Воробьев_Теория судовых двигателей

4.При увеличении рк/рт снижается ηt на 4–5 %.

5.ηt увеличивается при повышении Q1' при р = const (растет pz) и

при уменьшении Q1'' при р = const (снижается pz и повышается ηµ).

3.3. СРАВНЕНИЕ ЦИКЛОВ

Сравним теоретические циклы по экономичности из условия:

1)Q1р = Q1v – подведенная теплота и εp = εv – степень сжатия;

2)Q1p = Q1v и εp > εv.

Рис. 3.3. Сравнение циклов

При одинаковых ε и Q1 в цикле с подводом теплоты при p = const отводится большее количество теплоты на величину заштрихованной площади, чем в цикле с подводом теплоты при v = const, значит ηtp < ηtv.

При одинаковой ε pz = λpc будет больше при v = const и меньше p = const. Таким образом, повышение ηt сопровождается ростом рz.. Однако увеличение ηt с повышением λ замедляется, повышение pz не оп-

31

равдывается, т. к. малое возрастание ηt. Поэтому смешанный цикл наиболее целесообразен.

Однако дизели имеют ε = 12–34, а карбюраторные ДВС имеют ε ≤ 10, поэтому, хотя подвод теплоты в дизелях менее экономичен, они имеют выше ηt. С практической точки зрения сравнивают циклы при

одинаковых pz и одинаковых Q1 (см. рис. 3.3) εр > εv, а Qzp < Qzv на величину заштрихованного участка, и ηtр > ηtv. ηt дизеля со смешанным подводом теплоты имеет промежуточное значение, определяемое значением λ и ρ.

3.4. ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ ЦИКЛ

Влияние с = var газов на ηt и другие параметры существенно. Для идеального цикла ср и сv = const, для реальных газов это сложные функции (Т) и ↑ ср и сv с ростом Т.

При изменяющемся составе газов, больше то 2-атомных, то 3- атомных, теплоемкость будет изменяться. Влияние с = var на ηt и другие параметры можно установить по теоретическим расчетным циклам.

Качественное влияние можно проследить по энтропийной диаграмме, если для сравнения изобразить идеальный (с = const) и теоретиче-

ский (с = var) циклы (рис. 3.4).

Изменение энтропии в одних пределах и изменение температур в теоретическом цикле больше, чем в идеальном. В обоих циклах εи = εт;

Q1и - Q2и = Q1т – Q2т; раи = рат; Таи = Тат.

В результате сравнения делаем вывод: в теоретическом цикле количе-

ствоотведеннойтеплоты Q2т > Q2и, pzт и Тzт < рzи и Тzи, Тст и рст < Тси и рси. Следовательно,

3.5. МЕТОДЫ РАСЧЕТА ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ЦИКЛОВ

Создание современного форсированного СДВС – сложный и длительный процесс. Задача конструкторов и ученых при создании новых ДВС заключается в более точном расчетном исследовании ДВС, чтобы уменьшить до min натурные и добавочные (дорогие, длительные) испытания.

Для определения Р и Т, состава продуктов сгорания в характерных точках индикаторной диаграммы (а, с, у, z, b) теоретического цикла, а также работы, экономичности, размеров цилиндра существуют несколько методик с учетом с = var.

32

Методы расчета теоретических циклов делятся на 3 группы:

1)графические (по номограммам);

2)графоаналитические;

3)аналитические.

Расчеты по номограммам позволяют сократить время расчета – основное достоинство для этого метода. Недостаток – ряд допущений; нужно определитьсяболееточносисходнымиданными, чтодаетпогрешности.

Графические методы расчета по энтропийным диаграммам для газов не точны и неприменимы. Аналитические методы расчета с применением современных моделей и вычислительной техники позволяют значительно сократить время проектирования, но необходимо задаваться более точно граничными условиями.

Рис. 3.4. Зависимость теплоемкости от температуры

По таблицам спектрального анализа оцениваются параметры рабочего процесса – широко распространен. Метод В. И. Гриневецкого является классическим, его в дальнейшем усовершенствовали:

1.Е. К. Мазинг уточнил коэффициент остаточных газов, коэффициент активного тепловыделения, уточнил значения теплоемкости (рис. 3.4). Выведено уравнение сгорания и ре.

2.Н. Р. Брилинг предложил расчет теплообмена со стенками КС и политропы теплового баланса.

3.Н. В. Иноземцев, В. К. Кошкин и другие предложили расчет ки-

нетики сгорания, расчеты сгорания ϕ(Т).

4.А. С. Орлин, Д. Н. Вырубов, В. Т. Цветкова разработали расчеты газообмена, смесеобразования, газораспределения.

