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

киломоля газа, то для газовой постоянной, отнесенной к 1 кг газа,

Таким образом, характеристическое уравнение может быть представлено в следующем виде: ppv — 8312 Т или pV = 8312 МТ.

Т е п л о т в о р н о с т ь QH в единицах СИ может быть по­

гласно этому равенству получить результат в единицах СИ, необ­ ходимо коэффициенты а к b умножить на 4,19, тогда получим раз­

Для размерностей Дж/кг-град и Дж/моль-град выражение

1 Материал использован из приложения к монографии проф. В. В. Махалдиани [11].

40

Т а б л и ц а 1.3. Выражения для теплоемкостей в единицах СИ

Газ В пределах от 0 до 1500° С В пределах от 1500 до 3000° С

В табл. 1.3 приводятся данные теплоемкостей для некоторых газов в единицах СИ, полученные пересчетом [11]. Изменение энтропии для изохоры и изобары будет:

dS = P£ydT и dS = j^dT _ _

В зависимости от размерностей реу и \хср результат расчета будет в ккал/кмоль-град или кДж/кмоль-град.

Г Л А В А II

РАБОЧИЙ (ДЕЙСТВИТЕЛЬНЫЙ) ЦИКЛ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

§ 1. ОСОБЕННОСТИ РАБОЧЕГО ЦИКЛА

Рабочий (действительный) цикд поршневого и турбопоршневого двигателей внутреннего сгорания значительно отличается от рас­ смотренных ранее идеальных и теоретических циклов, что объяс­ няется невозможностью соблюдения условий, в которых проте­ кают последние. В рабочем цикле происходят не только физи­ ческие, но и химические изменения состава газа, и количество его

41

не остается постоянным. Вследствие конечной скорости сгорания и диссоциации продуктов сгорания скрытая в топливе химическая энергия выделяется не мгновенно. В процессе расширения про­ исходят догорание и ассоциация диссоциированных газов с выде­ лением теплоты. В рабочем цикле рабочее тело нельзя принимать с постоянными теплоемкостями, так как температура и состав газов в цилиндре значительно изменяются и, наконец, в рабочем цикле имеют место тепловые и аэродинамические потери.

Рабочий цикл поршневого и турбопоршневого двигателей состоит из ряда последовательно сменяющих друг друга тактов, что позволяет использовать в процессе рабочего хода (такта) при средних низких температурах цикла высокие максимальные тем­ пературы рабочего тела (до 3000 К). В связи с этим поршневые двигатели и тем более двигатели с турбонаддувом среди тепловых двигателей являются самыми экономичными. Дальнейшему совер­ шенствованию этих двигателей служит теория двигателей внутрен­ него сгорания. Основой этой теории будет исследование и расчет рабочего цикла поршневого двигателя. Расчет цикла позволяет определить значение основных показателей вновь разрабатывае­ мых конструкций двигателя для любых заданных условий его ра­ боты, выяснить факторы, влияющие на протекание частных про­ цессов и на рабочий цикл в целом с целью улучшения мощностных, экономических и динамических качеств двигателя.

Расчет рабочего цикла позволяет получить данные изменения давления и температуры цикла в цилиндре, размеры и число цилиндров вновь создаваемого двигателя, а также решить многие вопросы, связанные с повышением удельной мощности, надеж­ ности и моторесурса создаваемых конструкций поршневых и турбопоршневых ДВС.

Для сравнения на рис. 1.15 приводятся две индикаторные диаграммы в координатах р — V, из которых показанная штри­ ховой линией соответствует теоретическому циклу, а сплошным контуром — действительному циклу дизеля со смешанным под­ водом теплоты при V = const и р = const. В действительной инди­ каторной диаграмме указаны основные отступления от теорети­ ческого цикла, которые присущи реальному рабочему процессу. Подразумевается, что в обоих случаях количество подведенной теплоты одинаковое, т. е. QT = Q.

