книги из ГПНТБ / Крученок И.Л. Авиационный двигатель М-14В26

величины полезной работы, совершаемой в цилиндре двигателя. Мощность двигателя при этом увеличивается, а удельный расход топлива уменьшается.

Процесс сжатия начинается в н.м.т. и заканчивается в в.м.т. Клапаны впуска и выпуска при этом закрыты.

Давление и температура в конце процесса сжатия зависят в ос­ новном от степени сжатия. Температура смеси в конце сжатия дви­

Чем больше е, тем мощнее и экономичнее двигатель. Однако> сильное увеличение степени сжатия нецелесообразно из-за увеличе­ ния габаритов и веса двигателя. Для двигателя М-14В26 степень сжатия

£ = 6 ,3 + 0 ,1 .

Процесс сгорания

Для получения механической работы необходимо химическую* энергию смеси преобразовать в тепловую, т. е. необходимо выде­ лить тепло из топлива. Преобразование химической энергии смеси в тепловую осуществляется в процессе сгорания. Начало процесса сгорания происходит в момент образования электрической искры между электродами запальной свечи. При этом в смеси, располо­ женной около свечи, возникают химические и тепловые процессы* образуя первоначальный очаг пламени. Этот период процесса (пер­

од скрытого горения протекает за время поворота коленчатого вала на 4—6°. Во второй ста­ дии горения смеси, называемой п е р и о д о м в и д и м о г о г о ­ р е н и я , происходит быстрое распространение пламени по объему камеры сгорания. В этот период температура и дав­ ление продуктов горения резко увеличиваются. Конец периода видимого горения условно счи­ тается в точке z (рис. 13), ког­ да давление в цилиндре дости-

2Е

Д ля авиационных бензинов различного химического состава в сред­ нем теоретически необходимое количество воздуха для полного сго-

чем необходимо для полного сгорания 1 кГ топлива. Такая смесь называется б о г а т о й . В богатой смеси имеется избыток топлива.

22

называется б е д но й . В бедной смеси имеется избыток воздуха. Состав смеси оказывает значительное влияние на скорость горе­

ния. Максимальная скорость горения достигается при а = 0,854-0,9 (рис. 14). При увеличении или уменьшении указанной величины скорость сгорания смеси уменьшается. Обеднение смеси приводит к затратам тепла на нагрев избыточного воздуха, а обогащение — на испарение и нагрев избыточного топлива.

При работе на бедных и богатых смесях активность процесса горения снижается. Скорость горения обедненной смеси может уменьшиться настолько, что процесс сгорания распространится на процесс впуска. Двигатель начинает работать с тряской и перебоя­ ми. Возникающие при этом обратные вспышки в карбюратор могут привести к останову двигателя или вызвать пожар.

При работе двигателя на значительно обогащенных смесях про­ исходит неполное сгорание топлива в камере сгорания цилиндра. Двигатель при этом работает с черным дымом и хлопками в вы­ хлопном коллекторе из-за догорания топлива в атмосферном воз­ духе.

Если смесь сильно обеднена или обогащена, то от электрической искры она не воспламеняется. Практически надежный поджог топ­ ливо-воздушной смеси обеспечивается в пределах коэффициента избытка воздуха а = 0,4-М,35. Это необходимо учитывать при за­ ливке двигателя перед запуском, так как при недостаточной или чрезмерной заливке загорания смеси в цилиндрах может не прои­ зойти или двигатель сразу же после запуска остановится.'

При запуске холодного двигателя, как правило, смесь обедняет­ ся за сч‘ет конденсации бензина при соприкосновении с холодными: деталями. При запуске горячего двигателя, наоборот, смесь обога­ щается вследствие полного испарения бензина. Следовательно, в двигатель перед запуском летом необходимо заливать бензина зна­ чительно .меньше, чем зимой.

