В каком случае газ в цилиндре двигателя внутреннего сгорания
Обновлено: 02.07.2024
Система рециркуляции отработавших газов (EGR – Exhaust Gas Recirculation) предназначена для снижения в выхлопных газах оксидов азота за счет возврата части отработавших газов во впускной коллектор и далее в цилиндры двигателя.
Отработавшие газы, образующиеся при сгорании топливовоздушной смеси в двигателе внутреннего сгорания, содержат загрязняющие вещества, такие как оксид углерода (CO), оксиды азота (NOx), углеводороды (HC) и твердые частицы (PM), которые очень вредны для человека и окружающей среды.
Особо токсичны оксиды азота, которые образуются при высокой температуре и избытке кислорода. Оба эти условия присутствуют в процессе сгорания топлива в любом двигателе, но особенно много их образуется в высокофорсированном дизеле, поскольку воздух, поступающий в его цилиндры, не дросселируются и всегда имеется его избыток. Кроме того, в камерах сгорания возникает высокая температура, а чем она выше, тем больше образуется оксидов азота. По этим причинам дизельный двигатель выбрасывает намного больше оксидов азота в выхлопных газах по сравнению с бензиновым.
Возврат части отработавших газов (ОГ) во впускной коллектор позволяет снизить температуру сгорания топливовоздушной смеси и тем самым уменьшить образование оксидов азота. При этом соотношение компонентов в смеси остается прежними и мощностные характеристики двигателя изменяются незначительно.
Система рециркуляции отработавших газов (EGR) применяется в основном на дизельных двигателях, реже - на бензиновых.
В зависимости от требований стандарта токсичности ОГ, на дизельных двигателях применяются различные схемы системы рециркуляции ОГ: высокого давления, низкого давления и гибридная (комбинированная) система рециркуляции.
EGR высокого давления наиболее распространена и применяется на дизельных двигателях, соответствующих требованиям Евро 4 (содержание оксида азота в отработавших газах не более 0,25 г/км). Система обеспечивает отвод части ОГ из выпускного коллектора перед турбокомпрессором и подачу их в канал перед впускным коллектором. (Bosch).
Данная система имеет высокие показатели быстродействия газового контура рециркуляции. Кроме того, поскольку выхлопной газ смешивается с всасываемым воздухом после турбокомпрессора, твердые частицы не попадают на колесо компрессора и не разрушают его. Однако охладитель EGR при этом должен выдерживать разрушительное воздействие высокого давления и высокой температуры выхлопных газов.
В такой системе для осуществления процесса перепуска имеется специальный клапан рециркуляции, который оснащен пневматическим или электрическим приводом.
Количество перепускаемых газов регулируется с помощью системы управления двигателем, которая одновременно управляет дроссельной заслонкой и клапаном рециркуляции. EGR не работает на холостом ходу, при холодном двигателе, а также при полностью открытой дроссельной заслонке.
На отдельных двигателях в EGR применяется охлаждение ОГ путем прохождения их через специальный радиатор. Вследствие этого дополнительно снижается температура сгорания в цилиндрах и, тем самым, уменьшается образование оксидов азота.
Стандарт Euro 6 повысил требования, снизив лимит выбросов NOx до 0,08 г/км по сравнению со 0,18 г/км для Euro 5. Реализация более жестких условий потребовала создания системы рециркуляции низкого давления.
В системе рециркуляции низкого давления отработавшие газы отводятся после сажевого фильтра, охлаждаются в специальном радиаторе, проходят через клапан рециркуляции и подаются во впускную систему перед турбокомпрессором. (Bosch).
Такая система обеспечивает меньшую температуру ОГ, отсутствие частиц сажи и, в конечном счете, меньшее содержание оксидов азота в выхлопе. Помимо этого, все отработавшие газы проходят через турбину компрессора, поэтому давление наддува не снижается ни на каком режиме.
