книги из ГПНТБ / Теория поршневых двигателей внутреннего сгорания Метод. пособие
.pdfПри подсчете теплового баланса для газообразного топлива структура формул (208 — 214) такая же, как и для жидких топлив,
только |
вместо |
величин |
ge ------ |
, QH—:— |
берутся |
значения |
||||||
|
|
|
|
Э|Л>с> ч ■ |
кг |
|
|
|
|
|
|
|
Ve нм3 /э. л.с. ч. и Qh- ^ рг> |
а в формуле (2 1 1 ) |
определение |
тепло |
|||||||||
емкостей необходимо производить по формуле (113). |
|
|
|
|
||||||||
При |
определении теплового |
баланса |
двигателей воздушного |
|||||||||
охлаждения формулы (213) и (214) объединяются, т. е. |
|
|
|
|||||||||
|
дохл + |
Q oct = |
Qt - |
(Qi + |
Qm + |
+ |
Qrx) |
|
|
(215) |
||
Тепловой баланс иллюстрируется графиками,, как упрощенного |
||||||||||||
вида (рис. 69—70), так и |
для |
подробно |
составленного |
баланса |
||||||||
(рис. 71). |
|
|
|
|
различных типов поршневых |
|||||||
Примерно тепловой баланс для |
||||||||||||
двигателей внутреннего сгорания |
при работе на |
номинальном ре |
||||||||||
жиме |
приведен в табл. |
16. |
|
|
|
|
|
|
|
|
. , |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица |
16 |
||
В н еш н и й т еп л о в о й |
б а л а н с |
Д В С |
при р а б о т е |
н а н о м и н а л ь н о м |
р е ж и м е |
[ 1 ] |
— в |
% |
||||
|
Тип двигателя |
|
|
|
^гф |
|
?гх |
4 о х л |
|
^ОСТ |
||
Карбюраторный.......................... |
|
|
21— 28 |
30—55 |
|
0—45 |
12—20 |
|
3—8 |
|||
Г а з о в ы й |
......................................................... |
|
|
23—28 |
3 5 -4 5 |
|
0 - 5 |
20—25 |
|
5 - 1 0 |
||
Дизели |
........................................... |
|
|
29—42 |
25—45 |
|
0—5 |
15—36 |
2 - 5 |
|||
б) Теплопередача. Теплонапряженность рабочего цилиндра
Температура газов в рабочем цилиндре поршневого двигателя внутреннего сгорания при его работе колеблется в весьма широ ких пределах — за один цикл от 320°К до 1800—2700°К и выше (рис. 72), вследствие чего средняя температура газов около стенок рабочего цилиндра установилась бы в пределах от 500 до 900° и выше (средняя температура газов) и поэтому для возможности работы двигателя применяется принудительное охлаждение с тем, чтобы снизить среднюю температуру стенок цилиндра до допусти мых значений (^Ср == 240—300°С).
В поршневых двигателях внутреннего сгорания теплопередача
производится всеми основными формами; теплопередачей |
тепло |
проводностью и лучеиспусканием. |
’ |
150
От горячих газов в цилиндре теплота переходит в стенки рабо чего цилиндра теплоотдачей.
Через стенки рабочего цилиндра происходит теплопередача. От стенок рабочего цилиндра теплота передается охладителю
теплоотдачей.
Рис 72. Схема распределения температуры в стенке ра бочего цилиндра поршневого двигателя внутреннего сго рания при его работе за цикл. <охл— средняя темпера тура стенки со стороны охлаждения, /ср— средняя тем пература стенки со стороны горячих газов.
В результате некоторого среднего установившегося перепада температур нагретых деталей двигателя на их граничных поверхно стях, в материале возникают температурные напряжения, которые необходимо проверить расчетом на прочность этих деталей в сово купности с механическими напряжениями.
