книги из ГПНТБ / Теория поршневых двигателей внутреннего сгорания Метод. пособие
.pdfТаблица 3
Значения отношений площади поршня к площади клапанов в одном цилиндре
Vк |
|
F |
|
гк |
[28] |
|
|
|
f к |
|
|
Тип двигателя |
|
Всасывающ. |
Выхлопные |
|
клапаны |
клапаны |
|
|
|
Четырехтактные тихоходные двигатели dBC< 1/ 3D tl;
......................................................................................
Двигатели средней быстроходности ст=а6—9 м/сек;
dBC - / 1 |
|
>к |
1 ............................................................ |
|
|
Двигатели |
средней |
быстроходности ст ^ 6 —9 м/сек; |
|||
'* = 2 ............................................................................................................................. |
|
двигатели ст^а9— 12 м/сек; |
in = |
|
|
Быстроходные |
2 . |
||||
Быстроходные |
двигатели ст= 12— 15 м/сек; |
iK= |
2 . |
||
|
8— 12 |
|
|
9 - 8 |
|
6 |
,5 - 8 |
|
5 |
,5 - 6 ,5 |
|
|
СО 1 CD |
ОО |
10—16
9
8- 9 7
5 - 9
Давление заряда в конце наполнения 2-тактных двигателей
В 2-тактных двигателях давление рабочего тела в процессе газообмена изменяется на всем протяжении газового тракта, что схематизированно показано на рис, 75 и подробно исследуется далее (см. главу VI).
Для предварительных расчетов, давление в конце заряда 2-тактных двигателей ра (точка «а» — рис. 45) определяется по нижеприведенным формулам:
„ |
„ |
Рк -\-Рг |
ата> |
(3 9 ) |
С контурной продувкой .....................ра = ------2 ----- |
||||
с прямоточной продувкой • • vpa= (0,85 — 1,05)рк |
», |
|
||
где рг— давление в выхлопном коллекторе,- ата; |
|
|
||
рк — давление продувки или наддува, ата; |
и 8). |
|
|
|
(опытные данные для рк и рг — см. таблицу 4 |
[4] по |
фор |
||
Для карбюраторных двигателей рг можно определять |
||||
муле: |
|
|
|
|
ргж |
1,033 (1 + 0,000055п) ата, |
|
(40) |
|
где п — число оборотов коленчатого вала, об/мин.
При большом сопротивлении на выхлопе (длинный или слож ный трубопровод, усиленные глушители, утилизаторы и др.) дав ление рг определяется специальным расчетом (см. напр. «Россиевский Г. И., Дизельные электрические станции, изд. МК.Х РСФСР, М. Л., 1947, г. IX или специальные монографии).
70
Таблица 4
Давление продувочного или наддувочного воздуха (рабочей смеси) в коллекторе (примерно)
Тип двигателя |
рк |
ата |
|
Быстроходные двигатели автотракторного типа . . |
1 ,2 - 1 ,4 5 |
|
|
Тепловозные двигатели с приводным нагнетателем |
1,15— 1,40 |
||
Судовые и стационарные двигатели: |
|
|
|
с приводным н асосом .......................................... |
1,1 |
— 1,18 |
|
с газотурбинным н а д д у в о м ............................. |
1,28 |
— 1,36 |
|
с комбинированным н аддув ом ......................... |
1,40— 1,60 |
||
быстроходные, с высоким наддувом . . . . |
1,8 —3,0 |
|
|
В зависимости от быстроходности двигателя |
1.1— |
1,15 |
|
тихоходны е............................................................... |
|||
средней быстроходности...................................... |
1.2 |
— |
1,35 |
бы строходны е.......................................................... |
1.3 |
— |
1,7 |
|
и выше |
|
|
2) Температура свежего заряда в конце наполнения Та
Общее выражение для температуры заряда в конце наполне ния Та (точка «а» — рис. 39) найдем из уравнения теплового баланса для рассматриваемого момента
MaCvCMTa ~ L c v T M rcvTr. |
(41) |
|
Здесь |
|
(свеже |
Ма, L, Мг— количество кг-молей смеси в конце наполнения, |
||
го заряда и остаточных газов); |
|
|
T J — температура смеси в конце наполнения, °К; |
|
|
Тг— температура |
остаточных газов, °К; |
|
Тк — температура |
свежего заряда перед цилиндром, °К; |
|
cV(U, cv, cv— средние мольные теплоемкости (при соответствующих температурах) рабочей смеси в конце наполнения, све-
жего заряда, остаточных газов,
ккал кг-моль°К
Принимая, приближенно cVeMz |
cv и замечая, что M^=L + Mr, |
деля обе части уравнения (41) на I и имея ввиду, что -2 ^ = Yr> по
лучим
7У1~ТrTr |
(42) |
|
l+Tc |
||
|
Уточненная формула для Та получится, если принимать ~cVcMz^cv и
cv ^<zccv, где сс — поправочный коэффициент (для жидких топлив при а=1,5 — 1,8, значение се=1,1):
'г |
7'к-f-'[,ТК1С |
|
(43) |
71
По опытным данным [5; 10] температура заряда в конце напол нения равна:
для карбюраторных двигателей Та= 348 — 398°К; для дизелей без наддува • • • Та—310— 330°К;
для дизелей с наддувом, без охлаждения Тв=320 —380 °К.
