книги из ГПНТБ / Теория двигателей внутреннего сгорания. Рабочие процессы учебник

Горючей смеси при подаче в цилиндр с соответствующим распреде­ лением ее по объему камеры сгорания.

В т о р а я ф а з а является периодом весьма интенсивного тепловыделения и резкого нарастания давления, т. е. dqldy -^max. Эта фаза соответствует периоду с"— рг, подача топлива продол­ жается с увеличением его концентрации в рабочей смеси.

В качестве критерия интенсивность тепловыделения за период фазы II принимают мгновенные w и средние wcp значения скорости нарастания давления, получаемые, как и для двигателей с прину­ дительным зажиганием, из отношения приращения давления газов Ар за какой-либо промежуток процесса к соответствующему

(0,196 — 0,588 мПа/град) относится к дизелям с мягкой работой. Большие значения приращения давления соответствуют более длительному периоду задержки воспламенения, а меньшие —

более короткому тг..

За время фазы II происходит сгорание топлива, впрыснутого

завершается в фазе II. Ранее отмечалось, что в конструкциях фор­ сированных двигателей (быстроходных) подача топлива может быть завершена в фазе I, но работа таких дизелей будет жесткой, хотя экономичность их выше, чем у двигателей с растянутой по­ дачей.

а конец Тг. Однако, как отмечалось выше, граница будет условной, если этот показатель получается из диаграммы расчетным путем. В связи с этим, иногда при анализе рабочего цикла фазы III и IV рассматриваются совместно как один период.

Четвертая фаза начинается с момента достижения в цилиндре максимальной температуры сгорания Тг. Считают, что границей конца сгорания может быть положение коленчатого вала по углу поворота, примерно равному 60° после в. м. т. Тепловыделение

кэтому моменту при нормальной организации процесса сгорания

сучетом потерь только на диссоциацию и от недогорания должно достигать 95— 97%. Эта фаза характеризуется уменьшением ско­ рости тепловыделения (dq/dy —►0) и скорости сгорания. Подача

топлива в этот период исключена. Большая длительность фазы I V — догорание может вызвать повышение температуры отрабо­ тавших газов и потери теплоты в охлаждающую воду, а также увеличение теплонапряженности деталей (поршня, колец, втулки и др.).

40 9

В целях сокращения длительности догорания в фазе IV необ­ ходимо усилить турбулентное воздействие на завершающую фазу и исключить подачу топлива в фазе III.

§ 3. РАСЧЕТ ПО ИНДИКАТОРНОЙ ДИАГРАММЕ ХАРАКТЕРИСТИК ДИНАМИКИ ТЕПЛОВЫДЕЛЕНИЯ [4]

Индикаторная диаграмма совместно с характеристикой тепло­ выделения в цилиндре двигателя дает более полное представление о динамике процесса сгорания и преобразования теплоты в меха­

ническую работу.

Характеристика тепловыделения является зависимостью изме­ нения доли тепла, выделившегося в цилиндре, от времени или от угла поворота коленчатого вала

где Q (ф) — количество теплоты, выделившегося при сгорании до рассматриваемого момента времени; QH— низшая теплотворная способность топлива; £ц — цикловая подача топлива, г/цикл.

Рис. IV. 13. К определению динамики тепловыделения при сгорании

В практике научных исследований для изучения процесса сгорания в двигателях и построения для этого кривой динамики тепловыделения приходится решать обратную задачу — опреде­ лять характеристики тепловыделения по экспериментальным дан­ ным, т. е. путем обработки индикаторной диаграммы развернутого типа. Это объясняется тем, что мы пока еще не располагаем на­ дежным физико-химическим методом расчета этих характеристик, а следовательно, и методом построения д е й с т в и т е л ь н о й индикаторной диаграммы на участке сгорания.

Наиболее доступным методом исследования динамики тепловы­ деления является метод обработки индикаторной диаграммы, пред­ ложенный профессорами Н. В. Иноземцевым и В. К. Кошкиным.

