Traktoriuose ir automobiliuose dažniausiai įrengiami stūmokliniai vidaus degimo šiluminiai varikliai. Jų cilindruose degant skysčiams ar dujoms susidaro didelio slėgio dujiniai deginiai, kurie plėsdamiesi didele jėga veikia stūmoklį, o pastarasis per švaistiklį suka variklio alkūninį veleną. Kad degalai, patekę į variklio cilindrus, laiku užsidegtų, jie turi būti tinkamai paruošti, sumaišyti su įsiurbiamu į tuos pačius cilindrus oru ir suspausti. Kituose varikliuose suspaudžiamas tik oras, į kurį tinkamu metu įpurškiami skysti degalai. Plėsdamiesi dujiniai deginiai atlieka naudingą darbą, po to jie iš cilindrų pašalinami. Taigi stūmoklinių variklių darbas vyksta cikliškai, nuolat kartojantis tiems patiems procesams. Suprantama, šie procesai vyksta pagal tam tikrus fizikinius dėsnius, kuriuos nagrinėja termodinamika.
Periodiškas dujų būsenos pasikeitimas vadinamas termodinaminiu ciklu. Tai uždaras procesas, kurio metu dujų šilumingumas nekinta ir nuo temperatūros nepriklauso. Šiluma suteikiama dujoms, kai tūris cilindre nekinta (ūmaus degimo ciklas), arba kai jame nekinta slėgis (lėto degimo ciklas), taip pat kai dalis jos suteikiama esant pastoviam tūriui, o likusi dalis- esant pastoviam slėgiui (mišrus ciklas). Suspaudimo ir išsiplėtimo procesai šiuose cikluose yra adiabatiniai - dujos iš aplinkos negauna ir jai neatiduoda šilumos.
Variklyje vykstantys ciklai skiriasi nuo termodinaminių ir vadinami tikraisiais. Kaip minėjome, dujas sudaro degalų ir oro mišinys, taip pat nedidelis kiekis cilindre likusių deginių. Šio dujų mišinio sudėtis ir šilumingumas procesų metu kinta. Tarp dujų ir cilindro sienelių vyksta šilumos mainai - suspaudimo ir išsiplėtimo procesai yra ne adiabatiniai, o politropiniai. Variklio cilindre vykstantis ciklas atviras, nes po kiekvieno ciklo dujos pasikeičia: išsiplėtę deginiai iš cilindro išmetami laukan ir į jį siurbiamas šviežias mišinys ar oras. Tikrojo ciklo metu ne visada degalai visiškai sudega, be to, šiek tiek jų patenka į variklio karterį. Dėl šių priežasčių prarandama dalis šilumos. Prisiminkime ir tai, jog siurbimo ir išmetimo vožtuvai atsidaro anksčiau, negu stūmoklis pasiekia galinius taškus (AGT ir VGT), ir užsidaro vėliau. Todėl cilindre vykstančių tikrųjų procesų analizė yra sudėtingesnė negu teorinių, kai teigiama, jog siurbimo ir išmetimo vožtuvai atsidaro ir užsidaro staiga, vos tik stūmoklis atsiduria AGT ir VGT, o degalai sudega akimirksniu.
Vienas iš pagrindinių variklio darbo parametrų, nuo kurio priklauso dinaminiai ir ekonominiai rodikliai, yra dujų slėgis cilindre. Todėl, nagrinėdami variklio teorinį ciklą, daugiau dėmesio skirsime dujų slėgio priklausomybės nuo jų tūrio cilindre arba nuo alkūninio veleno pasisukimo kampo analizei. Dujų slėgį, bandant variklį, galima užregistruoti prietaisu, vadinamu indikatoriumi. Juo gautas grafikas vaizduoja tikrąją variklio indikatorinę diagramą. Oto variklio ir dyzelio teorinės ir tikrosios indikatorinės diagramos pateiktos 1.1 ir 1.2 paveiksluose.