Характер зависимости мощности двигателя, температуры голо­ вок цилиндров двигателя и удельного расхода топлива от состава топливо-воздушной смеси приведен на рис. 15. Двигатель развиваетмаксимальную мощность при сс=0,854-0,9. Объясняется это тем,, что смесь приведенного состава сгорает с максимальной скоростью и давлений продуктов сгорания в цилиндре нарастает быстро.

При отклонении качества смеси в сторону обогащения или обед­ нения скорость сгорания ее уменьшается, увеличиваются тепловые потери и мощность двигателя уменьшается.

Температурный р*ежим двигателя, определяющийся температу­ рой головок цилиндров, достигает максимального значения при а = = 0,95-4-0,97. Такой состав смеси обеспечивает получение в камере сгорания максимальной температуры газов и соответственно боль­ шую теплоотдачу в головки и стенки цилиндров. При обогащении или обеднении смеси по сравнению с приведенной увеличиваются тепловые потери на испарение топлива, нагрев избыточного воз­

23;

духа и уменьшается общее количество тепла, выделяемого в про­ цессе горения. Поэтому температура головок цилиндров в том и другом случае уменьшается (см. рис. 15).

Экономичность двигателя, определяющаяся в основном удель­ ным расходом топлива, также находится в прямой зависимости от состава горючей смеси.

Удельный расход топлива имеет минимальное значение при работе на обедненных смесях, когда а=1ч-1,1. Экспериментально установлено, что при работе на обедненных смесях потери тепла в цилиндрах двигателя минимальны. Поэтому расход топлива, при­ ходящийся на одну лошадиную силу мощности в час, также будет наименьшим (см. рис. 15). Эту особенность необходимо учитывать при регулировании качества смеси на крейсерских режимах работы двигателя.

2. Опережение зажигания. Двигатель работает устойчиво и ра вивает наибольшую мощность в, том случае, если процесс видимо­ го горения топливо-воздушной смеси заканчивается при отходе поршня от в.м.т. на расстояние, соответствующее 10—15° угла по­ ворота коленчатого вала. В этом случае давление продуктов сгора­ ния в цилиндре достигает максимального значения и создаются благоприятные условия для передачи сил давления газов через пор­ шень и шатун коленчатому валу.

Смесь в цилиндре двигателя горит примерно 0,003—0,01 сек. Чтобы горение смеси закончилось в определенный момент, ее необ­ ходимо поджигать с опережением, т. е. до прихода поршня в в.м.т. в такте сжатия.

Величина опережения зажигания измеряется в градусах угла поворота коленчатого вала от момента образования искры между электродами свечи до момента прихода поршня в в.м.т. Наивыгод­ нейший угол опережения зажигания для двигателя 1V1-14B26 состав­ ляет 30 ±2°.

При недостаточном опережении зажигания, т. е. при слишком позднем воспламенении смеси, процесс сгорания продолжается в значительной части такта расширения. Температура и давление продуктов сгорания в конце процесса горения в этом случае умень­ шаются, а теплоотдача в стенки цилиндра увеличивается из-за большой поверхности их соприкосновения с горячими газами. Это приводит к уменьшению мощности двигателя, увеличению удель­ ного расхода топлива и повышению температурного режима.

При слишком большом опережении зажигания процесс сгора­ ния закончится до прихода поршня в в.м.т. и максимальное дав­ ление в цилиндре наступит в конце процесса сжатия. Это приводит к большим затратам мощности на сжатие. Кроме того, увеличи­ ваются потери тепла в стенки цилиндров из-за более продолжитель­ ного пребывания в цилиндре газов, имеющих высокую температуру. Мощность двигателя уменьшается, а температура г о л о е о к цилинд­ ров и удельный расход топлива увеличиваются.

На величину наивыгоднейшего угла опережения зажигания влияет степень сжатия, форма и размер камеры сгорания, число за­

24

пальных свечей, число оборотов двигателя, давление наддува, со­ став смеси.

