Получение посредством теплоты механической работы. Двигатели внутреннего сгорания

Получение посредством теплоты механической работы

Двигатели внутреннего сгорания В двигателе внутреннего сгорания при работе сгорает не бензин или солярка, а топливовоздушная смесь. Точнее, происходит процесс горения – окисление углеводородов (CH) топлива кислородом (О2) воздуха с выделением тепла. Тепловая энергия расширяющихся продуктов сгорания топливовоздушной смеси преобразуется в механическую работу, заставляющую двигаться транспортное средство.

Двигатели внутреннего сгорания

Двигатели внутреннего сгорания 1. Впуск. В течение этого такта поршень опускается из верхней мёртвой точки (ВМТ) в нижнюю мёртвую точку (НМТ). При этом кулачки распределительного вала открывают впускной клапан, и через этот клапан в цилиндр засасывается свежая топливно-воздушная смесь.

Двигатели внутреннего сгорания 2. Сжатие. Поршень идёт из НМТ в ВМТ, сжимая рабочую смесь. При этом значительно возрастает температура смеси. Отношение рабочего объёма цилиндра в НМТ и объёма камеры сгорания в ВМТ называется степенью сжатия. Степень сжатия — очень важный параметр, обычно, чем она больше, тем больше топливная экономичность двигателя. Однако, для двигателя с большей степенью сжатия требуется топливо с бо́льшим октановым числом, которое дороже.

Двигатели внутреннего сгорания 3. Сгорание и расширение (рабочий ход поршня). Незадолго до конца цикла сжатия топливовоздушная смесь поджигается искрой от свечи зажигания. Во время пути поршня из ВМТ в НМТ топливо сгорает, и под действием тепла сгоревшего топлива рабочая смесь расширяется, толкая поршень.

Двигатели внутреннего сгорания Степень «недоворота» коленчатого вала двигателя до ВМТ при поджигании смеси называется углом опережения зажигания. Опережение зажигания необходимо для того, чтобы основная масса бензовоздушной смеси успела воспламениться к моменту, когда поршень будет находиться в ВМТ (процесс воспламенения является медленным процессом относительно скорости работы поршневых систем современных двигателей).

Двигатели внутреннего сгорания При этом использование энергии сгоревшего топлива будет максимальным. Сгорание топлива занимает практически фиксированное время, поэтому для повышения эффективности двигателя нужно увеличивать угол опережения зажигания при повышении оборотов. В старых двигателях эта регулировка производилась механическим устройством (центробежным и вакуумным регулятором воздействующим на прерыватель). В более современных двигателях для регулировки угла опережения зажигания используют электронику. В этом случае используется датчик положения коленчатого вала, работающий обычно по емкостному принципу.

Двигатели внутреннего сгорания 4. Выпуск. После НМТ рабочего цикла открывается выпускной клапан, и движущийся вверх поршень вытесняет отработанные газы из цилиндра двигателя. При достижении поршнем ВМТ выпускной клапан закрывается и цикл начинается сначала.

Отработавшие газы за счет собственного избыточного давления с критическими скоростями выбрасываются из цилиндра. Истечение газов с такими большими скоростями сопровождается звуковым эффектом, для поглощения которого устанавливают глушители. Критическая скорость истечения отработавших газов при температурах 800 –1200 К составляет 500–600 м/сек.

Двигатели внутреннего сгорания Нормальный процесс сгорания топливного заряда в цилиндре происходит следующим образом. Поршень приближается к верхней мертвой точке, рабочая смесь (пары бензина, воздух и какое-то количество остаточных продуктов горения) сжата. В нужный момент между электродами свечи проскакивает искра, и здесь образуется первичный очаг воспламенения объемом несколько кубических миллиметров, энергия которого складывается из энергии искры и энергии сгоревшего в этой зоне топлива.

Двигатели внутреннего сгорания Детонация происходит, когда топливно-воздушная смесь в цилиндре вместо прогрессивного управляемого горения самопроизвольно взрывается. Это вызывает резкое увеличение давления и температуры в цилиндре, которое может повредить поршни, кольца и даже головку. Детонацию иногда можно услышать как посторонний металлический стук, исходящий от двигателя. Иногда детонация не выдаёт себя посторонними звуками, но проявляется в уменьшении мощности двигателя.

