Capitolul 7 - Funcționarea motorului cu ardere internă

Cerințele pentru motoarele cu ardere internă sunt foarte complexe, necesitând adesea cerințe contradictorii din partea dezvoltatorilor. Mecatronica joacă un rol foarte important în aceste direcții de dezvoltare. Materialul dezvoltat aici introduce cititorul în funcționarea motoarelor cu ardere internă, elementele și funcționarea sistemelor care le controlează. De asemenea, pune accent pe prezentarea cauzei și efectului. Desigur, doar un rezumat „scurt” ar putea fi făcut în cadrul dat, dar la sfârșitul fiecărui capitol au fost indicate resurse, care pot fi utilizate pentru a extinde în continuare cunoștințele.

7.1. Motoare de combustie internă

Un motor cu ardere internă este o mașină în care energia chimică este transformată în căldură prin ardere, care este transformată în lucru mecanic de un mediu de lucru gazos. În acest proces, energia apare în primul rând potențial sub formă de presiune.

În zilele noastre, motoarele cu piston au aproape monopol între motoarele cu ardere internă. Numele de bază și denumirile utilizate pentru acestea sunt date la 7.1. Figura.

Factorii care influențează în mod fundamental proiectarea motoarelor sunt fluxul de lucru și proiectarea. Determinarea din punct de vedere al procesului de lucru:

principiul de funcționare al motorului

introducerea încărcăturii proaspete (aer sau amestec) în cilindru

natura combustibilului

locul de formare a amestecului

proiectarea camerei de ardere

Relevant pentru construcție:

dispunerea cilindrilor

controlul procesului de schimb de gaze

Conform principiului de funcționare, distingem între patru timpi (aspirație, compresie, expansiune, evacuare) și doi timpi (aspirație + compresie, expansiune + evacuare) și alte sisteme de ex. Ciclul Atkinson, Wankel etc. Un motor în patru timpi necesită patru timpi pentru întregul flux de lucru, în timp ce un motor în doi timpi necesită două timpi. Sarcina proaspătă poate intra în spațiul cilindrului prin aspirație sau umplere. Dacă mediul curge direct din atmosfera exterioară în motor, vorbim despre un motor de aspirație. Dacă mai mult fluid de lucru decât starea atmosferică curge în compartimentul cilindrilor motorului la o creștere a volumului corespunzătoare deplasării pistonului, motorul este încărcat. Un compresor centrifugal și o turbină cu gaz pe un arbore comun sunt cel mai adesea folosite pentru a livra mediul cu densitate mai mare în spațiul cilindrului, caz în care vorbim despre un motor turbocompresor.

Motoarele cu ardere internă pot folosi combustibili lichizi și gazoși - posibil amestecuri ale acestora. Cei mai utilizați combustibili sunt benzina, motorina și diferite gaze. Din motive economice și de mediu, se utilizează și combustibili regenerabili și amestecuri ale acestora cu combustibili convenționali (esteri de ulei vegetal, etanol, DME, biometan etc.).

Formarea amestecului aer-combustibil poate avea loc în afara compartimentului motorului (amestec extern) și în interiorul compartimentului motor (amestec intern). În timp ce amestecul extern este tipic pentru motoarele convenționale pe benzină și pe gaz, motoarele diesel și așa-numitele injectarea directă a motoarelor pe benzină utilizează amestecuri interne.

Arderea combustibilului are loc în principal în camera de combustie (camera de compresie) lângă punctul mort superior. Forma camerei de ardere afectează fundamental intensitatea și cursul combustiei. Camera de combustie poate fi comună cu camera cilindrului (camera de combustie nedivizată). În cazul unei camere de ardere nedivizate, cerințele pentru formarea amestecului sunt mai mari.

Energia necesară pentru aprinderea amestecului combustibil-aer poate fi furnizată de energie externă (de exemplu, scânteie electrică). Acestea sunt așa-numitele. motoare cu aprindere prin scânteie, care după inventatorul lor se mai numesc și motoare Otto. Dacă temperatura amestecului combustibil-aer crește peste temperatura de aprindere în timpul comprimării, amestecul se va aprinde spontan. Acestea sunt motoare cu aprindere prin compresie, denumite popular motoare Diesel.

