Разомкнутые теоретические циклы и их анализ с использованием эвм

Разомкнутые теоретические циклы по сравнению с замкнутыми (рис.10), используя термодинамические соотношения, дополнительно учитывают:

1. процессы впуска и выпуска, но при полном отсутствии сопротивлений и без изменения температуры и давления рабочего тела, а также без учета затрат энергии на газообмен;

2. изменение качества рабочего тела на протяжении одного цикла, т. е. учитывают изменения состава рабочего тела и зависимость его теплоемкости от температуры;

3. зависимость показателей адиабат сжатия и расширения от средней теплоемкости, но без учета теплопередачи и, следовательно, без учета тепловых потерь в процессах сжатия и расширения;

4. процесс сгорания топлива, точнее подвод теплоты, который зависит от теплоты сгорания рабочей смеси и учитывает изменение количества рабочего тела при сгорании (учет коэффициента молекулярного изменения);

5. потери теплоты, связанные с изменением температуры (подогревом) остаточных газов и избыточного воздуха (при α>1) или с химической неполнотой сгорания топлива при недостатке кисло­рода воздуха (α<1).

Рис.10 Разомкнутые теоретические циклы (ε=8; Т_а=350К; Р_а=0,1МПа; α=1)

Расчёт действительного цикла двигателя процесс впуска и газообмена

При рассмотрении теоретических разомкнутых циклов процессы впуска и выпуска рассматривались как обратимые процессы, протекающие при постоянном давлении, равном давлению окружающей среды (см. рис.10, прямая rа). В действительном цикле двигателей эти процессы необратимы и протекают при значительном изменении давления. Фактический характер изменения давления в процессе впуска в двигателе без наддува схематически показан на рис. 11 а, а в двигателе с наддувом — на рис. 11, б (кривая r'da^’ aa").

Анализ протекания процесса впуска показывает, что он фактически является сложнейшим процессом наполнения цилиндра двигателя свежим зарядом (топливовоздушной смесью или воздухом).

Рис. 11. Изменение давления в процессе выпуска в четырехтактном двигателе: а — без наддува; б — с наддувом

При этом процесс впуска практически состоит из трех принципиально различных периодов:

1. в первый период, от момента начала открытия впускного клапана (точка r') до момента закрытия выпускного клапана (точка а'), происходит одновременное наполнение цилиндра свежим зарядом, выпуск отработавших газов и их смешение. Этот период, когда открыты одновременно впускной и выпускной клапаны, называют перекрытием клапанов (φ_п на рис.12), и именно в этот период происходит наиболее интенсивный провес газообмена;

2. период от точки d до точки а при движении поршня к н.м.т, характеризует основной период впуска свежего заряда, продолжение смешения его с отработавшими газами, выравнивание их совместного давления и температуры;

3. в третий период при движении поршня от н.м.т. (точка а) до точки а" происходит одновременно завершение процесса наполнения цилиндра (дозаряда, или обратный выброс) и начало сжатия смеси.

Предварительное открытие впускного клапана обеспечивает к моменту прихода поршня в в.м.т. некоторое проходное сечение в клапане, что улучшает наполнение цилиндра двигателя. Кроме того, предварительное открытие впускного клапана используется для продувки двигателей с наддувом, что уменьшает количество остаточных газов и снижает тепловую напряженность камеры сгорания, верхней части цилиндра и поршня. Влияние продувки при предварительном открытии впускного клапана может учитываться в расчетах коэффициентом очистки φ_оч. Величина φ_оч зависит в основном от степени наддува, скоростного режима двигателя и продолжительности периода перекрытия клапанов. Коэффициент очистки, как правило, учитывается только при расчете двигателей с наддувом. При отсутствии продувки коэффициент φ_оч = 1,а при полной очистке цилиндров от продуктов сгорания в период перекрытия клапанов φ_оч = 0.