В качестве примера для рассмотрения этого метода расчета на рис. IV. 13 приводится индикаторная диаграмма р = / (т) или

Р = f (ф)-

410

где dU — изменение внутренней энергии газа; Ар dV — теплота, эквивалентная механической работе расширения газа; dQw— потеря теплоты вследствие теплопередачи в охлаждающую среду; dQK.H— потеря теплоты вследствие диссоциации продуктов сго­ рания и от недогорания.

Приведенное аналитическое выражение относится к числу слож­ ных, а поэтому рекомендуется решать его графическим способом по отдельным участкам Дф (рис. IV. 13), которые принимать более 5й п. к. в. (особенно вблизи в. м. т.) не следует.

Количество теплоты, выделившейся за цикл при сгорании (вы­ горании) в относительных долях (или в %) от всей располагаемой

на повышение внутренней энергии рабочего тела и совершение механической работы, т. е. теплота активно использованная, доля потерянной теплоты вследствие теплопередачи в охлаждающую среду, доля потерянной теплоты вследствие диссоциации и недого­ рания.

411

Таким образом, активно выделившаяся теплота хс определяется в результате обработки индикаторной диаграммы непосредственно по формуле

где pr, Tr — давление и температура газа; F — поверхность стенок, омываемая газами, м2; Тст— температура стенок, К;ст— средняя скорость поршня, м/с; а и &— коэффициенты, зависящие от типа двигателя.

Величина потерь на диссоциацию может быть определена на основании закона действующих масс по формуле, рекомендуемой В. Н. Иноземцевым:

тывать коэффициентом использования теплоты реального процесса

Величина ф определяется в любой момент только относитель­ ными потерями xw и хд н, развитие процесса сгорания на величину Ф влияния не оказывает, а поэтому его выбор может быть обосно­ ванным.

По данным В. К. Кошкина, для дизелей среднее значение коэф­ фициента ф в течение процесса сгорания изменяется в пределах

0,92—0,96.

412

Определив расчетом по индикаторной диаграмме кривую

Ленинградского политехнического института им. М. И.' Калинина, для описания характеристик тепловыделения Б. П. Пугачевым

вании влияния параметров динамики тепловыделения на индика­ торные показатели рабочего процесса дизелей путем расчетного построения индикаторной диаграммы двигателя с использованием выражения

413

Величины V и dV/dy в выражении (IV.22) вычисляются с ис­ пользованием формул (III. 15) и (II 1.16).

Температура рабочего тела переменного количества опреде­ ляется по формуле

Та PV Т = РгУа Рл;

где Рд.— текущий коэффициент молекулярного изменения, кото­ рый вычисляется по выражению

Построение индикаторной диаграммы выполняется путем чис­ ленного интегрирования выражения (IV.22) с определением в кон­ це каждого шага интегрирования Дер величины давления в ци­ линдре

р/+1 - Pi + (|d<pг))/j+11Дф,

где j — номер шага интегрирования.

При небольшом шаге Дер величины Т и Д77dtp в правой части выражений (IV.23), (IV.24) и (IV.25) допустимо принимать равными их значениям на предыдущем шаге

§ 4. АНАЛИЗ ХАРАКТЕРИСТИК ТЕПЛОВЫДЕЛЕНИЯ

Связь между параметрами характеристики тепловыделения и параметрами индикаторной диаграммы определяется на осно­ вании уравнения первого закона термодинамики в виде

414

В этом уравнении членом, содержащим dkldy, учитывается влия­ ние переменного показателя адиабаты k. Так как на участке сгорания до достижения Tmsx влияние слагаемых, содержащих dk/d(p и dQJdq, противоположно по знаку и соизмеримо по ве­ личине и, кроме того, учитывая выражения (III. 17) и (III. 18), для текущих значений V и dVIdy, получим выражение, справед­

На характеристике тепловыделения выделяются три основных участка. На первом участке наблюдается наибольшая скорость тепловыделения (см. рис. IV. 15) в момент, совпадающий с мо­ ментом достижения наибольшей скорости нарастания давления в цилиндре.