Из-за более низких температур EGR низкого давления более эффективна в снижении выбросов NOx по сравнению с системой высокого давления. Но у нее есть и недостаток - более высокая инерционность выхлопных газов, поскольку все воздуховоды и компоненты расположены относительно далеко от двигателя и не могут быстро реагировать на изменение скорости рециркуляции ОГ.
Гибридная (комбинированная) EGR объединяет в одном двигателе систему рециркуляции ОГ высокого и низкого давления. Иногда такой тип называют двухконтурной системой EGR.
Гибридная EGR сочетает в себе преимущества обоих систем, переключаясь между ними в зависимости от частоты вращения и крутящего момента, а также позволяет турбонагнетателю работать с высоким КПД на любом режиме.
Недостаток двухконтурной EGR - большая стоимость, сложность и для нее требуется большее пространство для размещения (обусловленные большим количеством компонентов), а также потенциальными проблемами с управлением скоростью рециркуляции ОГ в зависимости от режима работы двигателя. Алгоритм управления становится довольно сложным, поскольку необходимо управлять несколькими исполнительными механизмами (клапаном рециркуляции ОГ высокого/низкого давления, дроссельной заслонкой на впуске/выпуске и лопатками турбины/перепускным клапаном) для подачи необходимого количества воздуха и ОГ в цилиндры на различных режимах.
Но если Чебурашка растопырил уши и санки ОСТАНОВИЛИСЬ, то а = 0.
Имеем:
V² = m/k * g*(sin α - μ*cos α)
Подставляя данные, находим искомый ответ .
индуктивность увеличилась в 4 раза ⇒ω=1/√(4LC)=1/2*[1/√(LC)] ⇒частота уменьшится в 2 раза
Тут потрібно спочатку знайти загальний опір провідників (це залежить яке зєднання чи послідовне чи паралельне) дальше основна формула це P=U*I
I=E/(R+r)
U= I*R
Решите задачу : Манометр , установленный на батискафе ,показывает , что давление воды составляет 9,8 мега паскалей . Определите
Размеры кирпича равны 29 см x 15 см x 8 см. Масса кирпича — 6,2 кг. Какое наибольшее и наименьшее давление оказывает кирпич при
Какое количество теплоты требуется для нагревания стального шурупа от температуры 15 градусов до температуры 800 градусов. Масса
С какой скоростью нужно бросить баскетбольный мяч под углом к горизонту 30°, чтобы с расстояния 5 м попасть в корзину, расположе
С какой скоростью должна лететь хоккейная шайба массой 160г чтобы её импульс был равен импульсу пули массой 8г,летящей со скорос
Заряд смеси в цилиндре бензинового двигателя представляет собой массу смеси, оставшейся в цилиндре после закрытия впускных клапанов. Заряд состоит из топливно-воздушной смеси, поступившей в цилиндр до закрытия впускных клапанов, и остаточных отработавших газов.
Свежая топливовоздушная смесь
 |  |
Остаточные отработавшие газы в цилиндре бензинового двигателя
К остаточным отработавшим газам, входящим в состав заряда, относятся:
- Масса отработавших газов, оставшаяся в цилиндре, и не вытесненная из него за время открытого состояния выпускного клапана;
- При наличии системы рециркуляции отработавших газов — масса возвращенных отработавших газов.
Количество остаточных отработавших газов в цилиндре определяется циклом заряда. Они не оказывают прямого вклада в процесс сгорания топлива, но оказывают влияние на процессы зажигания и сгорания топлива в целом. При полностью открытой дроссельной заслонке количество остаточных отработавших газов должно быть как можно меньшим, чтобы обеспечить максимальную массу свежего воздуха и выходную мощность двигателя.
В то же время при частичной нагрузке присутствие остаточных отработавших газов желательно для снижения расхода топлива. Это достигается посредством более благоприятного цикла, за счет изменения состава смеси, а также снижения потерь на прокачивание, поскольку для подачи такого же заряда свежего воздуха требуется более высокое давление во впускном трубопроводе. Специально введенное количество остаточных отработавших газов может снизить содержание в отработавших газах оксидов азота (NOх) и несгоревших углеводородов (НС).