Двигатели внутреннего сгорания В поршневых двигателях внутреннего сгорания рабочее тело состоит из окислителя, топлива и продуктов его сгорания. Окислителем для большинства двигателей служит атмосферный воздух, содержащий 21 % (по объему) кислорода и 79 % инертных газов, в основном азота.

Двигатели внутреннего сгорания Воздух имеет вес 1,2928 кг на кубометр при нормальных условиях. В воздухе содержится 20,9476 % кислорода, или по весу 271 г в каждом кубометре на уровне моря при температуре 150С и давлении 101325 Па. Для справки, в воздухе также содержится 78,084 % азота, 0,934 % аргона, 0,0314 % углекислого газа СО2 и ничтожное количество других газов (неон, метан, гелий, криптон, водород, ксенон).

Двигатели внутреннего сгорания В поршневых двигателях внутреннего сгорания рабочее тело состоит из окислителя, топлива и продуктов его сгорания. Топливом для двигателей служит либо бензин, либо дизельное топливо.

Двигатели внутреннего сгорания

Двигатели внутреннего сгорания При полном сгорании жидкого топлива, когда α≥ 1, образуются следующие основные продукты сгорания: CO2 и Н2О – продукты полного сгорания углерода и водорода, содержащихся в топливе, N2 – азот воздуха и O2 – свободный кислород воздуха

Двигатели внутреннего сгорания

Схема топливной системы

Двигатели внутреннего сгорания Бензин без воздуха не горит. Он не горит также, если воздуха очень мало - 1:6 (т. е. на 1 кг бензина приходится 6 кг воздуха) или очень много - 1:20. Лучше всего горит нормальная смесь 1:14,7.

Двигатели внутреннего сгорания Можно без особого труда довольно точно подсчитать количество топлива, сгорающего при работе двигателя. Пример такого расчета. Возьмем среднестатистический автомобиль Toyota Camry c двигателем 3S-FE объемом 2.0 литра. За 2 оборота коленвала (один рабочий цикл) в этом двигателе сгорит 2 литра топливовоздушной смеси. А за 1 оборот – 1 литр. Подсчитаем сколько топлива содержится в 1 литре смеси, зная вес воздуха и, учитывая соотношение 14,7 : 1 для стехиометрической смеси.

Двигатели внутреннего сгорания Несложные вычисления: 1,2928 :14,7 = 0,0884 грамма топлива в одном литре оптимальной топливовоздушной смеси. Следовательно, за 1 оборот двигатель «съест» примерно 0,09 грамма бензина. При работе на холостом ходу (750 об/мин) в двигателе за минуту сгорит 66 граммов бензина. Если Toyota Camry мчится по трассе со скоростью 100 км/ч, на тахометре 2000 об/мин, то за 1 час (60 минут) проедет 100 км и расход топлива составит: 0,0884 х 2000 х 60 = 10608 граммов бензина.

Двигатели внутреннего сгорания Расход топлива зависит от общего числа оборотов, которые сделал двигатель за время движения при условии сгорания в нем оптимальной топливовоздушной смеси. Если она проезжает по трассе 100 км со скоростью 100 км/ч за 60 мин при 2000 об/мин на тахометре, то получим, что двигатель сделал 120000 оборотов. А теперь представьте себе, что вы накрутили 100 км по городу со стоянием в пробках и у светофоров, с разгонами и торможениями, при этом двигаясь большую часть времени на пониженных передачах. Разница чисел оборотов будет – в разы. Во столько же раз возрастет и расход топлива.

Двигатели внутреннего сгорания Стиль езды «разгон-торможение» тоже не является экономичным. Езда зимой на пониженных передачах конкретная причина повышенного расхода топлива. Для того, чтобы разогнать загруженный автомобиль, надо большее время двигаться на пониженных передачах, что естественно, приведет к увеличению расхода топлива. Аналогичное влияние на расход топлива, зависящий от числа оборотов двигателя, оказывают и другие факторы: недостаточное давление в шинах, неправильно отрегулированные тормоза, замерзшая смазка в узлах трения (зимой, в мороз) и т.п. На увеличение топливного аппетита оказывает влияние рост лобового сопротивления при встречном ветре, большой скорости, или при установке багажника на крышу автомобиля.

