Учебник. Двигатели внутреннего сгорания теория, моделирование и расчёт процессов / DVS_teoriy_modelir_i_raschet_processov2

Анализ характеристики позволяет отметить, что пока нагрузка остается небольшой (до ре ≈ 0,4 МПа), двигатель работает с максимальным значением ε.

Однако, по мере роста нагрузки (от ре ≈ 0,2 МПа до ре ≈ 0,4 МПа) растёт рмакс от ≈ 6,5 МПа до ≈ 8,0 МПа. Рост максимального давления рабочего тела объясня-

ется как раз неизменностью ε и повышением нагрузки. Степень сжатия остается неизменной по той причине, что величина давления рабочего тела в цилиндре ещё не достигает уровня, достаточного для включения в работу сливного клапана.

В интервале повышения нагрузки от ре ≈ 0,4 МПа до ре ≈ 1,1 МПа рмакс остаётся неизменным и равным ≈ 8,0 МПа. Это обеспечивается тем обстоятель-

ством, что благодаря работе сливного клапана происходит снижение ε от 16 до 10.

При дальнейшем повышении нагрузки (от значения ре ≈ 1,1 МПа до ре ≈ 1,6 МПа) максимальное давление рабочего тела растёт, так как ε остаётся неизменной (исчерпаны возможности по её уменьшению, хотя сливной клапан поршня срабатывает в каждом цикле). На режиме ре ≈ 1,6 МПа рмакс достигает значения ≈ 11,5 МПа.

На рисунке приведен характер изменения и других параметров рабочего

цикла: α, wрмакс, ge, рк, рг, Тг, Тк, Gт.

Приведённую нагрузочную характеристику дизеля с ПАРСС в целях анализа интересно сопоставить с нагрузочной характеристикой этого же дизеля, но снабжённого обычным, жёстким поршнем (рис. 12. 21). Здесь необходимо отметить, что двигатели были укомплектованы топливными насосами с различными диаметрами плунжерных пар. На дизеле с ПАРСС использовался насос с диаметром плунжера, равным 13 мм, а при испытании дизеля с жёстким поршнем применялась пара с диаметром плунжера 10 мм. Так что условия смесеобразования по этой и по некоторым другим причинам были различны. Кроме того, дизель с жёстким поршнем имел степень сжатия, равную 13,6.

Сравнение характеристик позволяет отметить, что в двигателе с жёстким поршнем рмакс повышается на всём интервале роста нагрузки и при ре ≈ 0,6 МПа достигает значения равного ≈ 8,0 МПа (такого же, как и в случае с ПАРСС). При дальнейшем повышении нагрузки рмакс существенно превышает уровень значений, соответствующих аналогичным в дизеле с ПАРСС. Уровень рмакс ≈ 11,5 МПа достигается при нагрузке равной примерно 1,06 МПа, тогда как при использовании ПАРСС это значение рмакс достигается при ре ≈ 1,6 МПа.

Таким образом, сравнение характеристик позволяет отметить важное преимущество регулирования ε, заключающееся в том, что в двигателе с ПАРСС могут быть при допустимом уровне механических (и тепловых) нагрузок реализованы существенно большие мощности.

331

эксперимента).

Ранее указывалось, что для исследования показателей двигателя при работе на неустановившемся режиме необходимо иметь представление о характере изменения некоторых параметров в зависимости от степени загруженности двигателя.

Напомним, что к числу таких параметров относятся продолжительность сгорания, показатель характера и коэффициент эффективности сгорания, температура отработавших газов, показатели политропических процессов сжатия и расширения, степень подогрева воздушного заряда в процессе впуска, угол опережения воспламенения, а в случае газотурбинного надува – давление наддува и давление перед турбиной.

332

Портнова [56]. В частности, по данным Д. А. Портнова можно оценивать изменение давления наддува в зависимости от изменения нагрузки (коэффициента избытка воздуха) для двигателей с механическим и газовым приводом нагнетателей. По данным этой же работы может быть произведена оценка величины давления газов перед турбиной в случае газотурбинного наддува.

Учитывая названные обстоятельства, рассмотрим характер изменения параметров в двигателе с ПАРСС на режимах работы с неустановившейся нагрузкой.

Наброс нагрузки. Изменение давления и температуры газообразного рабочего тела в различных циклах переходного процесса при мгновенном (ступенчатом) набросе нагрузки иллюстрируется рис. 12. 23 и 12. 24. Результаты относятся к случаю, когда нагрузка на двигатель резко (ступенькой) возрастает. Коэффициент избытка воздуха в приводимом примере изменился с α = 6 до α = 1,5. Давление наддува меняется от рк≈ 1,05 до 2,0.

Рис. 12. 23. Характер изменения давления в различных циклах переходного процесса при мгновенном набросе нагрузки: 1 – индикаторная диаграмма при работе двигателя на установившемся режиме до наброса нагрузки; 2 – индикаторная диаграмма первого после наброса нагрузки цикла; 3 – установившийся режим после завершения переходного процесса

334

Рис. 12. 24. Изменение температуры рабочего тела в различных циклах переходного процесса: 1– диаграмма температуры рабочего тела при работе двигателя на установившемся режиме до наброса нагрузки; 2 – диаграмма температуры в первом после наброса нагрузки цикле; 3 – установившийся режим после завершения переходного процесса

мальное давление рабочего тела в цилиндре возросло на 5 МПа, а максимальная температура увеличилась на ~ 900 градусов. В дальнейшем благодаря тому, что ПАРСС обеспечил изменение ε, рмакс понизилось до значения равного ≈ 8 МПа, а вот Тмакс практически осталась неизменной. Объясняется это тем, что α значительнее влияет на температуру рабочего тела, чем степень сжатия.