Параметрами индикаторной диаграммы для этого момента являются (dp/dcp)max, pd и cpd (см. рис. IV. 12). Следовательно, скорость тепловыделения для этого момента на основании (IV.27) определится по формуле

Если в момент достижения (dp/dcp)max величина угла cpd не более 1— 2° п. к. в., то выражение (IV.28) упростится

dxj ^ Vc / dp \

(k — 1) Qn V d(p ) щах

Следовательно, скорость тепловыделения на первом участке ха­ рактеристики тепловыделения определяет величину максималь­ ной скорости нарастания давления и для уменьшения (dpldy)msx необходимо снижать dxi/dy.

Окончание первого участка тепловыделения наступает вместе с завершением периода резкого нарастания давления на инди­ каторной диаграмме (рис. IV. 12). Количество теплоты, выделив­ шейся на первом участке, определяется параметрами точки у согласно выражению

= (*>_[) q^(Ру— рс)>

где р*с — давление на диаграмме чистого сжатия для момента, определяемого положением точки у.

4 1 5

На втором участке наблюдается плавное изменение скорости тепловыделения. Величина максимальной скорости тепловыде­ ления на этом участке практически равна скорости в момент достижения в цилиндре наибольшего давления цикла pz, т. е. при повороте кривошипа от в. м. т. на угол срг. Так как для мо­ мента фг величина dp/dcp = 0, то скорость тепловыделения опре­ деляется на основании (IV. 27) по формуле

Следовательно, скорость тепловыделения второго участка влияет

определяется главным образом количеством теплоты, выделившейся до этого момента. Поэтому меры по интенсификации сгорания на этом участке мало влияют на рост рг, но оказывают значи­ тельное влияние на сокращение продолжительности второго и последующего участков и на повышение к. п.д. цикла. При ко­ ротком первом участке его переход ко второму может наступить до достижения наибольшей скорости тепловыделения второго участка и это сопровождается понижением скорости выделения теплоты на границе участков ниже dxn/dq>.

Второй участок после достижения наибольшей скорости тепло­ выделения dxu/dy плавно переходит в следующий продолжи­

с продуктами неполного сгорания топлива. К таким продуктам относятся: сажа (СаН— С10Н), окись углерода (СО) и углеводо­ роды (СН), теплотворность которых при сгорании до полного окисления соответственно 33 500, 8400, 38 700 кДж/кг.

Химические потери от недогорания каждого из продуктов определяются по формуле

Ахс = т1юalpQHiW

где mt — потеря продукта с выпускными газами, г/м3; QHi — низшая теплотворность этого продукта.

Сумма потерь определяет общую потерю от неполноты сго­

Согласно исследованиям суммарная потеря от неполноты сго­ рания в дизеле связана с дымностью выпуска согласно выраже­ нию

ДТнеп ._. jsr\

416

где D — дымность по методу поглощения света столбом выпу­

с объемным способом смесеобразования и при использовании

при понижении коэффициента избытка воздуха и уменьшении интенсивности сгорания на втором участке, вызывающем затя­ гивание процесса сгорания и снижение его полноты.

Общую продолжительность сгорания топлива в цилиндре можно оценить по выражению

Согласно расчетным исследованиям оптимальной с точки зрения экономичности рабочего процесса является характеристика теп­ ловыделения с наименьшей величиной фсг при опережении вос­ пламенения, обеспечивающем выделение около 40% теплоты до при­ хода поршня в в. м. т. Для бесшумной и мягкой работы двига­

dx\/dq>

теля оптимальным является отношение dx\\jdy ’ близкое к еди­ нице.

Параметры характеристики тепловыделения определяются про­ цессом сгорания в дизеле, состоящим в основном из двух состав­ ляющих. Как уже отмечалось в § 3, первая составляющая свя­ зана с протеканием быстрого сгорания части топлива, нахо­ дящейся в объеме воздушного заряда и подготовленной к сго­ ранию за период задержки воспламенения. Вторая составляю­

и выделения теплоты может быть использовано выражение вида

и соответствующая интегральная характеристика тепловыделения