ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ 2

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Термодинамический цикл со смешанным подводом теплоты к рабочему телу реализован в дизелях с механической системой 23 топливоподачи. Сравнение эффективности преобразования теплоты в меха- ническую работу в различных циклах целесообразно представить графически в системе координат T–S. Например, при условии ра- венства степеней сжатия и одинаковом количестве теплоты, под- веденной к рабочему телу v Q1 = Qp 1 (рис. 1.5, а), количество тепло- ты Q2p , отведенной от рабочего тела в цикле с подводом теплоты при р = const, будет больше, чем v Q2 в цикле с подводом теплоты при V = const, т.е. LV > Lp и .t (V=const) > . t (p=const). При условии равенства максимальных температур цикла и одинаковом количестве отведенной теплоты от рабочего тела (рис. 1.5, б), Q1p>Q1V и .t (p=const) > . t (V=const). В рассмотренных циклах (рис. 1.2) отвод теплоты Q2 от ра- бочего тела осуществляется при постоянном объёме. В последние годы заметно увеличилось количество патентов по двигателям с продолженным расширением, что свидетельствует о возрастаю- щем интересе к поиску технических решений для практической реализации термодинамических циклов с продолженным расши- рением, в которых заметно уменьшается теплота Q2, отводимая а б Рисунок 1.5 – Сравнение циклов с подводом теплоты при V = const и р = const и различных условиях сравнения: а – .v . . p , v Q1 Q1 p . ; б – T T p 3 v 3 . , v Q2 Q2 p . 24 от рабочего тела. Впервые цикл с продолженным расширением пытались реализовать Н. Отто и Р. Дизель в четырехтактном трехцилиндровом двигателе, в котором один из цилиндров уве- личенного рабочего объема использовался как расширительный [2]. Однако повышение КПД двигателя было незначительным вследствие повышенных потерь тепла в стенки и потерь работы газов на преодоление сил трения в подвижных сопряжениях де- талей двигателя. Конструкция двигателя при этом существенно усложнилась. Из возможных вариантов термодинамических циклов ДВС с продолженным расширением практический интерес представля- ют, прежде всего, термодинамические циклы с подводом теплоты Q1 к рабочему телу при постоянном объёме и отводом теплоты Q2 от рабочего тела при постоянной температуре (рис. 1.3, а), при постоянном давлении (рис. 1.3, б) и со смешанным отводом теплоты Q2 от рабочего тела (рис. 1.3, в). Эти термодинамические циклы относительно несложно реализовать в двухтактных двига- телях с клапанным газораспределением, непосредственным впрыском топлива, искровым зажиганием топливовоздушной смеси и регулируемыми фазами газораспределения (моментами открытия и закрытия клапанов) [3]. Как и в случае традиционного термодинамического цикла ДВС с подводом теплоты Q1 к рабочему телу при постоянном объёме в рассматриваемых термодинамических циклах с про- долженным расширением (рис. 1.3) подвод теплоты Q1 к рабоче- му телу также осуществляется при постоянном объеме, т.е. . . -1. 1. 1 . 3 . 2 . 1 . . . кдQ Мс T T Мс T V V . (1.17) Отвод теплоты Q2 от рабочего тела в рассматриваемых цик- лах зависит от термодинамического процесса, осуществляемого на участке отвода теплоты от рабочего тела (4–1 на рис. 1.3, а и рис. 1.3, б, 4–5 и 5–1 на рис. 1.3, в). При отводе теплоты от рабо- чего тела при постоянной температуре (Т4 = Т1; рис. 1.3, а), отве- денная от рабочего тела теплота Q2 равна работе сжатия на уча- стке 4–1: д MRT VQ L MRT V .. . . . ln . 1 ln 14 2 4 1 1 , (1.18) 25 где R – газовая постоянная для 1 кг газа. Соответственно термический КПД термодинамического цикла при отводе теплоты Q2 от рабочего тела при постоянной темпе- ратуре, если принять, что с . R .к .1. V , . . . 1. 1 ln 1 1 1 12 . . ... . . . . . . . кд д t к QQ ; (1.19) В случае отвода теплоты от рабочего тела при постоянном давлении (р4 = р1; рис. 1.3, б) . . . . .. . . .. . .. . . .. . .. . . ... ... . . . . . .1 .1 2 4 1 1 к д к д Q Mсp T T MсpT ; (1.20) . 1. 1 1 1 1 12 . . . .. . .. . .. . .. . . . . . . . . . . . . к к д t к QQ . (1.21) При отводе части теплоты Q2. от рабочего тела при постоян- ном объёме и части теплоты Q2. при постоянном давлении (рис. 1.3, в) . . . . 1 1 ; 1 1 2 2 2 4 5 5 1 . .. . . .. . . .. . . . .. . . .. . .. . . .. . .. . . ... ... . . . . . . . . . . . . . д p к д к д pMс T Mc T Q Q Q Mс T T Mc T T V V (1.22) . 1. 1 1 1 1 1 12 . . . .. . .. . . . . .. . .. . . . . .. . .. . .. . .. . . . . . . . . . . . . к д к д к д t к QQ . (1.23) Последняя зависимость термического КПД цикла от пара- метров цикла (1.23) при равенстве степени сжатия и степени расширения (.д = .) преобразуется в зависимость (1.11). Подоб- ные условия для преобразования зависимостей (1.19) и (1.21) не- корректны, поскольку при .