книги из ГПНТБ / Селиверстов В.М. Теплосиловое оборудование подъемно-транспортных машин учебник

К недостаткам двигателей с разделенными камерами относятся: гидравлические потери, связанные с перетеканием газов с большими

Пуск холодного двигателя с разделенными камерами сгорания в связи с большей поверхностью их охлаждения затруднен. Для облег­

Глава XIX

ДЕЙСТВИТЕЛЬНЫЕ ЦИКЛЫ ДВИГАТЕЛЕЙ

§76. Процесс впуска

Впроцессе впуска (зарядки) цилиндры в карбюраторных двигате­ лях наполняются горючей смесью, а дизели — воздухом. Чем больше будет введено в цилиндры горючей смеси или воздуха, тем более значительную мощность можно получить от двигателя.

По окончании хода выпуска в че­ тырехтактных двигателях в рабочем объеме цилиндра Ѵс находятся оста­ точные газы давлением рг и темпера­ турой Тт(рис. 73). Количество их

может быть определено по уравнению состояния

(точка k), при котором горючая смесь или воздух поступают в ци­

линдр. Давление впуска ниже атмосферного из-за гидравлических сопротивлений во впускной системе двигателя. При наполнении ци­ линдра горючая смесь или воздух нагреваются в результате смешения с остаточными газами и вследствие соприкосновения с горячими поверх­ ностями двигателя. Температура рабочей смеси в конце впуска (точ­ ка а) в карбюраторных двигателях 70— 100° С, а в дизелях 45—60° С. Масса рабочей смеси в точке а равна

137

Степень совершенства наполнения цилиндра свежим зарядом оце­ нивается к о э ф ф и ц и е н т о м н а п о л н е н и я , представля­ ющим отношение действительной массы заряда М а (горючей смеси или воздуха) к той массе М 0, которая могла бы заполнить рабочий объем цилиндра Vk при р0и Т0 перед впускными органами двигателя:

очередь зависит от давления впуска ра, с повышением которого он воз­ растает. При повышении давления на выпуске рг т]н уменьшается.

С повышением температуры заряда Та коэффициент наполнения у]н

понижается.

В карбюраторных двигателях мощность регулируют изменением коэффициента наполнения путем прикрытия дроссельной заслонки карбюратора. Чем больше прикрыта дроссельная заслонка, тем значи­ тельнее гидравлическое сопротивление впускной системы, меньше дав­ ление ра, коэффициент наполнения, а следовательно, и мощность дви­

гателя.

Величина т)н при частоте вращения, соответствующей номинальной мощности для четырехтактных двигателей, составляет: г)н =- 0,7 -у- 0,75 для карбюраторных двигателей с нижним расположением кла­

138

В соответствии с формулой (314) Мд = г\нМ 0. Подставляя это зна­

чение УИД в формулу (317) и произведя соответствующие преобразова­ ния, получаем:

= 0,06 -4- 0,15, для четырехтактных дизелей уг = 0,03 4 - 0,06, для

§ 77. Процесс сжатия

При сжатии свежего заряда происходит теплообмен между рабочим телом и деталями цилиндро-поршневой группы. Поэтому такой процесс является политропным, а не адиабатным, как было принято при рас­ смотрении теоретических циклов. Величина теплообмена вовремя сжа­ тия неодинакова как по абсолютной величине, таки по знаку. На пер­ вой части хода сжатия рабочее тело дополнительно нагревается от го­ рячих поверхностей двигателя, и показатель политропы пх больше показателя адиабаты k. С повышением температуры сжимаемого воз­

духа уменьшаются теплоприток к нему от стенок цилиндра и показа­ тель политропы. В дальнейшем температура воздуха становится выше температуры деталей цилиндро-поршневой группы и сжатие сопровож­ дается отдачей тепла. Показатель политропы пх на данной части хода поршня меньше показателя адиабаты k.