Кроме определения температурных напряжений по температур ному перепаду, их можно найти, вычислив теплонапряженность данной детали-
Теплонапряженностью или удельной тепловой нагрузкой дан ной детали называется количество теплоты, переходящей в час
через 1 м2 поверхности данной |
стенки — q |
ккал]м2час. |
Тепловая нагрузка, согласно определению, вычисляется по фор |
||
муле |
|
|
PQT |
ккал |
(216) |
F |
час-м2 ’ |
|
где QT —— - — количество теплоты, получающееся от сгорания топ
лива в цилиндре двигателя за 1 час;
р— доля теплоты QT , переходящей через стенки рас сматриваемой детали;
151
F м2— поверхность детали, через которуюпереходит теп ловой поток.
Теплонапряженность всего рабочего цилиндра (поверхности крышки, поршня, стенок цилиндра) в пределах.интенсивного теплоперехода определится, согласно общей формуле (216), следующим образом (см. формулу 218).
Так как
Qt — geNeQ„ ,
то, подставляя значение Ne из формулы (197), получим
Qt = 52,35 D2cmpeizgeQu .
Рабочая площадь цилиндра, омываемая газами, равна
|
|
F = |
(/к + |
f a) ^ r + |
|
«DS |
|
|
л*». |
|
(217) |
|
Здесь: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
/к , |
/п — доля поверхности крышки, |
поршня, |
интенсивно |
передаю |
||||||||
|
|
щих теплоту, принимаемая для двигателей: |
|
|
||||||||
|
|
4 -та к тн ы х .............................................. |
|
|
|
|
- |
|
fh = |
0.9 |
|
|
|
|
2 -тактных с щелевой продувкой |
■ • fk = |
0 , 8 |
|
|||||||
|
|
2 -тактных с прямоточно-клапанной про |
|
|
||||||||
|
|
дувкой |
.................................................. |
|
|
|
|
|
|
fk = 0,7 |
|
|
|
|
2 -тактных с противоположно движущи |
|
|
||||||||
|
|
мися поршнями.................................. |
|
|
|
|
|
fk = 0 |
|
|||
|
|
с охлаждаемыми поршнями................. |
• |
• • |
|
/п = |
0,7 |
|
||||
|
|
с неохлаждаемымипоршнями |
• / п = |
0 |
|
|||||||
D, S (м) —диаметр рабочего цилиндра и ход поршня; |
|
|||||||||||
|
тг = 3,14; |
|
степень сжатия; |
|
|
|
|
|
||||
|
ен — номинальная |
|
|
|
|
|
||||||
|
Q„ — (ккал/кг\ ккал/нм3) —теплотворность топлива; |
|
||||||||||
|
ge — (кг/л. с. ч. или нм3/л. с. ч) — эффективный расход топлива; |
|||||||||||
ре - ~ г----- |
среднее эффективное давление; |
|
|
|
|
|
||||||
|
м |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Ст~сёк— сРеДняя скорость поршня; |
|
|
|
|
|
|
|||||
|
i, |
z —число цилиндров и коэффициент тактности (см. стр. 133). |
||||||||||
|
Таким образом, теплонапряженность рабочего цилиндра выра |
|||||||||||
зится так: |
52,35 D 2cmpei'zgeQn $ |
кшл |
|
|
|
|
||||||
|
|
„ |
|
|
|
|
||||||
|
|
4 |
|
F |
|
|
м2-час’ |
|
|
|
||
где |
значение р для |
всего |
рабочего |
цилиндра принимается |
[ 1 0 ] |
|||||||
|
для двигателей: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
тихоходных..................................... |
|
|
|
|
р = 0,20—0,25 |
|
||||
|
|
средней быстроходности |
• |
• |
• |
• р = |
0,15—0,20 |
|
||||
|
|
быстроходных и с наддувом |
• |
• р = |
0 , 1 0 —0 , 2 0 |
|
||||||
152
Значение для днища поршня: |
|
р ^ |
О |
|
неохлаждаемого............................. |
|
|||
охлаждаемого м асл о м ................. |
. . |
j3 = |
0,04—0,06 |
|
охлаждаемого водой • . . |
• (3 = |
0,06 — 0,08 |
||
По опытным данным значение q |
для |
всего |
цилиндра составляет |
|
для двигателей |
без наддува: |
|
|
|
4-тактны х |
............................. <7 =75000—150000 ккал/мЧас |
|||
2-тактны х |
..............................<7 = |
150000—300000 ккал/мЧас |
||
ТЕПЛОВЫЕ ДИАГРАММЫ
Для иллюстрации изменения температуры газов в рабочем цилин
дре за один цикл |
работы двигателя |
Т г = |
/ (s) или |
Тг = /(а°) |
и характера изменения |
теплоотдачи о-с = |
f2 (а0) |
строят, на |
основании |
расчетов, тепловые диаграммы» данного |
двигателя (рис. 73); эти же |
||
диаграммы используются для различных расчетов. |
цикла |
||
Определение |
значений мгновенных |
температур рабочего |
|
Tr = f(V) можно |
производить аналитически или графически, |
исполь |
|
зуя характеристические -уравнения
PV = GRT.
