Меню

Давление газов в камере сгорания в любой момент времени

Box77 › Блог › Физика камеры сгорания. Часть 4

Собственно, настало время изучить сами процессы.

Литературные источники разбивают процесс сгорания ТВС на три стадии:
Q1 — начальная фаза сгорания,
Q2 — основная фаза сгорания,
Q3 — завершающая стадия сгорания

Вот, как описывается процесс в источнике:

Начальная фаза — Q1 начинается в момент образования искры. Возле электродов свечи зажигания воспламеняется небольшой объем рабочей смеси. Она горит сравнительно медленно. Давление в цилиндре на протяжении этого периода остается практически таким же, как и при выключенном зажигании.

Заканчивается первая фаза тогда, когда сгорает 6…8% общего объема смеси, находящейся в камере сгорания. Температура повышается настолько, что начиная от точки 2 давление резко возрастает, наступает основная фаза быстрого сгорания (участок 2… 3). Скорость распространения пламени в средней части камеры сгорания достигает 60…80 м/с. Вдоль стенок камеры скорость сгорания ниже, а сгорание — неполное. Продолжительность второй фазы для быстроходных двигателей составляет 25…30° угла поворота коленчатого вала. В этой фазе выделяется основная часть тепла.

Третья фаза Q3 — фаза сгорания смеси на периферийных участках камеры в такте расширения. За начало этой фазы принимают точку 3. Давление в цилиндре в этот момент будет максимальным.

От интенсивности тепловыделения в основной фазе зависит скорость нарастания давления по углу поворота коленчатого вала, или, иначе, жесткость работы двигателя. В современных автомобильных двигателях скорость повышения давления колеблется в пределах 0,12…0,25 МПа на 1° угла поворота вала. Чем круче нарастает давление на участке 2.3, тем жестче работает двигатель и тем больше износ кривошипно-шатунного механизма.

Продолжительность первой фазы зависит от ряда факторов.

Чем ближе величина коэффициента избытка воздуха а к оптимальному значению, тем лучше состав смеси и тем короче продолжительность первой фазы. При значительном обеднении смеси воспламенение ее ухудшается и экономичность работы двигателя снижается. Чем мощнее искровой разряд, тем интенсивнее распространение пламени и тем короче первая фаза.

На продолжительность второй фазы сгорания оказывают влияние те же факторы, что и на продолжительность первой фазы. Кроме того, вторая фаза зависит от величины угла опережения зажигания и частоты вращения коленчатого вала.

Вот выдержка из следующего источника:

Процесс сгорания топлива
І. Момент подачи искры – угол задержки зажигания. Период задержки воспламенения 4…6º УПКВ зависит от химического состава топлива и состава ТВС. При увеличении этого времени ухудшается стабильность воспламенения. На этот период влияет состав ТВС, степень сжатия, количество остаточных газов, обороты, нагрузка, энергия искры.
II. Период эффективного горения – 20…30º УПКВ – зависит от состава ТВС, угла опережения зажигания, нагрузки, степени сжатия, формы КС, скорости завихрения потока, степенью нарастания давления. Если Р25º УПКВ, то горение идет медленно.
III. Период догорания – на процесс горения влияют скорость распространения фронта пламени. Она зависит от состава смеси, степени сжатия, угла опережения зажигания, формы камеры сгорания, место расположения свечи, степени завихрения потока. При обогащении смеси скорость фронта пламени падает из-за неполного сгорания, при обеднении скорость падает из-за дополнительных затрат теплоты на нагревание избыточного воздуха.

В этом же источнике приводятся значения для давления и температуры в цилиндре для рабочих тактов:

И вот третий источник, где указываются средние значения:

Как было показано выше, сгорание топливовоздушной смеси в двигателе происходит не мгновенно, а в течение некоторого времени. Для существующих двигателей суммарная продолжительность І-й и ІІ-й фаз горения составляет 0,003 ÷ 0,01 сек, что соответствует повороту коленвала на угол 30÷450.

