2.5. Процес випуску

Під час проектування двигуна вважають, що тиск у процесі випуску залишається незмінним, його значення дорівнює прийнятому на початку теплового розрахунку р_r (п.2.3).

Розрахункову температуру відпрацьованих газів визначають за формулою:

. (2.43)

Після отримання значення Т_r перевіряють правильність раніше прийнятої у п.2.1.2. температури залишкових газів Т_r:

. (2.44)

За умови, коли ∆>5%, необхідно провести уточнений розрахунок, починаючи з пункту 2.1.2.

3. Побудова індикаторної діаграми в координатах р-V

В результаті проведеного теплового розрахунку двигуна отримуються основні параметри стану суміші і газів в характерних точках індикаторної діаграми, яким відповідають конкретні значення тисків і об’ємів:

- для дизеля

r (V_c; p_r) – кінець випуску; а (V_а; p_а) – кінець всмоктування; с (V_c; p_с) – кінець стиску; z (V_c; p_r) – кінець згоряння; z (V_ρ; p_z) – кінець догоряння при постійному тиску; в (V_а; p_в) – кінець розширення;

- для карбюраторного двигуна

r (V_c; p_r) – кінець випуску; а (V_а; p_а) – кінець всмоктування; с (V_c; p_с) – кінець стиску; z (V_c; p_r) – кінець згоряння; z (V_с; p_z) – кінець дійсного догоряння; в (V_а; p_в) – кінець розширення.

Наявність наведених даних дають можливість побудувати розрахункові або проектні діаграми циклів (рис. 1 і 2).

Індикаторну діаграму будують на міліметровому папері формату А1. На осі абсцис відкладають об’єм циліндра над поршнем в межах від V_c до V_а, а на осі ординат – тиск газів у циліндрі.

Для заново проектованого двигуна повний об’єм циліндра не визначений, оскільки невідомий робочий об’єм, що описується поршнем (V_h), а також об’єм камери стиску (V_с). В такому разі об’єм камери стиску зручно виразити відрізком довжиною 1 см для дизельних двигунів та 2,5 см для карбюраторних двигунів, прийнявши їх за одиницю виміру. Враховуючи, що ступінь стиску

, (3.1)

можна знайти координату на осі абсцис точки а, яка відповідає об’єму V_а, а також значення робочого (V_h) та повного (V_a) об’ємів:

; (3.2)

. (3.3)

Якщо прийняти координату, наприклад, V_с=25 мм, тоді при ступені стиску, рівному 7, абсциса V_а буде відповідати 175 мм (7∙25=175 мм), а значення V_h складатиме 150 мм. Отже, відстань від початку координат до ВМТ, що відповідає величині V_с, буде рівною 25 мм, а відстань від ВМТ до НМТ (величина V_h), на якій розміститься вся діаграма, дорівнюватиме 150 мм.

На осі ординат відкладають тиск газів у циліндрі. Залежно від розмірів креслення, масштаб тиску вибирають таким чином, щоб висота діаграми була більша довжини в 1,2…1,5 раза. Але під час цього необхідно виконувати вимоги стандартів: масштаби повинні належати до ряду чисел: 0,01; 0,02; 0,025; 0,04; 0,05; 0,075; 0,1 (МПа/мм).

Оскільки серед визначених значень тисків досліджуваних процесів найвищим є тиск процесу згоряння р_z, то масштабний коефіцієнт тиску вибирають з врахуванням його значення:

МПа/мм, (3.4)

де l – висота діаграми, l=(1,2…1,5)∙V_h, мм.

Для розглянутого вище випадку (V_h =150 мм) висота діаграми l=1,4∙150=210 мм і масштабний коефіцієнт тиску, коли, наприклад, р_z=11 МПа, μ_р=11/210=0,052 МПа/мм. Тоді, враховуючи наведений вище ряд чисел, приймаємо μ_р=0,05 МПа/мм.

Провівши тепер в системі координат лінію атмосферного тиску, яка відповідає р_о (для двигунів без наддуву), а також лінію, що відповідає тиску наддуву р_к (для двигунів з наддувом), наносимо обчислені в тепловому розрахунку характерні точки (r, а, с, z, z, в), які відповідають конкретним значенням тисків і об’ємів робочого циклу в циліндрі двигуна.

Випуск та всмоктування зображаємо горизонтальними лініями, які проходять відповідно через точки r та а від ВМТ до НМТ. Характер протікання лінії впуску залежить від наявності наддуву на двигуні і співвідношення тисків р_к і р_r (рис. 3).

Лінію згоряння проводять по ізохорі між точками с та z (для карбюраторних двигунів) та по ізохорі сz і далі по ізобарі zz (для дизельних двигунів). В конкретному випадку її також зображаємо у вигляді прямої, з’єднуючи вказані точки. Варто зазначити, що проекція відрізка о-z на вісь абсцис відповідає об’єму V_ρ (рис. 1), який є рівний: V_ρ =ρ∙V_ρ, мм (ρ – ступінь попереднього розширення).