д = . равенство давления и темпера- 26 туры в конце расширения и в начале сжатия в термодинамиче- ском цикле возможно только при . = 1 (Q1 = 0). Термический КПД цикла с подводом теплоты Q1 к рабочему телу при постоянном объеме (V3 = V2) и отводе теплоты Q2 от ра- бочего тела при постоянном объеме (V4 = V1, . = .) зависит толь- ко от степени расширения рабочего тела . (кривая 0 на рис. 1.6). Если в термодинамическом цикле с продолженным расширением (рис. 1.3) принять . = 1 и отвод теплоты от рабочего тела Q2 осуществлять при постоянной температуре (кривая 1) термиче- ский КПД цикла будет зависеть и от степени расширения рабоче- го тела . и от степени повышения давления . на участке подвода теплоты к рабочему телу (кривая 1 на рис. 1.6). С увеличением степени сжатия до 8 значения термического КПД циклов с про- долженным расширением рабочего тела как с отво- дом теплоты от рабочего тела при Т = const (кри- вая 1.), так и с отводом теплоты от рабочего тела при р = const (кривая 2), приближаются к значе- ниям термического КПД традиционного цикла ДВС (. = ., V3 = = V2, V4 = V1). При этом повыше- ние термического КПД цикла с продолженным расширением и . = 8 с увеличением степени расширения . с 8 до 24 возрастает примерно на 18 %. Чем ниже будет степень сжатия, тем больше будет повышение термического КПД с уве- личением степени рас- ширения в цикле с про- . Рисунок 1.6 – Зависимость термического КПД цикла с продолженным расширением от степени расширения . при Т4 = Т1 (кривые 1, 1.) и р4 = р1 (кривая 2): 0 – . = .; V4 = V1; . . 1.1 .к.1 t ; 1 – . = 1; Т4 = Т1; . . .к.1 ; 1. – . = 8; Т4 = Т1; . . .1 . . . . к д ; 2 – . = 8; р4 = р1; . .к д . . . . 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 .t 4 8 12 16 20 24 . 1 2 3 4 .t . 1 1 2 0 1. 1. 2 27 долженным расширением. Термический КПД цикла со смешанным подводом теплоты к рабочему телу (Q1=Q1.+Q1. ) и продолженным расширением за- висит и от степени повышения давления . и от степени предва- рительного расширения .. Основной недостаток термодинамических циклов ДВС с продолженным расширением обусловлен потерей значительной части рабочего объема, а соответственно и значительного сниже- ния мощности двигателя. Этот недостаток может быть компенси- рован в двухтактном цикле повышением давления наддува, при- менением регулируемых фаз газораспределения, т.е. уменьшени- ем по мере увеличения нагрузки, например, свыше 50 % от мак- симальной, отношения . .д с 2–2,5 до 1,5. Контрольные вопросы и задания 1. Объясните отличие термодинамических циклов от дейст- вительных. 2. Представьте термодинамические циклы двигателей внут- реннего сгорания в системе координат р–V. 3. Как определяется термический КПД цикла? 4. Какие факторы определяют термический КПД цикла? 5. Как определяется работа газов в термодинамическом цик- ле? 6. Сравните термодинамические циклы с подводом теплоты к рабочему телу при V = const, р = const и отводом теплоты от ра- бочего тела при V = const. 7. Сравните термодинамические циклы с подводом теплоты к рабочему телу при V = const и отводом теплоты от рабочего те- ла при р = const и V = const. 8. Сравните термодинамические циклы с продолженным расширением, подводом теплоты к рабочему телу при V = const и отводом теплоты от рабочего тела при р = const и Т = const. 28 §3. Действительные циклы четырёхтактных двигателей внутреннего сгорания В четырёхтактном двигателе с внешним смесеобразованием и воспламенением топливовоздушной смеси от искры (рис. 1.1, а) воздух из окружающей среды через воздушный фильтр 12 поступает к диффузору карбюратора 13. Скорость потока воз- духа в диффузоре при открытой дроссельной заслонке достигает 100–200 м/с. В диффузор выведен из поплавковой камеры канал 14, по которому подводится к потоку воздуха топливо из поплав- ковой камеры. Поток воздуха распыливает топливо. Капли топ- лива перемешиваются с воздухом, испаряются, образуя топливо- воздушную смесь, которая через впускной клапан 7 поступает в цилиндр. Количество смеси, поступающей в цилиндр, а соот- ветственно и мощность двигателя, зависят от положения дрос- сельной заслонки. Соотношение между количеством воздуха и количеством топлива, поступающего в цилиндр, изменяется при этом незначительно. Такое регулирование мощности называется количественным. Реальные конструкции четырёхтактных двигателей с искро- вым зажиганием и количественным регулированием мощности значительно сложнее (рис. 1.7). В современных двигателях с искровым зажиганием и количественным регулированием мощ- ности вместо карбюратора 5 для образования топливовоздушной смеси используются электронные системы впрыска топлива на впуске (моновпрыск, распределительный впрыск), электронные системы управления и контроля состава топливовоздушной сме- си, каталитические системы