книги из ГПНТБ / Нигматулин И.Н. Тепловые двигатели учеб. пособие

В соответствии с этим определением можно написать

\= v0/v„,

откуда объем действительно поступившего свежего заряда при р0 и Т0

V0 = \ V h .

Объем свежего заряда, приведенный к температуре и давлению

где ра — давление газов в цилиндре четырехтактного двигателя после закрытия впускного клапана или в цилиндре двухтактного двигате­ ля после закрытия продувочно-наддувочных органов.

В общем объеме цилиндра находятся в начале сжатия еще остаточ­ ные газы объемом М"г при тех же Та и ра, поэтому общий объем газов

взяты при одинаковых давлении и температуре, можно записать, что

Формула (3-63) связывает т] у , у и Та и справедлива как для четы­ рехтактных, так и для двухтактных двигателей независимо от способа подачи заряда в цилиндр. Нужно иметь в виду, что в двухтактном

270

двигателе степень сжатия е относится не к геометрическому (полному) объему хода поршня, а к полезному, рабочему объему Vh = —ф). Отсюда коэффициент наполнения, отнесенный к полному ходу поршня,

а объем свежего заряда, приведенный к тем же условиям темпера­

справедливыми и для двигателя с наддувом; только при наддуве в формулы вместо Т 0 и р 0 окружающей среды следует подставлять тем­ пературу и давление наддувочного воздуха Тк и р к . Если же после нагнетателя имеется промежуточный холодильник, то под Тк следует подразумевать температуру воздуха после холодильника. Таким об­

271

Давление в начале сжатия ра зависит от давления всасываемого воздуха, а также от сопротивления впускной системы, от расположе­ ния впускных клапанов или окон и от быстроходности двигателя.

Значения ра обычно находятся в следующих пределах:

При работе с наддувом значение ра приближается к рк\ при высо­ ком давлении наддува, когда абсолютное давление наддувочного воз­ духа р„ > 2 бар, можно принимать ра « р к . В том случае, если при­ меняется инерционный наддув, то ра > рк. Величина ра зависит не только от. давления наддува, но и от фаз газораспределения, а также от конструкции и размеров впускной системы.

272

Приведенные данные относятся к двигателям, не имеющим воздуш­ ного фильтра; если есть воздушный фильтр, г) v снижается на 2-7-5%.

В двухтактных, а также и в четырехтактных двигателях, работаю­ щих с наддувом, имеется компрессор-нагнетатель, который предва­

рованных двигателях обычно охлаждается корпус турбокомпрессора; воздухопровод от турбокомпрессора до двигателя также имеет охлаж­ даемую водяную рубашку. Кроме того, для охлаждения воздуха пос­

величину сопротивления в холодильнике Арх о л - Потеря давления на сопротивление в холодильнике в судовых и стационарных двигателях получается незначительной, а в транспортных (наземных) двигателях она может иногда достигать Арх о л = 0,05(рк — 1) бар.

Для оценки расхода продувочного воздуха в двухтактных двига­

Ф = VJVA = GJGA,

где Va —объем воздуха, остающегося в цилиндре после закрытия продувочных и выпускных органов, приведенный к параметрам р к и

273,

Суммарный коэффициент избытка воздуха а с у м представляет собой отношение весового количества воздуха, поданного через продувоч­ ные органы, к теоретически необходимому количеству воздуха для сгорания топлива:

где Gr — расход топлива, кг/ч.

