин с использованием ЭВМ: Учебн. пособие. Петрозаводск, 1988.
5. Автомобильные и тракторные двигатели. (Теория, системы питания, конструкции и расчет)/ Под ред. И. М. Ленина. Учебник для вузов по специальности “Автомобили и тракторы”. М.: Высш. шк., 1969.
6. Конструкция и расчет автотракторных двигателей. Учебник для высших технических учебных заведений/ под ред. проф. Ю. А. Степанова.. М.: Машгиз, 1957.
7. Автомобильные и тракторные двигатели.: В 2 ч. Конструкция и расчет двигателей/ под ред. И. М. Ленина. Учебник для вузов. 2-е изд., доп. и перераб. М.: Высш. шк., 1976.
8. Двигатели внутреннего сгорания: Устройство и работа поршневых и комбинированных двигателей./ Учебник для студентов вузов/ под ред. А. С. Орлина, М. Г. Круглова.3-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение, 1980.
9. Архангельский В. М. Автомобильные двигатели. М.: Машиностроение, 1973.
10. Колчин А. И., Демидов В. П. Расчет автомобильных и тракторных двигателей. М.: Высш. шк., 1971.
11. Двигатели внутреннего сгорания. Под ред. д-ра техн. наук, проф. В.Н.Луканина. М.: Высш. школа, 1985.
12. Хачиян А.С. и др. Двигатели внутреннего сгорания. М.: Высш. шк., 1985.

 С уважением, Е.Митьков