нейтрализации вредных веществ в отработавших газах. Все шире используется в двигателях с ис- кровым зажиганием и непосредственный впрыск топлива в каме- ру сгорания с организацией расслоения топливовоздушной смеси, что позволяет значительно расширить пределы обеднения топли- вовоздушной смеси. Перетекание топливовоздушной смеси или воздуха из ок- ружающей среды в надпоршневую полость обусловлено перепа- дом давления на такте впуска между окружающей средой и рабо- чей полостью, так как при движении поршня 8 от ВМТ к НМТ 29 (рис. 1.7) над поршнем возникает разрежение. Такту впуска соот- ветствует перемещение поршня от ВМТ к НМТ, но впускные клапаны 16 открывают с опережением до ВМТ и закрывают с за- паздыванием после НМТ. Рисунок 1.7 – Общий вид (поперечный разрез) четырёхтактного карбюраторного двигателя МеМЗ-245: 1 – блок цилиндров; 2 – цилиндр; 3 – выпускной коллектор; 4 – впускной коллектор; 5 – карбюратор; 6 – коленчатый вал; 7 – шатун; 8 – поршень; 9 – поршневой палец; 10 – прокладка; 11 – головка цилиндров; 12 – прерыва- тель-распределитель; 13 – свеча зажигания; 14 – кулачковый вал; 15 – коро- мысло; 16 – клапан 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 16 15 14 13 12 30 Такту сжатия соответствует перемещение поршня 8 в ци- линдре 2 от НМТ к ВМТ, но действительный процесс сжатия на- чинается после закрытия впускного клапана. В конце такта сжа- тия за 5–40 градусов поворота коленчатого вала (.ПКВ) до ВМТ с помощью электрического разряда на электродах свечи зажигания 13 осуществляют воспламенение топливовоздушной смеси. Во- круг очага воспламенения образуется фронт пламени, распро- страняющийся к стенкам рабочей полости со скоростью 10–80 м/с. Глубина зоны реакции окисления топлив (глубина фронта пламени) составляет 0,2–1 мм. Скорость перемещения фронта пламени зависит от состава топливовоздушной смеси, интенсив- ности турбулизации к концу такта сжатия. В двигателе с внутренним смесеобразованием и воспламе- нением топлива от сжатия (рис. 1.1, б) на такте впуска по каналу 6 в головке цилиндра 2 через щель между клапаном и седлом клапана в цилиндр поступает воздух. Количество воздуха, посту- пающего в цилиндр, в зависимости от скоростного и нагрузочно- го режима работы двигателя зменяется в узких пределах. Мощ- ность двигателя зависит от количества топлива, подаваемого в цилиндр через форсунку 10. Такое регулирование мощности дви- гателя называется качественным, так как сопровождается из- менением соотношения между количеством воздуха и количе- ством топлива, поступающих в цилиндр, т.е. изменением каче- ства смеси. Конструкции четырёхтактных двигателей с воспламенением топлива от сжатия многообразны. В четырёхтактных дизелях для повышения мощности и КПД широко используются системы наддува (с механическим приводом нагнетателя, с газотурбин- ным приводом), промежуточное охлаждение наддувочного воз- духа, газовые силовые турбины с передачей мощности на колен- чатый вал через редуктор. Примером таких дизелей могут быть модификации дизеля Д70, разработанного заводом им. В.А. Ма- лышева совместно с кафедрой двигателей внутреннего сгорания НТУ «ХПИ» с числом цилиндров двенадцать – шестнадцать (рис. 1.8). Расположение цилиндров V-образное с углом развала между осями цилиндров 60.. Объем развала блоков используется в каче- стве впускного ресивера 13 для наддувочного воздуха. После 31 Рисунок 1.8 – Общий вид (поперечный разрез) четырёхтактного дизеля Д70 (16ЧН24/27): 1 – блок цилиндров; 2 – цилиндры; 3 – поршни; 4 – главный шатун; 5 – прицепной шатун; 6 – коленчатый вал; 7 – кулачковые валы топливных насосов и привода клапанов; 8 – топливный насос; 9 – форсунка; 10 – головка цилиндра; 11 – выпускные клапаны; 12 – выпускной коллектор; 13 – впускной коллектор; 14 – коллектора подвода воды; 15 – коллектора отвода воды 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 7 3 15 14 32 турбокомпрессора воздух охлаждается в водовоздушных холо- дильниках. В цилиндры с опережением по отношению к ВМТ поршня с помощью топливных насосов высокого давления 8 и форсунок 9 осуществляют подачу, распыл и распределение топ- лива в объеме камеры сгорания. В дизелях максимальное давление топлива перед форсункой зависит от типа камеры сгорания, особенностей конструкции ди- зеля. К моменту начала поступления топлива в камеру сгорания в зависимости от степени сжатия температура газов достигает 500–700 .С. Вокруг образовавшихся капель топлива, размер ко- торых колеблется от нескольких микрон до нескольких десятков микрон и скорость которых достигает 200–300 м/с, образуются пары топлива. Под воздействием высокой температуры начина- ются процессы разрушения сложных молекул углеводородов то- плива (образуются свободные радикалы – части молекул со сво- бодными валентными связями), их взаимодействие с молекулами кислорода. Процессы нагрева, испарения, диффузии, разрушения моле- кул, образования свободных радикалов и т.