8. Показатели действительного цикла поршневых двигателей

8.1. Среднее индикаторное давление

Действительный рабочий цикл ДВС характеризуют индикаторные показатели, которые определяются или расчетом цикла или экспериментально по индикаторной диаграмме изменения давления р в цилиндре за рабочий цикл в градусах поворота коленчатого вала φ, ^оп.к.в. которую получают с помощью датчика давления, который устанавливают в камере сгорания (рис. 8.1).

Рис. 8.1. Индикаторная диаграмма:

─ ─ ─ – линия давления при отключенном зажигании;

──── – линия давления при работающем цилиндре;

– угол опережения зажигания или впрыска топлива

Индикаторную диаграмму условно сворачивают по линиям линиям Н.М.Т. и наносят от линии ВМТ наносят объем сжатия (объем камеры сгорания) V_c и объем V_а. Тогда рабочий объем цилиндра будет: V_h = V_а - V_c. На индикаторной диаграмме показано изменение давления р в цилиндре в зависимости от изменения его объема V, а также положительная работа цикла «+» и отрицательная работа насосных ходов «-» при впуске заряда с расходом G_В (кг/ч) в цилиндр и выпуске отработавших газов с расходом G_Г (кг/ч) из цилиндра в ДВС (рис. 8.2).

Рис. 8.2. Свернутая индикаторная диаграмма изменения давления

в цилиндре ДВС без наддува

При использовании наддува эффективная мощность комбинированного ДВС складывается из мощности, вырабатываемой поршневой частью, и мощности турбины за вычетом мощности, затрачиваемой на преодоление трения, насосные хода, привод компрессора и др. вспомогательных агрегатов. Воздух, поступающий в цилиндр при повышенном давлении р_к, может совершать положительную работу в процессе газообмена, если давление р_r на выпуске будет ниже давления наддува р_к (рис. 8.3).

Расчет действительного рабочего цикла ДВС проводят, используя индикаторную расчетную работу (без работы насосных ходов) L_iр и среднее индикаторное расчетное давление p_ip, которые связаны уравнением:

. (8.1)

Для расчета подведенной теплоты и отведенной теплоты q₂, в реальных ДВС по сравнению с расчетом идеального цикла принимают, что процессы сжатия и расширения происходят по политропам с показателями n₁ и n₂ соответственно.

Рис. 8.3. Индикаторная диаграмма ДВС с наддувом

Тогда, формулы (2.25) и (2.26) будут иметь следующий вид:

(8.2)

При расчете η_ip и p_ip по сравнению с расчетом η_t и р_t для цикла дизеля формулы (2.29) и (2.31) будут иметь следующий вид:

; (8.3)

, (8.4)

или, учитывая, что и , а , получим:

. (8.5)

Формулы (8.4) и (8.5) для ДВС с искровым зажиганием, учитывая, что ρ = 1 и δ = ε, будет иметь вид:

; (8.6)

, (8.7)

или

. (8.8)

Формулы (8.4) и (8.5) для ДВС со сгоранием при p = const, учитывая, что λ = 1, будут иметь вид:

; (8.9)

. (8.10)

В действительном рабочем цикле скорости сгорания топлива конечны и около расчетных точек с, z и z′ получаются округления, а около точки b округление получается, поскольку выпуск отработавших газов осуществляется с некоторым опережением до ВМТ (рис. 8.4).

Учитывая указанное, действительная величина среднего индикаторного давления будет меньше на величину φ_п = 0,92 – 0,97 (коэффициент полноты диаграммы). Кроме того, в ДВС часто используются разделенные камеры сгорания, имеющие дополнительные потери при перетекании заряда, которые учитываются коэффициентом φ_к = 0,9 – 0,95.

Рис. 8.4. Расчетный и действительный циклы ДВС

Таким образом, с учетом поправочных коэффициентов, получим формулу для расчета среднего индикаторного давления:

. (8.11)

Строго говоря при определении р_i в четырехтактном ДВС работу насосных ходов следует учитывать, введя поправку Δр_i, согласно уравнению:

, (8.12)

в котором Δр_i определяют по формуле:

, (8.13)

где φ_н = 0,75 – 1,0 – коэффициент, учитывающий изменение давления в цилиндре в процессах впуска и выпуска, наполнения и сжатия. Чаще всего, этой поправкой пренебрегают, считая Δр_i = 0, а работу насосных ходов относят к механическим потерям.