Литература по Механике и для Механиков / Литература / Стенин

Рг -давление остаточных газов; Tг - температура остаточных газов.

Расчёт процесса наполнения заключается в определении значений этих параметров.

Давление в конце наполнения:

где С2 - наибольшая скорость протекания свежего заряда при открытии выпускных клапанов; ϕ - коэффициент скорости истечения, учитывающий вредные сопротивления при протекании воздуха через клапаны (ϕ = 0,6...0,7 для ДВС без наддува; ϕ = 0,7...0,85 - с наддувом); Т0 - температура окружающей среды, К.

Для определения С2 необходимо знать среднюю скорость Сm поршня и скорости поступающего заряда С1 через живые сечения клапана. С1 определяется по формуле:

С1 = Сm K = Сm (F f ),

где F - площадь поршня; f - площадь сечения полностью открытых впускных клапанов.

Величину K = (F f ) найдём из таблицы 3.2.

Наибольшая скорость протекания свежего заряда через выпускной клапан:

C2 =1,57 C1

Коэффициент остаточных газов определяется по формуле [8,9]:

41

Для расчёта двухтактных и четырёхтактных двигателей с наддувом:

Повышение температуры воздуха ∆t вследствие нагрева его в системе двигателя составляет по опытным данным для дизелей 10...200 С, причём четырёхтактных без наддува 15..200 С, четырёхтактных с наддувом и двухтактных 5..100 С.

В случае расчёта четырёхтактных двигателей с наддувом и двухтактных двигателей должно быть учтено повышение температуры заряда ∆t1 вследствие сжатия в нагнетательном или продувочном насосе:

где n - показатель политропы сжатия в нагнетателе или насосе. Величина показателя политропы сжатия для поршневых насосов

1,4...1,6; для ротационных нагнетателей 1,5...1,7; для центробежных нагнетателей 1,7...2,0.

Коэффициент ε - степени сжатия может быть определён по таблице 3.3.

Таблица 3.3.Значение степени сжатия ε .

Значение температуры Тг остаточных газов приведены в таблице 3.4. При расчёте принимается давление остаточных газов

Рг = 0,102...0,106 МПа для тихоходных двигателей и Рг = 0,105...0,115

Мпа для быстроходных.

42

Температура смеси в конце наполнения определяется по уравнению:

Та = Т0 + ∆+t +γγг Тг

1 г

Таблица 3.4. Значение температуры остаточных газов.

При расчёте четырёхтактного двигателя с наддувом:

Tа =T0 + ∆t + ∆t1

Коэффициент наполнения через коэффициент остаточных газов определяется следующим образом:

где ε - степень сжатия;

T0 - температура окружающей среды; Tа - температура конца наполнения; Ра - давление в конце всасывания; Рг - давление остаточных газов.

3.3.Процесс сжатия

Основными параметрами, определяющими процесс сжатия, являются:

Ра - давление начала сжатия; Tа - температура начала сжатия; ε - степень сжатия;

n1 - показатель политропы сжатия; Tс - температура конца сжатия;

43

Рс - давление конца сжатия.

Так как процесс сжатия политропный, то величины, характеризующие начало и окончание его, связаны уравнениями:

На основании таблицы 3.5 выбирается показатель n1 политропы.

Таблица 3.5. Показатель n1 политропы.

3.4.Процесс сгорания

Прежде всего следует определить количество М0 ,кмоль/кг, воздуха, теоретически необходимого для сгорания 1кг топлива:

Отношение количества воздуха, поступившего в цилиндр, к количеству воздуха, теоретически необходимому, называется коэффициентом избытка воздуха при горении и обозначается α .

Действительное количество воздуха:

M S =α M0

Величина α для различных типов двигателей принимаемая из таблицы 3.6.

Таблица 3.6.Значения коэффициента избытка воздуха.

44

Количество смеси воздуха и остаточных газов, находящихся в цилиндре до горения:

M1 = (1+γг ) M S

Общее количество смеси в конце сгорания с учетом остаточных газов равно:

М2 =12C + H2 +[α (1+γr )−0,21] M0

Действительный коэффициент молярного изменения:

β= M2

M1

Приближённые значения средних молярных теплоемкостей, Джкмоль К , по опытным данным могут быть подсчитаны по следующим формулам:

при постоянном объёме:

-для азота

µCV = 20,66 103 + 2,57 T

-для кислорода

µCV = 21,25 103 +3,40 T

-для водорода

µCV = 20,48 103 +1,12 T

-для окиси углерода

µ CV = 20,75 103 + 2,82 T

-для водяного пара

µCV = 24,54 103 +5,44 T

-для воздуха

µCV = 20,79 103 + 2,41 T

-для углекислого газа

µCV = 28,28 103 + 7,91 T

при постоянном давлении:

45

- для азота

µ CP = 28,97 103 + 2,57 T

-для кислорода

µCP = 28,56 103 +3,4 T

-для водорода

µCP = 28,79 103 +1,12 T

-для окиси углерода

µ CP = 29,06 103 + 2,82 T

-для водяного пара

µCP =32,89 103 +5,44 T

-для воздуха

µ CP = 29,1 103 + 2,41 T

-для углекислого газа

µCP = 36,65 103 + 7,91 T

Приведённые формулы теплоёмкостей могут быть использованы в пределах температур от 273 до 2300 К.