Двигатели внутреннего сгорания

Двигатели внутреннего сгорания Работая педалью газа, вы постоянно меняете количество всасываемого цилиндрами воздуха. Чтобы знать, сколько при этом надо впрыскивать топлива, необходимо измерить количество воздуха, т. е. нужен воздушный датчик. Поэтому измеритель расхода воздуха (ИРВ) - основной датчик современного двигателя. Он стоит по ходу воздуха сразу за воздушным фильтром. Некоторые системы не имеют ИРВ, количество воздуха рассчитывается по скорости вращения двигателя (датчик числа оборотов), углу и скорости открытия дросселя (датчик дросселя) и разрежению во впускном канале (датчик разрежения).

Двигатели внутреннего сгорания С помощью датчика положения дроссельной заслонки (TPS - Throttle position sensor) определяют насколько открыта дроссельная заслонка и сколько воздуха способно пройти во впускной коллектор при данном положении заслонки.

Двигатели внутреннего сгорания В одиночку датчик положения дроссельной заслонки (TPS) не способен определить какой объем воздуха в действительности попал во впускной коллектор. Ведь объем и, соответственно, количество поступаемого воздуха имеет прямую зависимость от ее температуры и давления. Температуру ECU узнает благодаря показаниям датчика температуры поступаемого воздуха (IAT). Расположен этот датчик непосредственно перед дроссельной заслонкой,

Двигатели внутреннего сгорания

Двигатели внутреннего сгорания Давление же измеряет датчик абсолютного давления - MAP сенсор (Manifold Absolute Pressure). Абсолютное давление рассчитывается по формуле: абсолютное давление = атмосферное давление - давление во впускном коллекторе.

Двигатели внутреннего сгорания Основываясь на показаниях датчиков TPS, MAP и IAT компьютер вычисляет массу поступаемого воздуха и на основе этих данных определяется оптимальный состав топливно-воздушной смеси, при котором топливо максимально полно и эффективно сгорает, когда на 14.7 части воздуха приходится 1 часть топлива.

Двигатели внутреннего сгорания Современные автомобили имеют системы впрыска топлива, основанные на внедрении электроники, которые призваны оптимизировать процессы, связанные с горением топливовоздушной смеси в цилиндрах

Двигатели внутреннего сгорания В инжекторных двигателях приготовление и контроль состава смеси осуществляет электронный блок управления. Современные системы управления двигателем настолько надежны и совершенны, что обеспечивают на всех режимах оптимальный расход топлива при высокой мощности и минимальной токсичности выхлопных газов.

Двигатели внутреннего сгорания Особое внимание уделяется контролю состава топливовоздушной смеси, так как любое отклонение в сторону обеднения или обогащения ведет к увеличению токсичности выхлопа. В большинстве цивилизованных стран экологичность двигателя гораздо важнее его экономичности, при том, что эти показатели тесно связаны между собой.

Двигатели внутреннего сгорания Одним из самых распространенных конструкторских решений стало дозирование воздушно-топливной смеси топливной форсункой

Двигатели внутреннего сгорания

Двигатели внутреннего сгорания Насос-форсунка оснащен сливным каналом с быстродействующим электрогидравлическим клапаном. Комбинация — плунжерный насос, закрытая гидромеханическая форсунка, электроуправляемый от электронной автоматики сливной канал — дает возможность реализовать так называемый «послойный впрыск бензина» непосредственно в камеру сгорания ДВС. Это обеспечивает значительную экономию топлива

Двигатели внутреннего сгорания Суть послойного впрыска топлива состоит в его подаче отдельными, строго дозированными порциями. Получается так: за один цикл впрыска бензин подается прямо в цилиндр не сплошной однородной струей, а несколькими частями, каждая из которых образует «свой» коэффициент избытка воздуха а. В объеме цилиндра образуется «послойный пирог» из ТВ-смеси разной концентрации. Преимущество послойного впрыска бензина состоит в том, что в первый момент воспламенения в зону центрального электрода свечи зажигания подается нормальная (стехиометрическая) ТВ-смесь

Двигатели внутреннего сгорания

Двигатели внутреннего сгорания Наиболее токсичными компонентами отработавших газов бензиновых двигателей являются: оксид углерода (СО), оксиды азота (NОx), углеводороды (СnHm), в случае применения этилированного бензина – свинец.