Для линии сжатия напишем как для произвольного состояния (.Р, V , Т), так и для начала сжатия (Та, Vc,T a):
|
|
|
|
PV = GRT, |
РаУа = GRTa, |
|
|
|
|||
далее, |
производя ряд |
преобразований и |
замечая, что |
Vа = |
ед Vc, по* |
||||||
лучим |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Тсх = - ~ £ - р У - = |
А р у - = Арг. |
|
|
(219) |
||||
|
|
|
|
КЯ£д |
VC |
|
VC |
|
|
' |
|
Аналогично, для |
линии |
расширения, последовательно |
напишем |
||||||||
|
|
|
|
PV — GRT) P2Gz = G P T z, |
|
|
|
||||
заменяя |
|
Vz = ?V0, Р2= ХРве ^ - 1, |
Tz = - ^ - = |
R |
-----, |
||||||
получим, |
разделив характеристические |
уравнения |
одно |
на другое |
|||||||
и решая |
затем уравнение относительно Т\ |
|
|
|
|||||||
|
|
|
Трасш = |
р! С д |
Р ^ |
= |
Вр V~c = Врг' |
|
|
(220)' |
|
В формулах (219, |
220) А и В — постоянные величины: |
|
|||||||||
А = |
Та -, |
В = — Tjlt>— ; |
е = |
.7 ------«переменная» |
степень сжатия. |
||||||
|
Ра£д |
Ра?д Pz |
|
|
|
|
|
|
|
||
Наличие в формулах значения е= V/vc устанавливает связь диаграмм рГ= f(V) и Tr = f(V) — в соответствии с таблицей 15, а также с углом поворота кривошипа (например, через посредство диаграммы Ф. А. Брикса — см. рис. 73а).
15$
Рис. 73. Схема к определению изменения за один рабочийТцикл поршневого двигателя внутреннего сгорания; |
темпе |
||
ратуры газа Тг ‘, |
коэффициента теплоотдачи от |
газов к стенкам рабочего цилиндра аг и произведения агТг . |
|
а.) Схема определения |
Тг = / (V) или Т г — f(s). б) |
Схема построения диаграммы: Тг = /(«“); «г = /( а°); агТг = |
/ (а0) |
|
и определения их средних значений (7’г)ср ; (<*г)ср, (аг) (Т’г)ср- |
|
|
Графический способ определения Тг = / (У) состоит в следующем
П О ] .