Характер изменения рмакс и ε в период рассматриваемого переходного процесса иллюстрируется рис. 12. 25.

Данные, иллюстрируемые рис. 12. 25, позволяют отметить, что снижение рмакс обеспечено уменьшением ε с 16 до 13,8 единиц. Продолжительность переходного процесса составила примерно 1,2 с.

Ранее отмечалось, что на установившемся режиме работы двигателя перемещения оболочки в тактах смены рабочего тела и рабочего хода должны быть равными по величине. Для примера на рис. 12. 26 приведена диаграмма колебаний оболочки относительно стержня поршня применительно к одному из установившихся режимов работы.

Здесь нужно отметить, что частота колебаний оболочки определяется скоростным режимом работы двигателя, а амплитуда зависит от режима нагрузки, частоты вращения вала, конструктивных параметров поршня, а также определяется физическими свойствами рабочей жидкости (масла).

При переходном процессе равенства перемещений оболочки поршня в период насосных и рабочего ходов не наблюдается. Так, при резком набросе нагрузки перемещения оболочки поршня по модулю (особенно в первом цикле после наброса нагрузки) в период рабочего хода существенно превышают её перемещения за период насосных ходов. Как раз благодаря этому обстоятельству и происходит уменьшение степени сжатия.

Сброс нагрузки. При мгновенной разгрузке двигателя в величинах максимального давления рабочего тела и температуры имеется заметный «провал». При этом в случае газотурбинного наддува падение рмакс и Тмакс более значительны, нежели при механическом наддуве. Последующими перемещениями оболочки поршня провал в величинах рмакс устраняется в течение нескольких

336

циклов (отметим, что на его устранение в случае газотурбинного наддува требуется более длительный промежуток времени).

Рис. 12. 27. Протекание давления и температуры рабочего тела в различных циклах переходного процесса при мгновенном сбросе нагрузки:

1 – установившийся режим (α = 2,0; ε = 14; рк = 0,25 МПа); 2 – первый после сброса нагрузки цикл (α = 8,0; ε = 14; рк = 0,25 МПа);

3 – установившийся режим работы после завершения переходного процесса

(α = 8,0; ε = 15,6; рк = 0,25 МПа)

Характер изменения параметров на режимах работы со сбросом нагрузки поясним примерами. На рис. 12. 27 приведены диаграммы протекания давления и температуры рабочего тела в различных циклах переходного процесса при мгновенном (ступенькой) сбросе нагрузки. Линии, отмеченные цифрой 1, относятся к установившемуся режиму работы до сброса нагрузки. Цифрой 2

337

отмечены индикаторная диаграмма давлений и кривая температур рабочего тела, соответствующие первому после сброса нагрузки циклу. Цифрой 3 обозначены кривые протекания параметров в циклах на режиме работы с малой нагрузкой после завершения переходного процесса.

Анализ протекания параметров позволяет отметить, что снижение нагрузки ступенькой в рассматриваемом случае привело к уменьшению рмакс с 9,8 до ≈ 8,5 МПа. Максимальная температура рабочего тела при этом уменьшилась примерно на 470 0 (снизилась с 1700 до 1230 К). В циклах после завершения переходного процесса, а он длился в течение 16 циклов, рмакс восстанавливается до начального значения, а Тмакс остаётся примерно на том же уровне. Характер

ной 22 циклам.

В заключение следует обратить внимание на то, что рассмотренные здесь примеры переходных процессов сброса и наброса нагрузки с точки зрения динамики их протекания являются предельными, в том смысле, что сброс или наброс нагрузки реализуется мгновенно. В реальных условиях использования двигателей из-за конечной величины скорости перемещения рейки топливного насоса (по ряду причин оно не может быть мгновенным) провалы (сброс нагрузки) и всплески (наброс) в величинах рмакс и Тмакс не столь значительны.

338

Рис. 12. 29. Протекание давления рабочего тела в различных циклах переходного процесса при мгновенном сбросе нагрузки: 1 – установившийся режим (α = = 2,0; ε = 14; рк = 0,25 МПа);

2 – первый цикл после сброса на-

грузки (α = 4,0; ε = 14; рк = 0,15

МПа); 3 – установившийся режим работы после завершения переходного процесса (α = 4,0; ε = 18; рк = 0,15 МПа)

Рис. 12. 30. Изменение

рмакс и ε от цикла к циклу в переходном процессе при мгно-

венном сбросе нагрузки в случае газотурбинного наддува (α повышается с 2 до 4)

Строго говоря, при моделировании переходных процессов необходимо учитывать динамику систем управления подачей топлива.

Завершая раздел, посвященный моделированию и анализу процессов в двигателе с автоматическим регулированием степени сжатия, целесообразно ещё раз отметить, что

степень сжатия является очень мощным и эффективным средством воздействия на экономические и энергетические параметры двигателя. Однако, реализация автоматического управления ε остаётся задачей сложной как с конструкторской, так и с технологической точек зрения. И пока доступного в массовом

339

производстве решения не найдено. Но работы в этом направлении не прекращаются. Подтверждением могут служить, например, опытно-конструкторские разработки шведской фирмы Saab (дочернее предприятие американской фирмы «Дженерал Моторс») по двигателю с переменной степенью сжатия (диапазон изменения ε от 8,0 до 14,0) [57], использование которого позволит примерно на 30 % повысить эксплутационную экономичность автомобиля. Обеспечение серийного производства двигателей с переменной степенью сжатия рассматривается как «огромный шаг вперёд в сфере автомобильных технологий» [57].

340