д. обусловливают за- держку воспламенения, составляющую 0,001–0,002 с. Началу об- разования устойчивых цепных реакций окисления, сопровож- дающихся интенсивным выделением тепла, соответствует резкое повышение давления в цилиндре. Процесс сгорания начинается за 3 – 5 .ПКВ до ВМТ и продолжается в зависимости от особен- ностей конструкции двигателя, режима работы 30–90 .ПКВ. На такте расширения высокое давление газов воздейст- вует на днище поршня. Поршень через шатун передает давление газов на коленчатый вал. Сила давления газов достигает значи- тельной величины. Например, при максимальном давлении цикла pz = 8 МПа, диаметре цилиндра D = 80 мм сила давления газов на поршень составляет 4,02.104 Н. Работа расширения газов расходуется на преодоление сил трения в подвижных сопряжени- ях деталей (поршень–гильза, подшипники и т.д.), привод вспомо- гательных механизмов (механизма газораспределения, насосов и т.д.), осуществление процессов газообмена, привод машины, со- единенной с коленчатым валом двигателя, накапливается в виде кинетической энергии вращающихся масс (маховика, коленчато- 33 го вала и т.д.), которая необходима для осуществления после- дующих тактов. В четырёхтактных двигателях за тактом расширения следует такт выпуска. Для снижения затрат энергии на удаление отрабо- тавших газов из цилиндра двигателя, выпускной клапан откры- вают с некоторым опережением по отношению к НМТ. Фаза опережения открытия выпускного клапана .1 = 40–65 .ПКВ (рис. 1.9). Давление газов в цилиндре в этот момент выше, чем давление окружающей среды. Истечение газов происходит с большой скоростью и до момента достижения поршнем НМТ значи- тельная часть газов по массе (до 40 %) уходит из цилиндра. К этому моменту увеличивается площадь про- ходного сечения клапана, что также снижает затраты энергии на удаление газов из цилиндра. На большей части такта выпуска газы из цилиндра уда- ляют принудительно поршнем, пере- мещающимся к ВМТ. Выпускной клапан закрывают после достижения поршнем ВМТ (.3 = 10–30 .ПКВ за ВМТ) с тем, что- бы возможно большая часть отрабо- тавших газов была удалена из цилин- дра. В начале такта впуска давление газов в надпоршневой по- лости выше, чем давление воздуха или топливовоздушной смеси во впускном канале, поэтому истечение газов из цилиндра про- должается и за ВМТ как через выпускной, так и через впускной каналы. Впускной клапан открывают обычно с некоторым опереже- нием к ВМТ (.2 = 10–30 .ПКВ) с тем, чтобы к началу такта впус- ка площадь проходного сечения клапана достигла значений, при которых не так резко возрастало бы разрежение в цилиндре. При этом снижается также и максимальное разрежение в цилиндре на такте впуска, что уменьшает затраты энергии на осуществление процесса впуска. Однако увеличение опережения открытия Рисунок 1.9 – Диаграмма фаз газораспределения четырёх- тактного двигателя 34 впускного клапана до ВМТ приводит к увеличению заброса отра- ботавших газов во впускной канал. Впускной клапан закрывают с запаздыванием по отноше- нию к НМТ (40–60 .ПКВ), так как в начале такта сжатия давле- ние в рабочей полости обычно ниже, чем давление перед впуск- ными клапанами. Рабочим телом в реальном цикле ДВС является смесь газов, состав и количество которых зависят от угла поворота коленчато- го вала и режима работы двигателя. Реальный цикл может быть представлен как в системе координат p–., так и в системе коор- динат p–V (рис. 1.10 и рис. 1.11). Рассмотрим реальный цикл че- тырёхтактного ДВС с воспламенением топлива от сжатия, начи- ная с момента открытия выпускных клапанов (точка е). В точке е на такте расширения, когда давление в цилиндре в 3–5 раз выше, чем давление в выпускном канале, кулачковый ме- ханизм привода клапанов начинает открывать выпускные клапа- ны (рис. 1.10 и 1.11). Угол опережения открытия выпускных кла- панов .1 составляет, в зависимости от особенностей конструкции двигателя и частоты вращения коленчатого вала, 40–65 .ПКВ до НМТ. За угол поворота кривошипа от точки е до точки b (НМТ) из цилиндра уходит 30–40 % продуктов сгорания, что су- щественно снижает затраты энергии на выталкивание отработав- ших газов из цилиндра на такте выпуска (от точки b до точки r). Максимального значения площадь проходных сечений выпуск- ных клапанов fвып достигает примерно к середине такта выпуска (рис. 1.10). За 10–30 .ПКВ до ВМТ на такте выпуска кулачковый механизм привода впускных клапанов начинает открывать впу- скные клапаны (точка d). К этому углу ПКВ проходные сечения выпускных клапанов еще значительны, что исключает значи- тельное повышение давления газов в цилиндре к концу такта вы- пуска. Закрываются выпускные клапаны в точке е. (10–30 .