Под Q в действительном цикле имеется в виду количество теплоты, затрачиваемой на создание индикаторной работы ALt с включением всех потерь, т. е. потерь от теплопередачи, от не­ полноты сгорания топлива к концу расширения и от несвоевре­ менно выделившейся теплоты в процессе сгорания.

Предполагается, что в теоретическом цикле поступление свежего заряда и выпуск отработавших газов происходит без сопротивлений, т. е. линии впуска и выпуска совпадают с атмо­

42

ского цикла по сравнению с диаграммой реального цикла (ат— ст и ас) без влияния на использование вводимой теплоты.

Сопротивления на впуске и выпуске исключают возможность в действительном цикле полностью использовать рабочий объем цилиндра в отношении заполнения его свежим зарядом, поэтому при изучении реальных циклов необходимо большое внимание уделять коэффициенту, который характеризует несовершенство на­

полнения цилиндра r\v:

На рис. 1.15 показана пло­ щадь, которая характеризует отри­ цательную работу действительного

наполнения и выпуска отработав­ ших газов. Гидравлические по­ тери на впуске приводят к умень-

град

Рис. 1.15. Теоретическая (1) и действительная (2) индикаторная диаграммы дизеля

шению давления начала сжатия ра, а отсюда и давления конца сжатия рс.

На уменьшение рс оказывают влияние еще потери теплоты в стенки в процессе сжатия и возможные утечки заряда через кольца, а поэтому рст> рс.

Как видно из рис. 1.15, снижение рс в реальном цикле позво­ ляет увеличить площадь индикаторной диаграммы по линии сжа­ тия ас, но это увеличение не приводит к увеличению индикатор­ ной мощности, так как в дальнейшем оно перекрывается потерями

1 Ввиду различных условий в обоих случаях на участке начала процесса

сжатия сравнение диаграмм возможно после достижения в цилиндре давления р ,

“о

(точка а'0).

43

на линии расширения, что обусловливается снижением макси­ мального давления сгорания рг и вызванного этим снижения всей линии расширения zb' в действительном цикле.

При сгорании по изохоре (V = const) по условию в обоих циклах подводится одинаковое количество теплоты ((& = Q ),

апоэтому при наличии в действительном цикле тепловых потерь

вохлаждающую среду, недогорание и несвоевременное выделение теплоты приводит к уменьшению линии су по сравнению с стг/т,

аотсюда и к уменьшению максимального давления рг. Последую­ щее уменьшение рг идет в связи с увеличением объема камеры сго­ рания при перемещении поршня от в. м. т. к н. м. т. Процесс от у до z протекает примерно по изобаре, т. е. при р = const (малые

отклонения) с недовыделением теплоты при сгорании топлива

ис последующим догоранием на линии расширения. Это приводит

ктому, что в реальном цикле степень предварительного расши­ рения р по сравнению с теоретическим циклом имеет меньшие зна­ чения.

Втеоретическом же цикле теплота вводится до точки zr и последняя определяет начало адиабатического расширения, т. е. по сравнению с реальным циклом процесс протекает без потерь теплоты в стенки.

Врезультате приближения сгорания к точке z концентрация кислорода заметно понижается, скорость сгорания в связи с этим понижается и сгорание переносится на линию расширения, что называется явлением догорания (рис. 1.15, точка гг). Наимень­ шие значения продолжительности этого догорания могут быть

равными 45— 60° угла поворота коленчатого вала (после в. м. т.), но в быстроходных дизелях догорание может продолжаться до открытия выпускного клапана (точка Ь').

В первой половине кривой zzx обычно развиваются максималь­ ные значения температуры сгорания Тг, что объясняется сильным притоком теплоты от догорания на линии расширения.