Обеспечить изменение наивыгоднейшего угла опережения зажи­ гания при изменении вышеуказанных факторов конструктивно сложно. Поэтохму угол опережения зажигания изменяется только при изменении числа оборотов двигателя, магнето которого снаб­ жаются автоматами опережения зажигания центробежного типа.

3. Размеры и форма камеры сгорания влияют на величину пути,

проходимого фронтом пламени при сгорании смеси. В свою оче­ редь, это оказывает влияние на продолжительность процесса сго­ рания и, следовательно, на величину мощности двигателя. Наибо­ лее приемлемой для поршневых авиадвигателей считается полусфе­ рическая форма камеры сгорания.

Процесс расширения

В процессе расширения происходит преобразование тепла, вы­ деляющегося при сгорании топлива, в механическую работу. Это

цилиндре максимального давления в конце процесса сгорания, а конец — с моментом открытия выпускного клапана. Условно приня­ то считать, что процесс расширения начинается, когда поршень на­ ходится в в.м.т. и заканчивается, когда поршень займет н.м.т. Пе­ ремещение поршня в процессе расширения происходит под дейст­ вием высокого давления рабо­ чих газов, выделяющихся при сгорании топлива.

В начале процесса расши­ рения температура и давление газов увеличиваются вследст­ вие окончания второй стадии горения. Уменьшение темпера­ туры газов в конце процесса расширения объясняется рас­ ходованием тепла на соверше­ ние внешней механической ра­ боты и теплоотдачи в охлажда­ ющую среду.

В процессе расширения мо­ жет иметь место также подвод тепла к рабочим газам. Объяс­ няется это тем, что конец вто­ рой стадии горения не означа­ ет полного прекращения горе­ ния. В действительности проис­ ходит еще догорание топлива с выделением некоторого коли­

25

чества тепла. Поэтому в первой части хода поршня интенсивность выделения тепла с избытком компенсирует теплоотдачу через стен­ ки цилиндра и общее уменьшение давления и температуры газов замедляется. В дальнейшем подвод тепла уменьшается и наступает такой момент, когда расширение сопровождается отводом тепла, обеспечивающим более резкое уменьшение температуры и давле­ ния газов.

В процессе расширения возможно догорание при работе на чрез­ мерно бедной смеси и при малом угле опережения зажигания.

При эксплуатации двигателя догорание смеси недопустимо, так как приводит к увеличению температурного режима, уменьшению мощности и экономичности.

Изменение давления газов в цилиндре в процессе расширения приведено на рис. 16.

Процесс выпуска

Удаление продуктов сгорания из цилиндра после расширения или совершения ими механической работы осуществляется в про­ цессе выпуска. Процесс выпуска должен протекать таким обра­ зом, чтобы давление и температура остаточных газов, в конце вы­ пуска были минимальными.

Повышенная температура и давление отработавших газов в конце процесса выпуска уменьшают весовой заряд свежей смеси, а следовательно, и мощность двигателя. Начало процесса опреде­ ляется моментом открытия выпускного клапана. Выпускной кла­ пан открывается с опережением, в конце такта расширения до при­ хода поршня в н.м.т., что способствует уменьшению работы, затра­ чиваемой на перемещение поршня в такте выпуска, и улучшению очистки цилиндра от остаточных газов.

Наивыгоднейший момент открытия выпускного клапана (точ­ ка 4, рис. 17), обеспечивающий небольшую потерю работы и хоро­ шую очистку цилиндра от остаточных газов, устанавливается экспе­ риментально. Для двигателя М-14В26 он составляет 65±4° по углу поворота коленчатого вала до н.м.т.

Процесс выпуска делится на два этапа: выхлоп и выталки­ вание.