5.М. М. Масленников, И. М. Ленин, И. И. Вибе предложили методику расчета тепловыделения, тепловой расчет увязали с конструкцией

иэксплуатационными характеристиками.

33

ЛЕКЦИЯ 4 ДЕЙСТВИТЕЛЬНЫЙ ЦИКЛ 4-ТАКТНОГО ДВС

4.1.Действительный рабочий цикл.

4.2.Четырехтактные ДВС.

4.3.Индикаторные диаграммы.

4.1. ДЕЙСТВИТЕЛЬНЫЙ РАБОЧИЙ ЦИКЛ

Действительный (реальный) рабочий цикл СДВС значительно отличается от идеального и теоретического, что объясняется невозможностью соблюдения ранее оговоренных условий. В реальном цикле происходят физические и химические изменения состава газа и его количества. Из-за конечной скорости сгорания и диссоциации продуктов сгорания скрытая теплота топлива выделяется не мгновенно. В процессе расширения происходит догорание, ассоциация диссоциированных газов с выделением теплоты. В реальном цикле с = var, t = var, а также есть тепловые и аэродинамические потери.

Рабочий цикл в СДВС состоит из тактов, что позволяет на рабочем ходу (расширении – сгорании) использовать повышение температуры рабочего тела до 2500 К. Поэтому ДВС имеют наибольшую экономичность. Дальнейшему совершенствованию дизелей способствует изучение теории СДВС. Основа ее – расчет рабочего цикла, что позволяет определить значение основных параметров цикла нового ДВС, условий его работы, факторы, влияющие на процессы в цилиндре, способы улучшения мощностных, экономических и динамических качеств ДВС. Расчет дает значение р, tг(φ), D, S, число цилиндров, а также позволяет решить вопросы, связанные с повышением Nец, надежностью и моторесурсом создаваемых конструкций нового СДВС.

4.2. ЧЕТЫРЕХТАКТНЫЕ СДВС

На рис. 4.1 изображены две индикаторные диаграммы в р-v координатах. Штриховая линия – теоретическая диаграмма, сплошная – действительный цикл дизеля со смешанным подводом теплоты v = cons и p = const. В действительном цикле видны основные отступления от теоретического цикла, которые присущи реальному процессу. В обоих случаях Qp = Qт. Под Qp понимается количество теплоты, затрачиваемой на создание полезной индикаторной работы Li с включением всех потерь, т. е. теплопередачи, от неполноты сгорания топлива к концу расширения и от несвоевременного выделения теплоты в процессе сгорания.

34

В теоретическом цикле поступление свежего заряда и выпуск ОГ происходит без сопротивлений, т. е. линия впуска и выпуска совпадают

ср0. В теоретическом цикле рг = рат = рi. Это условие дает уменьшение площади индикаторной диаграммы теоретического цикла по сравнению

сдиаграммой реального цикла (ат–сти ас) без влияния на использование вводимой теплоты.

Рис. 4.1. Действительный цикл четырехтактного двигателя

Сопротивление на впуске и выпуске исключает возможность в действительном цикле полностью заполнить рабочий объем свежим зарядом, поэтому при изучении реальных циклов необходимо большее внимание уделять коэффициенту, который характеризует несовершенство

наполнения цилиндра ηv. На рис. 4.1 показана площадь, которая характеризует отрицательную работу действительного цикла (рг–ра) vs. Она получена из-за гидравлических потерь во время процессов наполнения и выпуска ОГ.

4.3. ИНДИКАТОРНЫЕ ДИАГРАММЫ

Гидравлические потери на выпуске приводят к уменьшению давления начала сжатия ра, а следовательно, и давления конца сжатия рс.

На уменьшение рс оказывают влияние еще потери теплоты в стенке в процессе сжатия и возможные утечки заряда через кольца, поэтому рст > рс. Из графика видно, что снижение рс в реальном цикле позволяет увеличивать площадь индикаторной диаграммы по линии сжатия а1с1, но это увеличение не приводит к увеличению индикаторной мощности, т. к. в дальнейшем оно перекрывается потерями на линии расширения,

35

что обуславливается снижением максимального давления сгорания рz и вызванного этим снижение всей линии расширения z1b1 в действительном цикле.