Двигатели внутреннего сгорания Для двигателей с искровым зажиганием основными вредными выбросами являются три компонента: углеводороды (образующиеся при неполном сгорании топлива в результате пропусков воспламенения или работе двигателя на богатой смеси); угарный газ - CO (образуется при работе двигателя на слегка обогащенной смеси); оксиды азота NOx (доминируют в составе отработавших газов при работе на бедной смеси).

Двигатели внутреннего сгорания Состав выбросов дизельных двигателей отличается от бензиновых. В дизельном двигателе происходит более полное сгорание топлива. При этом образуется меньше окиси углерода и несгоревших углеводородов. Но, вместе с этим, за счет избытка воздуха в дизеле образуется большее количество оксидов азота. Дизельные двигатели, кроме всего прочего, выбрасывают твердые частицы (сажу). Сажа, содержащаяся в выхлопе, нетоксична, но она адсорбирует на поверхности своих частиц канцерогенные углеводороды. При сгорании низкокачественного дизельного топлива, содержащего серу, образуется сернистый ангидрид.

Двигатели внутреннего сгорания В обычных условиях СО- бесцветный газ без запаха, он легче воздуха и поэтому может легко распространятся в атмосфере. При действии на человека СО вызывает головную боль, головокружение, быструю утомляемость, раздражительность, сонливость, боли в области сердца.

Двигатели внутреннего сгорания Оксид азота NO – бесцветный газ, диоксид азота NO2- газ красно-бурого цвета с характерным запахом. Оксиды азота при попадании в организм человека соединяются с водой. При этом они образуют в дыхательных путях соединения азотной и азотистой кислоты. Оксиды азота раздражающе действуют на слизистые оболочки глаз, носа, рта. Воздействие NO2 способствует развитию заболеваний легких.

Двигатели внутреннего сгорания Некоторые углеводороды СН являются сильнейшими канцерогенными веществами (например бензапирен), переносчиками которых могут быть частички сажи, содержащиеся в отработавших газах.

Двигатели внутреннего сгорания

Двигатели внутреннего сгорания На современных автомобилях для снижения выбросов вредных веществ устанавливаются трехкомпонентные каталитические нейтрализаторы. Трехкомпонентными их называют потому, что они нейтрализуют три вредных составляющих выхлопных газов: СО, СН и NO.

Двигатели внутреннего сгорания Каталитический нейтрализатор (обиходное название – катализатор) предназначен для снижения выброса вредных веществ в атмосферу с отработавшими газами. Каталитический нейтрализатор применяется как на бензиновых, так и на дизельных двигателях. Нейтрализатор обычно устанавливается непосредственно за выпускным коллектором или перед глушителем.

Двигатели внутреннего сгорания В качестве катализатора используется платина и палладий, которые способствуют окислению СО и СН, а родий ”борется” с NOx. В результате реакций в нейтрализаторе токсичные соединения CO, CH и NOx окисляются или восстанавливаются до углекислого газа СО2, азота N2 и воды Н2О.

Двигатели внутреннего сгорания Платина и палладий относятся к окислительным катализаторам. Они способствуют окислению несгоревших углеводородов (СН) в водяной пар, оксида углерода (угарный газ, СО) в углекислый газ. Родий является восстановительным катализатором. Он восстанавливает оксиды азота (NOx) в безвредный азот.

Двигатели внутреннего сгорания

Двигатели внутреннего сгорания Катализатор представляет собой керамическую сотовую конструкцию, которая увеличивает площадь контакта выхлопных газов с поверхностью, покрытую тонким слоем платино-иридиевого сплава.

Двигатели внутреннего сгорания Недогоревшие остатки (CO,CH,NO), касаясь поверхности каталитического слоя, окисляются до конца кислородом, присутствующим так же в выхлопных газах. В результате реакции выделяется тепло, разогревающее катализатор и, тем самым, активизируется реакция окисления. В конечном итоге на выходе выхлопные газы имеют концентрацию СО2.

Двигатели внутреннего сгорания На первый взгляд может показаться, что установка катализатора решает все экологические проблемы. Однако, температура, при которой катализатор начинает действовать (температура активации), находится в пределах 250–350°С. Время же, необходимое для разогрева, может достигать нескольких минут и зависит от типа автомобиля, способа его эксплуатации и температуры воздуха.

Двигатели внутреннего сгорания Холодный катализатор практически неэффективен – следовательно, необходимо уменьшить время достижения температуры активации. Проблему частично решили, приблизив нейтрализатор к выпускному коллектору (такое сочетание часто называют катколлектором). Кроме этого, коллектор изготавливают из тонкостенных стальных труб вместо массивных чугунных и дополнительно утепляют, уменьшив тем самым тепловые потери.