Teoriniame cikle siurbimo procesas vyksta pagal liniją. Iš pradžių cilindre likę deginiai plečiasi, kol jų slėgis tampa mažesnis negu atmosferinis, ir tik po to į cilindrą pradedamas siurbti šviežias mišinys arba oras. Realiame variklyje siurbimo vožtuvas pradeda atsidaryti anksčiau (taškas 1) ir visiškai užsidaro vėliau (taškas 2). Dėl to pagerėja cilindrų pripildymas. Pasikeitus stūmoklio slinkimo krypčiai, cilindre vyksta suspaudimo procesas (linija ac). Šis procesas, kaip minėjome, yra politropinis. Jam baigiantis, tam tikra paskuba prieš VGT (taške A) Oto variklyje mišinys uždegamas, o į dyzelio cilindrą pradedami purkšti degalai. Prasideda degimo procesas (Oto variklyje linija cz, dyzelyje - linijos cz’ ir z’z). Iš termodinamikos žinome, kad linijomis cz arba cz’ vaizduojami procesai yra izochoriniai (tūris V=const), o linija z’z - izobarinis (slėgis p=const). Oto variklyje išplėtimas vyksta pagal liniją zb, dyzeliniame prasideda nuo taško z’, kai teoriškai dar vyksta degimas. Procesai, pavaizduoti linijomis zb, yra politropiniai.
Išmetimo vožtuvas atsidaro anksčiau, negu stūmoklis pasiekia AGT (taške 3), ir prasideda išmetimo procesas. Teoriškai šis procesas baigiasi taške r, kai stūmoklis pasiekia VGT.
Pripučiamuose dyzeliniuose varikliuose deginių energija yra panaudojama turbinai sukti. Turbina įsuka ir kompresorių, nes yra su juo sujungta velenu. Todėl į tokio variklio cilindrus patenkančio išvalyto oro slėgis pa yra didesnis negu atmosferinis po.
Indikatoriniai variklio rodikliai parodo, ar tobulai termodinaminiu požiūriu variklio cilindre vyksta ciklas. Vidutinis indikatorinis slėgis - tai toks tariamas pastovus dujų slėgis, veikiantis stūmoklį per visą darbinę jjo eigą ir atliekantis tokį pat darbą kaip tikrasis, tačiau kintamas dujų slėgis. Žinodami, jog indikatorinė variklio diagrama vaizduoja dujų atliekamą darbą vieno ciklo metu, jos plotą galime paversti stačiakampiu, kurio ilgoji kraštinė atitiktų tūrį Vh. Tikrasis vidutinis indikatorinis slėgis yra mažesnis už teorinį, nes tikrojo ciklo indikatorinė diagrama yra suapvalinta.
Dujų suspaudimas turi keletą tikslų: didėjantis slėgis gali padidinti dujų tankį, sumažinti atstumą tarp molekulių. Taip degalų ir deguonies molekulės suartėja, todėl degimas vyksta greičiau. Kita vertus, temperatūra padidina molekulinio judėjimo greitį, palengvindama kuro ir deguonies molekulių sąveiką, o kuro ir oro mišinį lengviau užsidegti.
Nors šiuolaikiniai benzininiai varikliai yra sukurti su didesniu suspaudimo laipsniu, tai pasiekiama remiantis tobulėjančiomis technologijomis ir didesnio oktaninio skaičiaus benzinu. Tai laipsniškas procesas, o ne tiesioginiai pokyčiai. Ankstesnėse variklių technologijose cilindrai neatlaikydavo per didelio slėgio, ir net jei variklis tai leido, didesnio oktaninio skaičiaus degalai nebuvo plačiai prieinami. Pavyzdžiui, 1980-ųjų ir 1990-ųjų variklių suspaudimo laipsnis buvo maždaug 7, todėl jie galėjo dirbti naudojant 75-oktaninį ar net mažesnį kurą. Ir atvirkščiai, įvedus mažo suspaudimo variklį, pvz., „Cherokee“, kuriam reikia mažesnio nei 85 oktaninio skaičiaus degalų, veikimas būtų nenormalus. Todėl paprastai varikliai su didesniu suspaudimo laipsniu pasižymi geresniu našumu ir geresniu degalų efektyvumu, kai to paties darbinio tūrio. Tačiau viskam yra ribos, ir vien tik padidinti suspaudimo laipsnį siekiant didelio našumo išlaikant normalų veikimą tampa eksponentiškai sudėtinga.
