
книги из ГПНТБ / Чернышев А.Н. Корабельные двигатели внутреннего сгорания. (Теория рабочих процессов поршневого двигателя) учебное пособие
.pdfРис. Li. CpuhtitHut изохорного ч icjchSol/экого ц и к л о в при Qt = id e m ; е = id em ..
Рис. 5. Сравнение изохорного и изобарного циклов при Qt = idem ; рг = idem .
20
Практические выводы:
1) если в двигателе степень сжатия и цикловая пода ча топлива неизменны, но за счет каких-либо конструктив ных мероприятий или в силу возникших во время эксплуата ции причин цикл приближается к изохорному, то одновремен но с ростом максимального давления сгорания и степени по вышения давления А можно ожидать увеличения экономич ности дизеля;
2) при сформулированных выше условиях Q* = I d e m , S.=ldem более экономичным явился бы цикл бензинового дви гателя (изохорный цикл).
Однако известно, что бензиновые двигатели, как прави ло, имеют более низкий, чем двигатели с самовоспламенени ем, коэффициент полезного действия, расходуют больше топ лива на единицу мощности. Среди ряда причин этого немало важное значение имеет тот факт, что во избежание детона ции (взрывного горения с чрезмерно высокими скоростями распространения пламени) бензиновые двигатели с воспламе нением от свечи выполняются с меньшими степенями сжатия, чем дизели. Вследствие этого термический к. п. д. дизеля
оказывается большим, чем у бензинового |
двигателя, что и |
|||||
доказывается в следующем примере. |
|
|
|
|
||
Пример 2. Покажем, что изобарный цикл будет более |
||||||
выгодным в термодинамическом отношении, |
чем изохорный, |
|||||
если: |
|
|
|
|
|
|
- |
количество теплоты, подведенной |
к рабочему |
телу |
|||
в каждом из рассматриваемых циклов, |
одинаково; |
|
|
|||
- |
одинаковы также максимально |
Допустимые |
давления |
|||
цикла |
( Pz = Рг ) • |
|
|
|
|
|
Так как Q.i-Ldem, |
то площади I e z 2 |
и Ic'z' |
2 'на |
рис. |
||
5,6 равны. |
|
|
|
|
|
|
Очевидно, что в изохорном цикле |
степень сжатия |
мень |
||||
ше, чем в изобарном. Количество теплоты, отводимой |
в изо |
|||||
хорном цикле, больше, |
чем в изобарном, |
на величину, |
про |
порциональную заштрихованной площадке 2/ - в /-в -2 . Следова
21
тельно, при |
этих новых условиях |
более совершенным оказы |
вается цикл |
с большей степенно |
сжатия, т .е . изобарный. |
Таким образом, полученные с |
помощью термодинамическо |
го анализа вывода достаточно убедительно поясняет причи ны более низкой экономичности карбюраторных двигателей, имеющих меньшие £ в сравнении с дизелями.
Пример 3. При проектировании двигателя требуется
правильно выбрать степень |
сжатия £ |
, |
величину |
максималь |
|
ного давления сгорания |
р 2 |
и степень |
повышения |
давления |
|
Термодинамический анализ позволяет выявить степень |
|||||
влияния этих параметров |
на |
величину |
термического к. п. д. |
и качественно оценить возможные пути повышения экономи ческих показателей реального двигателя.