Двигатели внутреннего сгорания Другой способ быстро прогреть нейтрализатор – подать в отработавшие газы дополнительную порцию воздуха и одновременно обогатить смесь. Топливо догорает уже на выпуске, температура выхлопных газов растет, и нейтрализатор быстрее выходит на рабочий режим. Иногда нейтрализатор разогревают электрическим термоэлементом, однако это влечет дополнительные энергозатраты.

Двигатели внутреннего сгорания Трехкомпонентный нейтрализатор наиболее эффективен при определенном составе отработавших газов. Это значит, что нужно очень точно выдерживать состав горючей смеси возле так называемого стехиометрического отношения воздух/ топливо, значение которого лежит в узких пределах 14,5- 14,7.

Двигатели внутреннего сгорания Если горючая смесь будет богаче, то упадет эффективность нейтрализации СО и СН, если беднее- NOx. Поддерживать стехиометрический состав горючей смеси можно было только одним способом- управлять смесеобразованием, немедленно получая информацию о процессе сгорания, то есть, организовав обратную связь.

Двигатели внутреннего сгорания Для этого в выпускной коллектор поместили специально разработанный кислородный датчик- так называемый лямбда-зонд. Он вступает с раскаленными выхлопными газами в электрохимическую реакцию и выдает сигнал, уровень которого зависит от количества кислорода в выхлопе.

Двигатели внутреннего сгорания Если кислорода осталось много- значит, смесь слишком бедная, если мало- богатая. А по результатам мгновенного анализа, которым занимается электроника, можно быстро корректировать состав смеси в ту или иную сторону.

Двигатели внутреннего сгорания Напряжение на выходе кислородного датчика принимает два уровня. Если смесь бедная, то низковольтный сигнал дает команду на обогащение топливной смеси, и наоборот. На современных нейтрализаторах устанавливается два кислородных датчика. Первый определяет качество смеси- богатая или бедная. Другой, установленный за нейтрализатором, отслеживает эффективность нейтрализации.

Двигатели внутреннего сгорания

Двигатели внутреннего сгорания Чувствительный элемент датчика кислорода находится в потоке отработавших газов. При достижении датчиком рабочих температур, превышающих 360 град. С, он начинает генерировать собственную ЭДС, пропорциональную содержанию кислорода в отработанных газах.

Двигатели внутреннего сгорания Датчик кислорода (Лямбда-зонд) Датчик кислорода предназначен для определения концентрации кислорода в отработавших газах, состав которых зависит от соотношения топлива и воздуха в смеси, подаваемой в цилиндры двигателя. Информация, которую выдает датчик в виде напряжения (или изменения сопротивления), используется электронным блоком управления впрыском (или карбюратором) для корректировки количества подаваемого топлива.

Двигатели внутреннего сгорания Для полного сгорания 1 кг топлива необходимо 14,7 кг воздуха. Такой состав топливо-воздушной смеси называют стехиометрическим, он обеспечивает наименьшее содержание токсичных веществ в отработавших газах и, соответственно, эффективное их "дожигание" в каталитическом нейтрализаторе.

Двигатели внутреннего сгорания Выходное напряжение зависит от концентрации кислорода в отработавших газах в сопоставлении с опорными данными о содержании кислорода в атмосфере, поступающими с элемента конструкции датчика, служащего для определения концентрации атмосферного кислорода.

Двигатели внутреннего сгорания Для оценки состава топливо-воздушной смеси используют коэффициент избытка воздуха - отношение количества воздуха, поступившего в цилиндры, к количеству воздуха, теоретически необходимого для полного сгорания топлива. В мировой практике этот коэффициент называют лямбда.

Двигатели внутреннего сгорания При стехиометрической смеси лямбда = 1, если лямбда < 1 (недостаток воздуха), смесь называют богатой, при лямбда >1 (избыток воздуха) смесь называют бедной. Наибольшая экономичность при полностью открытой дроссельной заслонке бензинового двигателя достигается при лямбда=1,1-1,3. Максимальная мощность обеспечивается, когда лямбда =0,85-0,9.

Двигатели внутреннего сгорания

Сжигание угля

Тепловая электростанция

Кондиционер