Приравнивая значения GR процесса сжатия и расширения |
|
|
||||||||||||
|
|
СсжРсж = Gрастирает — Const, |
|
|
|
|
|
|
||||||
приравнивают затем на |
чертеже, |
рте. 73 а, |
значение |
температуры |
||||||||||
конца сжатия Тс (полученной из |
расчета рабочего |
цикла) |
давлению |
|||||||||||
рс, а объем камеры сжатия Vc — OD — произведению GR. |
|
|
|
|||||||||||
Для |
определения |
температуры Тг , для произвольного состояния, |
||||||||||||
например, |
точки «4» |
процесса расширения, |
проводят |
горизонталь |
||||||||||
4—4' до пересечения с вертикалью |
Dc в точке |
4', |
затем |
через |
эту |
|||||||||
точку |
4' |
проводят |
из |
начала |
|
координат |
|
луч |
до |
пересечения |
||||
в точке 4р с вертикалью, |
проведенной через точку |
4\ ордината Dp 4,- |
||||||||||||
даст в определенном |
масштабе значение температуры для данного |
|||||||||||||
состояния |
цикла '«4». |
Аналогично получаются и другие точки |
кривой |
|||||||||||
Т г =f ( V) , |
например, |
5р, ЗД Tb, 4Д Та и другие. |
|
|
|
в |
про |
|||||||
Кривые |
51 ~ -Т ь |
и |
ТаС дают |
изменение |
температуры |
|||||||||
цессе расширения и сжатия; в процессе выхлопа температура при нимается Tr = const, а в процессе наполнения — плавно изменяющейся
от Тг до Та (кривая на |
этом |
участке |
вычерчивается |
плавно — от |
|||||||||||
руки). |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
построения. |
Примем |
|||
|
Приведем доказательство вышеизложенного |
||||||||||||||
масштаб давлений mp : 1 |
мм —►1 |
кг 1см2, тогда |
масштаб |
температур |
|||||||||||
mt |
определится из |
условий |
построения |
(Тс = рс): |
|
|
|
||||||||
|
mtTc = mppc, откуда |
т,- |
шр рс |
_ |
^ |
Рс |
|
р - = 1 °С; |
|
|
|||||
|
|
Тс |
- |
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
•* С |
|
|
|
||
из подобия треугольников 04'D и |
04£Dp имеем |
|
|
|
|
||||||||||
|
4 'Р |
НО |
так |
как 4'D = р \ |
4^Dp = Tit |
|
|
|
|||||||
|
*1°р " |
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
OD = Vс = GR, 0D = |
|
|
|
|
|
|
|||||||
то |
получим |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
р |
= |
|
или Р4 К4 = GRT4, |
|
|
|
|
|||||||
т. |
е точки 4рт и 4 удовлетворяют |
|
условию характеристического |
урав |
|||||||||||
нения. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Все вычисления |
Т = /(х°) |
производятся в |
табличной форме, |
в ко |
||||||||||
торой одновременно помещают и вычисления аг = |
Д (а°) и аг ТГ= Д |
(х°), |
|||||||||||||
таблица 17. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Для определения коэффициента аг имеется |
ряд формул, |
из |
кото |
|||||||||||
рых мы приводим следующие две формулы. |
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
Откорректированная формула |
Н. |
Р. Брилинга: |
|
|
|
|||||||||
|
аг = 0,99 У |
р 2Тг т (а + |
0,185c |
j |
|
ккал |
|
|
|
(221) |
|||||
|
|
м8 час |
|
|
|||||||||||
155
Формула Эйхельберга (по опытам с судовыми двигателями насос ного распиливания):
|
|
|
3 ,------,__________ккал |
|
' |
|
|
|
аг = 2,1 ~\fст \ f Рт ТТ |
м2час • |
(222) |
||
В этих формулах обозначено: |
|
|
|
|||
рг кг„ , Т т°К — текущие параметры газов; |
|
|
||||
С М * |
|
|
|
|
|
|
сп = ~^п------------ |
C B t С |
средняя скорость поршня; |
|
|
||
oU |
а — коэффициент, который принимается |