ПКВ после ВМТ на такте впуска). На участке индикаторной диаграм- мы от точки d до точки е. впускные и выпускные клапаны откры- ты – участок перекрытия клапанов. Так как в начале открытия впускных клапанов (до ВМТ) давление газов в цилиндре значительно выше, чем давление воз- 35 Рисунок 1.10 – Индикаторная диаграмма четырёхтактного дизеля в координатах р–.: точка е – начало открытия выпускного клапана; .1 – опережение открытия выпускного клапана (40–65 .ПКВ до НМТ); точка b – конец расширения; точка d – начало открытия впускного клапана; .2 – опережение открытия впускного кла- пана (10– 30 .ПКВ до ВМТ); точка r – конец такта выпуска; точка е. – закрытие выпускного клапана; .3 – запаздывание закрытия выпускного клапана (10–30 .ПКВ после ВМТ); точка а – конец такта впуска; точка V – закрытие впускного клапана; .4 – запаздывание закрытия впускного клапана (40–65 .ПКВ после НМТ); точка п – начало подачи топлива; точка в – начало видимого сгорания; .п – угол опережения подачи топлива; .i – период задержки воспламенения; точ- ка с – конец такта сжатия; р0 – давление атмосферного воздуха; рс – давление конца сжатия; рz – максимальное давление цикла; fвп, fвып – площа- ди проходного сечения впускных и выпускных клапанов d r e. a e e b e. d r V V в .і fвып fвып Впуск Сжатие Сгорание – расширение Выпуск e. ПКВ 36 духа во впускном канале, происходит заброс отра- ботавших газов во впуск- ной канал. Однако количество отработавших газов, по- ступающих во впускной канал на такте выпуска (до ВМТ), незначительно (не более 1–2 % от вели- чины свежего заряда). Наличие опережения от- крытия впускных клапа- нов позволяет увеличить площадь проходных се- чений впускных клапа- нов к началу такта впус- ка, уменьшить разреже- ние в цилиндре на такте впуска, а соответственно и затраты работы на осуществление такта впуска. Максимального значения площадь проходных сечений впускных клапанов достигает примерно к середине такта впуска (рис. 1.10). Впускной клапан закрывается за 40–60 .ПКВ за НМТ, так как в начале такта сжатия давление газов в цилиндре заметно ни- же давления во впускном коллекторе и свежий заряд продолжает поступать в цилиндр. Совершенство процессов газообмена четырёхтактных ДВС без наддува характеризуется коэффициентом остаточных газов, коэффициентом наполнения и работой, затрачиваемой на осу- ществление газообмена. Коэффициент остаточных газов – отношение массы ос- таточных газов М. к массе свежего заряда Мсв.зар, поступивше- го в цилиндр, Рисунок 1.11 – Индикаторная диаграмма четырёхтактного дизеля в координатах p–V н.п b a r d e. c Vc Vh Li Li pi с в п е V z 37 Mсв.зар M. . . . (1.24) Коэффициент наполнения – отношение массы свежего за- ряда Мсв.зар к массе потенциального заряда Мh (количество све- жего заряда, которое могло бы находиться в рабочем объеме цилиндра при давлении и температуре окружающей среды – Мh = .0Vh), Mh M V . . св.зар . (1.25) Работа, затрачиваемая на процессы газообмена, пропорцио- нальна площади диаграммы между кривыми изменения давления в цилиндре на тактах выпуска и впуска (рис. 1.11) и равна сумме работ на выталкивание отработавших газов из цилиндра на такте выпуска Lвып и на впуск свежего заряда Lвп, Lн.п = Lвып + Lвп. (1.26) В ДВС с искровым зажиганием . = 0,05–0,10; .V = 0,80–0,90; удельная работа насосных потерь lн.п = 0,04–0,10 Дж/см3. В четы- рехтактных дизелях без наддува коэффициент остаточных газов . < 0,04, вследствие более высокой степени сжатия (меньшего объема камеры сжатия), а с наддувом – . = 0–0,03. В двигателях с наддувом коэффициент наполнения, отне- сенный к условиям перед впускными клапанами hs s M M V . . св.зар , где Mhs . .sVh – потенциальный заряд при условиях перед впускными клапанами; .s – плотность воздуха перед впускными клапанами. Важными показателями совершенства процессов газообмена в четырёхтактных дизелях с наддувом являются также коэффи- циент избытка продувочного воздуха . (отношение массы воз- духа Ms, поступившего в цилиндр, к массе потенциального заряда Mhs при условиях на впуске) и коэффициент утечки продувочно- 38 го воздуха . (отношение массы воздуха Мут, ушедшего из цилинд- ра при продувке, к массе воздуха Ms, поступившего в цилиндр): hs s M . . M ; (1.27) . . . . . . . . s s s s V MM M M M ут св.зар 1 . (1.28) Значения . в четырехтактных дизелях с наддувом не пре- вышают 1,1; . = 0,05–0,10. Удельная работа насосных потерь при использовании над- дува и значительном превышении давления на впуске по сравне- нию с давлением на выпуске может быть и отрицательной (рабо- та газов на впуске больше работы газов на выпуске). Действительный процесс сжатия начинается с момента за- крытия впускных клапанов (точка V) и при отключении подачи топлива заканчивается в точке с. Давление и температура газов в точке с зависят от степени сжатия. Работа, затрачиваемая на про- цесс сжатия в предположении, что процесс сжатия начинается от точки а (рис. 1.11), сж .1 . . c c c a a n L PV P V , (1.29) где nс – среднее значение показателя политропы сжатия. Подача топлива в зависимости от частоты вращения колен- чатого вала начинается за 10–30 .