книги из ГПНТБ / Петренко, Е. Я. Некоторые особенности работы автотракторных дизелей в высокогорных условиях

это выражение относительно коэффициента наполнения в высотных условиях, то получим уравнение такого вида:

где Сн — действительное количество воздуха, поступив­ шего в цилиндры двигателя в высотных усло­ виях, в кг/час;

~~ теоретическое количество воздуха, которое могло бы поместиться в рабочем объеме ци­ линдров на пулевой высоте, если бы давление и температура в цилиндрах были равны давле­ нию и температуре окружающего воздуха на нулевой высоте, в кг/час;

— действительное количество воздуха, поступив­ шего в цилиндры двигателя на нулевой высоте,

в кг/час;

При работе двигателя на всех высотах действительное количество воздуха, поступающего в цилиндры двигате­ ля, зависит от рабочего объема цилиндров, скоростного режима работы двигателя и удельного веса воздуха в цилиндрах.

Так как рабочий объем цилиндров двигателя не изме­ няется с высотой, то можно принять, что при постоянном скоростном режиме работы действительный весовой рас­ ход воздуха двигателя изменяется прямо пропорциональ-

1 0

Из формулы (6) видно, что для определения удель­ ного веса окружающего воздуха в высотных условиях нужно знать давление и температуру воздуха в этих же условиях. В таблице 1 представлены значения давления, температуры и удельного веса окружающего воздуха в высотных условиях в соответствии с Международной стандартной атмосферой. Здесь по мере увеличения вы­ соты, вследствие падения барометрического давления, снижается удельный вес окружающего воздуха.

Таблица 1

Изменение барометрического давления, температуры и удельного веса окружающего воздуха с высотой в соответствии с Международной стандартной атмосферой

Следует отметить, что реальная атмосфера всегда от­ личается от стандартной. Метеорологические условия мо­ гут изменяться не только с изменением высоты: па одной и той же географической высоте в разные дни или в

12

разное время суток давление и температура воздуха мо­ гут подвергаться значительным колебаниям.

Если в уравнение (5) подставить значение удельного веса окружающего воздуха в высотных условиях, опре­ деленное из формулы (6), то получим уравнение теоре­ тического расхода воздуха двигателем в высотных усло­ виях такого вида:

Подставив в уравнение (2) значения теоретического расхода воздуха на уровне моря и в высотных условиях и, принимая во внимание выражение (3), получим урав­ нение коэффициента наполнения двигателей внутреннего сгорания в высотных условиях:

где ¡}= ~ —-отношение температуры воздуха в высотных Го условиях к температуре на уровне моря;

р = — — отношение давления воздуха в высотных р° условиях к давлению на уровне моря.

Удельный вес воздушного заряда цилиндров двига­ теля можно определить из уравнения:

где Ра — давление в цилиндрах в конце такта впуска в

кг¡см2;

Та — температура в цилиндрах в конце такта впус­ ка в °К.

13

Из уравнения (9) видно, что удельный вес воздушно­ го заряда зависит от давления и температуры в цилинд­ рах двигателя в конце такта впуска. Наличие воздухо­ очистителя, впускных и выпускных каналов, создают не­ которое сопротивление движению свежего заряда и отра­ ботавших газов. Кроме того, в объеме камеры сжатия ос­ тается часть отработавших газов, давление и температура которых выше, чем давление и температура окружающего воздуха. При поступлении свежего заряда в цилиндры двигателя температура заряда повышается под воздейст­ вием остаточных газов и нагретых деталей цилиндро­ поршневой группы. Поэтому давление в цилиндрах в кон­ це такта впуска ниже, а температура выше, чем давление

итемпература окружающего воздуха.

Ввысокогорных условиях давление в цилиндрах двигателя- в конце такта впуска можно определить из уравнения:

где Д Ран— потеря давления за счет сопротивлений впускной системы двигателя в кг/см2.

Если допустить, что процесс поступления воздушного заряда в цилиндры двигателя является установившимся, а также пренебречь начальной скоростью воздушного за­ ряда и разницей удельных весов воздуха во всех сечениях впускного тракта, то потерю давления Д Рап можно най­ ти из уравнения Бернулли:

14

gH— коэффициент сопротивления воздушного пото­ ка, отнесенный к скорости потока waa.

В целях выяснения зависимости потерн давления от высоты над уровнем моря составим отношение уравне­ ний потери давления в высокогорных условиях Д Ран к потере давления на нулевой высоте Д Рао• Решив это вы­ ражение относительно Д Ран получим:

Чтобы найти потери давления, нужно знать значения скоростей воздушного заряда двигателя при работе в обычных и высокогорных условиях.

Мгновенную скорость воздушного потока в пускном трубопроводе можно определить из уравнения:

где Ст — средняя скорость поршня, Рп — площадь сечения поршня,

/ — средняя площадь сечения воздушного трубопро­ вода,

5— ход поршня,

п— скоростной режим работы двигателя.