При сгорании по изохоре (v = const) по условию в обоих циклах подводится одинаковое количество теплоты (Qт = Q1p), а поэтому при наличии в действительном цикле тепловых потерь в охлаждающую среду недогорание и несвоевременное тепловыделение приводят к снижению линии с1z1 по сравнению с стzг′, а отсюда и к уменьшению максимального давления сгорания рz в связи с увеличением объема КС при перемещении поршня от ВМТ к НМТ. Процесс от z′ к z протекает близко к изобаре, т. е. р = const с несвоевременным выделением теплоты при сгорании топлива и с последующим догоранием на линии расширения. Это приводит к тому, что в реальном цикле степень предварительного расширения ρ по сравнению с теоретическим циклом имеет меньшее значение.

Втеоретическом цикле теплота подводится до zт, и далее идет адиабатное расширение, т. е. без потерь в стенки цилиндра в отличие от реального цикла.

Врезультате приближения процесса к точке z концентрация кислорода уменьшается, скорость сгорания из-за этого снижается и сгорание пере-

носится на линию расширения, что называется догоранием (точка z1). Наименьшее значение продолжительности догорания 45–60 оп.к.в. после ВМТ, но в быстроходных дизелях догорание может продолжаться до откры-

тиявыпускногоклапана(точкаb′).

В первой половине кривой (z1′–z1) обычно развиваются максимальные значения температуры сгорания Тz, что объясняется сильным притоком теплоты от догорания на линии расширения.

Таким образом, теоретический цикл значительно отличается от реального. В нем процесс расширения (начиная от zт) протекает без потерь теплоты, а теплота отводится к холодному источнику только по линии сz′z. В реальном цикле необходимо принудительно удалить ОГ в атмосферу, а из-за сопротивления в выпускной системе давление рг будет

больше р0.

Заблаговременное удаление ОГ (точка b") приводит к уменьшению площади индикаторной диаграммы действительного цикла.

Вывод. Из вышеизложенного следует, что главными потерями действительного цикла являются теплопередача на линии сгорания, сжатия, расширения, а также догорания и неполнота сгорания в цилиндре.

36

ЛЕКЦИЯ 5 ДЕЙСТВИТЕЛЬНЫЙ ЦИКЛ ДВУХТАКТНОГО ДВС

5.1.Действительный рабочий цикл.

5.2.Цикл 2-тактного СДВС.

5.3.Индикаторные диаграммы.

5.1. ДЕЙСТВИТЕЛЬНЫЙ РАБОЧИЙ ЦИКЛ

Действительный (реальный) рабочий цикл СДВС значительно отличается от идеального и теоретического, что объясняется невозможностью соблюдения условий. В реальном цикле происходят физические и химические изменения состава газа, количество его также переменно. Из-за конечной скорости сгорания и диссоциации продуктов сгорания скрытая теплота топлива выделяется не мгновенно. В процессе расширения происходит догорание и ассоциация диссоциированных газов с выделением теплоты. В реальном цикл с = var, t = var, а также есть тепловые и аэродинамические потери.

Рабочий цикл в СДВС состоит из тактов, что позволяет на рабочем ходе (расширении – сгорании) использовать максимальное повышение температуры рабочего тела до 2500 К. Поэтому ДВС имеют наибольшую среди тепловых двигателей экономичность. Дальнейшему совершенствованию СДВС способствует изучение теории СДВС. Основа ее – расчет рабочего цикла, что позволяет определить значение основных параметров цикла нового ДВС, условий его работы, факторы, влияющие на процессы в цилиндре, способы улучшения мощностных, экономических и динамических качеств ДВС. Расчет дает значение р, tг, D, S, число цилиндров, а также позволяет решить вопросы связанные с Nец, надежностью и моторесурсом создаваемых конструкций нового СДВС.

5.2. ЦИКЛЫ 2-ТАКТНОГО СДВС

На рис. 5.1 две индикаторные диаграммы в р-V координатах. Штриховая линия – теоретическая диаграмма, сплошная – действительный цикл дизеля со смешанным подводом теплоты V = cons и p = const. В действительном цикле видны основные отступления от теоретического цикла, которые присущи реальному процессу. В обоих случаях Qp = Qт. Под Qp понимается количество теплоты, затрачиваемой на создание полезной индикаторной работы Li с включением всех потерь: от теплопередачи, от неполноты сгорания топлива к концу расширения и от несвоевременного выделения теплоты в процессе сгорания.

37

В теоретическом цикле поступление свежего заряда и выпуск ОГ происходит без сопротивлений, т. е. линия впуска и выпуска совпадают

ср0. В теоретическом цикле рг = рат = рi. Это условие дает уменьшение площади индикаторной диаграммы теоретического цикла по сравнению

сдиаграммой реального цикла (ат–сти ас) без влияния на использование вводимой теплоты.