ПКВ до ВМТ (точка п) и про- должается 20–60 .ПКВ. Количество топлива, подаваемого в ци- линдр автотракторного дизеля, в зависимости от рабочего объема цилиндра и нагрузки составляет 5–100 мм3/цикл. Максимальное давление впрыска топлива в современных дизелях составляет 30 МПа (вихрекамерные дизели) – 200 МПа (непосредственный впрыск). Скорость поступления топлива может достигать 200– 400 м/с. Поэтому, значительная часть капель имеют диаметр меньше 10 мкм. Температура газов в цилиндре к моменту начала подачи топлива превышает 500–700 .С. Под воздействием высо- кой температуры происходит испарение топлива с поверхности капель, распад молекул углеводорода, начинаются реакции окис- 39 ления. Реакции окисления углеводородов многостадийные, носят цепной характер. В точке в (за 3–5 .ПКВ до ВМТ) начинается ла- винообразное нарастание очагов реакций окисления, возрастает давление и температура газов. Время от момента начала подачи топлива (точка п) до момента начала интенсивного роста дав- ления (точка в) составляет 0,001–0,002 с и называется перио- дом задержки воспламенения (.i). Максимального значения давление газов в цилиндре дости- гает за 15–20 .ПКВ после ВМТ (точка z). Участок диаграммы от точки в до точки z называется видимым сгоранием. Процесс вы- горания топлива продолжается и после точки z. Продолжитель- ность сгорания 30–90 .ПКВ. Процесс расширения газов продол- жается до НМТ (рис. 1.10 и рис. 1.11, точка b). Работа расшире- ния газов в двигателях с искровым зажиганием . . 2 .1 . . . . . p z z b b z c z с p n L p р V V p V p V ; (1.30) в двигателях с воспламенением топлива от сжатия . . .1 . . . . p z z b b p z z c n L p V V p V p V , (1.31) где nр – среднее значение показателя политропы расширения. Индикаторная (полезная) работа газов в цилиндре за цикл пропорциональна площади индикаторной диаграммы (рис. 1.11) Li = Lp – Lcж. (1.32) Удельная индикаторная работа газов в цилиндре, Дж/м3, Дж /см3: hi i Vl . L . (1.33) Если на основании Vh построить прямоугольник, пло- щадь которого будет равна площади индикаторной диаграммы (рис. 1.11), то высота этого прямоугольника будет равна средне- му индикаторному давлению рi = Li /Vh, характеризующему, как и li, уровень форсировки двигателя по мощности. Среднее индика- торное давление – условное постоянное давление, при воздейст- вии которого на поршень за один ход поршня от ВМТ к НМТ 40 выполняется работа, равная индикаторной работе газов за цикл. По абсолютной величине среднее индикаторное давление равно удельной индикаторной работе газов рi = .li.. Индикаторная мощность двигателя (индикаторная работа газов в цилиндрах двигателя за 1 с) при частоте вращения колен- чатого вала n [об/мин], и числе цилиндров z, кВт: Ni = к Li 10–3, (1.34) где к = n z 60 1 2 – количество рабочих циклов в четырёхтактном двигателе за 1 с; z – число цилиндров. Эффективность преобразования химической энергии топ- лива Qт.х в индикаторную работу газов (степень совершенства рабочих процессов) характеризуется индикаторным КПД, пред- ставляющим отношение индикаторной работы газов (за цикл или за час) к химической энергии топлива, поступившего в дви- гатель (за цикл или за час): т.х ц н ч н 3600B QN B Q L QLi i i .i . . . , (1.35) или удельным индикаторным расходом топлива, кг/(кВт.ч), i i Ng . Bч , (1.36) т.е. н 3600 giQ .i . , (1.37) где Вц – цикловая подача топлива; Вч – часовой расход топлива; Qн – низшая теплота сгорания топлива. Индикаторная работа газов расходуется на преодоление сил трения в подвижных сопряжениях – Lтр; привод вспомогатель- ных агрегатов (масляного, водяного и топливного насосов, вен- тилятора, генератора и т.д.) – Lвсп ; на осуществление процессов газообмена – Lн.п и на полезную работу – Lе . Эффективная работа газов за цикл, Дж, Lе = Li – (Lтр + Lвсп + Lн.п). (1.38) 41 Удельная эффективная работа газов, Дж/см3, he e V l . L . (1.39) Среднее эффективное давление, Па, he e Vр . L . (1.40) Эффективная мощность (работа на коленчатом валу за 1 с), кВт, 3 10 3 60 1 2 Ne . к Le10. . n z Le . . (1.41) Эффективный КПД т.х ц н ч н 3600B QN B Q Le QLe e .e . . . . (1.42) Удельный эффективный расход топлива, кг/(кВт.ч), нч Qg B e . . (1.43) Механический КПД, характеризующий степень совершенст- ва конструкции двигателя по уровню потерь мощности на трение, газообмен, привод вспомогательных агрегатов, i i e N N NN м .