Закрытие впускного клапана после н.м.т. позволяет, используя скоростной напор, инерционные и волновые явления во впускной системе, ввести в цилиндр двигателя дополнительную массу свежего заряда, что повышает степень использования рабочего объема цилиндра. Дополнительное наполнение цилиндра после прохода поршнем н.м.т. называется дозарядкой. Влияние дозарядки на параметры процесса впуска может быть учтено в расчете коэффициентом дозарядки φ_доз. Дозарядка рабочего объема цилиндра свежим зарядом в основном зависит от соответствующего подбора фаз газораспределения (прежде всего от величины угла опаздывания закрытия впускного клапана), длины впускного тракта и частоты вращения коленчатого вала. По данным проф. И. М. Ленина при удачно выбранных вышеуказанных параметрах дозярадка на номинальном режиме работы двигателя может достигать 12 — 15%, т. е. φ_доз =1,12 — 1,15. Однако при уменьшении частоты вращения коэффицинт дозарядки уменьшается, а при минимальной частоте вращения вместо дозарядки наблюдается обратный выброс, достигающий 5 — 12%, т. е. φ_доз = 0,95 — 0,88.

Схема фаз газораспределения представлена на рис. 12 в виде круговой диаграммы по углу поворота коленчатого вала в увязке с индикаторной диаграммой процессов выпуска и впуска. Следует помнить, что фазы газораспределения, а также основные геометрические размеры и принципиальные компоновочные схемы впускного и выпускного трактов устанавливаются на основе опытных данных и обязательно уточняются при экспериментальной доводке новой модели двигателя. Правильный выбор фаз газораспределения, основных геометрических размеров и принципиальных схем впускного тракта, а также начальных условий — температур и давлений окружающей среды, отработавших газов и свежего заряда — позволят успешно рассчитать новый двигатель, а затем и создать его.

Давление и температура окружающей среды

При работе двигателя без наддува в цилиндр поступает воздух из атмосферы.

Рис.12. Круговая диаграмма фаз газораспределения четырёхтактного двигателя

В этом случае при расчете рабочего цикла двигателя давление окружающей среды принимается равным р₀=0,1 МПа, а температура — Т₀ = = 293 К.

При работе автомобильных и тракторных двигателей с наддувом воздух поступает в цилиндр из компрессора (нагнетателя), где он предварительно сжимается. В соответствии с этим давление и температура окружающей среды при расчете рабочего цикла двигателя с наддувом принимаются равными давлению р_к и температуре Т_к воздуха на выходе из компрессора. При наличии промежуточного холодильника воздух из нагнетателя поступает в него, а затем в цилиндр двигателя. В этом случае за давление р_к и температуру Т_к окружающей среды принимается давление и температура воздуха за холодильником.

В зависимости от степени наддува принимаются следующие значения давления р_к наддувочного воздуха:

При низком наддуве 1,5р₀

При среднем наддуве (1,5—2,2) р₀

При высоком наддуве (2,2 — 2,5)р₀

Температура воздуха за компрессором

Т_к=Т₀(p_k/p₀)⁽ⁿ_к^-1)/n_k ,

где n_k, — показатель политропы сжатия воздуха в компрессоре (нагнетателе).

Давление остаточных газов

В цилиндре двигателя перед началом процесса наполнения всегда содержится некоторое количество остаточных газов, находящихся в объеме V_c камеры сгорания (см. рис. 11). Давление остаточных газов устанавливается в зависимости от числа и расположения клапанов, сопротивлений впускного и выпускного трактов, фаз газораспределения, характера наддува, быстроходности двигателя, нагрузки, системы охлаждения и других факторов.

Для автомобильных и тракторных двигателей без наддува, а также с наддувом и выпуском в атмосферу давление остаточных газов (МПа)

p_r=(1,05 — 1,25)p₀.

Давление остаточных газов заметно снижается с уменьшением частоты вращения коленчатого вала.

Температура остаточных газов

В зависимости от типа двигателя, степени сжатия, частоты вращения и коэффициента избытка воздуха устанавливается значение температуры Т_r остаточных газов в пре­делах:

Для двигателей с воспламенением от искры 900 — 1100 К

Для дизелей 600 — 900 К

Для газовых двигателей 750 — 1000 К

При установлении величины Т_r необходимо иметь в виду, что при увеличении степени сжатия и обогащении рабочей смеси температура остаточных газов снижается, а при увеличении частоты вращения — возрастает.