всасывающий трубопровод с температурой, равной температуре окру­ жающей среды; в двухтактных двигателях температура продувочного воздуха, сжатого до 1,24-1,5 бар, колеблется в пределах 300-4-350 К- В данных условиях температура свежего заряда в первый период сжатия ниже температуры поверхностей, окружающих рабочее тело (стенок цилиндра, днища поршня и других деталей), и заряд допол-

274

нительно нагревается от этих поверхностей. Следовательно, процесс сжатия идет в этот период с подводом тепла, и показатель политропы сжатия больше показателя адиабаты (n4 > k). По мере повышения давления сжатия температура заряда возрастает и с некоторого момен­ та становится выше температуры окружающих поверхностей, в связи с чем этот период сжатия, несмотря на уменьшение поверхности ох­

На показатель политропы nt влияют еще число оборотов и размер цилиндра. С возрастанием числа оборотов и диаметра цилиндра nt незначительно увеличивается. Это происходит в первом случае вслед­ ствие уменьшения времени теплоотдачи через стенки цилиндра, а во втором случае — вследствие уменьшения относительной поверхности охлаждения. Таким образом, процесс сжатия протекает с переменным показателем политропы л4 . В результате суммарный теплообмен, происходящий за весь процесс сжатия, оказывается незначительным. В связи с этим можно с некоторым приближением принять, что про­ цесс сжатия происходит по адиабате. С ростом температуры в резуль­ тате изменения теплоемкостей показатель адиабаты меняется на всем протяжении процесса. Подсчеты параметров и работы адиабатного про­ цесса с переменным показателем k отличаются большой сложностью, поэтому принимают адиабатное сжатие с некоторым средним постоян­ ным показателем kt, при котором работа равна соответствующей дей­ ствительной работе сжатия. Такое допущение приемлемо при расчете двигателей, работающих без наддува. Но при наддуве и особенно при

27S

высоком наддуве, если не имеется глубокого промежуточного охлаж­ дения воздуха, такая предпосылка недопустима.

Температура воздуха при входе в цилиндр при высоком наддуве гораздо выше, чем в нормальных двигателях, поэтому подвода тепла за счет соприкосновения воздуха с нагретыми поверхностями в на­ чальный период может и не быть. Если принять абсолютное давление наддува рк = 4 бар, то температура воздуха перед цилиндром при адиабатном сжатии в нагнетателе составит 430К, а температура заряда в цилиндре двигателя в конце закрытия продувочных и выпуск­

от коробления максимальная температура нагрева головки цилиндра

ния воздуха перед цилиндром двигателя, температура заряда может превышать температуру стенок гильзы, приближаясь к температуре головки.

В двигателях с высоким наддувом процесс сжатия и в начальный период сопровождается отдачей тепла заряжаемого воздуха сначала стенкам цилиндра, а затем, по мере повышения температуры заряда,—• поршню и головке цилиндра двигателя. Поэтому показатель поли­ тропы сжатия rii будет почти по всей линии сжатия меньше показа­ теля адиабаты &t . Несмотря на уменьшение относительной поверх­ ности охлаждения, с приближением поршня к в.м.т. величина п4 по мере возрастания давления сжатия будет уменьшаться вследствие повышения температуры заряда и интенсивности охлаждения. Таким образом, процесс сжатия в двигателях с высоким наддувом характе­ ризуется непрерывно уменьшающимся показателем политропы п4 ; причем всегда будет n^-cki, так как в течение всего процесса сжатия происходит отдача тепла от рабочего тела окружающим поверхнос­ тям.

Для облегчения подсчета переменный показатель политропы сжа­ тия обычно заменяют некоторым постоянным средним показателем nit так чтобы действительная работа сжатия, протекающая при перемен­ ном показателе политропы, была равна работе сжатия при этом сред­ нем показателе. Тогда можно написать следующее уравнение поли­ тропы:

Уравнения состояния рабочего тела для начала и конца сжатия (см. точки а и с на рис. 3-19):

276

Распределение тепла и уравнения сгорания. Превращение энер­ гии при сгорании топлива в цилиндре двигателя сопровождается выделением тепла, которое идет на совершение механической работы, на повышение внутренней энергии газов, а также частично расходу­ ется на нагревание деталей и через них переходит к охлаждающей жидкости или воздуху. Кроме того, часть внутренней энергии топли­ ва оказывается невыделенной вследствие его неполного сгорания и в результате диссоциации продуктов сгорания.