În funcție de dispunerea cilindrilor distingem: în picioare, culcat, suspendat, stea, W, „boxer”, motoare în V etc. Cele mai frecvente sunt motoarele staționare, sau versiunea sa ușor înclinată sunt motoarele oblice. Cilindrii sunt de obicei plasați unul după altul (motoare în linie), dar pot fi, de asemenea, amplasați unul față de celălalt (de exemplu, motoare în V de 180 de grade sau motoare boxer).

Procesul de schimb de gaze este controlat în principal de supape, există mai multe tipuri bazate pe proiectare. În ceea ce privește amplasarea, poate fi supapă laterală (SV) sau superioară. Controlul deschiderii supapei poate fi sub-controlat (OHV [3]) sau supra-controlat. Acesta din urmă poate fi unul (OHC) sau doi arbori cu came (DOHC). Timpii de deschidere și închidere a comenzii supapei pot fi fixe sau variabile, multe tipuri sunt comune de ex. VVT-i, VANOS, AVS, VTECH etc. Controlul sloturilor (controlul pistonului) a fost utilizat în principal pentru motoarele în doi timpi (tip mai vechi).

Motoarele pot fi răcite prin aer sau apă. Răcirea cu aer este tipică pentru motoarele mai mici, în timp ce motoarele mari folosesc doar apă pentru o răcire mai intensă.

7.2. Circuite, pierderi și eficiența motoarelor cu ardere internă

Energia chimică a combustibilului ars în compartimentul motorului (energia termică introdusă Q) nu poate fi convertită într-o lucrare eficientă W e care poate fi utilizată pe deplin pe arborele motorului din cauza pierderilor care apar. Energia termică introdusă:

Q b e = d t ⋅ H i

Unde d t este doza (masa de combustibil introdusă într-un proces, H i este puterea calorică.

W e = Q b e - V e s z t e s é g e k

Pierderile de motor sunt împărțite în trei grupe principale:

Unele dintre pierderi pot fi bine ilustrate în diagrama p-v a motoarelor. (Figura 7.2)

În ciclul teoretic, compresia este adiabatică (vezi curbele 1-2 din Figura 7.2). Căldura poate fi introdusă la un volum constant (2-3 secțiuni) și/sau la o presiune constantă (3-4 secțiuni). Este denumit în mod obișnuit ciclul Otto, care aproximează introducerea căldurii la volum constant și ciclul Diesel, care aproximează introducerea căldurii la presiune constantă. Expansiunea este adiabatică (curbele 4-5). Pentru a reveni la starea inițială 1 din ciclu, căldura trebuie îndepărtată într-un volum constant (secțiunea 5-1). Pierderea de bază a motorului este cantitatea de căldură extrasă din fluxul de lucru al motorului perfect (flux teoretic de lucru): Qel.

Pierderea de bază se caracterizează prin eficiența termică:

η t = Q b e - Q e l Q b e = W 0 Q b e

Q b e = Q b e 1 + Q b e 2

Eficiența termică depinde în principal de magnitudinea compresiei (ε = V L + V c V c) și numai într-o măsură mai mică de alți parametri (exces de aer, κ, raportul energiei termice introduse la volum constant și presiune constantă). Modificare tipică în 7.3. Figura 1 arată.

Așa cum este descris în secțiunea 7.3. Se poate observa că, la valori mai mici de compresie, se poate realiza o creștere semnificativă a eficienței prin creșterea compresiei. Acesta este motivul pentru motoarele Otto unde valoarea lui ε este de aprox. Acestea variază de la 6 la 12, încercând să crească compresia. În schimb, pentru motoarele diesel, unde ε = 16-24, creșterea compresiei nu mai duce la o creștere semnificativă a eficienței.

Scăderea de presiune din camera de ardere a motorului real - diagrama indicatoare a acestuia - diferă semnificativ de circuitul teoretic din cauza pierderilor interne ale motorului.