Из уравнения (13) видно, что при постоянном ско­ ростном режиме работы двигателя скорость воздушного заряда ауа, а следовательно, и коэффициент сопротивле­ ния | не изменяются с высотой, так как площади попе­ речного сечения поршня и воздушного трубопровода, а также ход поршня не изменяются с высотой. В этом

Из уравнения (14) видно, что с ростом высоты умень­ шается потеря давления Л Pa¡, пропорционально удель­ ному весу окружающего воздуха у„.

На уровне моря потеря давления у четырехтактных двигателей без наддува находится в пределах:

д Ра0= (0,10—0,25) Ро кг/см2.

Меньшие значения Д Рао относятся к дизелям, а большие — к карбюраторным и газовым двигателям.

Температура воздуха в цилиндрах двигателя в конце такта впуска Га представляет собой температуру свежего заряда, подогретого от горячих деталей двигателя и остаточных газов от предыдущего цикла с температу­ рой Тг.

Из опубликованных результатов исследований извест­ но, что в высокогорных условиях температура заряда в конце такта впуска в основном зависит от температуры окружающей среды, так как при нормальном протека­ нии рабочего процесса степень подогрева свежего заря­ да от воздействия остаточных газов и нагретых деталей двигателя практически не изменяется с высотой:

Taíl= T a + AT'°K,

где Д V — степень подогрева воздушного заряда от воз­ действия остаточных газов и деталей двига­ теля.

18

У существующих автотракторных дизелей без надду­ ва на уровне моря величина Л V находится в следую­ щих пределах:

Д г = (17—37)°.

Следует отметить, что у поверхности земли темпера­ тура воздуха несколько выше, чем температура воздуха, соответствующая этой высоте по Международной стан­ дартной атмосфере. По данным метеорологических стан­ ций Грузии, в диапазоне высот до 3000 м над уровнем моря средний температурный градиент на высоте 2 м над поверхностью земли составляет 5,5° на каждые 1000 м (вместо 6,5° по МСА). Такую разницу в температурах можно объяснить тем, что здесь воздух дополнительно подогревается от поверхности земли.

Автотракторные двигатели работают у поверхности земли, поэтому для расчета параметров работы этих двигателей на высотах до 3000 м над уровнем моря температуру воздуха рекомендуется определять из фор­ мулы:

где Н — высота над уровнем моря в м.

Таким образом, при расчете параметров рабочего процесса автотракторных дизелей без наддува в высо­ когорных условиях нужно учитывать влияние этих усло­ вий на параметры воздушного заряда.

В таблице 2 представлены ориентировочные значения параметров воздушного заряда и коэффициента наполне­ ния дизелей, полученные расчетом из формул (8), (9), (10), (14), (15) и (16). При расчетах условно принято, что потеря давления на уровне моря* Д /'¡Кг=П 42-/’й

кг/см2, а степень подогрева воздушного1з£рЯ>дЗл©чнвоз-

Тм:;|<че,

17

действия остаточных газов и деталей двигателя А Т — 25° и не изменяется с высотой.

Таблица 2

Изменение параметров воздушного заряда и коэффициента наполнения дизелей при работе в высокогорных условиях

Из этой таблицы видно, что на всех высотах величи­ на удельного веса воздушного заряда у/ ниже удельного веса окружающего воздуха у. Это объясняется тем, что здесь давление конца такта впуска Ра ниже, а темпера­ тура Та — выше, чем давление и температура окружаю­ щего воздуха.

Вследствие снижения давления и температуры конца такта впуска соответственно снижается давление и тем­ пература конца такта сжатия, что приводит к ухудшению процессов смесеобразования и увеличению периодов задержки воспламенения и горения рабочей смеси. При

18

этом имеет место горение топлива на линии расширения индикаторной диаграммы, в результате чего увеличива­ ется теплонапряженность двигателя.

Понижение давления и температуры конца такта сжатия приводит к ухудшению пусковых качеств дизе­ лей, в результате чего увеличиваются их периоды пуска, что отрицательно сказывается на сроках службы пуско­ вых устройств (аккумуляторные батареи, пусковые дви­ гатели).

Анализируя закон изменения давления в конце такта сжатия, можно доказать, что для нормального протека­ ния процессов смесеобразования и сгорания при работе двигателей внутреннего сгорания в высокогорных усло­ виях нужно по мере увеличения высоты увеличивать сте­ пень сжатия обычных двигателей. При этом будут повы­ шаться давление и температура в цилиндрах в конце такта сжатия, что обеспечит улучшение смесеобразова­ ния и сгорания. Улучшатся и пусковые качества этих двигателей.

Расчеты свидетельствуют, что для обеспечения номи­ нальных значений давления и температуры в цилиндрах в конце такта сжатия при увеличении высоты на каждые 1000 м нужно увеличивать степень сжатия двигателя в среднем на 10%.

Для улучшения процессов семесеобразования и сго­ рания автомобильных карбюраторных двигателей заслуживает внимания создание двигателя с переменной, ав­ томатически изменяющейся степенью сжатия. В таком двигателе степень сжатия должна изменяться автомати­ чески в зависимости от разрежения во впускном коллек­ торе (работа при частичном открытии дроссельной за­ слонки карбюратора), или от давления окружающего воздуха таким образом, чтобы во всех случаях обеспе­ чивалось постоянство давления конца такта сжатия.

19