Регулирование заряда воздуха
Для двигателей с искровым зажиганием, с наружным и внутренним смесеобразованием и гомогенным зарядом смеси в цилиндре крутящий момент двигателя определяется величиной заряда воздуха. В отличие от этого, в случае внутреннего смесеобразования с избыточным количеством воздуха крутящий момент двигателя можно регулировать, изменяя количество впрыскиваемого топлива (работа с послойным распределением заряда топлива).
Дроссельная заслонка
На двигателях с электронной системой регулирования положения дроссельной заслонки (ЕТС) требуемый заряд воздуха вычисляется, исходя из желаемого значения крутящего момента двигателя (положения педали акселератора), в зависимости от которого дроссельная заслонка открывается на соответствующий угол.
В механических системах водитель сам изменяет степень открытия дроссельной заслонки, нажимая педаль акселератора.
Цикл подачи заряда смеси в цилиндр
Цикл подачи свежего заряда топливно-воздушной смеси и остаточных отработавших газов регулируется открытием и закрытием впускных и выпускных клапанов. Критичными факторами являются продолжительность открытого и закрытого состояния клапанов и характеристика подъема клапана.
Изменение фаз газораспределения
Период перекрытия клапанов, когда впускной и выпускной клапаны одновременно открыты, оказывает решающее влияние на массу отработавших газов, оставшихся в цилиндре. Количество свежей топливно-воздушной смеси и остаточных отработавших газов в цилиндре можно регулировать, изменяя характеристику подъема клапанов во времени (внутренняя рециркуляция отработавших газов).
Большой угол перекрытия клапанов (при раннем открытии впускного клапана) позволяет увеличить внутреннюю рециркуляцию отработавших газов и поэтому может помочь в снижении выбросов NОx. Однако, т. к. рециркулирующие отработавшие газы вытесняют свежую топливно-воздушную смесь, раннее открытие впускного клапана также ведет к уменьшению максимального крутящего момента. Кроме того, чрезмерная рециркуляция отработавших газов, особенно при работе двигателя на холостом ходу, может стать причиной перебоев в зажигании, что, в свою очередь, приводит к увеличению выбросов углеводородов (НС). При наличии системы регулирования фаз газораспределения, такое регулирование в зависимости от рабочей точки двигателя позволит оптимизировать количество выбросов.
Посредством регулирования фаз газораспределения можно регулировать массовый расход воздуха и, следовательно, крутящий момент двигателя без использования дроссельной заслонки. Посредством регулирования фаз газораспределения также можно регулировать количество остаточных отработавших газов.
В современных системах клапаны приводятся в действие механически от распределительного вала. В некоторой степени этот процесс можно регулировать при помощи дополнительных систем (например, системы регулирования положения распределительного вала). Однако, эти механические системы не могут полностью исключить необходимость в дроссельной заслонке.
Рециркуляция отработавших газов (EGR)
Снижение расхода топлива
Рециркуляция отработавших газов вызывает увеличение давления во впускном трубопроводе. Это увеличение давления вызывает уменьшение работы, совершаемой в процессе цикла подачи заряда смеси в цилиндр, что способствует снижению расхода топлива.
Снижение выбросов NOx
Системы рециркуляции отработавших газов применяются на автомобилях с бензиновыми двигателями с прямым впрыском топлива, работающими на обедненной смеси (в режиме послойного распределения заряда) для снижения содержания NOx в отработавших газах. Рециркуляция отработавших газов является основным способом свести к минимуму количество выбросов оксидов азота и таким образом увеличить продолжительность работы двигателя на обедненной смеси, которая ограничивается состоянием каталитического нейтрализатора NOx аккумуляторного типа.