7.3. Fluxuri reale de lucru și pierderi interne

Fluxul efectiv de lucru diferă de ciclurile teoretice datorită mai multor factori. Acești factori includ:

Încărcați pierderile de înlocuire

Compresia și expansiunea nu sunt adiabatice

Viteza de combustie finită, transferul de căldură la pereți în timpul arderii și arderea imperfectă

7.3.1. Încărcați pierderile de înlocuire

În timpul procesului de înlocuire a încărcăturii, încărcătura proaspătă se încălzește când cilindrul intră și presiunea acestuia scade din cauza pierderilor de debit (în primul rând rezistența galeriei de admisie și a supapelor). Supapele de admisie se deschid înainte de sfârșitul cursei de evacuare (punctul mort superior) și se închid complet numai după punctul mort inferior. Supapa de evacuare se deschide înainte de sfârșitul expansiunii și presiunea medie scade, dar din cauza pierderilor de debit, presiunea sa rămâne peste presiunea ambientală. Ca urmare a celor de mai sus, în timpul procesului de schimbare a mediului, trebuie lucrat pe mediu, adică se formează o zonă de lucru negativă

O parte din masa aerului de admisie sau a amestecului de aer-combustibil (m lev) părăsește camera de ardere prin sistemul de evacuare ca aer de purjare (m ö) datorită deschiderii supapei împreună. Astfel, umplutura proaspătă:

Cu toate acestea, chiar și sub efectul aerului de purjare, nu poate fi exclus ca gazele de ardere să rămână (m m) în camera de ardere, astfel încât masa sarcinii efective să se formeze (m t):

Prin optimizarea co-deschiderii supapei și a condițiilor de curgere în camera de ardere, este posibil să se mărească gradul de umplere prin intermediul efectului de aspirație al gazelor arse de evacuare. Optimizarea acestui efect dinamic este rezolvată prin controlul variabil al supapei.

Sarcina rezultată este caracterizată de gradul de sarcină (λ t). Acesta este raportul dintre masa sarcinii proaspete reale care intră în cilindru și masa sarcinii proaspete teoretice.

λ t = m v a l ó s m e l m .

Încărcare teoretică nouă:

m e l m = V l ρ 0

Greutatea taxei:

m v a l ó s = p h V l, H R T h = (p 0 - D p) V l, H R (T 0 + D T)

- sarcina teoretică este prin umplerea cilindrului cu un mediu ambiant.

m 0 = p 0 V l, H R T 0

Astfel, gradul de încărcare:

λ t = m v a l ó s m e l m. = p h T 0 p 0 T h

Opțiuni pentru creșterea nivelului de încărcare:

Reducere Dp de ex .:

utilizarea mai multor supape de admisie

rezistență mică a supapei

galerie de admisie rezistență scăzută

Reducerea DT de ex.

conducta de aspirație nu trebuie să fie lângă părțile „fierbinți”

Utilizarea umplerii dinamice (de exemplu, deschiderea co-deschiderii supapei).

Viteza are un efect semnificativ asupra încărcării rezultate și, astfel, asupra gradului de încărcare. La viteze mici, debitele mici nu duc la un debit adecvat. Pe măsură ce viteza crește, acest efect se îmbunătățește, astfel încât nivelul de încărcare crește. Cu toate acestea, pe măsură ce viteza crește, pierderile de debit și sarcina de căldură a motorului cresc, astfel încât încărcătura să se încălzească și nivelul de încărcare să se deterioreze din nou peste o anumită viteză. Acest fenomen afectează curba caracterelor motoarelor.

7.3.2. Compresia și expansiunea nu sunt adiabatice

La începutul compresiei, temperatura medie a încărcăturii proaspete este mai mică decât temperatura peretelui, deci absoarbe căldura din pereți (Figura 7.6). În timpul comprimării, temperatura mediului crește, într-o poziție dată temperatura medie a peretelui și a mediului este aceeași și o așa-numită punct adiabatic. După aceea, temperatura mediului continuă să crească și direcția transferului de căldură se schimbă pe măsură ce mediul degajă căldură în direcția pereților. Transferul de căldură crește în continuare în timpul procesului de ardere și apoi scade în timpul expansiunii. Transferul de căldură în camera de ardere poate fi împărțit în trei tipuri:

Este un element major de transfer de căldură, dependent în mod semnificativ de condițiile de curgere și temperatură. Sunt cunoscute mai multe metode pentru calcul și măsurare.

În timpul procesului de ardere și la începutul expansiunii, căldura emisă sau absorbită în intervalul îngust de lungimi de undă emis de diferitele gaze de ardere este înțeleasă ca transfer de căldură prin radiația gazului.

Emisia continuă de căldură spectrală de la particulele de temperatură ridicată formate în timpul procesului de ardere - flacără iluminatoare - se numește radiație de flacără.