книги из ГПНТБ / Теория поршневых двигателей внутреннего сгорания Метод. пособие

Глава V

РАСЧЕТ РАБОЧЕГО ЦИКЛА ПОРШНЕВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

1. МЕТОДЫ РАСЧЕТА РАБОЧИХ ПРОЦЕССОВ ПОРШНЕВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

По определению проф- Н. М. Глаголева [29], теория поршневых двигателей внутреннего сгорания имеет своей общей целью уста­ новление зависимостей между основными эксплуатационными ка­ чествами двигателей — мощностью Ne и коэффициентом полезного действия г]е, с одной стороны, и конструктивными параметрами и режимом работы двигателя, с другой стороны; кроме этой общей задачи, теория двигателей изучает и другие вопросы, выдвигаемые практикой двигателестроения: уточнение физических и химических явлений рабочего цикла, динамические явления, уточнение расче­ тов прочности, комбинированные двигатели и др.

Для решения большинства вопросов теории двигателей и прак­ тики двигателестроения необходимо располагать возможно более точной индикаторной диаграммой которую можно получить рас­ четным путем или экспериментально,-

Методы построения индикаторной диаграммы по своей точно­ сти и степени приближения к реальности зависят от степени со­ вершенства расчета рабочих процессов (теплового расчета) дви­ гателя; соответственно последнему эти методы можно свести в следующие три группы.

1.Изучение идеальных (термодинамических) циклов дает воз­ можность установить только принципиальные положения — влия­ ние степени сжатия и принципиальный вид идеальной диаграммы цикла.

2.Классический тепловой метод — метод проф. В. И. Гриневец­

кого ([64], 1907 г.), усовершенствованный впоследствии другими исследователями (Е. К. Мазинг, Н. И. Брилинг, А. С. Орлин, Б- СД Стечкин, В. А. Ваншейдт и др.), учитывает влияние на ра­ бочий процесс различных характерных факторов: коэффициента

1С0

диаграммы t, д и др. Это дает возможность получить хорошее соот­ ветствие с действительным рабочим процессом. Однако при этом методе необходимо умело подобрать необходимые коэффициенты и исходные данные (рг , а и др.), и кроме того, он не дает количе­ ственных связей, непосредственно с конструкцией, размерами и режимом работы двигателей — необходим опыт расчетчика.

Теоретическая индикаторная диаграмма (скругленная диаграм­ ма расчетного цикла), построенная по данным рассматриваемого метода, сравнительно правильно отображает индикаторную диа­ грамму реального двигателя данного типа.

Классический метод ограничен в решении ряда задач теории двигателей, как-то: точного расчета явлений и параметров напол­ нения, выхлопа и особенно условий протекания процесса сгорания и характеристики соответствующих участников индикаторной диа­ граммы.

В современной практике, усовершенствованный классический теп­ ловой расчет двигателей, в результате накопления достаточного ко­ личества необходимых опытных данных и развития отдельных вопросов, остается простым, удобным и достаточным для обычных предварительных расчетов; он известен под названием «расчет ра­ бочих процессов (или рабочего цикла) двигателя и широко приме­ няется в учебниках, на заводах, при исследованиях (в последнемслучае — с дополнениями).

3. Уточненные методы расчета рабочих процессов двигателя раз­ вились в результате дальнейшего совершенствования теории дви­ гателей, путем развернутого учета явлений, составляющих рабочий цикл двигателя и установления связей между расчетными парамет­ рами и конструкцией, режимом работы двигателей (или обратно).

Основными направлениями развития теории двигателей в ука­ занной связи является:

1) учет теплообмена между газами и внешней средой — для обоснований вычисления показателей политроп и теплового баланса двигателя — работы Н. Р. Брилинга, Эйхельберга и др.;

2) учет кинетики горения — для уточнения формы индикаторной диаграммы (расчетной) и тепловых, динамических качеств двига­ теля— работы Н. В. Иноземцева, В. И. Сороко-Новицкого, Н. Н. Семенова, А. С. Соколина, Н. М. Глаголева и др. [14; 29; 39; 40; 42];

3) учет процессов газообмена — для правильной оценки вели­ чины заряда и выбора фаз газораспределения — работы А. С. Орлина, М. А. Хайлова, В. Т. Цветкова, В. П. Калабина и др. [13;

чета рабочих процессов двигателей «еще не доведены до такой

Степени законченности, которая могла бы обеспечить йх примене­ ние к расчету новых двигателей». Методика этих расчетов постро­ ена на применении сложного и трудоемкого математического аппарата, а сам расчет возможен только при накоплении доста­ точно большого количества опытных, надежных данных, что осу­ ществится в полной мере в будущем; вычисление же численных значений необходимых коэффициентов «на работающем двигателе представляет целое исследование, соответствующее диссертаци­ онной работе».