Отработавшие газы направляются обратно в камеру сгорания для снижения максимальной температуры сгорания с целью снижения образования NOx. Снижение температуры достигается благодаря тому, что возвращенные отработавшие газы не участвуют в процессе сгорания смеси и, следовательно, не добавляют энергии горения. Они также представляют собой дополнительную тепловую массу — это означает, что энергия сгорания топлива распределяется по большей общей массе.
Увеличение температуры горения топлива вызывает непропорциональное увеличение количества выбросов NOx. Поскольку рециркуляция отработавших газов (EGR) вызывает снижение этой температуры, она представляет собой особенно эффективный способ снижения количества выбросов NOx.
Наддув бензинового двигателя
Компоненты электронной системы управления дроссельной заслонкой (ЕТС)
Основные компоненты регулирования заряда воздуха показаны на рис. 1. Наиболее важным компонентом в современных системах является дроссельная заслонка.
Команда водителя считывается датчиком положения педали акселератора и передается на блок управления двигателем. Блок управления двигателем вычисляет требуемую величину заряда смеси в зависимости от рабочей точки двигателя и регулирует угол открытия дроссельной заслонки, используя для этого привод и датчик положения дроссельной заслонки.
Дублирование работы модуля педали акселератора и дросселирующего устройства является частью концепции мониторинга ЕТС, позволяющей уменьшить вероятность сбоев.
Сегодня я хочу рассказать о преобразованиях энергии, сил и прочих матерных слов из курса физики, которые происходят в бензиновых атмосферных шатунно-поршневых двигателях внутреннего сгорания, но в конечном итоге воспринимаются нами всего двумя понятиями: мощность и крутящий момент.
Вводное отступление: думаю, у многих есть знакомый, который реально "шарит" в моторах. Кроме того, предполагаю, что есть и такие, которые даже по телефону поставят диагноз машине, ну, или выскажет пару-тройку предположений неисправности, одно из которых после детального изучения проблемы подтвердится. Я рад, что в нашей стране, где половина сервисменов "набраны по объявлению", а понимают ровно столько, сколько нужно, чтобы ходить с важным видом павлина перед хозяином и рассказывать байки про всякие волшебные случаи, при этом гадая на кофейной гуще, что же с мотором творится, и думая, как же так все-таки получить деньги за потраченное время, даже если проблема не решится, есть гаражные самородки, которые четко решают проблемы. Ну, и конечно же радует, что часть этой полезной категории людей разбавляют массу неучей на сервисах, так что не бойтесь слова СТО, но будьте внимательны и осторожны с их выбором.
Так вот, этих золотых ребят условно можно поделить на две категории:
— те, кто осмысливает возникающие неполадки, делает выводы для себя и в конечном итоге получает некоторую библиотеку шаблонных ситуаций, которые в большей части реально помогают, а если шаблон не оправдал, то библиотека в их головах корректируется и пополняется.
— те, кто осознал всю суть физических принципов работы двигателя и каждый новый случай подгоняется под такую модель.
Но повторюсь, разделение это условно, потому как чаще всего реально шарящие ребята на сколько то процентов попадают в первую, и на сколько то процентов во вторую категорию. Ибо одно без другого практически невозможно.
Перейдем к сути. Дальше будут физические маты, но я буду стараться говорить предельно просто.
1. Немного о мощности.
Итак, всем при изучении принципов работы ДВС хочется всегда знать, что же такое мощность. Тут все просто, меримся мы чаще всего именно этой п… (физической величиной). Именно для получения большей мощности большинство из нас торчит в гаражах, вкорячивая различные коллектора, дросселя, злые валы, форсунки, корректируя карты и так далее.
Так вот (сначала мат):
Мощность — это переданная, преобразованная или потребленная энергия в единицу времени.
Теперь попробую объяснить "на пальцах":
Все, думаю, знакомы с чайником? Так вот, мы прекрасно знаем, что чайники в среднем потребляют 2 кВт энергии. И это мощность. Так же мы хорошо знакомы с энергосберегающими лампами. Пусть рассматриваемый образец будет иметь надпись на коробке 20 Вт. У каждого свои задачи, но за электроэнергию (А это энергия) мы платим одинаково, что в одном, что во втором случае. Теперь представим, что мы решили вскипятить воду лампочкой. Опускаем её в воду и ждем…
ждем еще…
долго ждем…
А вода не закипает.