в зависимости |
||||
|
|
|||||
|
|
от типа двигателя: |
|
|
|
|
|
для предкамерных................................. |
|
— а = 3,5, |
|||
|
для воздушнокамерных......................... |
|
— а — 4,2, |
|||
|
для авиационных................................. |
|
' — а = |
6 ,0 . |
||
По данным таблицы 17 |
строятся диаграммы Т = /(а°), аг = Д(а0), |
|||||
аГТГ= f2(cr°), рис. 73 6 ; |
планиметрируя |
эти |
диаграммы, находим |
|||
средние значения — (7Г)СР, |
(яг )ср, Д-г 7Т )ср- |
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
Таблица 17 |
Определение значений Тг — ) (а°), зг = / х (я0), |
яг Гг = |
/ 2 (а°) |
||||
Для 4-тактных двигателей
1. Таблица составляется в пределах 0° ^-720° через необходимые
по точности интервалы (обычно Да° = 5°, 10° или 15°). |
|
|
2. В процессе наполнения (0° -f-180°) принимают: рг = р |
= const; |
|
Тт— Та = const. |
° |
|
3. В процессе выхлопа (540° — 720°) принимается: рг = |
р |
= const; |
ТГ= Т Г= const. |
г |
|
156
|
|
Для 2-тактных двигателей |
1. Таблица составляется в пределах 0оД 360°. |
||
2. На |
участке процесса выхлопа — продувки принимается: |
|
а) |
для |
теоретических диаграмм — рг — рк — const.; Тг — |
|
= T k = const; |
|
б) для |
скругленных диаграмм — |
|
1 ) на участке свободного выхлопа принимают значения рг непосредственно из диаграммы рГ— f (V);
2 ) на остальных участках процесс выхлопа— продувки при нимают рг = рк = const, Тг = Тп = const.
6.КОМПЛЕКСНЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ РАБОТЫ ПОРШНЕВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
Для всесторонней характеристики поршневых двигателей внутрен него сгорания, кроме рассмотренных общих показателей г„, ги, т]0,
, S
уу, р;, g-, ре, gс, тепловой напряженности q, cm, k = - р , применяют
еще комплексные показатели и сравнительные показатели двигате лей (численные значения их приведены в таблице 18).
Основным комплексным показателем является показатель на
пряженности (форсировки) |
рабочего цилиндра |
(223^, |
(<W?;) zrjMA= |
(cmpe) z кг-мШ -сек, |
который одновременно характеризует рабочий процесс (рг), динами ческую напряженность (ст) и теплонапряженность (стр.)-
К числу сравнительных показателей относятся: поршневая мощ
ность N п , |
литровая мощность А/л , |
весовые показатели, - габаритные |
показатели, |
моторесурс, стоимость, |
эксплуатационная стоимость. |
Поршневая мощность или удельная мощность есть номиналь ная мощность двигателя, отнесенная к сумме площадей рабочих цилиндров двигателя, выраженных в квадратных дециметрах.
|
|
N a = |
э.л.с./дм2. |
|
(224) |
|
Этот |
показатель можно выразить в |
другом |
виде, |
если подставить |
||
N t = |
zF Snpp |
D и S в дм) и затем еще заменить |
Sn |
|||
----- -------- (где |
ст —-д^-; полу |
|||||
чим |
|
|
|
|
|
|
|
|
Na = |
1 , 0 |
э. л. c.ldxfl. |
(225) |
|
|
|
|
|
|
|
|
Из |
формулы (225) |
видно, |
что N n |
также |
является показателем |
|
форсировки двигателя.
Литровая мощность есть номинальная мощность двигателя, от несенная к его литражу, то есть к суммарному рабочему объему всех цилиндров двигателя, выраженному в литрах
N л т Э.Л.С.1Л. (226)
t V s
Или, после подстановки iVe= — 45 " > получим
Мл = |
пре, |
30Ст
заменяя п = — получим окончательно
ИЛИ N „= |
э.л.с./л, |
(227> |
, S
где k = -p -.