Из рассмотренного видно, что теоретический цикл значительно отличается от реального, так как по сравнению с реальным циклом в нем процесс расширения (начиная от точки zT) протекает без потерь теплоты, а теплота отводится холодному источнику только по линии Ьтат. В реальном цикле необходимо принудительно удалить отработавшие газы в атмосферу, а вследствие сопротивле­ ния в выпускной системе давление рг будет выше атмосферного

Рг > Ро-

Заблаговременное удаление отработавших газов (точка Ь') приводит также к уменьшению площади индикаторной диаграммы действительного цикла.

В общем, основным выводом из вышеизложенного может быть то, что главными потерями действительного цикла являются теплопередача на линии сгорания и расширения, догорание и неполнота сгорания топлива в цилиндре.

44

§ 2. ОБЩИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О ПРОЦЕССАХ ГАЗООБМЕНА В ПОРШНЕВЫХ ДВИГАТЕЛЯХ

В четырехтактных двигателях процесс газообмена начинается выпуском отработавших газов, т. е. очисткой рабочего объема цилиндра двигателя (рис. 1.16, точка Ь') через клапан, который открывается в действительном цикле с опережением (<р4— угол опережения выпуска), т. е. до прихода поршня в н. м. т.

Процесс выпуска газов с опережением позволяет осуществить удаление их под воздействием разности давлений в цилиндре и в выпускном коллекторе или в ресивере. Далее, после прихода поршня в н. м. т., последний, изменяя направление движения (дви­ жение начинается к в. м. т.), осуществляет принудительную

очистку цилиндра от сгоревших газов (газы выталкиваются поршнем).

В конце хода выталкивания (точка г) сгоревшие газа занимают объем камеры сжатия Vc при давлении рг > р 0 на величину

АРГ = Рг — Ро-

Величина Арг зависит от ряда факторов, но главными из них будут сопротивление в системе выпуска и скорость движения отработавших газов.

Закрытие выпускного клапана осуществляется после в. м. т. (точка г'), т. е. с запаздыванием, что позволяет увеличить в р е м я - с е ч е н и е при удалении сгоревших газов в конце хода вытал­ кивания их из цилиндра. В двигателях с наддувом запаздывание закрытия выпускного клапана может быть использовано для улучшения очистки продувкой цилиндра свежим зарядом, посту­ пающим в это время в цилиндр через впускной клапан (<рх — угол опережения впуска, ф2— угол запаздывания выпуска). В дви­ гателях без наддува продувки быть не может и только увеличение фактора время-сечение позволяет в них улучшить очистку ци­ линдра.

Как показали исследования в первой фазе выпуска, т. е. когда выпуск осуществляется с использованием опережения, за счет перепада давлений в цилиндре и в ресивере из цилиндра удаляется до 70% отработавших газов, остальная часть газов выбрасывается поршнем (после н. м. т.) принудительно, на что затрачивается часть индикаторной мощности.

Такт наполнения цилиндра свежим воздухом (смесью) осуще­ ствляется при движении поршня от в. м. т. к н. м. т. Однако в начальный момент этого движения (точка г), несмотря на увели­ чение объема в цилиндре, свежий заряд еще не поступает, что может продолжаться до точки г'. Последнее объясняется раз­

до р 0 и только после преодоления гидродинамических сопротивле­ ний в системе впуска, включая клапаны, в цилиндры начнет

45

поступать свежий заряд (точка г') при рг- < р0 или при ра < р0 (рг' — ра)- К приходу поршня в н. м. т. (конец наполнения, точка а) потеря давления при наполнении будет характеризоваться вели­ чиной

Дра = Р о — Ра-

Приведенная на рис. 1.16 диаграмма выпуска и впуска может быть получена индикатором на реальном, но тихоходном дви­ гателе. На быстроходном двигателе гидродинамические процессы сложные и диаграмма насосных ходов не может иметь такой «спокойный» характер протекания процессов.