Просыпаемся на следующий день, а вода так и не закипела, смотрим на счетчик, а намотало больше, чем чайник потребил за те 5 минут, за которые вскипятил воду. Энергия была потрачена впустую. Причина в мощности.
Что касается лампочки, то можно сказать: ты чего это сравни ж… (физический объект) с пальцем? Лампочка должна светить, а не кипятить! Хорошо, возьмем паяльник Ватт на 100 и опустим в воду того же объема, что кипятит чайник за известное время. Вода, скорее всего, закипит. Но затраченной энергии опять же будет больше. А сколько на это времени потратится!
Так вот, в данном случае мы говорим о мощности потребляемой. Как видно, не всегда затраченное одинаковое количество энергии даст одинаковый результат.
При чем тут двигатели? Да, в общем то, и не причем, кроме трех понятий: энергия, мощность и работа. Но когда мы говорим о двигателе, нас редко интересует затрачиваемая мощность, нас интересует мощность передаваемая на коленвал. А вот энергия нас интересует затрачиваемая (т.е. расход бензина в бытовом понимании).
Мощность, передаваемая коленчатому валу, можно представить как передача энергии трансмиссии силовой установкой в единицу времени.
Вот она золотая формула, за которой гонется любой тюнер. Но ничто не приходит ниоткуда и не уходит в никуда. "Чтобы продать что-нибудь не нужное, нужно купить что-нибудь ненужное…" Так и с энергией. Чтобы выдать энергию коленчатому валу, нужно затратить энергию. И это закон… Причем, у него есть имя "Закон сохранения энергии".
Так вот, проехать путь в 100 км не проблема. А вот проехать за малый промежуток времени — это проблема. Необходимо затрачивать на преодоление внешних сил много энергии, и чем быстрее мы едем, тем больше энергии в единицу времени нужно передать колесам (а эту энергию как раз должен выработать двигатель). Причем тут есть и еще один неприятный момент: чем больше скорость, тем больше сил паразитов нам мешают, ибо мы не в вакууме. Будь мы в вакууме без воздействия внешних сил, мы могли бы потратить энергию только на набор скорости, а дальше катиться нахаляву=)
Вот как раз этот пример и будет наиболее нагляден для понимания мощности:
Все помнят из школьного курса формулу Кинетической энергии:
Чтобы с места нам набрать скорость v, нужно затратить энергию, равную Екин (Напомню, что сейчас мы в вакууме, кпд системы 100 процентов, ну и у нас 100 процентное сцепление)
Так вот, чем быстрее мы хотим набрать скорость v, тем больше нам нужно иметь мощность системы, при этом она должна быть:
N = Екин/t, где t — это требуемое время, за которое мы хотим разогнаться.
Итого, даже в идеальных условиях, чтобы с нуля разогнаться за время t до скорости v, имея массу m, нам необходимо потратить мощность:
Дружно считаем разгон до сотки (а это почти 28 метров в час), расстраиваемся, а потом вспоминаем, что мы еще живем в реальном мире, и можно приступать вообще рыдать.
Кому лень посчитать, я скажу ответ: чтобы разогнать до 100 км/час тачку весом 1 тонна за время, к примеру, 3 секунды нужно иметь мощность 128 киловатт, шо по-нашему 174 лошадиные силы. И это в вакууме без каких либо внешних сил!
Тут же заметно, что чем выше скорость, тем быстрее растет требование к мощности, причем в квадратичной зависимости.
Для наглядности: чтобы разогнать до 200 км/час ту же машину весом в 1 тонну за 10 секунд, нужна мощность в 154 кВт, или же 209 лошадок.
