2553

Потери теплоты особо ощутимы в начале процесса расширения. Чем больше расширение, тем меньше потери оказывают влияние на уменьшение площади индикаторной диаграммы. Расход теплоты на изменение внутренней энергии и совершения механической работы является полезным, т.к. способствует увеличению площади индикаторной диаграммы.

Процесс использования теплоты можно проанализировать по диаграмме тепловыделения в координатах = f(V) (рис. 14).

Рис. 14. Влияние коэффициента тепловыделения от положения поршня

По мере развития рабочего процесса величина возрастает и без наличия тепловых потерь в некоторый момент точка 1 достигла бы максимума. Из-за присутствия тепловых потерь действительная кривая тепловыделения проходит ниже и в точке 2 достигает максимума, т.к. количество выделенной теплоты равно тепловым потерям. После тепловые потери превышают количество выделенной теплоты и величина уменьшается. В конце расширения имеет место резкое снижение величины за счет открытия выпускного клапана.

40

Выполнить термодинамический расчет по действительному циклу не представляется возможным, а потому для упрощения применяют ряд допущений.

Для бензиновых и газовых двигателей:

1.Подвод теплоты к рабочему телу осуществляется при постоянном объеме.

2.Вся теплота расходуется только на изменение внутренней

энергии.

3.Потери теплоты учитываются коэффициентом использования теплоты.

Для дизельных двигателей:

1.Подвод теплоты осуществляется вначале при постоянном объеме, а затем при постоянном давлении, т.е. вначале теплота расходуется только на изменение внутренней энергии, затем – на изменение внутренней энергии и совершение механической работы.

2.Потери учитываются коэффициентом использования теплоты.

4.3.Определение температуры в конце сгорания

1.Для дизельного двигателя:

Рис. 15. Расчетный цикл для дизельного двигателя

41

UZ UC Q1 L, UZ M2 M ог UZ ,

UC M1 UC M ог UC , Q1 Hu ,

где L – работа, совершаемая на участке Z1 – Z;

L PZVZ PZ1VZ1,

M2 M ог UZ

M1UC MогUC Hu 0,008314 M2 Mог TZ 0,008314 M1 Mог TC

M2 Mог (UZ 0,008314TZ )

M1UC M огUC Hu 0,008314 M1 M ог TC.

Внутренняя энергия свежего заряда в точке С одного моля:

Uc Uc1 Uc tc tc1 .

Внутренняя энергия продуктов сгорания в точке С одногомоля:

Uc1 Uc1 Uc tc tc1 .

Внутренняяэнергияпродуктовсгораниядляпринятогозначенияα:

Внутренняя энергия воздуха в точке Z:

Uz Uz1 Uz tz tz1 .

Внутренняя энергия продуктов сгорания в точке Z при =1:

Uz1 Uz1 Uz tz tz1 .

Внутренняя энергия для выбранного значения :

42

где Uc1, Uc1 – внутренние энергии для нижнего интервала температуры рабочего тела в конце сжатия,которуюможнопринятьвпределах600°; Uz1 и Uz1 – внутренние энергии для нижнего интервала температуры рабочего тела в конце сгорания, которую можно принять в пределах 1800 °С. Верхние интервалы температур можно принять на 200 °С больше для конца сжатия, и на 300 °С больше для конца сго-

рания (рис. 15).

2. Определение температуры рабочего тела в конце сгорания для двигателей легкого топлива

Рис. 16. Расчетный цикл для двигателей легкого топлива

Расчет выполняют, как правило, для коэффициента избытка воздуха меньше единицы. Поэтому имеют место потери теплоты из-за неполноты сгорания топлива, которую определяют по уравнению

Hu 1201 L0 МДж/кг топл.

43

Коэффициент 120 автором принимается в пределах (114 − 120). Так как работа на участке Z1 – Z отсутствует, то уравнение сго-

рания будет в виде

Hu = 44 МДж/кг – для бензина.