Скорость сгорания ТВС обычно оценивают по средней скорости распространения пламени по объему камеры сгорания, выраженной в метрах в секунду. Для нормально работающего двигателя величина скорости распространения пламени во второй фазе составляет 20÷30 м/сек. Температура и давление в цилиндре в точке Z (рис. 1-11) достигают максимальной величины, составляя для современных двигателей соответственно 2600÷2800К и 50÷80 кг/см2. Продолжительность сгорания зависит от температуры смеси, степени сжатия, наличия остаточных газов в цилиндре, наличия вихревых движений смеси, частоты вращения коленчатого вала, числа и расположения свечей, формы камеры сгорания и состава смеси.

Читайте также:  Как установить контроллер давления на насос

Чем больше температура смеси перед воспламенением, тем больше скорость ее сгорания.

Вся эта информация нам нужна для понимания процессов. Графики и числа нам помогут оценить качественно и количественно процесс, но так как в нашем поиске речь идет о динамической камере сгорания, для нас это только часть информации. Дело в том, что, говоря о шатунно-поршневом двигателе, нас в первую очередь интересуют законы изменения объема К.С., так только этот параметр напрямую связан с частотой КВ. Также было бы неплохо оценить законы давления (читай как силы) для оценки момента на валу. Кроме того, если мы хотим быть достаточно дотошными, то нам захочется придраться ко всяким «в среднем», «около» и так далее. Почему? Потому что в первую очередь нам непонятно, как ведет себя система при разных количествах ТВС, при разных оборотах КВ. Я не говорю о разных углах при прочих равных условиях и составах ТВС — нет, эти параметры мы считаем идеальными для конкретного условия. Значение же угла опережения зажигания в разных условиях системы являются следствием из описания процессов, к которому мы стремимся.

Источник

Box77 › Блог › Физика камеры сгорания. Часть 7. Основы динамики блока цилиндров

В общении автолюбителей часто встречаются такие слова, как механические потери в двигателе, соотношения диаметр поршня к ходу коленчатого вала, соотношения длины шатуна к ходу коленчатого вала, крутящий момент и силы инерции. К сожалению, подобные разговоры обычно дальше обмена звучными фразами не идут. И даже после трехчасовых дискуссий на эти темы ни у кого из собеседников не появляется чего-то нового в голове.

Сегодня мы окунемся в мир динамики кривошипно-шатунного механизма и уясним, как на деле все это работает. Немного вспомним векторы и обычную механику за 8 класс.

Итак, начнем с того, что же вращает двигатель, а именно:

1. Сила давления газов на поршень.

Эта та сила, которая лежит в основе работы любого ДВС, которая является «оживляющей» силой. Смесь сжалась, воспламенилась, началась химическая реакция и увеличились давление и температура в камере сгорания. Температура в динамике ДВС играет несущественную роль, но вот давление — наиважнейшую.

Итак, сила давления газов на поршень равна:

Fг = (Р — Рк) * п * D^2 / 4, где

Р — давление в цилиндре,
Рк — давление картерных газов,
D — диаметр поршня.

Какие выводы можно сделать?
— Чем больше диаметр цилиндра, тем больше сила давления газов при том же значении давления в цилиндре.
— Чем ниже давление картерных газов, тем больше сила давления газов при том же значении давления в цилиндре.

Каждый автолюбитель знает о сапуне, торчащем из головки блока цилиндров, но мало кто понимает его истинный смысл: снижение давления картерных газов за счет разряжения во впуске. Не раз встречал, как шланг выводили на улицу, а вход в коллектор глушили. Встречался, когда сапун пытались глушить, в итоге давление картерных газов становилось избыточным и мотор попросту глох. Особо серьезно к системе рециркуляции картерных газов относится Хонда, где имеется не только сапун с ГБЦ, есть клапана рециркуляции, шланги с блока, разряжение используется до и после дросселя и так далее — и все это не от нечего делать, а для повышения эффективности силовой установки.