Suspaudimo laipsnis yra pagrindinis parametras, kuris daugiausia gali atspindėti variklio darbo efektyvumą. Natūralaus įsiurbimo varikliui suspaudimo laipsnio pagerėjimas reiškia santykinį variklio našumo ir efektyvumo pagerėjimą, neatsižvelgiant į kitus veiksnius. Tačiau suspaudimo laipsnis negali būti per didelis, nes tai sukels benzininio variklio detonaciją, tokia situacija turės rimtesnį neigiamą poveikį benzininio variklio eksploatavimo trukmei, todėl dažnai reikia sumažinti detonacijos tikimybę aukštos klasės benzino.
Jei variklio suspaudimo laipsnis, kuo didesnis, tuo didesnis alyvos ir dujų mišinio slėgis suspaudžiamas, tuo santykinai aukštesnė temperatūra, dyzelinio kuro mišinys pilniau išgaruoja, lengviau sudega, visiškai po suspaudimo uždegimo momento, kai per labai trumpą laiką gali būti išleista vis daugiau mechaninės energijos, degimo metu sukurta mechaninė energija per stūmoklį, alkūninį veleną ir kitus mechanizmus perduodama varikliui ir tampa variklio galios generavimu. Jei žemesnio suspaudimo variklis, dyzelino molekulė neišgaravo iki galo, taigi, kai uždegimo žvakė degs gana lėtai, dalis mechaninės energijos paverčiama šilumos energija, todėl variklio temperatūra pakyla, bet ne visiškai virsta mechaninė energija, taigi ta pati situacija cilindro tūryje. Didesnis suspaudimo laipsnis reiškia didesnę įvestą ir išeigą galią. Paprastai tariant, kuo didesnis variklio suspaudimo laipsnis, tuo didesnis variklio efektyvumas, tuo geresnis našumas ir degalų ekonomija. Tačiau variklio suspaudimo laipsnis nėra kuo didesnis, tuo geriau, bet tam, kad būtų tinkamas. Per didelis suspaudimo laipsnis sumažins stabilumą ir variklio tarnavimo laiką. Tinkamiausias suspaudimo laipsnis sukurtas taip, kad variklio varomoji jėga, ekonominė nauda ir patikimumas pasiektų tobulą ir stabilų balansą.
Ne visą cilindruose sukurtą indikatorinę galią variklis atiduoda traktoriaus ar automobilio transmisijai. Trinties nuostoliai sudaro didžiausią mechaninių nuostolių dalį. Jų išraiška procentais pateikta 1.2 lentelėje. Lemiamą įtaką jų didumui turi stūmoklio vidutinis greitis.
| Veiksnys | Nuostoliai (%) |
|---|---|
| Trinties nuostoliai | Didžiausia dalis |
| Siurblių ir kt. | (Nežinoma) |
Efektyvūs variklio rodikliai rodo ne tik termodinaminį, bet ir mechaninį jo tobulumą. Tai galia, kurią variklis atiduoda vartotojui (mašinos transmisijai ar jos darbo įrenginiams). Variklio darbo ekonomiškumas įvertinamas efektyviu naudingumo koeficientu.
Iš pateiktų formulių matyti, kad variklio darbo efektyvumui ir ekonomiškumui pasiekti nepakanka, kad būtų tobulas termodinaminiu požiūriu jo darbo ciklas. Kokios gi priemonės gerina efektyvius variklio rodiklius? Visų pirma, tinkamai pasirinktas variklio eksploatacijos režimas. Kai eksploatuojamas šaltas variklis, didėja trinties nuostoliai, dėl to blogesni jo efektyvūs rodikliai. Perkaitinti variklį pavojinga, nes gali būti pažeista skysčio trinties sąlyga. Todėl variklį reikia eksploatuoti, kai jame esančios alyvos temperatūra būna 70-95° C. Antra, teisingai parinktas variklio greitinis režimas. Didinant veleno sukimosi greitį, didėja inercijos jėgos, kurios atsiranda detalėms judant, be to, didėja stūmoklių vidutiniai greičiai. Efektyvūs variklio rodikliai taip pat priklauso nuo variklio konstrukcijos, naudojamų medžiagų ir detalių gamybos technologijos.
