Питання і завдання для самоконтролю

1. Чим різняться процеси розширення в дійсному і розрахунковому циклах?

2. Які фактори і як впливають на догоряння і тепловіддачу в процесі розширення і відповідно на показник політропи розширення?

3. Напишіть залежності для визначення тиску і температури для кін­ця розширення. У яких межах змінюються ці показники для автомобіль­них двигунів?

4.6. Процес випуску

Потрібно, щоб випуск від­бувався з найменшими втра­тами на його здійснення. Для цього в перший момент випус­ку відпрацьовані гази повинні витікати із найбільшою швидкі­стю. Тому випускний клапан починає відкриватися за 40...80° п.к.в. до в.м.т.(рис. 4.36, точка 3). Момент відкрит­тя випускного клапана виби­рають експериментально, щоб забезпечити найменшу втрату корисної площі індикаторної діаграми порівняно з розраху­нковою (нескругленою).

На рис. 4.36 показано вплив моменту відкриття кла­пана на повноту індикаторної діаграми в ділянці початку ви­пуску. Видно, що перевагу має оптимальний момент відкриття клапана.

Закривається випускний клапан через 15...60° п.к.в. після в.м.т. (рис. 4.36, точка 4) для підвищення якості очищення циліндра за раху­нок продування у період перекриття клапанів.

Розрізняють три стадії випуску.

1. Надкритична ділянка витікання. Тиск відпрацьованих газів у цилін­дрі ще високий. Швидкість витікання стала й дорівнює швидкості звуку у відпрацьованих газах (порядку 500...700 м/с) у залежності від темпера­тури газів.

2. Підкритична ділянка витікання. Швидкість витікання газів посту­пово зменшується в міру зниження тиску в циліндрі.

3. Виштовхування газів поршнем. Швидкість витікання визначається швидкістю поршня.

Під час витікання відпрацьованих газів із великою швидкістю ство­рюється різкий шум. Тому на випускній трубі встановлюють глушник. Його опір повинен бути якомога менший, оскільки із збільшенням опору випускної системи підвищується тиск у циліндрі в період випуску, що приводить до зниження коефіцієнта наповнення (порівняйте рівняння (4.9) і (4.12)). Тиск на випуску підвищується й у ДВЗ з газотурбінним наддувом через додатковий опір, який створює газова турбіна. Але у цьому разі збільшення втрат випускної системи компенсується позитив­ним ефектом від застосування наддуву.

У випускній системі відбуваються різкі коливання тиску газів. У роз­рахунках для спрощення приймають середній тиск газів за процес випус­ку. Значення р_r і Т_r для автомобільних двигунів наведені в табл. 4.1.

Уточнені методи розрахунку процесу випуску приведені в науковій і навча­льній літературі [4-6].

Питання і завдання для самоконтролю

1. Назвіть і охарактеризуйте фази випуску.

2. Які фактори мають найбільший вплив на процес випуску?

3. За яким термодинамічним процесом моделюється випуск в роз­рахунках за методом проф. В.І. Гриневецького?

4.7. Показники робочого циклу і двигуна

4.7.1. Індикаторні показники робочого циклу

Робочий цикл характеризується індикаторними показниками. Ці по­казники стосуються процесів, що відбуваються всередині циліндра дви­гуна, й характеризують досконалість циклу за тепловикористанням. До них належать: середній індикаторний тиск р_і , індикаторна потужність N_i , індикаторний ККД η_і , відносний ККД, питома індикатора витрата палива g_i .

Середній індикаторний тиск p_i . У кожному робочому циклі за чо­тири робочих ходи поршня тиск газів у циліндрі різко змінюється. Це ускладнює виконання розрахунків, тому введено умовний середній тиск.

Середнім індикаторним тиском p_i називається умовний сталий тиск на поршень, який за один хід поршня виконав би роботу, що дорів­нює роботі газів за цикл.

Розглянемо індикаторну діаграму дійсного циклу (рис. 4.37, а). За­штриховані площі на цій діаграмі виражають роботу L = рV:

L(+) - позитивна робота; L(-) - робота, затрачена на газообмін (впуск і випуск). Корисна або індикаторна робота

L_i = L( + ) – L( - )

Звичайно роботу L(-), яка затрачена на здійснення газообміну (або на насосні втрати), відносять до механічних втрат, про які йтиметься далі. Тому L_i = L(+).