Таким образом, действительный процесс сжатия протекает с пере­ менным показателем политропы. В связи с тем что количество тепла, отдаваемого рабочим телом деталям двигателя, больше тепла, получен­ ного на начальной части хода поршня, средний показатель политропы

139

всегда меньше показателя адиабаты. Среднее значение показателя по­ литропы пх определяют исходя из условия равенства работ в расчет­ ном и действительном процессах. Для карбюраторных двигателей пх — = 1,32 д- 1,39, для дизелей пх = 1,36 -h 1,40. Показатель щ зависит

от размеров цилиндра, интенсивности охлаждения и конструктивных особенностей двигателя. С увеличением интенсивности охлаждения

Среднее значение показателя политропы сжатия пх также зависит

от скоростного режима двигателя. При снижении частоты вращения вала двигателя показатель % уменьшается и линия сжатия проходит более полого. Это необходимо учитывать при выборе минимальной сте­ пени сжатия для дизелей, поскольку выбранное значение е должно обес­ печить надежное самовоспламенение топлива при работе на малой ча­ стоте вращения.

§ 78. Процесс сгорания топлива в карбюраторных двигателях

В конце процесса сжатия горючая смесь воспламеняется от электри­ ческой искры. Сгорание топлива происходит вблизи в. м. т., поэтому изменение давления удобнее изучать по так называемой развернутой индикаторной диаграмме, показывающей изменение давления в цилиндре двига­ теля в зависимости от угла поворота ко­ ленчатого вала. На диаграмме (рис. 74)

наносят кривую сжатия (изменение дав­ ления при сжатии без сгорания) и сгора­ ния. Точка 1 соответствует моменту по­

явления искры на электродах свечи. Это происходит до прихода поршня в в. м.т. с опережением на угол фоп, называемый

(точка 1) до точки 2 давление в цилиндре изменяется по кривой сжатия. От точки 2 оно резко возрастает до максимального давления горения pz (точка г). Дальнейшее догорание

топлива и расширение продуктов сгорания происходят при значитель­ ном увеличении объема.

Процесс сгорания в карбюраторном двигателе может быть разбит на два периода.

I период (линия 1—2) является периодом скрытого сгорания, во

время которого образуется начальный очаг пламени. На продолжитель­ ность этого периода горения влияют: качество топлива, состав го-

140

ление газов падает.

§ 80. Процесс расширения и выпуска

Расширение сопровождается догоранием топлива и теплообменом между газами и стенками цилиндра. В дизелях на линии расширения топлива догорает больше, чем в карбюраторных двигателях. Интен­ сивность теплообмена между газами и стенками цилиндра при движении поршня рхе время меняется. Поэтому расширение так же, как и сжатие, протекает по политропе с переменным показателем п2. На пер­

вой части хода поршня приток тепла от догорания топлива больше ко­ личества тепла, отводимого к стенкам, поэтому n2<ik. С приближе­

нием поршня к н. м. т. теплоотвод в стенки цилиндра становится боль­ ше, чем приток тепла от догорания топлива, в связи с чем показатель политропы расширения будет больше k.

Для упрощения расчетов показатель политропы расширения при­ нимают постоянным и его среднее значение определяют исходя из усло­ вии равенства работ в расчетном и действительном процессах,

.142

Средний показатель политропы расширения зависит от степени догорания топлива, частоты вращения, интенсивности охлаждения и размеров цилиндров. Для дизелей п2 — 1,2 -у 1,30, для карбюра­ торных двигателей с водяным охлаждением пй =-- 1,3 -у 1,35.

Процесс выпуска в двигателях можно подразделить на два периода.

В первый период, от открытия выпускного клапана до прихода поршня

вн.м. т. (см. рис. 73, линия 3—4), выпуск газов происходит под воздей­

ствием перепада давления в цилиндре с большими скоростями, дости­ гающими 500 м/с. В этот период из цилиндра удаляется до 70% отра­ ботавших газов. В зависимости от быстроходности двигателя выпускной клапан открывается с опережением на 35—60° до прихода кривошипа коленчатого вала в н. м. т. Давление и температура в момент откры­ тия выпускного клапана (окна) составляет: в карбюраторных двига­

телях рв — 0,4 — 0,6 МН/м2 и /в = 1100 -у 1300° С, в дизелях рв =

= 0,3 — 0,5 МН/м2 и /„ = 700 -у 1000° С.