Из курса теоретических основ теплотехники известно
выражение для термического к. |
п . д. смешанного цикла |
|
|||
|
e i j J U . i _ |
i |
------* P X.- I-------- |
. |
(?) |
Ч * |
fli |
е**1 |
А - 1 * х А ( р - 1 ) |
|
|
Основным исходным условием для последующего анализа влия
ния А |
, |
р и £ |
на |
tit |
может служить постоянство |
под |
веденной |
теплоты |
Qj |
, что соответствует постоянству цик |
|||
ловой подачи топлива в реальном двигателе. |
|
|||||
Тогда уравнение (8), |
вывод которого не приводится, |
|||||
|
|
s - % — |
А - 1 * к А < р - п |
(8) |
||
|
|
Ьу 1 с |
|
|
|
|
после |
замены Тс |
на |
Tag"*1 может быть преобразовано к |
|||
виду |
|
|
|
|
|
|
|
|
- А - . Д |
- £" ‘[(A-i) + nA (p-i)] . |
'.9) |
||
|
|
Су Та |
|
|
|
Здесь
Тв - температура рабочего тела в цилиндре в начале
сж ати я ;
А- постоянная величина.
22
В уравнении (7) Л и р при О1»соги^являются взаимо связанными параметрами. Поэтому, найдя из уравнения (9)
|
|
А |
X - 1 |
+ 1 |
|
|
|
к Л |
кЛ |
|
|
и подставив |
в уравнение (7), |
получим |
|
|
|
, |
t |
* ( р А л - * ^ Г + > Т - 1 |
( ю ) |
||
U t - 1 |
- ---х-1------------------ |
|
А - |
||
|
|
||||
|
|
л-1* кЛ [ е * '1 к Х |
кА |
|
|
Если теперь |
выбрать численное |
значение |
А , то |
|
|
|
|
Пг =■* (&>X) . |
|
|
|
На рис. |
б представлен график, полученный для А «2. |
23
Анализ этого графика позволяет сделать очень важные выво ды, которые неоднократно будут использоваться в дальней шей.
I . Если конструктор не ограничен в выборе максима ного давления сгорания
Р2 = Л р с = Л р а е* , (И )
где Ра - давление в цилиндре в начале сжатия, которое предполагается величиной постоянной и в данном примере
равной |
2 кГ/см2, |
то |
целесообразно порознь или одновремен |
|||||
но увеличивать е |
я |
Л |
, |
вследствие |
чего |
возрастает. |
||
Другими словами, |
чем |
больие р 2 |
при рй = co n st, |
тем |
||||
больие |
rit . |
|
|
|
|
|
|
|
|
2. В том случае, |
когда максимальное |
давление |
цикла |
ограничено для обеспечения прочности и надежности работы
деталей дизеля, при увеличении |
£ |
необходимо уменьшать |
||||||||||||
А |
, |
что легко |
видеть из |
уравнения ( I I ) . |
На рис. |
б по |
||||||||
казан |
характер |
изменения |
X |
к |
|
в функции от |
£ |
для |
||||||
разных, |
но |
постоянных pz |
. Очевидно, что значительным при |
|||||||||||
ращениям |
£ |
будет соответствовать |
ухе сравнительно |
не |
||||||||||
большое увеличение |
. |
Отсюда понятно стремление огра |
||||||||||||
ничить степень |
сжатия |
оптимальными пределами. |
|
|
|
|||||||||
|
|
3. |
С |
увеличением ра |
igc |
сохраняется неизменным |
||||||||
только |
в случаe X t* - c o n s t |
, т .е . |
только |
при увеличении |
||||||||||
р 2 |
пропорционально ра |
. |
В противном случае |
неизбежно |
||||||||||
уменьшение |
. |
Поэтому во- |
всех |
современных двигателях с |
||||||||||
высоким наддувом, т .е . |
высоким давлением |
воздуха |
в цилинд |
|||||||||||
ре в начале сжатия, имеют место |
и весьма |
большие |
значения |
|||||||||||
Pz * |
В |
заключение еще раз |
отметим, |
что на протекание |
реаль |
|||||||||
|
ного цикла оказывают влияние многие дополнительные факто ры, которые не могут быть учтены термодинамическим к. п. д. и потому все сделанные здесь выводы носят качественный ха рактер, а использованные аналитические зависимости не мо гут являться основанием для количественных вычислений.
24
Вопросы для повторения
1.Как классифицируются циклы ЛВС? Охр. 12 .