Первый этап — в ы х л о п — начинается в момент открытия вы­ пускного клапана, когда давление в цилиндр'е равно 6—10 кГ/см2, и самоистечение газов происходит со скоростью, равной скорости распространения звука в них, т. е. 600—700 м/сек. Истечение газов при этом сопровождается резким шумом, и поэтому первый этап выпуска называют выхлопом. За время выхлопа из цилиндра выте­ кает примерно 60—70% по весу продуктов сгорания и истечение их происходит независимо от перемещения поршня, имеющего не­ большую скорость. Давление газов в процессе выхлопа резко сни­ жается и может достичь атмосферного.

Второй этап процесса выпуска — в ы т а л к и в а н и е г а з о в из ц и л и н д р а — происходит при перемещении поршня к в.м.т. В те­

26

движении поршня к н. м. т. происходит вследствие инерции, кото­ рую они приобретают в процессе выхлопа и выталкивания.

Наивыгоднейший угол запаздывания закрытия выпускного кла­ пана определяется экспериментальным путем и для двигателя М-14В26 составляет 25±4° (точка 5, рис. 17). Продолжительность процесса выпуска в двигателе М-14В26 составляет 262—278° по­ ворота коленчатого вала.

Поскольку клапан выпуска закрывается после в.м.т., а клапан впуска открывается до в.м.т. в такте выпуска, то в течение некото­ рого угла поворота коленчатого вала оба клапана остаются откры­ тыми. Одновременное открытие клапанов впуска называется п е р е ­

кр ы т и е м к л а п а н о в .

Врезультате перекрытия клапанов образуется продувка камер

сгорания и тем самым лучше очищаются цилиндры от продуктов сгорания. У карбюраторных двигателей перекрытие клапанов де­ лают таким, чтобы избежать выброса части смеси через клапан выпуска и исключить опасность появления обратных вспышек, осо­ бенно при работе на обедненной смеси. Кроме того, если осуще­ ствить большое перекрытие клапанов, то ухудшатся пусковые ка­ чества двигателя.

У двигателя М-14В26 угол перекрытия клапанов составляет

40—50°.

Индикаторная диаграмма

Изменение давления и объема газов в цилиндре двигателя в течение одного цикла может быть представлено в виде замкнутой кривой, построенной в координатах pV (давление, объем). Такая

27

МОЩНОСТЬ, КОЭФФИЦИЕНТЫ ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ И УДЕЛЬНЫЙ РАСХОД ТОПЛИВА ДВИГАТЕЛЯ

Основными параметрами, характеризующими совершенство авиационного двигателя, являются: мощность, коэффициенты по­ лезного действия и удельный расход топлива. Различают следую­ щие виды мощности: индикаторную, трения и эффективную.

Индикаторная мощность iV*— это мощность, развиваемая рабо­ чими газами внутри цилиндров двигателя. Величина индикаторной мощности характеризуется индикаторной работой и количеством циклов в единицу времени. Для определения индикаторной мощ­ ности, развиваемой газами в одном цилиндре, необходимо умно­ жить индикаторную работу L* на число циклов, осуществляемых за

1 сек.

Индикаторную работу, т. е. работу, полученную от газов за один цикл, можно определить по индикаторной диаграмме двига­ теля. Величина индикаторной работы определяется площадью диа­ граммы, заключенной между линиями сжатия и расширения. Для упрощения определения величины индикаторной работы исполь­ зуется среднее индикаторное давление, которое представляет собой условное постоянное давление на единицу площади поршня, дей­ ствующее в течение такта расширения и совершающее работу, рав­ ную индикаторной.

Графически среднее индикаторное давление (см. рис. 18) выра­ жается высотой прямоугольника ри основанием которого служит рабочий объем цилиндра Vh, а площадь равна площади индикатор­ ной диаграммы.

У двигателя М-14В26 на взлетном режиме /ц = 13-И4 кГ/см2.

28

Для двигателя, имеющего постоянный рабочий объем цилиндра и определенное число цилиндров, индикаторная мощность зависит от величины среднего индикаторного давления и числа оборотов коленчатого вала.