Коэффициент остаточных газов j r принимается, согласно опытным данным (табл. 5).
|
Таблица 5 |
Коэффициент остаточных газов цг на номинальном режиме ДВС |
|
Тип двигателя |
|
Дизели |
|
4-тактные без н а д д у в а ..................................... |
0,04 —0,06 |
4-тактные с наддувом .......................................... |
0,02 —0,04 |
2-тактные с контурной п р о д у в к о й .................. |
0 ,0 7 - 0 ,1 5 |
2-тактные с прямоточно-клапанной продувкой |
0,08 —0,15 |
2-тактные с прямоточно-щелевой продувкой . |
0,03 —0,07 |
2-тактные с кривошипно-камерной продувкой |
0 ,2 0 - 0 ,3 0 |
Карбюраторные |
|
4-тактные, без наддува |
0,06 —0,18 |
2-тактные, с наддувом |
0,25—0,35 |
Газовые |
|
Газогенераторные 4-тактные . |
0,06—0,10 |
Газожидкостные — см. дизели |
|
Значения Тк определяются соответственно типу двигателя и
условиям работы, |
как указано ниже (см. также [31]). |
|
Тк |
опре |
|||||||||
Температура свежего |
заряда |
в |
рабочем |
цилиндре |
|||||||||
деляется |
в зависимости |
от типа |
двигателя |
путем |
учета: |
подо |
|||||||
грева заряда от |
стенок |
цилиндра |
|
и остаточных |
газов — АТК; |
||||||||
нагрева |
от сжатия |
в |
нагнетателях; |
|
искусственного |
охлаждения |
|||||||
(при наддуве) АГ0хл |
и |
необходимости |
подогрева |
(в |
карбюра |
||||||||
торных |
двигателях). |
|
|
|
Т к имеют вид: |
|
|
|
|||||
В общем виде |
формулы для |
|
|
|
|||||||||
4-тактные двигатели без наддува • |
• |
• Тк = Т1-\-АТк |
|
(44) |
|||||||||
2-тактные двигатели |
и двигатели с наддувом |
|
|
|
|||||||||
(2-и 4-тактные) |
• |
• |
• ........................ |
|
|
|
Гк = Тв + Д Г* |
|
(45) |
||||
Двигатели с охлаждением свежего заряда — 2-тактные |
|
|
|||||||||||
и с наддувом (2-и 4-тактные) |
• |
• |
• Тк = ТК + -\Г« — ДГохл (46) |
||||||||||
Степень охлаждения свежего заряда, в одном охладителе, по опытным данным [10] принимается:
72
АТ’охл = 20° — 60°С.
Значение величины подогрева от стенок цилиндра и остаточ ных газов ДТк приведены в табл. 6.