2. Силы инерции движущихся масс.
Итак, мы рассмотрели силы, возникающие по причине изменения давления газов в цилиндре.Но в ДВС возникают и прочие силы, связанные с тем, что детали ШПГ имеют ненулевую массу, а именно: силы инерции.

Силы инерции делятся на два типа:
— Силы инерции возвратно-поступательно движущихся масс
— Силы инерции вращающихся масс.

2.1. Сила инерции возвратно-поступательно движущихся масс.

Данные силы порождаются движением поршня и шатуна. Но если с поршнем все понятно, то с шатуном не все так просто: шатун обычно представляют в виде гантели, представляющей собой две шейки с безмассовым стержнем. Тогда массы шеек гантели рассчитывают следующим образом:
Находится центр масс шатуна вывешиванием, т.е. шатун располагают горизонтально на некоторую ось таким образом. чтобы левая и правая часть шатуна были уравновешены. Это будет не середина шатуна, поэтому левое и правое плечо обозначим как lп и lк, где lп — плечо верхней головки шатуна, куда устанавливается поршневой палец, а lк — плечо нижней головки шатуна, соединяющаяся с шатунной шейкой коленчатого вала.
Тогда массы условной гантели равны:
Масса поршневой части шатуна:
mшп = mш * lк / l = mш * (l — lп) / l
Масса части шатуна, соединяющейся с коленчатым валом:
mшк = mш * lп / l

Читайте также:  Велосипедные колеса давление воздуха в ней

Таким образом, возвратно-поступательно движущиеся массы:
mвп = mп + mшп, где mп — масса поршня, mпш — масса поршневой части шатуна.

Так как сила есть произведение массы на ускорение,
сила инерции возвратно-поступательно движущихся масс равна:
Fивп = — (mп + mшп) * а, где а — ускорение поршня.

Запишем в общем виде:
Fивп = — (mп + mшп) * w^2 * r * ( < cosф + cos2ф * r / l >+ е * r * < sinф + sin2ф * r / (2*l)>)

При е = 0:
Fивп = — (mп + mшп) * w^2 * r * < cosф + cos2ф * r / l >

Тут должен оговориться, что в массу поршня входят также масса пальца и поршневых колец.

2.2. Сила инерции вращающихся масс.

Одной из вращающихся масс является приведенная масса нижней шейки шатуна. найденная ранее:
mшк = mш * lп / l

Второй массой является сумма масс неуравновешенных частей коленчатого вала, а именно: шатунная шейка и щеки.
С шатунной шейкой проблем нет — это mшш, а вот массы щек необходимо привести к центру оси шатунной шейки для удобства:
mщк = mщ * (r — rшш) / r, где mщ — реальная масса щек коленчатого вала, а rшш — радиус шатунной шейки коленчатого вала.
Так как щеки у одного цилиндра две, масса неуравновешенный частей коленчатого вала равны:
mшш + 2*mщк

Полная сумма вращающихся масс равна сумме масс неуравновешенных частей коленчатого вала и приведенной массы нижней шейки шатуна:
mшк + mшш + 2*mщк

Силы инерции вращающихся масс равны:
Fив = — (mшк + mшш + 2*mщк) * r * w^2

Тут должен отметить, что в массу шатунной шейки входит также масса шатунных вкладышей.

3. Преобразования сил:

Сила давления газов на поршень и сила инерции возвратно-поступательно движущихся масс в сумме дают силы, действующие на поршень по оси цилиндров. Тут важно отметить, что силы инерции возвратно-поступательно движущихся масс имеют знак «минус», т.е. действуют нам во вред (должен оговориться: во вред — часть цикла, в некоторый момент сила меняет знак и работает с пользой).

