Дьяченко В.Г. Теория двигателей внутреннего сгорания

Подождите немного. Документ загружается.

го воздуха  (отношение массы воздуха М

ут

, ушедшего из цилинд-

ра при продувке, к массе воздуха M

, поступившего в цилиндр):

 ; (1.27)











св.зарут

. (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





aacc

VPVP

L , (1.29)

где n

– 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 мм

/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-

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 (

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

 

12 









bbzz

сz

VpVp

рp

L ; (1.30)

в двигателях с воспламенением топлива от сжатия

 

1





bbzz

czzp

VpVp

VVpL , (1.31)

где n

– среднее значение показателя политропы расширения.

Индикаторная (полезная) работа газов в цилиндре за цикл

пропорциональна площади индикаторной диаграммы (рис. 1.11)

= L

– L

cж

. (1.32)

Удельная индикаторная работа газов в цилиндре, Дж/м

Дж /см

l  . (1.33)

Если на основании V

построить прямоугольник, пло-

щадь которого будет равна площади индикаторной диаграммы

(рис. 1.11), то высота этого прямоугольника будет равна средне-

му индикаторному давлению р

= L

, характеризующему, как и

, 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

выполняется работа, равная индикаторной работе газов за цикл.

По абсолютной величине среднее индикаторное давление равно

удельной индикаторной работе газов р

= l

.

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:

= к L

–3

, (1.34)

где к = z

– количество рабочих циклов в четырёхтактном

двигателе за 1 с; z – число цилиндров.

Эффективность преобразования химической энергии топ-

лива Q

т.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):

нчнцт.х

3600

iii



, (1.35)

или удельным индикаторным расходом топлива, кг/(кВтч),

 , (1.36)

т.е.

3600

 , (1.37)

где В

– цикловая подача топлива; В

– часовой расход топлива;

– 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,

= L

– (L

тр

+ L

всп

+ L

н.п

). (1.38)

Удельная эффективная работа газов, Дж/см

l  . (1.39)

Среднее эффективное давление, Па,

р  . (1.40)

Эффективная мощность (работа на коленчатом валу за

1 с), кВт,





eee

LкN . (1.41)

Эффективный КПД

нчнцт.х

3600



. (1.42)

Удельный эффективный расход топлива, кг/(кВтч),

 . (1.43)

Механический КПД, характеризующий степень совершенст-

ва конструкции двигателя по уровню потерь мощности на трение,

газообмен, привод вспомогательных агрегатов,

1  , (1.44)

где N

= к(L

тр

+ L

всп

+ L

н.п

)10

–3

– мощность механических по-

терь.

Таким образом, эффективный КПД

нч

3600







. (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).

Индикаторный КПД двигателей с искровым зажиганием 

= 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 N

= 100

кВт, удельная работа механических потерь, включая и насосные,

= 0,30 Дж/см

; индикаторный КПД – 0,4; низшая теплота сго-

рания топлива Q

= 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 l

= 1 Дж/см

, механический КПД 

= 0,85,

удельный эффективный расход топлива 0,2 кг/(кВтч), низшая те-

плота сгорания Q

= 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 р

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 р

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 р

перед

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 (, 

, , ), что и в че-

тырехтактных ДВС с наддувом. В зависимости от схемы продув-

ки и степени совершенства процессов газообмена  = 1,2–1,8;



= 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.

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



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



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)

вп

вып



вып