Таблица 6
Величина подогрева свежего заряда от стенок цилиндра и остаточных газов
|
|
|
Тип двигателя |
МУ |
|
4-тактные дизели без |
наддува . ............................................ ....................... |
10— 20 |
|||
2-тактные дизели и 4; 2-тактные дизели с н а д д у в о м ......................... |
5— 10 |
||||
Бензиновые двигатели и работающие на сжатом или сжиженном |
10—45 |
||||
газе |
....................................................................................................................... |
|
|
||
Керосиновые д в и га т ел и ..................................................................................... |
60— 110 |
||||
Газовые и газожидкостные двигатели .......................................... |
10—20 |
||||
Меньшие значения |
АТ ^ — для быстроходных двигателей |
или |
|||
для нагретого заряда; |
в первом случае время подогрева |
меньше, |
|||
а во втором интенсивность подогрева падает. |
|
|
|||
Для |
карбюраторных двигателей (легкого топлива)— общая |
||||
степень |
подогрева |
свежего заряда АТК слагается из следующих |
|||
элементов [6]: |
|
|
|
|
|
|
|
Д 7«=Д 7\ + ЛГ2 + ДГ3°С, |
|
(47) |
|
где; Д7\— подогрев |
смеси до поступления в рабочий цилиндр |
на |
|||
|
столько, чтобы она находилась в состоянии сухого насы |
||||
|
щения, несмотря на испарение топлива; |
топлива |
|||
АТ2— испарение температуры смеси за счет испарения |
|||||
|
в ней; |
|
|
|
|
ДТ3— нагрев смеси от стенок цилиндра и др. (см. ДТк — табл. 6). |
|||||
Следовательно для карбюратоных двигателей необходимо пред |
|||||
варительно расчетом |
уточнить необходимость искусственного |
по |
|||
догрева смеси; пример такого расчета дается в книге С. А. Блу дова (см. [5] или [31]).
Для 2-тактных двигателей и для двигателей с наддувом необхо
димо |
предварительно расчетом определить температуру заряда |
||
по выходе из нагнетателя Т'к, рассматривая процесс |
сжатия в |
||
нем, |
как политропный: |
|
|
|
Т^ |
тг ( ~ У ^ ~ ° К , |
(48) |
где; Рх (ата) —давление перед нагнетателем ( р х ^ р 0 или |
^ = 0 ,9 5 — |
||
|
-0 ,9 7 ); |
|
|
рк (ата) — давление за |
нагнетателем, равное |
|
|
|
|
Р* = Рк + Др». |
(49) |
73
Арк — 0,05 — 0,3 |
кг/см2— потеря давления от сопротивления всех |
||
|
элементов системы впускного тракта; |
||
|
пк —показатель |
политропы |
сжатия (величина |
|
его берется в зависимости от типа нагне |
||
|
тателя— см. табл. 7); |
|
|
|
Ti(°K) — температура |
свежего заряда перед нагнета |
|
|
телем, определяемая, в зависимости от ти |
||
для всех типов |
па двигателя, следующим образом: |
||
двигателей, кроме |
газовых |
и газожидкостных |
|
для газовых и газожидкостных двигателей Т\ определяется как температура смеси воздуха и газа [19]:
7\ = — |
(50)* |
1 + |
“ г W |
То |
где Тт°К — температура газа после очистки и охлаждения
(7\.^300°К );
ar — коэффициент избытка воздуха в газовой смеси (для га зовых двигателей задаются аг = 0,9— 1,2; для газожид костных двигателей ar — вычисляется — см. [19; 31];
Lr0— теоретически необходимое количество воздуха, необходи мое для сгорания 1 кг-моля газа — вычисляется (см. [18; 19; 31]).