Температура подогрева свежего заряда

В процессе наполнения температура свежего заряда несколько увеличивается благодаря подогреву от нагретых деталей двигателя. Величина подогрева ∆T зависит от расположения и конструкции впускного трубопровода, системы охлаждения, наличия специального устройства для подогрева, быстроходности двигателя и наддува. Повышение температуры улучшает процесс испарения топлива, но снижает плотность заряда и, таким образом, отрицательно влияет на наполнение двигателя. Эти два противоположных фактора, появляющиеся в результате повышения температуры подогрева, должны быть учтены при установлении величины ∆T.

В зависимости от типа двигателя значения ∆T принимают:

Для двигателей с воспламенением от искры 0 — 20°

Для дизелей без наддува 10 — 40°

Для двигателей с наддувом (—5) — (+10)°

Давление в конце впуска

Давление в конце впуска (МПа) — основной фактор, определяющий количество рабочего тела, поступающего в цилиндр двигателя:

p_a= p_k - ∆ p_a или p_a=p₀ - ∆ p_a.

Потери давления ∆р_a за счет сопротивления впускной системы и затухания скорости движения заряда в цилиндре при некотором допущении можно определить из уравнения Бернулли:

∆ p_a = (β²+ξ_вп)(ω²_вп/2)ρ_k 10^-6,

где β — коэффициент затухания скорости движения заряда в рассматриваемом сечении цилиндра; ξ_вп — коэффициент сопротивления впускной системы, отнесенный к наиболее узкому ее сечению; ω_вп — средняя скорость движения заряда в наименьшем сечении впускной системы (как правило, в клапане или в продувочных окнах); р_к и р₀ — плотность заряда на впуске соответственно при наддуве и без него (при р_к = р₀ и ρ_k =ρ₀).

По опытным данным в современных автомобильных двигателях на номинальном режиме (β²+ξ_вп) = 2,5÷4,0 и ω_вп = 50 ÷ 130 м/с. Для двигателей с электронным впрыском значения (β²+ξ_вп) принимаются пониженными в связи с отсутствием карбюратора.

Гидравлические потери во впускной системе уменьшаются при увеличении проходных сечений, придании обтекаемой формы клапанам, обработке внутренних поверхностей впускной системы, правильном выборе фаз газораспределения и т. д.

У четырехтактных двигателей без наддува величина ∆р_а колеблется в пределах:

Для двигателей с воспламенением от искры (0,05 — 0,20) p₀

Для дизелей без наддува (0,03 — 0,18) p₀

Коэффициент остаточных газов

Коэффициент остаточных газов γ_r характеризует качество очистки цилиндра от продуктов сгорания. С увеличением γ_r уменьшается количество свежего заряда, поступающего в цилиндр двигателя в процессе впуска.

Коэффициент остаточных газов для четырехтактных двигателей: с учетом продувки и дозарядки цилиндра:

без учета продувки и дозарядки (φ_оч=φ_доз=1):

,

где ε — степень сжатия.

Температура в конце впуска

Эта температура (Т_а в К) с достаточ­ной степенью точности определяется на основании уравнения баланса теплоты, составленного по линии впуска от точки r до точки а

,

где — количество теплоты, внесенное свежим зарядом, с учетом подогрева заряда от стенок; — количество теплоты, заключающееся в остаточных газах; — количество теплоты, заключающееся в рабочей смеси.

Принимая в уравнении ==, получаем

Величина Т_а в основном зависит от температуры рабочего тела, коэффициента остаточных газов, степени подогрева заряда и в меньшей степени — от температуры остаточных газов.

У современных четырехтактных двигателей температура в конце впуска Т_а изменяется в пределах:

Для бензиновых двигателей 320 – 370 К

Для дизелей 310 – 350 К

Для четырехтактных двигателей с наддувом ………. 320 – 400 К

Коэффициент наполнения

Наиболее важной величиной, характеризующей процесс впуска, является коэффициент наполнения, представляющий собой отношение действительного количества свежего заряда, поступившего в цилиндр, к тому количеству, которое могло бы поместиться в рабочем объеме цилиндра при условии, что температура и давление в нем равны температуре и давлению среды, из которой поступает свежий заряд:

,

где G_д, V_д, М_д — действительное количество свежего заряда, поступившего в цилиндр двигателя в процессе впуска, соответственно в кг, м³, моль;

G₀, К₀, М₀ — количество заряда, которое могло бы поместиться в рабочем объеме цилиндра при р₀ и Т₀ (или р_к и Т_к), соответственно в кг, м³, моль.