Работа цикла
В теории авиадвигателей принято рассматривать отдельно работу, совершаемую газами, за такты впуска и выпуска и за такты сжатия и расширения. То есть, также как для идеального цикла (см. п.1.4), можно записать:
Lц = Lвп + Lсж + Lрасш + Lвып,
Работа, совершенная газами за такты впуска (Lвп) и выпуска (Lвып), носит название насосной работы. Работа, полученная от газов за такты сжатия (Lсж) и расширения (Lрасш), называется индикаторной работой цикла.
Насосная работа
Величина насосной работы зависит от сопротивлений на впуске и выпуске, а ее знак от того соотношения, которое существует между давлением на впуске двигателя и давлением на выпуске, т. е. от того, имеет ли двигатель нагнетатель или нет.
На рис. 1-24 и 1-25 даны диаграммы насосных ходов, перенесенные с рис. 1-22 а и б. Рис. 1-24 соответствует работе двигателя без нагнетателя (с впуском из атмосферы), а рис. 1-25 — работе двигателя с нагнетателем (с наддувом). Заштрихованные площади этих диаграмм представляют собой (в масштабе) работу насосных ходов. Сравнивая между собой эти диаграммы, мы видим, что работа насосных ходов в обоих случаях получается различной.
Рис.1- 24. График работы насосных ходов двигателя без нагнетателя
В двигателе без нагнетателя (рис.1-24) избыточное (против атмосферного) давление газов на поршень направлено в течение тактов впуска и выпуска против его движения (направление движения поршня показано на рисунках стрелками). Поэтому для перемещения поршня необходимо затрачивать работу, подводя ее к валу двигателя извне (например, от других цилиндров). Насосная работа в этом случае будет отрицательной.
В двигателе с нагнетателем (рис. 1-25) работа, затрачиваемая на выпуск, точно так же остается отрицательной. Что касается работы впуска, то так как давление в цилиндре больше давления окружающей среды за счет наддува (р>р0), избыточное давление на поршень будет направлено в сторону движения поршня и работа впуска будет положительной, т. е. газы в цилиндре будут передавать некоторую работу поршню. В результате работа насосных ходов будет положительной, т. е. газы в цилиндре за такты впуска и выпуска передадут поршню некоторую работу, величина которой соответствует на рис. 1-25 заштрихованная площадь. В теории авиадвигателей принято относить работу насосных ходов к механическим потерям двигателя. Это делается потому, что практически механические потери (потери на трение) чаще всего определяют путем прокрутки прогретого двигателя от электромотора. При таком способе испытания в мощность, затрачиваемую на прокрутку, естественно, включается и мощность, затрачиваемая на впуск и выпуск воздуха из двигателя, т. е. мощность насосных ходов.
Рис.1- 25. График работы насосных ходов двигателя с нагнетателем
Очевидно, что при положительной работе насосных ходов механические потери двигателя должны соответственно уменьшиться.
Величине абсолютной работы, затрачиваемой па сжатие, соответствует (рис. 1-22) площадь f-a-c-d, а работы, получаемой при расширении, — площадь d-c-z-b-f.
Разность между величиной работы расширения и работы сжатия представляет собой полезную работу, совершаемую газами за такты сжатия и расширения. Эта работа передается от газов поршню и далее через кривошипно-шатунный механизм коленчатому валу двигателя.
Индикаторная работа цикла
Работа, полученная от газов за такты сжатия и расширения, называется индикаторной работой цикла и обозначается Li. Величине этой работы на рис. 1-22, а и б соответствуют заштрихованные площади c-z-b-a-c. Как видно из рис. 1-22, величина индикаторной работы для двигателя с наддувом больше, чем для двигателя со впуском из атмосферы. Это объясняется увеличением при наддуве весового заряда цилиндра.
Индикаторная диаграмма, построенная для тактов сжатия и расширения, обычно называется диаграммой действительного цикла. Такая диаграмма приведена на рис. 1-26.
Использовать диаграмму действительного цикла двигателя для расчета индикаторной работы цикла затруднительно, т.к. сложно рассчитать площадь фигуры внутри замкнутой линии а-с-z-b-а. Поэтому для упрощения расчетов вводится понятие «среднее индикаторное давление».
Среднее индикаторное давление
Среднее индикаторное давление представляет собой такое условное постоянное давление, действующее на поршень, которое в течение хода расширения, совершает работу, равную работе газов за ходы сжатия и расширения действительного цикла (т, е. равную индикаторной работе). Обозначим через рi среднее индикаторное давление в цилиндре двигателя; F — площадь поршня; S — ход поршня.
Рис.1-26. Диаграмма действительного цикла двигателя
Тогда полная сила от давления газов, действующая на поршень, будет равна произведению среднего индикаторного давления на площадь поршня, т. е. рi·F.
Индикаторная работа Li, совершенная газами при перемещении поршня от верхней мертвой точки до нижней мертвой точки, будет равна произведению постоянной силы, действующей на поршень, на путь, равный ходу поршня S, т. е. Li = Pi ⋅ F ⋅ S.
Произведение площади поршня на его ход равно рабочему объему цилиндра F·S = Vh. Следовательно, Li = Pi ⋅Vh .
Величина среднего индикаторного давления может быть выражена геометрически как высота прямоугольника, равновеликого по площади индикаторной диаграмме и имеющего основание, равное рабочему объему Vh.
На рис. 1-27 площадь индикаторной диаграммы асzbа представляет собой работу, переданную газами поршню за такты сжатия и расширения, а равный ей по площади прямоугольник с основанием Vh имеет высоту рi, выражающую в соответствующем масштабе среднее индикаторное давление.
Зная среднее индикаторное давление и рабочий объем цилиндра можно легко рассчитать индикаторную работу цикла. Величина среднего индикаторного давления (рi) определяется при проектировании двигателя.
Рис. 1-27. Графическое определение среднего индикаторного давления