Політропи стиску а-с та розширення а-в можна побудувати за точками, знайденими аналітичним або графічним методами.

Розглянемо кожний із цих способів окремо.

Для побудови політроп аналітичним методом необхідно розрахувати координати проміжних точок. Для цього спочатку записують рівняння політропи для двох станів, одне з яких відоме, а інше визначають. Наприклад, для процесу стиску

, звідки , (3.5)

де х – координата будь-якої точки політропи стиску.

В даному випадку величини V_c тa V_x можна виражати у сантиметрах, беручи їх із побудови діаграми.

Під час побудови використовують і точку а. У цьому випадку

. (3.6)

Ці способи рівноцінні. Задаючись рядом точок V_x, на відрізку між ВМТ до НМТ можна підрахувати відповідні цим точкам величини тисків р_x. Значення р_а у формули тиску також можна підставляти у сантиметрах. За одержаними значеннями р_х, які наносяться на діаграму, по точках проводять політропу стиску.

Аналогічно будують політропу розширення

, (3.7)

де V_х –довільно вибрані на осі абсцис точки між V_z та V_b.

Розрахунки проводять декілька разів (чим більше точок – тим точніше будуть побудовані політропи). Для зручності визначені координати проміжних точок політропи слід занести до таблиці 3.1.

Таблиця 3.1

Розрахунок проміжних точок політроп стиску і розширення

№ п/п	Координати точки на осі абсцис (Vx), мм	Тиск, МПа
		стиск	розширення
1.
2.
…
n

Побудова політроп аналітичним методом забезпечує достатню точність, але цей спосіб є трудомістким.

Простішим методом побудови політроп стиску а–с і розширення z–b з точки зору затрат праці і часу є графічний.

Нижче наведений приклад реалізації даного прийому. Процедура його виконання полягає в наступному. З початку координат проводимо допоміжні лінії під кутом  до осі абсцис і під кутами β₁ і β₂ до осі ординат. Згадані кути визначаються наступним чином:

кут α задається довільно (зручно приймати =20^о);

кути β₁ і β₂ розраховують за формулами:

(3.8)

(3.9)

Лінії стиску а–с і розширення z–b можна будувати в будь-якому напрямку, але більша точність забезпечується при побудові відповідно з точок с і z .

Розглянемо побудову лінії стиску.

З точки с проводимо дві лінії: паралельно до осі абсцис до перетину з віссю ординат і паралельно осі ординат до перетину з променем, який проведений під кутом  до осі абсцис.

З точки перетину першої лінії з віссю ординат проводимо лінію до перетину з променем під кутом β₁, а з отриманої точки - горизонтальну пряму.

З точки перетину вертикальної прямої з променем під кутом  проводимо пряму під кутом 45⁰ до осі абсцис до перетину з віссю абсцис і з цієї точки – вертикальну пряму до перетину з проведеною раніше горизонтальною прямою. Ця точка розміщається на політропі стиску. З неї повторюємо таку ж саму побудову, як і з точки с, у результаті чого отримуємо другу точку шуканої лінії стиску.

Побудову повторюємо до того часу, коли чергова точка розташується правіше за точку а. Через отримані точки проводимо тонку криву лінію, яка й буде лінією стиску.

Лінію розширення будуємо з точки z у тому ж самому порядку, але з використанням променя, проведеного під кутом β₂ до осі ординат.

Лінії стиску і розширення обов’язково повинні проходити відповідно через точки а і b. Якщо навіть одна з побудованих точок не буде збігатися з лінією, то потрібно перевірити обчислення та побудову і виправити помилку.

З’єднавши з лінією нанесені розрахункові точки z i c, a i b, дістанемо індикаторну діаграму розрахункового циклу.

Для побудови діаграми дійсного циклу необхідно здійснити заокруглення індикаторної діаграми в характерних точках, як це показано на рис. 1, 2, оскільки реальним процесам характерним є плавний перехід від одного до іншого.

Щодо діаграми для дизельного двигуна (див. рис. 1), то закруглення пояснюється: в точці с - початком горіння до ВМТ (в результаті випередження подачі палива); на лінії згоряння біля точок z і z – немиттєвістю запалювання і догоряння; в точці в – в результаті відкриття випускного клапана до НМТ.

У карбюраторних двигунах (рис. 2) положення точки с визначається кутом випередження запалювання, а розміщення точки с орієнтовно можна знайти з виразу:

. (3.10)

Дійсний тиск вкінці видимого згоряння є рівним:

. (3.11)

Положення точки z повинно бути зміщено вправо від лінії с-z (ВМТ) на 10…15^о повороту колінчастого вала.

Лінія заокруглення між процесами розширення та випуску (як для карбюраторних, так і для дизельних двигунів) повинна розміщуватись на половині відстані між точками а і в .

Користуючись індикаторною діаграмою розрахункового циклу та здійснивши її заокруглення, наводимо основною лінією діаграму дійсного циклу.