|
|
|
Таблица |
7 |
|
Показатель политропы сжатия в нагнетателях — пк |
|
|
|
||
|
Тип нагнетателя |
|
«к |
|
|
|
|
|
|
|
|
П ор ш н евой ................... |
. . |
.................................................. |
1 .4 |
— |
1,6 |
О бъемны й......................................................... |
|
..................... |
1,55— 1,75 |
||
Центробежный |
с неохлажденным корпусом.......................................... |
1,8 |
—2,0 |
||
Центробежный с охлаждаемым корпусом.............................................. |
1.4 |
— |
1,8 |
||
Для карбюраторных двигателей автомобильного типа (4-тактных) проф. В. А. Петровым [4] предложены эмпирические формулы:
при коэффициенте избытка |
воздуха « > 1 |
1450 |
1092 |
+ 0, Ш - |
||
Тг = ~ |
+ ^ |
|
||||
|
|
|
—494 |
(51> |
||
при коэффициенте избытка |
воздуха a < 1 |
7 ^ = ^ ? —~ |
+ 0,14n-f |
|||
|
|
|
+ |
1336 |
(51) |
|
* Вопросы определения аГ |
LT разбираются |
в главе |
III, |
§ 3, |
Процессы |
|
сгорания. |
|
|
|
|
|
|
74
|
|
|
Таблица 8 |
Давление и температура выхлопных газов рг, Тг |
|
||
Тип двигателя |
рг ата |
7У°К |
|
Дизели |
|
|
|
4-тактные тихоходные, без н а д д у в а ..................... |
(1,03 — 1 ,10)р0 |
620—720 |
|
4-тактные быстроходные, без наддува ..................... |
(1,05 —1,15)р0 |
720—900 |
|
2-тактные тихоходные, без н а д д у в а ...................... |
(0,8 |
—0,9)рк |
470—650 |
2-тактные, быстроходные, без н а д д у в а .................. |
(0,8 |
—0,9)рк |
600—800 |
4 и 2-тактные с газотурбинным наддувом |
. . . (0,75 |
— 1,0)рк |
700— 1000 |
Карбюраторные и газовые |
|
|
|
4-тактные карбюраторные .......................................... |
■1,05— 1,25 |
950—1300 |
|
4-тактные га зо в ы е ........................................................... |
1,10— 1,20 |
750—800 |
|
4-тактные газожидкостные............................................ |
1,10— 1,20 |
700— 1000 |
|
в этих формулах ед—действительная степень сжатия;
п — число оборотов коленчатого вала, об!мин.
3. Коэффициент наполнения г1и
Для вывода формулы коэффициента наполнения % воспользуемся уравнением материального баланса в конце наполнения (точка «а» на рис. 41).
Ма = L + Мг или Ma = L( 1-|- у,). |
(а) |
Заменим количество Ма и I их выражениями из соответствующих характеристическихуравнений:
PaVа =- 848. МаТа, откуда Мв =
P0V0 = 848 L T 0, откуда L = -щу^.
Подставляя полученные значения Ма и L в формулу (а), имеем после сокращений
|
^ |
1 а |
= ^ ( 1 + Т , ) . |
|
(б) |
|
|
1 о |
|
|
|
Преобразуем формулу (б), заменив в ней Vа и У0. |
двига |
||||
Из рис. 2, 3 и формул (1), (2) заключаем, |
что в 4-тактных |
||||
телях Va — Vu, и ен = ед , |
поэтому напишем: |
|
|||
для 4-тактных двигателей |
|
|
|||
V, |
^а = ед Ус; |
Vs = v e (ед — 1); |
Ус |
(52) |
|
|
|
|
|
|
|
75
для 2-тактных двигателей
ен = |
|
vc + v, |
; V, = |
(ен — 1); Ve= |
V, |
||||
|
|
|
|
|
|
|
f |
£н - 1 |
|
|
|
|
|
|
|
Va |
VC+ VS{1 — aB ) |
||
Va = Vc + Vs ( l - a By, ед = |
^ |
Vr |
|
||||||
|
|
i. — 1 |
|
|
V С |
|
|
||
V' c = V' |
|
|
V s ( 1 - а . ) |
|
|
||||