м . . 1. , (1.44) где Nм = к(Lтр + Lвсп + Lн.п ).10–3 – мощность механических по- терь. Таким образом, эффективный КПД м ч н 3600 м . . . . . . i i e B QN . (1.45) Эффективный КПД характеризует степень совершенства рабочих процессов (через индикаторный КПД) и степень совер- шенства конструкции двигателя по уровню механических потерь (через механический КПД). 42 Индикаторный КПД двигателей с искровым зажиганием .i = = 0,35–0,45; двигателей с воспламенением от сжатия 0,45–0,50; эффективный КПД на режимах максимальной мощности соот- ветственно 0,20–0,30 и 0,35–0,45. Контрольные вопросы и задания 1. Представьте действительный цикл четырёхтактного ДВС в системе координат р–.. 2. Объясните особенности процессов газообмена в четырёх- тактном ДВС и постройте диаграмму фаз газораспределения. 3. Какие процессы происходят в надпоршневой полости на такте сжатия и на такте сгорания–расширения в карбюраторном ДВС и в дизеле? 4. Объясните, как определяются в четырёхтактных двигате- лях: . индикаторные показатели; . механические потери и механический КПД; . эффективные показатели. 5. Решите следующие задачи: Задача 1. В четырёхтактном четырёхцилиндровом двигате- ле с искровым зажиганием S = D = 100 мм, частота вращения ко- ленчатого вала n = 5000 мин–1, эффективная мощность Nе = 100 кВт, удельная работа механических потерь, включая и насосные, lм = 0,30 Дж/см3; индикаторный КПД – 0,4; низшая теплота сго- рания топлива Qн = 44000 кДж/кг. Определить: среднюю ско- рость поршня, литраж двигателя; среднее индикаторное и сред- нее эффективное давления, механический и эффективный КПД; удельный индикаторный и удельный эффективный расход топли- ва, часовой расход топлива и цикловую подачу топлива. Задача 2. Определить эффективную мощность, эффектив- ный и индикаторный КПД четырёхтактного четырёхцилиндрово- го дизеля, если диаметр цилиндра D и ход поршня S равны 80 мм, частота вращения коленчатого вала 5000 об/мин, удельная инди- каторная работа li = 1 Дж/см3, механический КПД .м = 0,85, 43 удельный эффективный расход топлива 0,2 кг/(кВт.ч), низшая те- плота сгорания Qн = 42000 кДж/кг. §4. Действительные циклы двухтактных двигателей внутреннего сгорания Термодинамические циклы ДВС не зависят от тактности, но действительные циклы двухтактных и четырехтактных ДВС за- метно отличаются. Действительный цикл двухтактного ДВС осуществляется за 2 такта (один оборот коленчатого вала). В за- висимости от особенностей осуществления процессов газообмена двухтактные ДВС подразделяются на двухтактные ДВС с пря- моточной клапанно-щелевой продувкой (рис. 1.12, а), с петлевой продувкой (рис. 1.12, б), с поперечной продувкой (рис. 1.12, в), с прямоточной щелевой продувкой (например, ДВС с противопо- ложно движущимися поршнями – рис. 1.13). Рассмотрим принцип работы двухтактного ДВС на примере двухтактного двигателя с прямоточной клапанно-щелевой про- дувкой (рис. 1.12, а). В двухтактном двигателе при любой схеме осуществления процессов газообмена имеется нагнетатель для принудительной подачи воздуха к продувочным окнам. В рассматриваемой схеме продувки это ротационный нагнетатель 8, подающий воздух с избыточным давлением рк к продувочным окнам 2 в стенках ци- линдра 1. На такте расширения при движении поршня 3 к НМТ за 60–80 .ПКВ до НМТ с помощью механизма газораспределения открывается выпускной клапан 6 (точка е на рис. 1.12, г), и про- дукты сгорания из цилиндра перетекают в выпускной канал, так как давление газов в цилиндре в момент начала открытия вы- пускного клапана в 4–5 раз выше давления рт в выпускном кана- ле. Давление газов в цилиндре снижается как вследствие истече- ния газов в выпускной канал, так и вследствие увеличения над- поршневого объема. Когда давление газов в цилиндре уменьшит- ся до значения примерно равного давлению воздуха рк перед 44 продувочными окнами (точка d на рис. 1.12, г), кромка поршня 3 начинает открывать продувочные окна 2 в стенке цилиндра 1 и воздух через продувочные окна 2 начинает поступать в цилиндр, оттесняя продукты сгорания к выпускному клапану 6. Процесс продувки надпоршневой полости продолжается до точки V (рис. 1.12, г), когда поршень, перемещаясь от НМТ к ВМТ, пере- кроет продувочные окна 2. Затем с помощью механизма газорас- пределения закрывается клапан 6 (точка е.) и начинается процесс сжатия. Степень совершенства процессов газообмена в двухтактных ДВС оценивается теми же показателями (., .Vs, ., .), что и в че- тырехтактных ДВС с наддувом. В зависимости от схемы продув- ки и степени совершенства процессов газообмена . = 1,2–1,8; .Vs = 0,5–0,9; . = 0,05–0,30; . = 0,2–0,5. В двухтактных ДВС с петлевой продувкой (рис. 1.12, б) и поперечной продувкой (рис. 1.12, в) моменты открытия и закры- тия выпускных и продувочных окон определяются перемещени- ем поршня, т.