2.Лайте определение рабочего, термодинамического и расчетного циклов. Стр. 13 .
3.В чем основное различие между рабочим, термодина мическим и расчетным циклами? Табл. I ' .
4.Какими показателями характеризуется совершенство термодинамического, расчетного и действительного циклов?
Стр. 15, табл. I .
5.Чем объясняется внешнее сходство между термодина мическим и расчетным циклами7 Стр. 15 .
6.Для каких целей может использоваться анализ термо динамических циклов? Стр. 16 .
7.Поясните различие между геометрической и действи тельной степенями сжатия двухтактного дизеля и выведите
формулу, устанавливающую аналитическую связь между ними.
Стр. 17 формулы (3),(4),($), рис. 3 .
3. Дайте определение и напишите соотношения для степе ни повышения давления, степени предварительного и последу ющего расширения. Стр. 18 .
9. Докажите с помощью анализа термодинамических цик лов, что, если в одном из двух одинаковых двигателей с равным расходом топлива Л больше, чем в другом, терми ческий к. п. д. этого двигателя также больше. Какой дви гатель разовьет большую мощность? В каком двигателе будет большее максимальное давление сгорания? Стр. 19, рис. 4 .
10. Докажите, что, если в двух идентичных двигателях с одинаковым расходом топлива к максимальными давлениями
сгорания степени |
сжатия |
различны, |
один из них окажется |
||
мощнее и экономичнее. Какой7 |
Стр. |
21, рис. 5 . |
|||
11. При каких условиях увеличение степени сжатия даст |
|||||
больший прирост термического |
к. |
п. |
д .: при р2 = const или |
||
приЛ= const* Стр. |
23, |
24, |
рис. |
б . |
25
Г л а в а П
ПРОЦЕСС НАПОЛНЕНИЯ
§ 3. Наполнение рабочих цилиндров
Для обеспечения процесса сгорания из цилиндра двига
теля должны быть удалены продукты сгорания, |
оставшиеся |
|
от предыдуцего цикла, и размещен новый заряд |
свежего воз |
|
духа. Чем большее количество воздуха удается |
поместить |
|
в цилиндре двигателя, тем |
большее количество |
топлива мож |
но сжечь и больную работу |
получить. Таким образом, от ка |
чества очистки и наполнения цилиндра в определенной мере зависит мощность, развиваемая двигателем.
Физическая картина процессов наполнения четырех- и двухтактных двигателей не одинакова.
Наполнение цилиндров четырехтактного двигателя
Наполнение цилиндра четырехтактного двигателя свежим воздухом осуществляется через открытый впускной клапан при ходе поршня из верхней в нижнюю мертвую точку (рис.7).
Взаимное расположение линий выпуска и впуска (линий насосных ходов) изображено на рис. 8 и зависит от соотно шения давлений воздуха в наддувочном ресивере перед ци линдром р хц и в выпускном коллекторе рг .
В двигателе без наддува давление перед цилиндрами не сколько меньше атмосферного за счет гидравлических потерь во впускном тракте. Давление за цилиндрами больше атмос ферного по причине сопротивлений в выпускном трубопроводе.