А вот теперь вернемся к чайнику, что был вначале=) Если с лампочкой понятно — у неё потребляемая мощность идет не на нагрев, а на возбуждение светового потока, т.е. КПД как у нагревательной установки никакой (собственно, поэтому их и называют энергосберегающими), то вот с паяльником расход не всем может быть понятен.
Почему схема с чайником в данном случае оказывается более экономичной для выполнения той же работы (в нашем случае работа — вскипятить воду определенного объема)? Потому что вода находится не в замкнутой системе и постоянно происходит теплообмен с окружающей средой. И чем медленнее мы нагреваем воду, тем больше тепла уходит в окружающую среду, а не на полезную работу. Как говорится, чайник "кует железо, пока горячо". Если бы система была замкнутой, и энергия, переданная воде от нагревательного элемента не рассеивалась в окружающей среде, то КПД такой системы был бы 100 процентов, и энергия, затраченная на нагрев чайником и паяльником, была бы одинаковой. Пример с лампочкой плохой из-за низкого теплового КПД, тем не менее, даже лампочка с низким тепловыделением в идеальной замкнутой системе смогла бы вскипятить воду, пусть на это и потратилось бы оооочень много времени.
Если не устали читать еще все это, я продолжу=)
Теперь о насущном:
Мощность двигателя — это физическая величина прямо пропорциональная среднему крутящему моменту за единицу времени:
где k -это некий коэффициент, согласующий размерности.
В двигателестроения чаще встречается иное соотношение:
где Мкр — это средний крутящий момент за один оборот,
n — количество оборотов двигателя,
К — очередной коэффициент, согласующий размерности.
Так вот: для повышения мощности существует всего два метода: увеличение крутящего момента и увеличение числа оборотов. Почему так? Да потому что эффективная положительная составляющая крутящего момента вырабатывается лишь а такт рабочего хода (т.е. для одного горшка — это примерно полоборота за два оборота), а все остальное — это потери крутящего момента. Среднее значение получается не очень. Но вот если таких циклов в секунду будет больше, то больше топливо-воздушной смеси мы сожгем за эту же секунду, тем больше будет мощность. Потому что крутящий момент — это показатель вырабатываемой энергии, а мощность, как мы говорили ранее, — это энергия в единицу времени.
2. Теперь о крутящем моменте
Миф о крутящем моменте будоражит юные головы=) Одна фраза чего стоит "Мощность продает машины, а момент выигрывает гонки". В этой фразе доля истины имеется, но если момент развивается на очень низких оборотах и затухает на средних и верхах, вряд ли мы получим хорошие цифры на драг рейсинге=) Ибо мощность будет низкая, а значит и разгон, и максимальная скорость. Но крутящий момент можно преобразовывать, в отличии от мощности, передаточными числами. И этим очень эффективно пользуются в подъемниках, домкратах, тракторах и тягачах. Самый знакомый агрегат преобразования крутящего момента — это КПП. Кроме того, редукторы, шкивы и прочее тоже много кому знакомо. Надо помнить, что преобразуя момент, мы в идеальных условиях сохраняем энергию и мощность, а в реальных — даже теряем.
Так что же такое крутящий момент?
Это сила, приложенная к рычагу… Все. Вот формула мгновенного значения крутящего момента:
где F — сила действующая на шатунную шейку коленвала, а
r — половина рабочего хода, или радиус кривошипа.
Значение крутящего момента за один оборот будет сумма всех мгновенных значений. А так как в тактах сжатия, впуска и выпуска сила не действует на шейку коленчатого вала, а даже наоборот, коленвал действует на шатун, то это значение будет не таким радостным. Маховик, конечно, позволяет получать достаточно равномерное распределение момента, запасая энергию, когда момент максимален, и расходуя энергию, когда требуется вращающий момент, а не крутящий (т.е. когда коленвал является источником силы), но от этого просто ровнее работа мотора, но никак не легче жить в плане получения мощности.
Кстати, значение полного крутящего момента за один оборот будет выше у двухтактного мотора, так как рабочий ход там совершается один раз за один оборот, а не за два. Отсюда и больше значения литровой мощности у двухтактников.