характеризуется индикаторными диаграммами. На рис. 3-20, а при­ ведена индикаторная диаграмма двухтактного дизеля в координатах

в цилиндре в процессе сжатия, сгорания и расширения. На этих диа­ граммах указаны характерные участки линии сжатия и сгорания. Линия а—г характеризует сжатие; точкой а отмечено начало сжа­ тия, точкой m — начало впрыска топлива, точкой г — начало пла­ менного сгорания. Промежуток времени от момента поступления в ка­ меру сгорания первых капель топлива до начала пламенного горения, характеризуемый резким нарастанием давления, называется перио­ дом задержки воспламенения (индукционным периодом). Следователь­ но, интервал между точками / л и г характеризует период задержки воспламенения, продолжительность которого зависит от физико-хи­ мических свойств топлива, качества очистки и зарядки цилиндра,

277

температуры и давления сжатого воздуха в цилиндре, качества распыливания топлива, формы камеры сгорания, нагрузки двигателя, числа оборотов и ряда других факторов.

В течение периода задержки воспламенения в камеру сгорания по­ ступает обычно 144-60% топлива, впрыскиваемого за цикл; но есть двигатели, у которых к моменту начала пламенного сгорания впрыс­ кивается топливо полностью. Сокращение периода задержки воспла­ менения приводит к уменьшению накапливания топлива и существен­ но влияет на более плавное повышение давления в цилиндре.

На индикаторных диаграммах пунктирной линией т—г—с пока­ зано изменение давления сжатия при отсутствии впрыска топлива. Давление на участке т—г при наличии в цилиндре впрыснутого топлива будет несколько ниже; это объясняется частичной затратой тепла горячих газов на парообразование этого топлива. Кривая рас­ ширения на диаграмме р—ср (рис. 3-20, б) при отсутствии впрыска топлива не будет полностью симметрична линии сжатия; за счет ох­ лаждения и утечек газа давление расширения несколько меньше дав­ ления сжатия при равных углах поворота коленчатого вала.

В точке г начинается пламенное сгорание, сопровождающееся резким нарастанием давления и температуры. Условно можно принять начало пламенного сгорания совпадающим с началом резкого повы­ шения давления, что соответствует на индикаторной диаграмме мо-

,менту отклонения линии давления газов от линии сжатия без впрыска. На участке г—с'—г' происходит интенсивное горение и резкое нарас­

тание давления (точка с' соответствует в.м.т.); далее на участке г'—z—d

278

продолжается догорание, а также может сгорать свежепоступившее топливо, если впрыск топлива ранее не был закончен. Давление в ци­ линдре на участке г'—г меняется незначительно; оно медленно увели­ чивается и в точке z становится максимальным. Характер изменения давления зависит от продолжительности подачи и количества топли­ ва, подаваемого в данный период. Горение сопровождается значитель­ ным расширением газов из-за относительно быстрого увеличения объема камеры сгорания. Интенсивное горение топлива продолжает­ ся и далее. Поэтому температура газов в цилиндре продолжает повы­ шаться и после достижения максимального давления сгорания, не­ смотря на прогрессивное увеличение объема. В связи с этим в действи­ тельном цикле Т т а х наступает несколько позже, чем ртах. Так, на участке z—d, несмотря на понижение давления, температура в цилинд­ ре хотя и медленно, но все же повышается и в точке d достигает макси­ мального значения Ттах.

На участке d—у топливо догорает при непрерывном понижении давления и температуры по мере расширения газов в цилиндре. Дого­ рание, как показывают опыты, имеет место во всех двигателях, и очень

нической работы и на повышение внутренней энергии се сгорания и расширения. -

Кривая коэффициента работы т)Р показывает долю низшей тепло­ ты сгорания топлива, которая идет только на совершение механиче­ ской работы в процессе сгорания и расширения.

Кривая коэффициента повышения внутренней энергии % показы­ вает долю низшей теплоты сгорания топлива, идущей только на повы­ шение внутренней энергии газов.

Кривая коэффициента охлаждения v показывает долю низшей теплоты сгорания топлива, которая поглощается стенками цилиндра в процессе сгорания и расширения.

279