е. фазы газораспределения симметричны относи- тельно НМТ поршней (рис.1.14), а в двухтактных двигателях с противоположно движущимися поршнями – симметричны отно- сительно внешних мертвых точек (НМТ) выпускного А и впуск- ного В поршней (рис. 1.13). Механизм процессов газообмена в ДВС с рассматриваемыми схемами продувки тот же, что и в двухтактном ДВС с прямоточной клапанно-щелевой продувкой. В двухтактных ДВС с противоположно движущимися поршнями для увеличения продолжительности сгорания топлива при положении поршней у ВМТ (при минимальном объеме рабо- чей полости), уменьшения работы расширения газов, передавае- мой впускным поршнем В на коленчатый вал (рис. 1.13), а соот- ветственно и нагрузок на механизм синхронизации вращения ко- ленчатых валов, соединение коленчатых валов осуществляют та- ким образом, чтобы впускной поршень В достигал внутренней мертвой точки (ВМТ) на 10–15 .ПКВ позже, чем выпускной поршень А. 45 Рисунок 1.12 – Принципиальные схемы продувки двухтактных ДВС (а – прямоточная клапанно- щелевая, б– петлевая, в – поперечная) и диаграмма фаз газораспределения (г): 1 – цилиндр; 2 – впускные окна; 3 – поршень; 4 – головка цилиндров; 5 – форсунка; 6 – выпускной клапан; 7 – глушитель; 8 – нагнетатель а г e e б в d e d e. V 46 Процессы сжатия, воспламенения, сгорания и расширения в двухтактных двигателях внутреннего сгорания протекают так же, как и в четырехтактных ДВС (рис. 1.14). Индикаторные диаграм- мы двухтактных ДВС отличаются от индикаторных диаграмм че- тырехтактных ДВС только на участках диаграмм, соответствую- щих процессам газообмена. На такте сжатия за 10–30 .ПКВ до ВМТ через отверстия распылителя форсунки (диаметр отверстий распылителя 0,2–0,5 мм) в цилиндр поступает топливо (точка п на рис. 1.14). Подача топлива к форсунке осуществляется с помощью топливного на- соса высокого давления. Максимальное давление топлива перед форсункой в современных системах топливоподачи дизелей мо- жет достигать давлений, превышающих 100 МПа. Начало подъе- ма иглы распылителя зависит от начального давления затяжки пружины форсунки (15–30 МПа). Скорость топлива на выходе из отверстий распылителя достигает 200–400 м/с. При этом проис- ходит распад струй топлива, образуются факелы капель распы- ленного топлива. Значительная часть капель (по массе) имеют диаметр не более 10 мкм. Рисунок 1.13 – Прямоточная щелевая схема продувки: А – выпускной поршень; В – впускной поршень d d e e. e V А В 47 Температура воздуха в цилиндре к моменту начала по- дачи топлива достигает 500–700 .С. Движущиеся с большой ско- ростью капли топлива разогреваются, топливо с поверхности ка- пель испаряется и пары топлива, перемешиваясь с воздухом, об- разуют топливовоздушную смесь. Молекулы углеводородов топ- лива при высоких температурах начинают распадаться и, сталки- ваясь с молекулами кислорода, вступают с ними в реакцию. На Рисунок 1.14 – Индикаторные диаграммы двухтактного ДВС в системе координат р–. (а) и p–V (б) fвп, fвып е d е d е. V z z V d е е. а б в в fвып fвып 48 процессы разогрева капель топлива, испарение, предпламенные реакции уходит 0,001–0,002 с. Затем (за 3–5 .ПКВ до ВМТ) начи- нается многоочаговое воспламенение паров топлива (точка в на рис. 1.14), сопровождающееся значительным выделением тепла, повышением давления. Реакции окисления углеводородов топли- ва носят цепной характер, протекают с большими скоростями, и на участке от точки в до точки z (точка, соответствующая макси- мальному давлению сгорания – рис. 1.14) сгорает 75–85 % посту- пившего в цилиндр топлива. Продолжительность подачи топлива в зависимости от ре- жима работы дизеля составляет 10–60 .ПКВ, продолжительность сгорания – 30–90 .ПКВ. На участке расширения после точки z в цилиндре происходит догорание топлива, расширение продуктов сгорания, теплообмен между продуктами сгорания и стенками цилиндра. При этом 10–15 % от теплоты сгоревшего топлива те- ряется в стенки. Процесс расширения продолжается до точки е и затем цикл повторяется. В случае, когда двигатель двухтактный с искровым зажига- нием и топливовоздушная смесь образуется вне цилиндра двига- теля (двигатели с внешним смесеобразованием) или на такте сжа- тия при непосредственном впрыске топлива (внутреннее смесе- образование) .4, 5., воспламенение топливовоздушной смеси осуществляется с помощью электрического разряда на электро- дах свечи зажигания. При этом реакции окисления углеводородов топлива происходят во фронте пламени, перемещающегося от электродов свечи зажигания со скоростью 10–50 м/с. Глубина зо
Форма входа
Поиск
Друзья сайта
  • Официальный блог
  • Сообщество uCoz
  • FAQ по системе
  • Инструкции для uCoz
  • Статистика

    Онлайн всего: 1
    Гостей: 1
    Пользователей: 0