Величина среднего индикаторного давления, в свою очередь, за­ висит от состава смеси, угла опережения зажигания, продолжи­ тельности процессов впуска и выпуска, величины давления надду­ ва, степени сжатия, положения дроссельной заслонки карбюратора, температуры и влажности наружного воздуха.

Индикаторная мощность, развиваемая двигателем М-14В26 на взлетном режиме, примерно равна 410—420 л. с.

Степень использования тепла, полученного при сгорании топ­ лива в двигателе для производства индикаторной работы, опреде­ ляется по индикаторному к. п. д.

Индикаторный к. п. д. двигателя выражается отношением теп­ ла, обращенного в индикаторную мощность Qi, к теплу QB, внесен-

Qi

ному в цилиндры двигателя топливом, т. е. ц, = — .

У В

Количество тепла, внесенного топливом в двигатель в течение часа, определяется по формуле

Qв == G^HU,

где GT— часовой расход топлива, кГ/ч; Ни — рабочая теплотвор­ ная способность топлива, ккал/кГ (для авиационного бензина

# „ = 1 0 300 ккал/кГ).

Количество тепла, обращенного в индикаторную мощность, на­ ходится по выражению

Qi = 632N{ ккал/ч,

где Ni — индикаторная мощность, л. с.; 632 — тепловой эквивалент мощности, т. е. количество тепла, соответствующее работе

1 л. с. в течение 1 ч, ккал/л.с.ч.

Подставив значения Qi и QB в выражение г]*, получим

29

На величину индикаторного к.п.д. влияют факторы, от которых зависит индикаторная мощность. Наиболее существенное влияние оказывает состав топливо-воздушной смеси. Максимальное значе­ ние rii соответствует работе двигателя на обедненной смеси.

Для двигателя М-14В26 щ = 0,265.

Мощность трения Nr — это часть индикаторной мощности, затра­ чиваемой на преодоление трения движущихся деталей, на привод агрегатов и на осуществление процессов впуска и выпуска. На ве­ личину мощности трения основное влияние оказывает число оборо­ тов двигателя. Примерно мощность трения изменяется пропорци­ онально квадрату числа оборотов. Следовательно, эксплуатация двигателя на повышенных оборотах приводит к росту удельного и километрового расхода топлива и вызывает более интенсивный из­ нос его трущихся деталей. Существенное влияние на величину мощности трения оказывает смазка деталей двигателя. Мощность трения без учета мощности, затрачиваемой на приводы нагнетателя и вентилятора, для двигателя М-14В26 на взлетном режиме пример­ но составляет 30 л. с., мощность, затрачиваемая на привод нагнета­ теля, — 13—15 л. с. и мощность, затрачиваемая на привод вентиля­ тора, — 25 л. с. (на взлетном режиме).

Эффективной мощностью Ne двигателя называется мощность, снимаемая с выводного вала двигателя. Она равна разности между индикаторной мощностью М и мощностью, затраченной на трение (Nr), привод нагнетателя (Na) и привод вентилятора (NB), т. е.

Ne = N{— Nr — 1VH— NB.

Механический к.п.д. r\m двигателя характеризует степень совер­ шенства конструкции. Его величина определяется отношением эф­ фективной мощности двигателя к индикаторной, т. е.

Ne

Механический к.п.д. оценивает все механические потери на трение, работу насосных ходов, на приводы нагнетателя и вентилятора. Величина механического к.п. д. изменяется при изменении режимов н для двигателя М-14В26 находится в пределах от 0,8 до 0,9.

Эффективный к.п.д. це двигателя — это величина отношения теп­ ла, превращенного в эффективную работу, к теплу, внесенному топ­

ливом в двигатель, т. е.

Qe

Величина т)е показывает, какую часть тепла двигатель преобра­ зует в механическую работу, передаваемую для вращения несущих винтов.

Эффективный к.п.д. учитывает все потери энергии в двигателе и характеризует его тепловое и конструктивное совершенство.

Для двигателя М-14В26 rje~ 0,22.

30