Однако уточненные расчеты, особенно обобщенные, являются прогрессивными, так как намечают пути и методы дальнейшего развития теории и испытания двигателей.

Обобщенный метод расчета проф. Н. М. Глаголева [29] основан на применении к исследованию рабочих процессов двух основных уравнений, определяющих зависимость давления рата и темпера­ туры Т°К газов в цилиндре от времени т сек или угла поворота кривошипа а или объема цилиндра- V м3.

Первое основное уравнение — уравнение объемного баланса имеет

вид [29]:

dV = dAAV + d'V + dBV + du V + dQVM*

или d p = ^ - [ d sV + dBV + d MV + dQV - d V ] ^

1G2

дв V м3 газа при pjim a и Тв °К\

3q Т — изменение температуры газа, вследствие сообщения внеш­ него тепла dQ кал.

Общей особенностью метода проф. Н. М. Глаголева является возможность исследований всех процессов рабочего цикла дви­ гателя путем установления связи между основными параметрами

всему объему цилиндра (иначе задача математически не разре­ шима). Существенная трудность — недостаточность опытных дан­ ных по разным коэффициентам; некоторая сложность и громозд­ кость математического аппарата.

Метод расчета рабочих процессов, предложенный проф. В. П. Калабиным [30] представляет еще одну из разновидностей обобщенного метода расчета, разработанного в отношении процес­ сов газообмена (впуска, выпуска, продувки), путем применения разработанной им теории политропических процессов. Этому мето­ ду свойственны уже разобранные выше особенности уточненных обобщенных расчетов.

2. СХЕМА РАСЧЕТА РАБОЧЕГО ЦИКЛА СОВРЕМЕННЫХ ПОРШНЕВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Наиболее общепринятым методом расчета рабочих циклов поршневых двигателей внутреннего сгорания, как мы уже отме­ чали, является классический метод, к изложению которого (схематизированно) мы и переходим.

Расчет рабочего цикла данного типа поршневого двигателя внутреннего сгорания можно расчленить на 4 основных этапа.

1-й этап. Выбор исходных д а н н ы х

Задаются: 1) параметрами окружающего воздуха — р0 ат а,Т 0°К

2)параметрами выхлопа — рг ата, ТГ°К\

3)степенью сжатия — ед ;

4)коэффициентом избытка воздуха — а;

5)коэффициентом остаточных газов — уг (или коэффи­

циентом наполнения % );

11* 163

Глава VI

ПРОЦЕСС ГАЗООБМЕНА ДВУХТАКТНЫХ ПОРШНЕВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

1. ОСНОВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ 2-ТАКТНЫХ ПОРШНЕВЫХ

ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Осуществление рабочего цикла в два такта, в 2-тактных ДВС, влечет за собой усложнение протекания процесса газообмена — очистки цилиндра от отработавших газов и заполнение его свежим зарядом. В 2-тактных двигателях процесс газообмена протекает почти одновременно во всех его стадиях и при этом в очень корот­

на совершаются большей частью раздельно (наполнение, очистка), с общей протяженностью 100—450° п. к. в. Одновременно, наполне­

Тг= 0,04—0,06; ge = 160—200 г/э. л. с. ч.

Конструктивное выполнение 2-тактных двигателей имеет осо­ бенности: необхдоимость наличия продувочных насосов, услож­ нение рабочего цилиндра (окнами), особые требования к кон­ струкции поршневой группы и головок (крышек) цилиндра, вследствие повышенной теплонапряженности, более сложные ус­ ловия работы топливоподающих агрегатов, (более частая и мень­ шая по величине подача по сравнению с 4-тактными ДВС), повы­ шенный расход смазочного масла, вследствие усложнения работы подшипников шатуна и коленчатого вала (односторонняя нагрузка требует увеличения прокачки масла).

Стремление поднять эффективность 2-тактных двигателей до уровня 4-тактных или создать сравнительно простую и дешевую конструкцию, обусловили разнообразие органов газораспре­ деления; при достаточно хорошо отработанной, конструкции 2-такт-

165

ные двигатели имеют одинаковую экономичность с 4-тактными, а

большую, чем в 4-тактных двигателях или меньшие габариты, при одинаковых мощностях, а также при достаточно хорошо отработан­ ной конструкции создать двигатель равноценный по экономичности 4-тактному.

Отмеченные особенности 2-тактных двигателей обусловили их преимущественное применение в крупных транспортных установках и делают их перспективными при надлежащей отработке для трак­ торов и автомобилей.

2. ПРОТЕКАНИЕ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА В 2-ТАКТНЫХ ПОРШНЕВЫХ ДВИГАТЕЛЯХ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Рабочий цикл в цилиндре 2-тактного двигателя существенно отличается от рабочего цикла 4-тактного двигателя в основном характером протекания процесса газообмена, представляющим со­ бой процесс истечения газов изменяющегося состава при перемен­ ных по величине и времени сечениях газораспределительных орга­ нов, емкостях и давлениях, с возникновением импульсов и волн. Можно только схематизированно описать процесс газообмена 2-тактных двигателей, как это представлено на рис74.

На протекание процесса газообмена оказывает влияние вся цепь воздушно-газового тракта — рис. 75.

С момента начала открытия выхлопных органов (рис. 74, точка «е») до момента начала открытия продувных окон (точка d) про­ исходит свободный выхлоп — истечение газов из цилиндра в вы­ хлопной коллектор вследствие перепада давлений газов в цилиндре рц и выхлопном коллекторе рвк; эту часть процесса газообмена называют предварением свободного выхлопа {ей).

С момента открытия продувочных органов (точка d) поступле­ ние продувочного тела (воздуха или рабочей смеси) еще не начнет­ ся, пока давление отработанных газов в рабочем цилиндре не станет несколько ниже давления продувочного тела; и вплоть до этого момента (точка d') происходит свободный выхлоп (ed')} а затем начнется одновременно продувка — поступление продувоч­ ного тела через продувочные органы и вытеснение им из цилиндра отработанных газов через выхлопные органы — принужденный вы­ хлоп; оба эти процесса заканчиваются, для данного расположения газораспределительных окон — рис. 75, в один и тот же момент при закрытии продувочных органов (точка d\).

За период одновременного открытия продувочных и выхлопных окон ddi заброса отработанных газов в продувочный коллектор практически почти не происходит вследствие влияния ускоренных количеств отработанных газов, вытекающих через выхлопные орга­ ны (средняя скорость — 200—1000 м/сек).

166

После закрытия газораспределительных органов происходит либо потеря заряда, если первыми закрываются продувочные ор­ ганы (как в нашем примере — d\a, на рис. 74), либо дозарядка— дополнительное поступление свежего заряда, если продувочные органы закрываются последними.

Р вк

течения резко падает и станет равной нулю, когда рц = рвкПоэтому

свободного выхлопа протекает в области надкритического периода (со скоростью звука), поэтому за весь период свободного выхлопа удаляется 60—70% продуктов сгорания, а затем — в процессе при­ нужденного выхлопа 25—30%, если считать, что остаточные газы составляют 5—10%.

Как отмечает проф. Н. В. Петровский [11], надкритический пе­ риод свободного выхлопа (истечения) заканчивается у тихоходных двигателей почти в момент открытия продувочных органов (точка к- почти совпадает с точкой d — на рис. 74). В быстроходных дви­ гателях точка к может расположиться даже ниже точки d, т. е. надкритический период истечения газа может закончиться и после открытия продувочных органов.

Таким образом, процесс газообмена 2-тактных двигателей схе-

167

S3

матизированно разбивается на следующие периоды (составляющие процессы; рис. 74):

период предварения выхлопа — bd; период свободного выхлопа — bd'-, период продувки (наполнения)—d'di, период принужденного выхлопа — d'di,

период потери заряда ^1о|или дозарядка — в зависимости от типа двигателя.

169