Такт и процесс выпуска

Назначение такта и процесса выпуска состоит в том, чтобы очистить цилиндр двигателя от продуктов сгорания и подготовить его к очередному такту впуска. В процессе выпуска различают два периода: первый – от момента открытия клапана выпуска до прихода поршня к НМТ и второй – при ходе поршня от НМТ до момента закрытия выпускного клапана.

Рассмотрим первый период. Если открыть выпускной клапан точно в НМТ, то отработанные газы не успеют в достаточной мере очистить цилиндр, что неизбежно вызовет уменьшение коэффициента наполнения и падение мощности двигателя. Поэтому для того, чтобы лучше очистить цилиндр от продуктов сгорания, выпускной клапан открывают до достижения поршнем НМТ с таким расчетом, чтобы к моменту его прихода в НМТ давление в цилиндре снизилось (см. рис. 11., участок кривой «b – b₀»). При этом выход газов из цилиндра двигателя происходит под действием разности давлений: давления внутри цилиндра, составляющего p = 4…6 кг/см² и давления окружающей среды – p₀ ≈ 1 кг/см². Вследствие такой большой разности давлений скорость истечения газов во время первого периода достигает 600…700 м/с.

Рис. 11. Такт и процесс выпуска на индикаторной диаграмме

Открытие выпускного клапана происходит в диапазоне от 40°С до 60°С до НМТ по углу поворота коленчатого вала. На индикаторной диаграмме первый период представлен кривой «b – b₀». В течение этого периода теряется некоторая доля полезной работы такта рабочего хода, соответствующая площади «b – b' – b₀». Однако эта потеря незначительна и с избытком компенсируется за счет лучшего очищения цилиндра от продуктов сгорания и уменьшения противодавления газов при движении поршня к ВМТ в такте выпуска.

Второй период. К моменту перехода поршнем НМТ давление в цилиндре понижается вследствие уменьшения количества имеющихся в нем газов, что уменьшает скорость их истечения. При дальнейшем движении поршня к ВМТ в такте выпуска давление в цилиндре приближается к атмосферному, достигая средней величины p = 1,05…1,10 кг/см². Вытеснение газов из цилиндра в основном происходит за счет давления, создаваемого поршнем. При этом скорость истечения газов не превышает 70…80 м/с.

Работа, выполняемая в течение такта выпуска, соответствует площади, находящейся под соответствующей кривой (b₀ – r₀) и является отрицательной, поскольку сила, действующая на поршень со стороны газов, направлена против направления его движения (рис. 11., заштрихованная площадь со знаком минус).

Среднее индикаторное давление

Индикаторная диаграмма описывает рабочий цикл двигателя, а ограниченная его площадь – индикаторную работу цикла. Действительно, [p ∙ ∆V] = (Н/м²) ∙ м³ = Н ∙ м = Дж.

Если принять, что на поршень действует некоторое условное постоянное давление p_i, совершающее в течение одного хода поршня работу, равную работе газов за цикл L, то

L = p_i ∙ V_h (2)

где V_h – рабочий объем цилиндра.

Это условное давление p_i принято называть средним индикаторным давлением.

Среднее индикаторное давление численно равно высоте прямоугольника с основанием, равным рабочему объему цилиндра V_h площадью, равной площади, соответствующей работе L.

Так как полезная индикаторная работа пропорциональна среднему индикаторному давлению p_i, совершенство рабочего процесса в двигателе можно оценивать на величину этого давления. Чем больше давление p_i, тем больше работа L, и, следовательно, рабочий объем цилиндра используется лучше.

Зная среднее индикаторное давление p_i, рабочий объем цилиндра V_h, число цилиндров i и частоту вращения коленчатого вала n (об/мин), можно определить среднюю индикаторную мощность четырехтактного двигателя N_i

. (3)

Произведение i ∙ V_h представляет собой рабочий объем двигателя.

Передача индикаторной мощности на вал двигателя сопровождается механическими потерями вследствие трения поршней и поршневых колец о стенки цилиндров, трения в подшипниках кривошипно–шатунного механизма. Кроме того, часть индикаторной мощности затрачивается на преодоление аэродинамических потерь, возникающих при вращении и колебании деталей, на приведение в действие механизма газораспределения, топливных, масляных и водяных насосов и других вспомогательных механизмов двигателя. Часть индикаторной мощности тратится на удаление продуктов сгорания и заполнение цилиндра свежим зарядом. Мощность, соответствующая всем этим потерям, называется мощностью механических потерь N_м.

В отличие от индикаторной мощности, полезную мощность, которую можно получить на валу двигателя, называют эффективной мощностью N_е. Эффективная мощность меньше индикаторной на величину механических потерь, т.е.

N_е = N_i – N_м. (4)

Мощность N_м, соответствующую механическим потерям и эффективную мощность двигателя N_е определяют опытным путем при стендовых испытаниях с помощью специальных нагрузочных устройств.

Одним из основных показателей качества поршневого двигателя, характеризующего использование им индикаторной мощности для совершения полезной работы является механический КПД, определяемый как отношение эффективной мощности к индикаторной:

η_м = N_е/N_i. (5)

Общую энергию, сообщаемую валу поршневого двигателя, можно определить алгебраическим сложением работы тактов и умножив сумму на число рабочих тактов в единицу времени (n/2) и число цилиндров двигателя. Мощность, определяемая таким образом, может быть получена путем интегрирования зависимости давления в функции от объема изображенной на индикаторной диаграмме (рис 4.2,б), и называется средней индикаторной мощностью N. Эту мощность часто связывают с понятием индикаторного среднего эффективного давления р_i, рассчитывае­мого следующим образом:

(6)

Эффективная мощность N_e есть произведение индикаторной мощности N на механический КПД двигателя. Механический КПД двигателя уменьшается с увеличением частоты вращения двигателя из–за потерь на тре­ние и привод агрегатов.

Для построения характеристик авиационного поршневого двигателя его испытывают на балансирном станке с использованием воздушного винта изменяемого шага. Балансирный станок обеспечивает замер величины крутящего момента, числа оборотов коленчатого вала и расхода топлива. По величине замеренного крутящего момента М_кр и числу оборотов n определяется измеренная эффективная мощность двигателя

, Вт (7)

Если двигатель снабжен редуктором, снижающим обороты винта, то формула для замеренной эффективной мощности имеет вид:

, Вт, (8)

где i_р – передаточное число редуктора.

Учитывая зависимость эффективной мощности двигателя от атмосферных условий, замеренную мощность для сравнения результатов испытаний приводят к стандартным атмосферным условиям по формуле

, (9)

где N_e – эффективная мощность двигателя, приведенная к стандартным атмосферным условиям;

t_изм – температура наружного воздуха во время испытаний, ºС;

B – давление наружного воздуха, мм.рт.ст.,

∆р – абсолютная влажность воздуха, мм.рт.ст.

Эффективный удельный расход топлива g_е определяется по формуле:

, (10)

где G_T и – расход топлива и эффективная мощность двигателя, измеренные при испытаниях.