с |
—4 —_ |
*• Vr r = |
|
|
|
|
|
||
|
1 _ a |
> |
C |
|
Ед ~ 1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Сопоставляя выражения для |
Vс из |
формул |
(52) |
и (53), |
|||||
еще: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ЕД |
“ в . . |
|
|
|
|
|
|
|
— 1 7 « £л 5„ (1 — ав ) -f- ав . |
|||||||
Далее замечаем, |
из формулы (31) что |
|
|
||||||
|
|
|
|
Vo = |
rlHV,. |
|
|
|
|
(53)*
получим
(54)
(55)
Подставляя теперь в формулу (б) значения Va из формул (52; 53) и значение V0 из формулы (55), получим, после преобразований, следующие формулы, решая соответствующие уравнения относитель но у]н :
для 4-тактных двигателей |
без |
наддува — |
|
|
|
|||
|
„ _ |
Ра То |
|
£Д |
___1 _ |
|
|
(56) |
|
|
Ро Та |
ед —1 |
1+Тг |
|
|
||
|
|
|
|
|
||||
' для двигателей с наддувом и 2-тактных, |
заменяя |
р0, |
Т0 на ph, |
|||||
Th, при отнесении к полному |
ходу (к |
точке е — рис. |
39) |
|
||||
II |
Ра Т k |
|
|
|
(1 — ав ); |
|
(57)** |
|
Рк Та £д - 1 |
1 + Ь |
|
||||||
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
||||
для двигателей с наддувом и 2-тактных при |
отнесении |
к рабочему |
||||||
ходу (точке a, ak — рис. 42—45): |
|
|
|
|
||||
|
^ |
рк |
Та |
ЕД_ |
1 1 + Тг |
|
(58) |
|
|
|
|
||||||
Сопоставляя формулы (57) и (58) можно еще написать |
||||||||
|
|
% = |
т/н (1 — ав ). |
|
|
(59)** |
||
Для точных определений |
значений |
т|н, в |
4-тактных |
двигателях |
||||
применяют формулу, предложенную проф. М. М. Масленниковым [9]
^ |
= Т Г ( 8 д - 1 ) |
у к \ |
ед + ^ |
- 1} (£д - |
р ] ; |
(6°) |
* В 2-тактных двигателях с прямоточно-клапанной продувкой, в этих фор |
||||||
мулах вместо ав должно |
подставить долю потерянного хода на продувку ап |
|||||
** |
Для формул (57) |
и(59) |
остаются |
верными примечания |
к формулам |
(53) |
и (54). |
|
|
|
|
|
|
76
в этой формуле, кроме известных |
уже обозначений, (ед , |
ра, рк, рп |
||||||||
k = 1,4) |
введены: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
X= |
^ — |
степень дозарядки |
в начале хода сжатия; |
|
||||||
Ь = Т -I- д т |
|
Х= |
1,02— 1,06; |
|
|
|||||
степень подогрева (по Б. |
С. Стечкину); |
|
|
|||||||
|
° |
|
|
Ь — 1,08 — 1,15; |
|
|
||||
р,н = |
— коэффициент |
работы |
наполнения; |
= 0,70—0,85; |
||||||
р = |
—----- коэффициент |
очистки |
камеры сгорания |
от |
остаточ- |
|||||
|
vr. |
ных |
газов; |
р ^ 1 — без |
наддува; р = 0,80 — 0,50 — |
|||||
|
|
|||||||||
|
|
при |
наддуве. |
|
|
|
|
|
|
|
Проф. Ваншейдт В. А. [10] приводит другой вид формулы (60) |
||||||||||
* =ФГ=|) Й Ь [ •*■-^ |
|
|
|
]. (61) |
||||||
в которой, по сопоставлению с формулой (60): |
|
|
||||||||
|
|
|
Ci = |
)>; |
Сг “ |
Р', |
Сз = |
р-н • |
|
|
Существует много различных видоизменений формул ту , получен ных из формул (56) — (58). В специальных учебниках приводится подробный анализ влияния различных факторов на ту , как вытекаю щих непосредственно из различных формул, так и косвенно устанав ливаемых, как-то влияние: фаз газораспределения, числа оборотов рода топлива, состава смеси и других (подробнее см. [2; 5; 9; 10]).