Поэтому |
для |
двигателя |
без |
наддува |
всегда |
*ч = Pc |
а |
||||
Ре < |
Рг |
‘ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
В двигателях с наддувом в зависимости от особенностей |
|||||||||||
конструкции и условий исполь |
|
|
|
||||||||
зования дизеля давление над |
|
|
|
|
|||||||
дувочного воздуха перед ци |
|
|
|
|
|||||||
линдрами может быть как |
|
|
|
|
|
||||||
больие, |
так |
и меньше давле |
|
|
|
|
|||||
ния газа в выпускном коллек |
|
|
|
|
|||||||
торе. |
|
|
|
|
|
|
|
ВМТ |
|
|
|
В связи с отмеченными об |
|
|
|
|
|||||||
стоятельствами |
диаграммы на |
|
|
|
|
||||||
сосных ходов различных четы |
|
|
|
|
|||||||
рехтактных двигателей могут |
|
|
|
|
|||||||
принципиально |
отличаться. |
|
|
|
|
|
|||||
Если |
давление газа |
за |
|
НМТ - |
~ ----- |
|
|
||||
цилиндром равно или превыиа- |
|
|
|
|
|||||||
ет давление |
воздуха перед |
|
|
|
|
|
|||||
впускными клапанами, т .е . |
|
|
|
|
|
||||||
Рг 2 РКц* лини* впуска |
рас |
|
|
|
|
||||||
полагается ниже линии вы |
|
|
|
|
|
||||||
пуска. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
В тех случаях, когда |
|
|
|
|
|
||||||
давление |
газа |
за цилиндром |
|
|
|
|
|
||||
много меньше, |
чем давление |
|
|
|
|
|
|||||
наддувочного |
воздуха |
|
|
|
|
Рис. 7. К процессу на |
|||||
(рг « |
р кц |
), |
линия |
впуска |
полнения четырехтактного |
||||||
двигателя |
|
|
|||||||||
может |
проходить выше |
линии |
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
выпуска. |
|
|
|
|
|
|
Впускной клапан начинает открываться до прихода порш |
||||
ня |
в ВМТ (точка г ' ) и закрывается за |
НМТ (точка |
и 1 ). |
||
|
Раннее открытие |
впускных |
клапанов |
необходимо |
для то |
го, |
чтобы к началу |
движения |
поршня вниз пропускное сече |
ние клапана было достаточным и гидравлические потери дав ления минимальными. Кроме того, при Рг < р кц в период
27
Рмс. 8. Хлаграмыы насосных ходсв четырехтактного дг.зе,г.л
а - для случаев рг > р ^ , рг >р; ; 5 - и л рг <~р*ч .
28
одновременного открытия выпускных и впускных клапанов в районе ВИТ ( г , г г*) осуществляется дополнительная очист ка камеры сжатия от остаточных газов продувочным воздухом ( г " - момент закрытия выпускного клапана).
Закрытие впускных клапанов после НМТ позволяет к при ходу пормня в нижнее крайнее положение иметь достаточное проходное сечение. Благодаря продолжающемуся поступлению воздуха через клапан давление в цилиндре к концу хода на полнения приближается к давлению перед цилиндрами. Более того, несмотря на начинающееся движение поршня вверх, че рез щель клапана продолжается инерционная дозарядка цилинд
ра. Все это позволяет увеличить |
весовой |
заряд |
воздуха. |
В табл. 2 приведены значения фаз открытия |
и закрытия |
||
впускных клапанов и отномений |
для |
некоторых корабель |
ных дизелей. |
|
|
Т а б л и ц а 2 |
Фазы открытия |
и закрытия впускных клапанов |
некоторых |
четырехтактных двигателей |
|
|
Отноше |
|
|
ние |
Марка |
Обозна |
Рг/Рнц |
дизе |
чение |
на пол |
ля |
по |
ной |
|
ГОСТ |
мощно |
|
|
сти |
30
№бЧ Н й
Впускной кла пан
откры |
закрытие |
открытие |
закрытие |
|
тие до |
за НМТ |
ДО НМТ |
за |
ВМТ |
ВМТ в |
в град, |
в град, |
в |
град, |
град, |
угла по |
угла по |
угла |
|
угла |
ворота |
ворота |
поворота |
|
поворо вала |
вала |
вала |
||
та ва |
|
|
|
|
ла |
|
|
|
|
Г -2 0 ° |
~30° |
~42° |
-1 5 ° |
ЗДб |
6 4 и |
1,05 |
20° |
48° |
*8° |
20° |
|
||||||
М50 |
12ЧнЩ 0,75 |
50° |
56° |
56° |
50° |
29