На рис. 1.17 приводится диаграмма насосных ходов автомобиль­ ного быстроходного двигателя ЗИЛ-120, снятая при работе дви­ гателя с полностью открытой дроссельной заслонкой. Оценивая работу насосных ходов, необходимо планиметрированием опре­ делить площади индикаторной диаграммы и по ним подсчитать среднее значение потерь при выпуске АргСр и среднее значение потерь А/?аср на впуске. Только такие параметры в сочетании с найденными коэффициентами наполнения и остаточных газов могут более полно охарактеризовать совершенство каждого про­ цесса газообмена и учесть влияние различных конструктивных и

торых четырехтактных двигателей с принудительным (искровым) зажиганием двигателей.

Д в у х т а к т н ы е д в и г а т е л и в отношении процессов газообмена отличаются от четырехтактных тем, что у них два насосных хода (впуск и выпуск) отсутствуют. Газообмен здесь осуществляется в конце рабочего хода (ход расширения) и в на­ чале хода сжатия, т. е. при положении поршня с некоторыми отклонениями по отношению к н. м. т.

На рис. 1.18 приводятся индикаторная и круговая диаграммы газообмена в двухтактном двигателе.

Процесс газообмена начинается в заверщающей стадии рас­ ширения открытием выпускного окна 1 (точка Ь). В связи с пере­ падом давления газов в цилиндре и выпускном ресивере (рц >/?р) газы устремляются в выпускное окно 1 и далее в коллектор. Как видно из рис. 1.18, давление в цилиндре понижается до давления рк — давления в продувочном ресивере. Таким образом, как только верхняя кромка днища поршня пройдет верхнюю кромку продувочного окна 2 свежий воздух, сжатый в ресивере до давления рк, устремится в цилиндр и продолжит очистку его от сгорев­ ших газов, но это будет уже не свободный выпуск, а принуди­ тельный, который продолжается до прихода поршня в н. м. т. Поршень меняет направление движения от н. м. т. к в. м. т., оба окна открыты, поршень движется вверх. На всем участке от 0 до S продолжается зарядка цилиндра, но поскольку открыты оба

46

вмт.

Рис. 1.16. Индикаторная и круговая диаграммы насосных ходов четырехтактного двигателя

Рис. 1.17. Диаграмма процессов газообмена в дви­ гателе ЗИЛ-120 при п = 2400 об/мин

6 мт.

Рис. 1.18. Индикаторная и круговая диаграммы газообмена в двухтактном двигателе

47

Т а б л и ц а 1.4. Фазы газораспределения четырехтактных двигателей (в градусах поворота кривошипа)

окна, то продувка также имеет место. Наконец, поршень пере­ крывает окно 2, и поступление свежего воздуха в цилиндр пре­ кращается, а поскольку движение поршня вверх продолжается при открытом окне 1 (участок S' — а), то сжимаемый воздух на этом участке будет частично потерян выбросом в выпускной кол­ лектор, если двигатель не располагает специальным золотниковым устройством. Применение золотниковых устройств обеспечивает дозарядку цилиндра и устраняет выброс.

Как видно, газообмен в двухтактном двигателе состоит из сле­ дующих фаз:

ния двухтактных двигателей.

48

продуктов сгорания и наполне­ ние цилиндра свежим зарядом более совершенно протекают в четы­

Совершенство наполнения цилиндра двигателя воздухом (смесью) принято оценивать коэффициентом наполнения %. Но этот коэффициент, в свою очередь, зависит от степени'очистки цилин­ дра от сгоревших газов и количества оставшихся их там от пре­ дыдущего цикла (остаточные газы). Таким образом, коэффициент наполнения может быть принят оценочным параметром процессов газообмена в целом.

Величина коэффициента наполнения % зависит от многих факторов, основными из которых являются: давление и темпера­ тура смеси в конце наполнения ра и Та\ коэффициент остаточных газов уг; давление и температура остаточных газов рг и Тг\ сте­ пень сжатия е, т. е.

% = f(Pa, Та, рг, Тп уг, е).

Д а в л е н и е в к о н ц е н а п о л н е н и я ра— фактор, сильно влияющий на величину коэффициента наполнения в дви­

из уравнения Бернулли, если допустить, что процесс поступления