В части 7 мы рассмотрели, как формируется крутящий момент, поэтому на вопросе преобразовании силы давления на поршень мы останавливаться не будем, а едем дальше=)
3. Сила давления на поршень
В той же седьмой части мы рассматривали определение этой силы. Повторю еще раз формулу:
Fг = (Р — Рк) * п * D^2 / 4, где
Р — давление в цилиндре,
Рк — давление картерных газов,
D — диаметр поршня.
Но в части 7 мы не смотрели, откуда же берется давление в цилиндре. Но тут на вскидку ответит любой, кто знаком с основными принципами работы ДВС: от воспламенения топливно-воздушной смеси. И будет прав. Но как мало в этой фразе на самом деле…
Во-первых, значение давления не постоянно. Даже если запихнуть в цилиндр газ под давлением, когда поршень в ВМТ, как только поршень начнет совершать движение давление начнет падать за счет изменения объема. А значит, и сила будет падать. Это четко просматривается в законе Менделеева-Клайперона для идеального газа в замкнутой системе:
P*V = m*R*T/M,
где:
Р — давление,
V — объем,
m — масса газа,
М — молярная масса газа,
Т — температура,
R — универсальная газовая постоянная.
Если бы процесс протекал изотермически, т.е. температура газа была бы постоянна, то давление было бы обратно пропорционально изменению объема. Но жизнь сурова, и процесс в подобной системе протекал бы с падением температуры, а это еще сильнее ускоряет падение значения давления.
Кроме того, не нужно забывать, что для приведения в движение поршня затрачивается энергия, а это тоже влечет за собой падение давления.
Ну, а если говорить откровенно, то в ДВС все в разы сложнее, чем нежели мы бы просто накачали газ под давлением в замкнутую систему.
Есть общие вещи, которые важно понимать:
1. Давление создается горением смеси, т.е. источником давления служит экзотермическая (с выделением тепла) химическая реакция окисления топлива кислородом.
2. Существует некая скорость преобразования тепловой энергии в давление.
3. Все химические реакции имеют свои времена протекания, причем эти времена зависят от концентрации учавствующего в процессе вещества.
4. Реакция горения — это цепная реакция. И самое интересное, что для запуска экзотермической реакции горения сначала необходимо приложить тепловую энергию, т.е. вывести систему воздух-топливо из равновесия. И это необходимо делать на каждом локальном участке смеси. Т.е. процесс протекает на пальцах так:
— нагрели моль смеси,
— моль смеси вступила в реакцию с выделением тепла,
— выделенное тепло нагрела следующие моли смеси
— и так далее.
Все было бы просто, если бы была необходимость развивать постоянный крутящий момент на постоянных оборотах (собственно, что и происходит, когда мы едем по ровной трассе с постоянной скоростью). Но ДВС — это набор компромиссов из снижения потребления топлива, когда не нужна мощность, и моментальное увеличение крутящего момента, когда мощность нужна.
Значение давления на поршень и момента его пика искусственно меняется системами управления в ДВС для изменения крутящего момента, чтобы выполнять условия компромиссов. Для этого существует основной способ — изменение концентрации вещества в камере сгорания. Состав смеси стараются выдерживать приблизительно одинаковым, а вот количество смеси меняется очень серьезно. Для этого в современных авто существует два мозга:
Механический — это система впуска и ГРМ,
Электронный — это система управления зажиганием.
Еще, конечно же, играют с составом смеси, но это больше для компенсации нежелательных эффектов, нежели для управления крутящим моментом. Яркий пример: подача более богатой смеси для охлаждения поршневой. На самом деле, сама скорость реакции из-за избытка концентраций молекул топлива падает, но за счет сохранения температурной стабильности, такое решение дает положительный эффект.