Таким образом Ыл также характеризует степень форсировки дви гателя.
|
Весовые показатели |
||
Сухой вес |
двигателя — вес |
двигателя |
при незаполненных топ |
ливной, смазочной и охладительной системах— Gc (кг). |
|||
Литровый |
вес двигателя — сухой вес |
двигателя, приходящий |
|
ся на единицу литража |
|
|
|
|
Gл — |
Ос. кг |
(228) |
|
|
л |
|
Удельный вес двигателя — сухой вес двигателя, приходящийся на единицу номинальной мощности
Gc |
кг |
(229) |
|
N e |
э.л. с. |
||
|
Габаритными показателями двигателя является: его длина L, ширина В, высота Н, координаты центра тяжести и нижепере численные сравнительные габаритные показатели.
Степень использования кубатуры двигателя |
|
|
Степень использования площади основания |
двигателя ^ |
, э'-л \с\ |
|
Ld м2 |
|
Степень использования торцовой площади двигателя |
|
|
Моторесурс двигателя — продолжительность срока |
службы |
|
двигателя в эксплуатации, в часах — до |
капитального |
ремонта |
(колеблется для разных типов ДВС от 80000 до 800 часов; мень шие значения для быстроходных — ст =12—15 м/сек).
Стоимость двигателя —- покупная стоимость нового двигателя —
сравнительно: при одинаковой номинальной мощности, по мото ресурсу и стоимости эксплуатации.
Эксплуатационная стоимость — стоимость по отпуску энергии
(руб./э. л. с. ч.) или по выработке (руб./гектар пахоты; руб./тон на-километр и т. д.), с учетом всех обстоятельств и расходов.
158
Таблица 18
Комплексные и сравнительные показатели поршневых двигателей внутреннего сгорания
Наименование
показателя
Показатель напряжен ности г(с„рг)
Поршневая мощность
N n
Литровая мощность Ыл
Удельный вес двига теля Су
Литровый вес Ол
Размерность
кг-м/см2сек
э. л. с./дм2
э. л. с./л.
кг/э. л. с.
Тип двига
теля
4-тактные карбюра торные
4-тактные дизели
2-тактные
дизели
4-тактные карбюра торные
4-тактные дизели
2-тактные
дизели
4-тактные карбюр.
4-тактные дизели
4-тактные карбюр.
| 4-тактные дизели
Тихоход-1 Средней |
Быстро |
|||
ные |
я |
■ |
Р |
ходные |
„ _ / |
ходности |
ст= 9—12 |
||
Lm—‘± |
° |
с |
о |
|
м/сек |
|
\ |
mM / L |
м/сек |
|
|
|||
15—22. |
|
2 2 -4 5 |
35—60 |
|
|
(и выше) |
|||
10—22 |
|
17—28 |
2 5 - 4 0 |
|
18 -3 0 |
|
28—50 |
5 0 -7 5 |
|
1 0 -1 5 |
|
1 5 -3 0 |
25—40. |
|
|
(и выше) |
|||
|
|
|
|
|
6 ,5 - 1 5 |
|
12— 19 |
17—27 |
|
12—20 |
1 |
19—33 |
3 3 -5 0 |
|
1 |
||||
6 - 1 5 |
|
|
12—25 |
2 0 - 7 0 |
|
|
(170) |
||
|
|
|
|
|
8—12 |
|
15 -25 |
2 0 - 3 5 |
|
5 - 1 3 |
|
2,5 —5 |
0 ,5 - 2 ,4 |
|
12 -50 |
|
8 - 2 5 |
0 ,5 - 2 0 |
|
|
2-тактные |
32—60 |
7—33 |
2,5 — 10 |
|
|
дизели |
||||
|
|
|
|
||
кг!л |
4-тактные |
50— 140 |
70— 120 |
50— 120 |
|
карбюратор. |
|||||
|
|
|
|
||
|
4-тактные |
71— 180 |
— |
65— 150 |
|
|
дизели |
||||
|
|
|
|
||
|
2-тактные |
5 0 -1 9 0 |
— |
5 0 -1 7 2 |
|
|
дизели |
||||
|
|
|
|