Замінимо площу L(+) рів­новеликим прямокутником із основою V_h (рис. 4.37, б). Ви­сота цього прямокутника Рі = L_i /V_h і є середній індика­торний тиск.

Визначимо аналітичну за­лежність між p_і і основними параметрами циклу. Для цього замінимо дійсний цикл розра­хунковим, у якому не врахову­ються процеси впуску і випуску й індикаторна діаграма не округлена. На рис. 4.38 приве­дений розрахунковий цикл ди­зеля як найбільш узагальне­ний.

Середній індикаторний тиск розрахункового циклу

Робота розрахункового циклу виражається різницею площ

де F - площі ділянок індикаторної діаграми, позначені на рис. 4.38. Робота індикаторного розширення на ділянці с — z’—z

Робота політропного розширення на ділянці z – b

Робота політропного стиску на ділянці а-с

Підставляючи рівняння (4.66) – (4.68) у рівняння (4.65), а потім (4.64), дістаємо

Середній індикаторний тиск дійсного циклу

де φ - коефіцієнт повноти діаграми. Значення φ для двигунів із приму­совим запалюванням суміші становлять 0,95...0,97; для дизелів - 0,92...0,95.

Для двигунів із примусовим запалюванням суміші в залежності (4.69) р = 1 і δ = ε . Тоді

Значення рі для автомобільних двигунів на номінальному режимі роботи наведені у табл. 4.5. Як видно з таблиці, значення р_i у двигунах із примусовим запалюванням суміші вище, ніж у дизелів. Це пов'язано, головним чином, із більш високим значенням коефіцієнта надміру повіт­ря в останніх. У зв'язку з цим робота, яка знімається з одиниці робочого об'єму, у них менша.

Індикаторна потужність. За один цикл в одному циліндрі викону­ється індикаторна робота, Нм:

Кількість робочих циклів за одну секунду

де п - частота обертання колінчастого вала, хв^-1; τ - тактність двигуна: для двотактного двигуна τ = 2, для чотиритактного двигуна τ = 4.

Із урахуванням відміченого, залежність для індикаторної потужності двигуна має вигляд, кВт:

де p_i виражається в МПа, V_h - у літрах, і - кількість циліндрів.

Індикаторний ККД - це відношення роботи, виконаної газами в ци­ліндрі ДВЗ, до енергії, що міститься у витраченому паливі

де N_i виражається в кВт; Н_и - у кДж/кг; G_пал - у кг/год.

Питома індикаторна витрата палива - це витрата палива на один кіловат індикаторної потужності за одну годину, кг/(кВт-год):

.

або з урахуванням рівняння (4.72)

Відносний ККД оцінює ступінь досконалості дійсного робочого ци­клу порівняно з термодинамічним

Для сучасних автомобільних двигунів η_відн = 0,6...0,8.

Середній індикаторний тиск можна виразити через параметри, які характеризують робочий цикл. Для цього скористаємося рівнянням витрати повітря двигуном за одну годину, кг/год:

де l₀ - кількість повітря, теоретично необхідного для повного згоряння 1 кг палива, кг/кг; V_h - робочий об'єм циліндра, м³; р_пов - густина пові­тря, кг/м³; п - частота обертання колінчастого вала, хв^-1; τ - тактність двигуна.

Годинна витрата палива, кг/год:

Підставивши рівняння (4.77) з урахуванням (4.74) у рівняння (4.76), одержимо

Індикаторний ККД η_і газового ДВЗ з іскровим запалюванням су­міші обчислюється за формулою:

де N_i виражається в кВт, Q_и - в кДж/м³, V_Г - в м³/год.

Питому індикаторну витрату газового палива прийнято оцінюва­ти у об'ємних одиницях, м³/(кВтгод):

При порівнянні газових двигунів з бензиновими або з газодизелями зручно оцінювати їхню економічність за питомою витратою теплоти.

Питома індикаторна витрата теплоти газового ДВЗ, кДж/(кВтгод):

Індикаторний ККД газодизелів обчислюється за формулою

Питома індикаторна витрата теплоти в газодизелі, кДж/(кВтгод), може бути оцінена за залежністю

Решту індикаторних показників газових ДВЗ і газодизелів визнача­ють так само, як для бензинових ДВЗ та дизелів.

Значення основних індикаторних показників автомобільних двигунів наведені в табл. 4.5 [І; 2; 4].

Таблиця 4.5