Если учитывать объем топлива, то вместо L подставляют число молей свежего заряда, т.е.

М1 L 1mt ,

где mt – молекулярная масса топлива.

Нижнее значение температуры рабочего тела в конце сжатия принимается равным 400 °С, а нижнее значение температуры рабочего тела в конце сгорания – 2300 °С.

Верхнее значение температуры рабочего тела в конце сгорания – 2600 °С, а верхнее значение температуры рабочего тела в конце сжатия принимается равным 600 °С (рис. 16).

Температура рабочего тела в конце сгорания для дизельных двигателей лежит пределах 2000-2300 К.

Степень повышения давления = 1,5-1,8. Коэффициент использования теплоты = 0,8-0,9.

Температура рабочего тела в конце сгорания для двигателей легкого топлива лежит в пределах 2600-2900 К.

Коэффициент использования теплоты = 0,85-0,92.

4.4.Определение давления и объема рабочего тела

вконце сгорания

Характеристические уравнения дают возможность установить связь между давлением и объемом рабочего тела в начале и в конце сгорания.

1. Для цикла при V = const

PzVz GzRzTz . PcVc GcRcTc

Принимаемая масса рабочего тела в точке С и в точке Z без изменений, Gz = Gc .

Rz/Rc = − коэффициент молекулярного изменения.

Vz Vc ,

44

Pz Pc Tz . Tc

2. Для смешанного цикла

ДлякарбюраторныхдвигателейPz =4,5-6,5МПа.Длядизельныхдви- гателейPz =5,5-9,0МПа.

4.5.Процесс расширения

Впроцессе расширения тепловая энергия преобразуется в полезную механическую работу. В действительных циклах, в отличие от теоретических, процесс расширения сопровождается интенсивным теплообменом междурабочим телом и стенками цилиндра, а также происходит процесс тепловыделения.

Интенсивностьтеплообменане остается постоянной, т.к.вначале происходит интенсивное тепловыделение, при этом объем камеры сгорания почти не меняется, а затем по мере расширения, нарастание теплопередачи снижается, температура стенок цилиндра увеличивается, и процесс тепловыделениязамедляется.

Врезультате этого процесс расширения происходит по политропному закону при переменном показателе политропы.

На участке С – Z имеет место отрицательное значение показателя политропы расширения, т.к. увеличивается объем при одновременном увеличении давления. В точке Z показатель политропы расширения равен нулю, на участке Z – Тmax происходит дальнейшее увеличение показателя политропы расширения и в точке Тz max будет равен единице. При дальнейшем расширении будет увеличиваться отвод от рабочего тела теплоты, что приводит к дальнейшему увеличению показателя политропы расширения. В конце расширения показатель политропы может быть больше К.

45

4.6. Процесс выпуска

Процесс выпуска должен протекать таким образом, чтобы давление остаточных газов и затраты работы на его осуществление были бы минимальными. В четырехтактном двигателе до определенного предела истечение газов происходит с критической скоростью и сопровождается резким шумом. Этот период заканчивается вблизи НМТ. Из цилиндра удаляется до 60–70 % отработавших газов. При движении поршня к ВМТ происходит принудительное выталкивание отработавших газов, при этом скорость может достигать 200-250 м/с.

Работа, затрачиваемая на выпуск отработавших газов, зависит от фаз газораспределения, которые должны учитывать изменение давления за выпускным клапаном и изменение площади индикаторной диаграммы.

Опережение открытия выпускного клапана необходимо организовывать таким образом, чтобы получить наибольшую площадь индикаторной диаграммы (рис. 19).

P

b1’

b2 b1’’

P0

НМТ V

Рис. 19. Определение начала открытия выпускного клапана

Качество очистки цилиндра от отработавших газов можно улучшить, используя колебательный характер изменения давления за выпускным клапаном, покоторомуи определяют угол запаздывания закрытия.

48