Теплоёмкости смеси газов определяют по формулам:

Σµ Cv = ∑ri (µ Cv )i Σµ CP = ∑ri (µ CP )i

где ri - молярная концентрация отдельных газов; (µ Cv ) и (µ CP ) -

молярные теплоёмкости отдельных газов при постоянных объёмах и давлениях.

Уравнение сгорания для смешанного цикла имеет вид:

где ξ - коэффициент использования теплоты; λ - степень повышения давления.

Коэффициент использования теплоты ξ учитывает потери тепла, связанные с догоранием части топлива в процессе расширения,

46

теплообмен со стенками камеры сгорания, диссоциацию продуктов сгорания. Его значение следует взять из таблицы 3.7.

Таблица 3.7. Значение коэффициента использования теплоты

У судовых дизелей значение степени повышения давления λ находится в следующих пределах [8]: малооборотные 1,1...1,35; средне- и высокооборотные 1,35...1,55.

Степень предварительного расширения определяется зависимостью:

ρ= β ТZ

λТC

Степень последующего расширения

δ = ερ

По опытным данным значения ρ и δ для цикла смешанного сгорания находятся в пределах ρ = 1,4...1,7 и δ = 8...11.

3.5. Процесс расширения

Основными параметрами, определяющими процесс расширения, являются:

Tz - температура начала расширения; Рz - давление начала расширения;

n2 - показатель политропы расширения; Tе - температура конца расширения; Ре - давление конца расширения. Давление начала расширения равно:

47

ΡZ = β ΡC ТZ

TC

Давление конца расширения:

Ρe = PZ

δ n2

Температура конца расширения:

Тe = δТn2Z−1

Для двигателей МОД и СОД при работе на номинальных режимах показатель политропы расширения n2 =1,2...1,3, у ВОД - n2 = 1,15...1,25.

3.6.Процесс выпуска

В связи с тем, что в момент открытия выпускного клапана давление в цилиндре сравнительно высокое, приходится выпускной клапан открывать с некоторым опережением, несколько ранее прихода поршня в н.м.т., чтобы избежать большого противодавления на поршень и, кроме того, чтобы ускорить и улучшить очистку цилиндра от остаточных газов.

Ввиду того, что характер колебаний давления газов при выпуске не поддаётся точному теоретическому подсчёту, в расчётах обычно вместо переменного давления используют среднее постоянное давление газов в период выпуска Pг .

Это давление выше давления в выпускной трубе Pг' . По практическим данным можно принять [8] Pг = 0,103...,0123 МПа и Pг' = 0,101...0,108 МПа. Меньшие значения относятся к тихоходным двигателям, а большие - к быстроходным. Средняя температура отработавших газов для четырёхтактных ДВС - 350...6000 С, для двухтактных ДВС - 250...5000 С.

48

3.7.Построение расчётной индикаторной диаграммы

Теоретическую диаграмму строят по параметрам расчётного цикла, поэтому её называют также расчётной или проектной. Построение диаграммы начинают с выбора масштабов Р и V. По оси абсцисс откладывают объёмы (м3), а по оси ординат - давление (МПа).

Обозначим

Для нормальных соотношений длины и высоты диаграммы следует принять величину VS Pz (в масштабе) в пределах:

VS Pz = 1,3...1,6.

Далее проводят ось давлений, атмосферную линию и линию впуска. Политропу сжатия можно построить аналитическим или графическим способом. Аналитический способ основан на использовании уравнения политропы сжатия:

Pi Vin1 = Pa Va n1 .

Отсюда

Pi = Pa Va n1 . Vin1

Если принять объём Va =1, то давление Р найдем по формуле:

P = Pa V n1

Изменяя значения V в пределах от 0 до 1, можно вычислить ряд значений P. Значения давлений в масштабе, т.е. ординаты P′ вычисляют по формуле:

P′ = P b = Pa n b , V 1

49

где b - масштаб давлений, мм; P′ - давление, (МПа).

Рис.3.1.Теоретическая диаграмма четырехтактного ДВС.

Длину Va делят на 10 равных частей и, отложив соответствующую ординату P′, находим точки политропы сжатия. Координаты последней точки политропы (Vc ;b pc ).

При построении диаграммы цикла смешанного сгорания положение точки z′ определяется координатами (Vc ;b pz ).

Абсцисса точки z может быть определена из равенства:

Vz = ρ εA

Кривую расширения строят аналогично кривой сжатия. Принимая Vb =Va =1, из уравнения политропы расширения получим:

P′′ = Pb n b V 2

Вычислив ряд значений Р′′, строим кривую политропы расширения.

Далее, выбрав Pr , откладываем его в масштабе и проводим линию выпуска.

50