4) Коэффициент остаточных газов \ г
Исходя из определения ту = Ц~- (формула 32) можно записать,
что
ъ=Ь |
<а> |
где Gr, G0— весовое содержание остаточных газов и свежего заряда; выразим их с помощью характеристических уравне ний:
PrVr = GrTrR - |
P0VY = G0T0'R0. |
(б) |
|
Допуская, что Rrz z R 0 |
и |
замечая, что Vr = Vc\ |
V0 — V7,; |
Vs = Ус(ед — 1), получим, после подстановки значений |
из выраже |
||
ний (б) в формуле (а): |
|
|
|
для 4-тактных двигателей без наддува |
|
||
Y |
Р'1V____ • |
(62) |
|
Ъ |
|
д - 1) ’ |
|
77
для 4-тактных двигателей с наддувом |
|
|
|
||||||
|
|
|
= |
|
|
|
|
|
<63) |
Проф. |
Е. К. |
Мазинг |
[63] |
дает |
выражение для |
уг, |
пригодное |
||
для 4-тактных и 2-тактных двигателей; без наддува: |
|
|
|||||||
|
У |
= |
Г |
£Д |
Ра То |
1 ] |
— 1 . |
|
(64) |
|
l r |
|
L *д - .1 |
. Ро Та ^ J |
|
|
|
||
В современных |
расчетах |
обычно |
рекомендуется |
пользоваться |
|||||
опытными |
данными |
для |
уг. |
(см. таблицу 5), так |
как |
формулы |
|||
не отражают влияния всех факторов |
на |
степень очистки |
рабочего |
||||||
цилиндра |
от остаточных |
газов, особенно для 2-тактных двигателей, |
|||||||
в которых у, может колебаться в зависимости от способа продувки от у, = 0,02 до уг = 0,30.
|
|
Таблица 9 |
Средние значения коэффициента наполнения yjh |
|
|
Тип двигателя |
|
4н |
Дизели |
|
|
4-тактные без наддува, тихоходные.............................................. |
|
0,80—0,90 |
4-тактные без наддува, быстроходные...................................... |
|
0,75—0,85 |
4-тактные q.. наддувом ....................................................................... |
|
0,90— 1,10 |
2-тактные с контурной продувкой .............................................. |
|
0,50—0,70 |
2-тактные с прямоточной продувкой .......................................... |
; |
0,70 --0,85 |
2-тактные с кривошипно-камерной продувкой..................... |
0,50—0,70 |
|
2-тактные двойного действия.......................................................... |
|
0,80—0,95 |
Карбюраторные и газовые |
|
|
4-тактные карбюраторные, без наддува...................................... |
|
0 ,6 5 -0 ,8 5 |
4-тактные г а зо в ы е ............................................................................. |
|
0 ,7 5 -0 ,8 5 |
Газожидкостные (см. дизели) . .................................................... |
|
|
2. ПРОЦЕСС СЖАТИЯ
а) Протекание процесса сжатия
Процесс сжатия свежего заряда в рабочем цилиндре двига теля происходит после закрытия всех газораспределительных органов при движении поршня от НМТ вплоть до ВМТ (рис. 39).
Этот процесс предназначен, теоретически, для возвращения
рабочего |
тела в исходное состояние, а практически еще и для |
|
создания |
условий наиболее эффективного сгорания топлива. |
цик |
Как уже было выяснено при рассмотрении идеальных |
||
лов, необходимо стремиться к возможно наиболее высокой |
сте- |
|
78
пени сжатия с целью повышения гц; в зависимости от типа двигателя степень сжатия ед колеблется в пределах от
8Д= 4,0 до гд = 20.
В современных ДВС процесс сжатия отклоняется от идеально необходимого — адиабатного (рис. 46 кривая ас') и протекает политропно с непрерывно меняющимся показателем на всем про тяжении сжатия (рис. 46 — кривая ас)\ такое отклонение обусло влено рядом факторов реального осуществления процесса сжатия, а именно: переменным теплообменом между зарядом и стенками цилиндра (окружающей средой); составом и способом образова ния заряда; потерей заряда через неплотности.
Рис. 46. —■Схема протекания процесса сжатия в поршневых двигателях внут
ас' — адиабата сжатия; |
реннего сгорания |
|
ас— истинное |
протекание сжатия при пх = invar; |
|
а — начало сжатия; с, |
с' — конец сжатия. |
|
Схематизировано |
(рис. 46) процесс сжатия протекает следую |
|
щим образом. В начальной стадии сжатия происходит приток
тепла к заряду |
от |
более |
нагретых частей |
двигателя, |
поэтому, |
|||
при одинаковом |
начальном состоянии (точка а) с диабатой ас', |
|||||||
политропа сжатия |
ас пойдет выше адиабаты |
(п\>К\), затем в не |
||||||
который |
момент, в |
результате сжатия, температуры |
заряда и |
|||||
цилиндра |
сравняются — возникнет |
адиабатное состояние |
заряда |
|||||
ini — Kx, точка |
«в» — на |
рис. 46); |
после этого, с |
возрастанием |
||||
79