Во второй период оставшиеся в цилиндре газы выталкиваются порш­ нем при его движении от н. м. т. к в. м. т. Скорость выпуска газов со­ ставляет 50— 100 м/с. Среднее давление выпуска 0,105—0,125 МН/м2.

Г л а в а XX

МОЩНОСТЬ И ЭКОНОМИЧНОСТЬ ДВИГАТЕЛЯ

§ 81. Мощность двигателя

Как известно, работа, совершаемая газами в цилиндре двигателя за один цикл, пропорциональна площади индикаторной диаграммы. Она определяется по формуле

(рис. 76), представляющее условное постоянное давление газов в ци­ линдре, которое, действуя на поршень, совершает за один его ход ра­ боту, равную работе газов в цилиндре за один цикл (Н/м2).

Индикаторную работу, равную площади диаграммы, можно пред­

где Vh — рабочий объем цилиндра.

Величину рі находят по индикаторной диаграмме. Графически она представляет высоту прямоугольника с основанием Vh, площадь кото­

рого равна площади индикаторной диаграммы (см. рис. 76),

143

Вдвухтактных двигателях среднее индикаторное давление относят

кполезному ходу поршня.

вешенных на двигатель механизмов и на насосные потери. Перечислен­ ные потери 1Ѵтр учитываются м е х а н и ч е с к и м к. п. д., равным

Механический к. п. д. зависит от типа и конструкции двигателя, частоты его вращения, качества смазочного материала, температурного режима, от количества навешенных механизмов. У современных двига­ телей механический к. п. д. цм = 0,7 -у 0,85.

Эффективную мощность двигателя находят по уравнению

условное постоянное давление на поршень, которое производит работу, равную эффективной работе на валу двигателя.

144

Выражая Ne через среднее эффективное давление, получаем:

Для сравнения степени использования рабочего объема цилиндров двигателей различных типов пользуются понятием « л и т р о в а я м о щ н о с т ь » , представляющая собой отношение эффективной мощ­ ности Ne к рабочему объему всех цилиндров двигателя, выраженному

в литрах [см. формулу (308)],

Ne = pe nk

(332)

Ѵл 60-ІО3

Среднее значение литровой мощности у современных карбюратор­ ных двигателей лежит в пределах 15—40 кВт/л, а у дизелей

8—25 кВт/л.

§ 82. Коэффициенты полезного действия двигателей

Экономичность действительного рабочего цикла двигателя оцени­ вают и н д и к а т о р н ы м к. п. д., представляющим собой отношение полезной работы, полученной в цилиндре двигателя, к затраченному теплу.

При известной индикаторной мощности двигателя N t работа в ци­

В отличие от термического к. п. д. индикаторный к. п. д., помимо термодинамической потери, учитывает и потери, вызванные отклоне­ нием линий сжатия и расширения от адиабат и т. д. Величина этих до­ полнительных тепловых потерь в действительном рабочем цикле оп­

к. п. д., учитывающим как тепловые, так и механические потери. Он равен отношению полезной работы на валу ко всему затраченному

теплу:

3600 Ne

145

Для карбюраторных двигателей г\е — 0,24-0,28, для дизелей

11е -= 0,34-0,4.

Изменение эффективного, индикаторного и механического к. и. д. дизеля в зависимости от его нагрузки (при п = const) показано на

рис. 77. Как видно из рисунка, индикаторный к. и. д. с изменением нагрузки меняется мало. Эффективный и механический к. и. д. изме­ няются от максимума, соответствующего эксплуатационной нагрузке двигателя, до нуля при холостом ходе двигателя.

Для оценки экономичности двигателя часто используют также

минимальный удельный расход топлива. Этот режим работы двигателя называется экономическим.

§ 83. Тепловой баланс двигателя

Распределение тепла, г ыделившегося в цилиндре двигателя при сгорании топлива, на полезно затраченное и на неиспользуемое теп­ ло, обусловленное тепловыми потерями, называется т е п л о в ы м б а л а н с о м д в и г а т е л я . Его составляют по результатам ис­ пытаний и относят к 1 кг топлива или к 1 ч работы двигателя. Урав­ нение теплового баланса записывается так:

146