Šis rodiklis parodo variklio forsavimo laipsnį: kuo jis didesnis, tuo variklis labiau forsuojamas.
| Variklio tipas | Lyginamoji galia (kW/l) | Lyginamoji masė (kg/kW) |
|---|---|---|
| Nepripučiami traktoriniai | 4,4-8,2 | 13,5-46,3 |
| Turbokompresoriniai | 12,5-17,6 | Apie 8,2 |
Šilumos balansu vadinama lygybė tarp šilumos, kuri per laiko vienetą išsiskiria variklyje degant degalams ir tarp šilumos, suvartojamos kitiems poreikiams. Qkt - visi kiti anksčiau neįvertinti šilumos nuostoliai. Įvairiuose varikliuose šis šilumos pasiskirstymas yra skirtingas. Jis taip pat priklauso nuo variklio greičio režimo ir apkrovos. Nustatyta, jog šiluma panaudojama geriausiai (qe = max), kai variklis dirba visa apkrova. Kai ji mažesnė daug šilumos prarandama su deginiais. Vidutiniai šilumos balanso elementų dydžiai procentais pateikti 1.4 lentelėje.
| Šilumos panaudojimas | Procentinė dalis (%) |
|---|---|
| Naudingas darbas | (Nežinoma) |
| Aušinimas | (Nežinoma) |
| Išmetiniai deginiai | (Nežinoma) |
| Kiti nuostoliai (Qkt) | (Nežinoma) |
Varikliui dirbant jo detales veikia dujų slėgio jėga, judančių masių inercijos ir mechaninės trinties jėgos. Dujų slėgio jėgą galima nustatyti, kai žinoma variklio indikatorinė diagrama. Norint rasti inercinės jėgas, reikia žinoti judančių detalių masę ir jų pagreičius. Šių jėgų didumas ir veikimo kryptis priklauso nuo variklio apkrovos ir alkūninio veleno sukimosi greičio. Variklio dinamikos uždavinys - išsiaiškinti dėsningumus, pagal kuriuos juda svarbiausios variklio detalės ir kaip kinta tas detales veikiančios jėgos. Dinaminiu požiūriu svarbiausios variklio detalės yra stūmoklis, švaistiklis ir alkūninis velenas. Stūmoklis tiesia linija juda nuo vieno galinio taško iki kito, švaistiklis atlieka sudėtingą judesį: vieno jo galo kartu su stūmokliu judesys tiesiaeigis, antras galas sukasi kartu su alkūniniu velenu, o tarpiniai švaistiklio taškai švytuoja. Pirmajai grupei priskiriamos detalės, atliekančios tik slenkamąjį-grįžtamąjį judesį. Antrajai grupei - detalės, atliekančios tik sukamąjį judesį. Trečiajai - detalės, atliekančios sudėtingą judesį. Dėl dinaminio nagrinėjimo paprastumo ši judančių detalių sistema keičiama ekvivalentiška, kurioje judančios masės sukoncentruojamos dviejuose taškuose: stūmoklio piršte ir alkūninio veleno švaistikliniame kakliuke.
Kai variklio alkūninis mechanizmas pakeičiamas aprašyta dinamine sistema, jame veikia šios jėgos: dujų slėgio, inercijos ir išcentrinė. Tokio pat dydžio, tačiau priešingos krypties jėga veikia cilindrų galvutę. Taigi, dujų slėgio jėgos viena kitą atsveria ir variklio atramų neveikia. Inercijos jėga Fa atsiranda dėl slenkamųjų masių kintamo judesio. Šios jėgos pridėties taškas yra stūmoklio pirštas. FR = mR*R². Jėgos Fd ir Fa veikia vienoje tiesėje. Jos yra teigiamos, kai nukreiptos alkūninio veleno kryptimi (padeda sukti alkūninį veleną), neigiamos - kai nukreiptos priešinga velenui kryptimi (trukdo sukti alkūninį veleną). Pavyzdžiui, darbo takto metu jėga Fd visada yra teigiama, suspaudimo ir išmetimo taktų metu - neigiama, o siurbimo takto metu - gali būti ir teigiama, ir neigiama. Vaizdumo dėlei šių jėgų didumą ir kryptį galima nustatyti besisukančio vektoriaus metodu. Jėga FaI yra vektoriaus projekcija į cilindro ašinę liniją, sukant jį greičiu ω. Jėgos FaII didumą ir kryptį gauname sukdami vektorių ta pačia kryptimi, tačiau dvigubai greičiau -2ω.