Сопротивление на впуске и выпуске исключает возможность в действительном цикле полностью заполнить рабочий объем свежим зарядом, поэтому при изучении реальных циклов необходимо большее внимание уделять коэффициенту, который характеризует несовершенство

наполнения цилиндра ηv. На рис. 5.1. показана площадь, которая характеризует отрицательную работу действительного цикла (рг–ра)Vs и получена из-за гидравлических потерь во время процессов наполнения и выпуска ОГ.

5.3. ИНДИКАТОРНЫЕ ДИАГРАММЫ

Гидравлические потери на выпуске приводят к уменьшению давления начала сжатия ра1, а отсюда и давления конца сжатия рс1.

Рис. 5.1. Действительный цикл двухтактного двигателя

На уменьшение рс1 оказывают влияние еще потери теплоты в стенки в процессе сжатия и возможные утечки заряда через кольца, поэтому рст > рс1. Из графика видно, что снижение рс1 в реальном цикле позволяет увеличивать площадь индикаторной диаграммы по линии сжатия а1с1, но это увеличение не приводит к увеличению индикаторной мощности,

38

т. к. в дальнейшем оно перекрывается потерями на линии расширения, что обуславливается снижением максимального давления сгорания рz и вызванного этим снижение всей линии расширения z1b1 в действительном цикле.

При сгорании по изохоре (V = const) по условию в обоих циклах подводится одинаковое количество теплоты (Qт = Q1p), а поэтому наличие в действительном цикле тепловых потерь в охлаждающую среду, недогорание и несвоевременное тепловыделение приводит к снижению линии с1z1 по сравнению с СтZ′т, а отсюда и к уменьшению максимального давления сгорания рz в связи с увеличением объема КС при перемещении поршня от ВМТ к НМТ. Процесс от z′ к z протекает близко к изобаре, т. е. р = const с несвоевременным выделением теплоты при сгорании топлива и с последующим догоранием на линии расширения. Это приводит к тому, что в реальном цикле степень предварительного расширения ρ по сравнению с теоретическим циклом имеет меньшее значение.

Втеоретическом цикле теплота подводится до zт, и далее идет адиабатное расширение, т. е. без потерь в стенки цилиндра в отличие от реального цикла.

Врезультате приближения процесса к точке z концентрация кислорода уменьшается, скорость сгорания из-за этого снижается и сгорание перено-

сится на линию расширения, что называется догоранием (точка z1). Наименьшее значение продолжительности догорания 45–60 оп.к.в. после ВМТ, но в быстроходных дизелях догорание может продолжаться до открытия выпускногоклапана (точкаb’).

Впервой половине кривой (z1′–z1) обычно развиваются максимальные значения температуры сгорания Тz, что объясняется сильным притоком теплоты от догорания на линии расширения.

Таким образом, теоретический цикл значительно отличается от ре-

ального. В нем процесс расширения (начиная от zт) протекает без потерь теплоты, а теплота отводится к холодному источнику только по линии сz′z. В реальном цикле необходимо принудительно удалить ОГ в атмосферу, а из-за сопротивления в выпускной системе давление рг будет

больше р0.

Заблаговременное удаление ОГ (точка b1′) приводит к уменьшению площади индикаторной диаграммы действительного цикла.

Вывод. Из вышеизложенного следует, что главными потерями действительного цикла являются теплопередача на линии сгорания, сжатия, расширения, догорание и неполнота сгорания в цилиндре.

2-тактные ДВС b1 aa1 – газообмен;

a1c1 – сжатие; c1z1′ – сгорание;

z1b1 – продолжение сгорания.

39

После расчета теоретической индикаторной диаграммы по простым термодинамическим зависимостям (метод Гриневецкого – Мазинга) получают значения рабочего цикла в характерных точках (a c z′ z b), устанавливают экономические и энергетические показатели рассматриваемого дизеля, – это расчетная индикаторная диаграмма. На ее базе путем скругления прямых углов на участках сгорания и газообмена достраивают предполагаемую (действительную) индикаторную диаграмму.

Показателями рабочего и расчетного циклов является индикаторный КПД (ηi), характеризующий экономичность цикла; среднее индикаторное давление рi, оценивающее эффективность цикла.

Индикаторный КПД в отличие от ηt учитывает не только потери теплоты, вызванные отдачей ее холодному источнику Q2, но и потери из-за теплоотдачи стенками цилиндра окружающей среде, а также от неполного сгорания топлива – Qп, т. е. сумму потерь в процессе

Va′ −Vc =Vs – разность максимального и минимального объема рабочего цилиндра, м3.

Далее мы будем рассматривать рабочие процессы, составляющие действительный цикл, и более подробно разбирать показатели экономичности и эффективности цикла, а также основные положения метода расчета цикла.

40