Идеальный двигатель должен иметь низкое значение крутящего момента при закрытии дросселя (для экономии) и ровную полку во всем диапазоне оборотов при полностью открытой дроссельной заслонке. Это позволит обеспечить плавное и линейное нарастание мощности при увеличении оборотов. Кроме того, нарастание крутящего момента от увеличения угла открытия дросселя тоже должно быть линейно для точного дозирования момента.
С механическим мозгом, казалось бы, все понятно: ограничиваем количество смеси в горшках и роняем момент ниже плинтуса. Хотя и здесь будет, о чем поговорить и очень и очень немало, ибо газодинамика сложнейшая штука. Но многие задают вопрос: а зачем же углы опережения зажигания регулировать? Вот тут как раз и вступают в действие те самые скорости протекания реакции и преобразования тепла в давление. Учитывая эти скорости в различных режимах, и подбираются углы. Как мы говорили ранее, скорость химической реакции зависит от концентрации вещества. Теперь представим, что концентрация вещества одинаковая, но скорость вращения двигателя различаются раза эдак в два. Для более эффективного протекания реакции с выдачей рабочего давления в нужной точке положения поршня потребуется сместить точку начала реакции. Но об этом тоже пока не будем, итак процентов 90 читателей, наверное, слилось=) А перейдем к источнику зарождения энергии.
4. Свеча зажигания
Не смотря на кажущуюся простоту свечки, я никогда не понимал, как можно недооценивать её значимость. Ну, на самом деле, свечка работает не одна, а в комплексе с накопителями энергии (автотрансформаторами, которые все называют катушками) и системами управления (коммутаторы, трамблеры и так далее). Но свеча зажигания работает в самых что ни на есть жестких условиях, при этом выполнять должна ряд важных задач:
1. Свеча зажигания должна передать тепловую энергию определенному количеству молей смеси за определенный промежуток времени. Иными словами, у свечи есть три важных параметра: энергия разряда, время разряда и длина дуги. На самом деле есть еще и времена наростания, пиковая мощность и так далее, но ключевые три.
2. Свечка должна успевать охлаждаться, передавая тепло ГБЦ до конкретных значений температур за такты впуск и сжатие. Отсюда и название: теплые и холодные свечи.
3. Свеча зажигания должна сохранять свои параметры в достаточных пределах на протяжении такого количества циклов ДВС, что аж тяжко представить, каково ей. Для этого у свечи должны быть реализованы самоочищение, а материал электрода должен переживать миллионы разрядов, не разрушаясь.
Так что как бы не были важны другие узлы и детали ДВС, прошу не забывать, что свеча — начало всех начал.
Итак подытожим:
1. Энергия зарождается в свече,
2. Энергия свечи нужной мощности и в нужное время возбуждает цепную экзотермическую химическую реакцию окисления топливовоздушной смеси.
3. В процессе реакции высвобождается энергия связей молекул вещества в виде тепловой энергии. На это требуется некоторое время, зависящее от многих факторов, в первую очередь от концентрации.
4. Высвобожденная тепловая энергия увеличивает давление продуктов реакции в цилиндре. На это тоже требуется некоторое время
5. Нарастающее давление газов преобразуется в механическую энергию движения поршня. Чем более эффективно используются пики нарастания давления, тем больше совершается полезной работы.
6. Механическая энергия движения поршня преобразуется в энергию вращения коленчатого вала по сложному закону, поэтому для повышения эффективности ДВС необходимо учитывать коэффициент передачи сил поршень — кривошип при определении пиков давления.
7. Если не будет происходить нарастания давления во время движения поршня, то давление будет резко падать за счет увеличения объема.
8. Маховик запасает механическую энергию вращения кривошипа, и передает крутящий момент трансмиссии в плавном виде без рывков.
9. Идеальный двигатель имеет ровную полку крутящего момента на открытом дросселе во всем диапазоне оборотов и линейную зависимость момента от величины открытия дросселя.
9. Мощность зависит прямо пропорционально от значений крутящего момента на маховике и оборотов двигателя. А мощность — это ключевая характеристика ДВС.
Читайте также: