книги из ГПНТБ / Теория поршневых двигателей внутреннего сгорания Метод. пособие
.pdf(в нашем примере, на рис. 38:— acyzeerda), которые строятся (см. определение на стр. 20) на основе соответствующего идеаль ного и рабочего цикла, а именно, параметры конечных состояний отдельных составляющих процессов определяются на основе тер модинамических соотношений, но с учетом поправок, вытекающих из реальных условий протекания рабочего цикла.
Таким образом, в расчетном цикле 4-тактного дизеля различа
ют четкие границы отдельных процессов: da — наполнение |
ци |
||
линдра |
свежим воздухом (зарядка) и смешивание |
его с остаточ |
|
ными |
газами; ас — сжатие заряда; су — впрыск |
топлива |
и его |
сгорание при V = const; yz — продолжение впрыска топлива |
и его |
||
в) v
&
Оi
'г ! 2
\\ \
Рис. |
39. |
|
С х е м |
ы |
д и а г р |
а м м |
P rf= (V) |
о с н о в н ы |
х р |
а с ч е т н ы х |
ц |
и |
к л о в п |
о р ш |
н е в ы х |
||||||||||
|
|
|
|
|
а) |
|
д в и г а т е л е й |
в н у т р е н н е г о с г о р а н и я |
б е з |
н а д д у в а |
|
|
р = const) |
||||||||||||
4 |
- т а к |
т н |
ы |
е : |
|
с о |
с м |
е ш а н |
н ы м |
|
с г о р а н и е |
м ; |
б) |
с о |
с г о р а н и |
е |
м |
п р и |
|||||||
|
|
|
|
|
в) |
с о |
с г о р а н |
и е м |
п р и |
V |
= 'const. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
2 |
- т а к |
т н |
ы |
е : |
г ) |
с о |
с м |
е ш а н н ы м |
с г о р |
а н |
и е |
м ; д) |
с о |
с г о р |
а н и |
е м |
п р и |
|
|
р = const) |
е) |
с о |
|||
с г о р а н и е м |
п р и |
|
V = |
const. |
Б у к |
в е |
н н |
ы е |
о б о |
з н а ч е н и я |
т е |
ж е |
, ч |
т о |
и н а |
р и с . |
1 ; |
2 . |
|||||||
сгорание при р = const; zb — расширение продуктов сгорания |
(ра |
||||||||||||||||||||||||
бочий ход); her — очистка |
цилиндра от отработанных газов (вых |
||||||||||||||||||||||||
лоп |
be — свободный выхлоп; ег — принужденный выхлоп). |
|
|
|
|||||||||||||||||||||
|
Аналогичная картина получается и для других типов поршне |
||||||||||||||||||||||||
вых двигателей внутреннего сгорания. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
|
Параметры конечных состояний |
составляющих |
|
процессов |
рас |
||||||||||||||||||||
четного цикла, а также общие показатели работы всего двигателя
получаются расчетом по методу Гриневецкого — Мазинга из расчета рабочего цикла.
60
Зная параметры конечных состояний отдельных процессов, мож но построить диаграмму расчетного цикла, а внеся в нее опреде ленные поправки (скругления), получают скругленную диаграмму расчетного цикла (теоретическую индикаторную диаграмму); эти диаграммы являются исходными для построения теоретических
Рис. |
40. С х е м |
ы |
индикаторных д |
и |
а г р а м м |
о |
с н о в н ы х |
ц и к |
||||
л о в |
п о р ш н е в ы х |
д в и г а т е л е й |
в н у т р е н н е г о |
|
с г о р а н и я |
б е з |
||||||
а) |
|
|
н а д д у в а — |
Р г — / |
(V). |
|
|
|
|
|||
4 - т а к т н ы й |
д в и г а т е л ь |
с м е ш а н н о г о |
|
с г о р а н и я ; |
||||||||
б) 4 - т а к т н ы й |
д в и г а т е л ь |
к а р б ю р а т о р н ы й |
|
и л и |
г а з о в ы й ; |
|||||||
в) 2 - т а к т н ы й |
с о |
с г о р а н и е м |
п р и |
V |
= |
c o n s t ; |
|
|
|
|||
д в и г а т е л ь |
с м е ш а н н о г о |
с г о р а н и я ; |
|
|
||||||||
г) 2 - т а к т н ы й |
д в и г а т е л ь |
к а р б ю р а т о р н ы й |
и л и |
г а з о в ы й . |
||||||||
диаграмм сил, действующих в двигателях [34] и для различных исследований.
Для иллюстрации приводим примеры диаграмм расчетных циклов (рис. 39) и рабочих циклов (рис. 40) основных типов порш невых двигателей внутреннего сгорания.
Теоретические разомкнутые циклы поршневых двигателей внутреннего сгорания
Сравнение реальных поршневых двигателей внутреннего сгора ния данного типа с идеальными дает большое расхождение в зна чениях отдельных параметров, в том числе и по экономическим, т. к. условия осуществления их циклов различны. Для суждения
61
о степени совершенства данного типа реального ДВС, в смысле использования всех возможностей для этого, производят сравнение его цикла с теоретическим разомкнутым циклом, по типу которого построен двигатель.
Теоретическим разомкнутым циклом (в частности для ДВС)
называют циклы, осуществляемые реальным рабочим телом при следующих предположениях [5]:
1) цикл осуществляется реальным рабочим телом при перемен ных теплоемкостях, зависящих как от состава этого тела, так и от
его температуры; 2) сопротивления при впуске и выпуске горючей смеси отсут
ствуют; |
|
3) |
топливо сгорает мгновенно и полностью; |
4) |
стенки цилиндра и поршня нетеплопроводны. |
Следовательно, разомкнутые теоретические циклы ДВС имеют одинаковые очертания с идеальными циклами (см. рис. 11, 12г 15, 18); их термические к. п. д. тц выражаются теми же формулами (формулы 18 — 21), но рабочие процессы, совершаемые в теоре тических разомкнутых циклах, протекают с переменными тепло емкостями, в частности показатели адиабат сжатия К\ и расшире ния к2 будут также переменными на всем протяжении этих про цессов.
Из общего выражения термического к. п. д. тепловых двига телей
в применении к разомкнутым теоретическим циклам, следует, что количество отводимой теплоты, равное
Q2 — Mcv{Tb — Ta) ккал,
является также и функцией теплоемкости продуктов сгорания
t v " |
к к а л |
W |
кг-моль-°к~’ 3 послеДняя зависит от состава горючей смеси (коэф |
фициента избытка воздуха а) и от температуры на выхлопе Гр; сле довательно, необходимо удалять газы с возможно меньшей тепло емкостью и при возможно наименьшей температуре их Гр (дово дить расширение до больших значений 6). Установлено [5], что су" имеет наименьшее значение при сгорании рабочих смесей с коэф фициентом избытка воздуха в пределах от а = 0,8 (слегка обога щенная) до а = 1,2 (слегка обедненная), так как только в этих ус ловиях уменьшается относительное процентное содержание трех
атомных газов, теплоемкость которых почти на 50% выше, чем для 2-атомных газов.
При определении |
значений термических |
к. п д -п* |
разомкну |
тых теоретических |
циклов ДВС (формулы |
18 — 21) |
показатель |
/с следует вычислять через теплоемкости: к = |
% или по специаль |
||
ным формулам. ■Например, для цикла с изохорным подводом теплоты [5]:
п р и а > 1 к = 0,39а + 0,887;
при а < 1 к = 0,7а + 1,207.
Анализ явлений, протекающих в ДВС, выводы расчетных формул, обоснования, теоретические и практические рекомендации и составляют содержание теории поршневых двигателей внутрен него сгорания.
Глава III
РАБОЧИЕ ПРОЦЕССЫ ПОРШНЕВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
1. ПРОЦЕСС НАПОЛНЕНИЯ
а) Протекание процесса наполнения
В рабочих цилиндрах двигателя, при каждом цикле, проис ходит смена рабочего тела (газообмен), состоящая из очистки цилиндра от отработанных газов и заполнения его извне новым зарядом — воздухом в дизелях и рабочей смесью в карбюраторных и газовых двигателях.
Протекание процесса газообмена зависит от многих факторов, но в основном наполнение цилиндра происходит: в 4-тактных дви гателях без наддува, вследствие всасывающего хода поршня (рис. 41); в 4-тактных двигателях с наддувом — принудительно от
Рис. 41. Схема протекания процесса газообмена в 4-тактном дви гателе внутреннего сгорания без наддува.
64
нагнетателя (рис. 42) или от скоростного напора заряда (рис. 43; 44); в 2-тактных двигателях — принудительно, посредством проду вочных нагнетателей (рис. 45).
Во всех случаях газообмена, в двигателях, происходит ряд фи зических явлений, приводящих к уменьшению возможного веса заряда, основные из них следующие: гидравлические сопротивления
Рис, 42. Схема протекания процесса газообмена в 4-тактном двигателе внутреннего сгорания с наддувом.
Рис. 43; Схема протекания наполнения при «инерцион ном* (скоростном) наддуве.
а п конец наполнения; Ра > Р0
в системе впуска; расширение остаточных газов, теплообмен за
ряда с остаточными газами и стенками впускного тракта. |
судить |
О сложности протекания процесса газообмена можно |
|
по индикаторным диаграммам, например, для 4-тактных |
дизе |
лей— по рис. 38. |
|
5 ф. П. ВОлошенко |
65 |
Сравнительно сложнее протекает процесс газообмена в 2-такт ных двигателях, его исследование разбирается далее — в специаль ной главе — VI-ой.
Рис. 44. Индикаторная диаграмма в части процесса газо обмена 4 - тактного поршневого двигателя внутреннего сгора ния с инерционным наддувом (см. рис. 43).
Критериями количественной и отчасти качественной оценки процесса газообмена служат: для заполнения — коэффициент на полнения т]„,для очистки — коэффициент остаточных газов у г-
Рис. 43. |
Схема протекания |
процесса |
газообмена |
в |
2-тактном |
поршневом |
||||
Ь— начало открытия |
двигателе |
внутреннего сгорания. |
|
|
||||||
выхлопных |
органов; |
й — начало открытия продувочных |
||||||||
органов; й' — начало продувки |
(поступление |
продувочного воздуха |
или рабочей |
|||||||
смеси); е — Н. М. Т; d j— закрытие продувочных |
органов; |
а — закрытие выхлоп |
||||||||
ных органов (начало сжатия); |
Ьй — опережение |
выхлопа; |
— свободный вы |
|||||||
хлоп, d'edj— продувка |
(если |
рассматривать |
процесс |
со |
стороны продувочных |
|||||
органов) |
или принужденный выхлоп (со стороны выхлопных органов); d±а — по |
|||||||||
|
теря свежего заряда (при |
данной схеме продувки). |
|
|||||||
66
Коэффициентом наполнения г)н называется отношение дей ствительного количества свежего заряда к его теоретическому ко личеству.
Или подробнее.
Коэффициентом наполнения т]н называется отношение дейст вительного количества свежего заряда V0, поступившего в цилиндр, к тому количеству заряда, которое могло бы заполнить рабочий объем цилиндра VK при давлении рк и температуре Тк заряда не посредственно перед впускными органами двигателя (впускной кол лектор, ресиверы):
(31)
где: V0, Vs — в ж3; L, Ls— в кг-молях-, G, Gs— в кг.
Коэффициентом остаточных газов ~;г называется отношение ко личества молей остаточных газов Мг к количеству молей свежего
заряда, поступившего в цилиндр L; |
|
М, |
|
||
для |
жидкого топлива • • |
У, = |
|
||
L |
(32) |
||||
для |
газообразного топлива |
17= |
Мг |
||
|
|||||
1+L |
|
||||
Так как с увеличением заряда, при всех неизменных прочих условиях, повышается удельная мощность двигателя, то необхо димо обеспечить достижение возможно наибольшего значения коэф фициента наполнения т)н данного двигателя, стремясь уменьшить влияние отрицательных факторов (см. [1; 2; 10] и др.).
Полная характеристика процесса наполнения определяется сле дующими основными параметрами: давлением ра и температурой Та рабочей смеси в конце наполнения; коэффициентом наполнения т]„ и коэффициентом остаточных газов Г г.
б) Основные параметры процесса наполнения
1) Давление в конце наполнения— ра
Поток свежего заряда при своем протекании по впускному тракту испытывает ряд гидравлических сопротивлений, которые, главным образом, и влияют на величину коэффициента наполне
ния |
Т]н ■ |
заряда, |
как |
установившийся процесс, |
||
Рассматривая поток |
||||||
можно написать для него уравнение |
Бернулли, взяв |
за |
край |
|||
ние состояния: положение при входе |
во впускной |
тракт |
(ин |
|||
декс |
«к») и положение |
при входе |
в |
рабочий цилиндр (индекс |
||
«а»)*:
* Пренебрегая сопротивлением внутри цилиндра, принимаем давление за ряда при входе в цилиндр и в конце наполнения равным — ра.
5* 67
|
|
|
|
(33) |
Здесь: |
вес |
заряда |
при |
входе |
рк , wK, y« —давление, скорость и удельный |
||||
во впускной тракт; |
вес |
заряда |
при |
входе |
ра, wa’ la — давление, скорость и удельный |
||||
в рабочий цилиндр; |
|
|
|
|
g — земное ускорение; |
|
|
|
|
— суммарный коэффициент сопротивления впускного трак та, приведенный к скорости wa.
Решение уравнения (33) относительно ра требует предвари тельного определения значения всех остальных параметров, вхо дящих в него, что в отношении w и £а сравнительно сложно, так как необходимо иметь заданными конструкцию и размеры впуск ного тракта. Поэтому формула (33) применяется для точных ис следовательских работ. Методика применения формулы (37) при клапанном впуске излагается в специальных учебниках [2].
Давление в конце наполнения ра — в 4-тактных двигателях
без наддува
Для 4-тактных дизелей без наддува можно найти значение ра, если рассматривать процесс всасывания воздуха в цилиндр как адиабатное (к = 1,40), истечение воздуха из атмосферы с давле нием ро в рабочий цилиндр с давлением ра как известно [5; 67] скорость истечения, в этом случае будет равна
Здесь: сри = |
0,65 — 0,75 — коэффициент истечения; |
обычно принимают |
|||
|
Р0, V0—параметры |
атмосферы; |
|||
|
для средних широт Р0= |
10333-^; Т0 = 288 |
|||
|
или 300 °К; |
£ = 9,81— 4. |
|
||
|
’ |
& |
сек* |
|
|
Формулу (34) можно упростить, если представить отношение |
|||||
выражением |
и затем, |
применив |
формулу бинома |
||
Ньютона ограничиться по малости j^l| 1 — ~-^-J двумя |
первыми членами |
||||
разложения, |
после ряда выкладок получим: |
|
|
||
Замечая, что P0V0 = RT0 и принимая R = 29,27, напишем после под становки и преобразований
(35)
68
Откуда получим |
|
|
|
|
|
Ра= 1 |
576^ИГ0 |
Ро ата. |
(36). |
||
|
|
|
|
||
Скорость потока заряда wa найдем из условия сплошности: |
|
||||
o.cwaiKfK= cF, |
|
(а) |
|||
где: ае=0,6 — 0,7 — коэффициент сужения |
струи; |
впуск |
|||
iK, /к — число и |
максимальная |
площадь сечения |
|||
ных клапанов; |
|
|
|
1,57ст ; |
|
с — максимальная скорость поршня, равная с = |
|||||
Sn |
скорость поршня; |
|
|||
ст — — — средняя |
|
||||
F —площадь поршня. |
|
|
х |
|
|
Из уравнения сплошности (а) полечим |
|
|
|
||
Ю) — 1,57ст |
|
. F j |
• |
(Ь ) |
|
а |
ас |
‘« /к |
|
|
|
р
Значениями —j - = v* задаются согласно опытным данным (см. табл.
3 или [31]).
После подстановки значения wa из выражения (в) в формулу (36) и заменяя для большой точности давление и температуру атмосферы р0, Т0 соответственно давлением и температурой све жего заряда перед поступлением его в цилиндр рi = (0,95 — 0,97) ата, Т°К, получим для ра, общую формулу для А-тактнык двигателей всех типов без наддува
|
|
|
■0,00427- |
4 л 2 pi ата; |
|
(37)* |
|
для дизелей |
и |
карбюраторных |
двигателей |
можно |
принимать |
||
Fi ^ T q, для |
газовых и газожидкостных двигателей |
Т\ |
специально |
||||
вычисляется |
(см. далее — определение температуры |
Та). |
|||||
По опытным |
данным |
давление заряда в |
конце |
наполнения |
|||
для 4-тактных двигателей составляет: |
|
|
|
||||
без наддува......................... |
ра ^ ( 0,85 — 0,90)ро |
ата; |
|||||
с наддувом ......................... |
ра~ (0,90—0,95)рк |
» |
|
||||
Здесь р0 — давление атмосферы, рк —давление наддува (см. табл.
4).
* Приближенно, допустимо в формуле (37) вместо P i, T %. брать ро,Т0.
69