Fп = Fг + Fивп = (Р — Рк) * п * D^2 / 4 — (mп + mшп) * w^2 * r * ( < cosф + cos2ф * r / l >+ е * r * < sinф + sin2ф * r / (2*l)>),

или же при отсутствии ускорения коленчатого вала, т.е. при е(t) = 0:
Fп = Fг + Fивп = (Р — Рк) * п * D^2 / 4 — (mп + mшп) * w^2 * r * (< cosф + cos2ф * r / l >

Сила, действующая на поршень, в динамике делится на две составляющие силы:
— Сила, направленная по оси шатуна,
Fш = Fп / cosb, где b — угол между осью цилиндра и осью шатуна
— Сила, перпендикулярная оси цилиндра и направленная в противоположную сторону силе по направлению шатуна,
N = Fп * tg b, где b — угол между осью цилиндра и осью шатуна

Сумма векторов данных сил даст опять нам вектор Fп.

Эффективной действующей силой из этих двух является Fш.

3.1. Сила, направленная по оси шатуна.

Fш = Fп / cosb, где b — угол между осью цилиндра и осью шатуна,

Или же (подставив Fп):
Fш = (Fг + Fивп) / cosb

Fш = ((Р — Рк) * п * D^2 / 4 — (mп + mшп) * w^2 * r * ( < cosф + cos2ф * r / l >+ е * r * < sinф + sin2ф * r / (2*l)>)) / cosb

При отсутствии ускорения коленчатого вала, т.е. при е(t) = 0:

Fш = ((Р — Рк) * п * D^2 / 4 — (mп + mшп) * w^2 * r * < cosф + cos2ф * r / l >) / cosb

Как мы уяснили ранее, эта сила — остаток от силы, действующей на поршень, которая участвует в полезной работе ДВС.

Перенесем вектор Fш для удобства дальнейшего рассмотрения в центр шатунной шейки коленчатого вала. Теперь разложим и эту силу на две составляющие:
— Касательную силу, направленную по касательной к окружности вращения шатунной шейки:
Fкв = Fш * sin (ф + b), где ф — угол поворота коленчатого вала, b — угол между осью цилиндра и осью шатуна
— Перпендикулярную силу, направленную от шатунной шейки к оси коленчатого вала:
Fпв = Fш * cos (ф + b), где ф — угол поворота коленчатого вала, b — угол между осью цилиндра и осью шатуна

Читайте также:  Препараты для пониженного артериального давления

Здесь полезной силой является касательная сила.

3.2. Сила, направленная по касательной к окружности вращения шатунной шейки.

Fкв = Fш * sin (ф + b), где ф — угол поворота коленчатого вала, b — угол между осью цилиндра и осью шатуна

Подставим выражение для Fш и получим выражение Fкв через Fп:

Fкв = Fп * sin (ф + b) / cosb

Fкв = (Fг + Fивп) * sin (ф + b) / cosb

Fкв = ((Р — Рк) * п * D^2 / 4 — (mп + mшп) * w^2 * r * ( < cosф + cos2ф * r / l >+ е * r * < sinф + sin2ф * r / (2*l)>))*sin (ф + b) / cosb

При отсутствии ускорения коленчатого вала, т.е. при е(t) = 0:

Fкв = ((Р — Рк) * п * D^2 / 4 — (mп + mшп) * w^2 * r * < cosф + cos2ф * r / l >)*sin (ф + b) / cosb

Крайне неудобно, когда функция выражена через два угла, особенно, когда один угол явно зависит от другого, не смотря на то, что в таком виде функция более читаема.

Произведем математическое преобразование угла b через функцию от угла ф:

По теореме синусов:

l / sinф = r / sin b, где:

l — длина шатуна,
r — радиус кривошипа.

выражаем b через ф:

b = arcsin (r/l * sinф).