Tarkime, kad stūmoklį veikianti jėga F = Fd + Fa yra nukreipta žemyn. Jėga N spaudžia stūmoklį prie cilindro, dėl to dyla stūmoklio, cilindro šoniniai paviršiai ir žiedai. Jėga Z šiuo momentu veikia centrą ir apkrauna alkūninio veleno pagrindinius guolius. Ją perkeliame į tašką O, prie kurio papildomai pridedame dvi vienodo didumo, bet priešingų krypčių jėgas T’ = T“, lygias ir lygiagrečias jėgai T. Sudėję jėgas Z’ ir T“, gauname atstojamąją, kurios dydis ir kryptis lygi jėgai Fš. Išskaidę jėgą į jėgą N’, veikiančią statmenai cilindrui ir į jėgą F’, veikiančią cilindro ašinėje linijoje, gauname dar vieną momentą Mv. Jį sukuria jėgos N ir N’, nes veikia priešingomis kryptimis atstumu h. Jėga F’ lygi jėgai F ir per alkūninio veleno pagrindinius guolius bei bloką veikia variklio atramas.
Dėl neatsvertų jėgų ir momentų veikiantis variklis perduoda virpesius mašinos rėmui. Variklis laikomas atsvertu, jei jo atramas veikia pastovaus didumo ir pastovios krypties jėgos ir momentai. Stūmoklinio variklio visiškai atsverti negalima, nes vertimo momentas, kaip ir jam lygus, bet priešingos krypties sukimo momentas, yra alkūninio veleno pasisukimo kampo periodinė funkcija. Todėl nagrinėsime tik konstrukcinį variklio atsvėrimą. Stengiamasi kuo labiau sumažinti neatsvertų jėgų ar momentų veikimą.
Vieno cilindro variklis. Šiame variklyje veikia pirmos eilės FaI, antros eilės FaII inercijos jėgos ir išcentrinė inercijos jėga FR. Jų trajektorijos eina per alkūninio veleno centrą O, todėl sukimo momentų nesukuria. Atsvarai yra tvirtinami prie abiejų veleno petelių tąsos. Priešingu atveju sistema būtų dinamiškai neatsverta. Jėgas FaI ir FaII galima atsverti variklyje įrengus papildomą mechanizmą. Jėga FaI atsveriama dviem vienodos masės mpI atsvarais, tvirtinamais prie velenėlių, kurių ašys lygiagrečios alkūninio veleno ašinei linijai. Velenėliai krumpliaratinėmis pavaromis sukami priešingomis kryptimis tokiu pat kampiniu greičiu kaip ir alkūninis velenas. Atsvarams sukantis atsiranda išcentrinės jėgos FpI, kurių vertikaliosios dedamosios atsveria jėgą FaI. Antros eilės inercijos jėgai FaII atsverti reikia du papildomus velenėlius su atsvarais sukti dukart greičiau negu sukasi alkūninis velenas, o atsvarus išdėstyti taip, kad jie su cilindro ašimi sudarytų dvigubą kampą. Aprašytas mechanizmas yra sudėtingas, užima daug vietos ir retai naudojamas. Vienacilindriniame variklyje dažniausiai padidinamas atsvaras, atsveriantis jėgą FR. Papildomo atsvaro masė padidinama tiek, kad atsvertų apie pusę inercijos jėgos FaI. Šią masę didinti netikslinga, nes jai sukantis atsiranda ne tik vertikali, bet ir horizontali išcentrinės inercijos jėgos dedamoji, kuri yra neatsveriama.
Dviejų cilindrų linijinio variklio alkūninis velenas turi dvi alkūnes, kurios būna nukreiptos į vieną pusę arba išdėstytos priešingomis kryptimis. Varikliai su alkūninio veleno schema, kai alkūnės nukreiptos į vieną pusę, būna tik keturtakčiai. Darbo taktas juose kartojasi kas 360*. Tokios schemos pagrindinis trūkumas tas, kad abiejuose cilindruose inercijos ir išcentrinės jėgos būna nukreiptos į vieną pusę. Išdėsčius veleno alkūnes 180* kampu, pirmos eilės inercijos jėgos FaI veikia priešingomis kryptimis ir atsisveria. Antros eilės inercijos jėgos veikia cilindrų ašinių linijų plokštumoje ta pačia kryptimi. Savaime atsisveria ir išcentrinės inercijos jėgos FR. Keturių cilindrų linijiniame variklyje alkūninis velenas simetriškas, kampas tarp alkūnių - 180*. Darbo taktai kartojasi kas 180*.
tags: #suslegimo #politropes #rodiklis #benziniams #varikliams