Перепишем Fкв = Fп * sin (ф + b) / cosb, подставив выажение для b:

Fкв = Fп * sin (ф + arcsin (r/l * sinф)) / cos (arcsin (r/l * sinф))

Или же более развернуто:

Fкв = ((Р — Рк) * п * D^2 / 4 — (mп + mшп) * w^2 * r * ( < cosф + cos2ф * r / l >+ е * r * < sinф + sin2ф * r / (2*l)>))*sin (ф + arcsin (r/l * sinф)) / cos (arcsin (r/l * sinф))

Ну, и если отсутствует ускорение коленчатого вала, т.е. при е(t) = 0:

Fкв = ((Р — Рк) * п * D^2 / 4 — (mп + mшп) * w^2 * r * < cosф + cos2ф * r / l >)*sin (ф + arcsin (r/l * sinф)) / cos (arcsin (r/l * sinф))

3.3. Силы, действующие на шатунную шейку коленчатого вала, или вращающая сила:

Суммарно вращающие силы можно представить в виде суммы силы, направленной по касательной к окружности вращения шатунной шейки, Fкв и силы инерции вращающихся масс Fив.

Опять же отмечу, что силы инерции вращающихся масс имеют знак минус, т.е. действуют нам во вред.

Итого, вращающая сила:

Fв = Fп * sin (ф + arcsin (r/l * sinф)) / cos (arcsin (r/l * sinф)) — (mшк + mшш + 2*mщк) * r * w^2

Или же более развернуто:

Fв = ((Р — Рк) * п * D^2 / 4 — (mп + mшп) * w^2 * r * ( < cosф + cos2ф * r / l >+ е * r * < sinф + sin2ф * r / (2*l)>))*sin (ф + arcsin (r/l * sinф)) / cos (arcsin (r/l * sinф)) — (mшк + mшш + 2*mщк) * r * w^2

Если нет ускорения коленчатого вала, т.е. при е(t) = 0:

Fв = ((Р — Рк) * п * D^2 / 4 — (mп + mшп) * w^2 * r * < cosф + cos2ф * r / l >)*sin (ф + arcsin (r/l * sinф)) / cos (arcsin (r/l * sinф)) — (mшк + mшш + 2*mщк) * r * w^2

Произведение вращающей силы и радиуса кривошипа носит знакомое всем понятие «крутящего момента», т.е.

Или же:
Мкр = r* (Fкв + Fив)

Мкр = r * [Fп * sin (ф + arcsin (r/l * sinф)) / cos (arcsin (r/l * sinф)) — (mшк + mшш + 2*mщк) * r * w^2]

Или же более развернуто:

Мкр = r * [((Р — Рк) * п * D^2 / 4 — (mп + mшп) * w^2 * r * ( < cosф + cos2ф * r / l >+ е * r * < sinф + sin2ф * r / (2*l)>))*sin (ф + arcsin (r/l * sinф)) / cos (arcsin (r/l * sinф)) — (mшк + mшш + 2*mщк) * r * w^2]

Если нет ускорения коленчатого вала, т.е. при е(t) = 0:

Мкр = r * [((Р — Рк) * п * D^2 / 4 — (mп + mшп) * w^2 * r * < cosф + cos2ф * r / l >)*sin (ф + arcsin (r/l * sinф)) / cos (arcsin (r/l * sinф)) — (mшк + mшш + 2*mщк) * r * w^2]

Наряду с крутящим моментом существует реактивный момент двигателя, который стремится развернуть сам двигатель. Он противоположен по направлению крутящему моменту.

Итак, сегодня мы рассмотрели основные силы, возникающие в ШПГ работающего ДВС, выявили зависимости мгновенных значений сил и крутящего момента от давления газов, частоты вращения (в общем случае и ускорения) и угла поворота коленчатого вала. Но следует помнить, что помимо сил инерции и сил, порожденных давлением газов, существуют силы трения и силы сопротивления.

Не забываем поправлять, если заметили ошибку, писать пожелания и ставить лайки.

Источник

Adblock
detector