Действительное протекание рабочего цикла четырехтактного дизельного двигателя

Действительное протекание цикла дизельного двигателя отличается от описанного выше. Это обусловлено несколькими факторами, учитываемы­ми при разработке ДВС. Начнем рассмотрение действительного цикла с точки D индикаторной диаграммы (рис. 10.26). Выбор этой точки в качестве исходной связан исключительно с удобством изучения.

В процессе расширения DZ‘-B поршень перемещается к НМТ. Объем цилиндра увеличивается, а давление рабочего тела уменьшается. При под­ходе поршня к НМТ (точка b\) начинает открываться выпускной клапан, поэтому давление в цилиндре двигателя резко падает. Отработавшие газы выходят из цилиндра, так как их давление больше атмосферного. После прохождения НМТ поршень движется к ВМТ при полностью открытом вы­пускном клапане. При этом происходит выталкивание отработавшего тела из цилиндра. Так как выпускная система (каналы) оказывает сопротивле­ние потоку газа, давление остающегося в цилиндре рабочего тела в процессе выпуска больше атмосферного. По этой причине линия выпуска &1-6-Г-62 располагается выше линии атмосферного давления р0. В процессе выпуска в точке ах начинает открываться выпускной клапан. В момент прихода поршня в ВМТ (точка г) впускной клапан полностью открывается, а выпускной начинает закрываться. В точке 62 выпускной клапан полностью закрывается, а впускной находится в открытом состоянии. Таким образом, процесс выпуска отработавшего тела изображается линией bi-b-r-b?, а такт выпуска линией Ь-г.

В процессе впуска в цилиндре расширительной машины создается раз­режение, обусловленное сопротивлением впускной системы потоку воздуха, поэтому в процессе впуска давление воздуха, поступившего в цилиндр, несколько меньше атмосферного. В этом случае на индикаторной диаграм­ме (рис. 10.26) линия впуска располагается ниже линии атмосферного дав­ления. В момент прихода поршня в НМТ (точка а) начинает закрываться впускной клапан. При движении поршня к ВМТ на участке a-a2 происхо­дит дополнительное наполнение цилиндра воздухом за счет инерции потока воздуха. В точке а2 впускной клапан полностью закрывается и происходит процесс сжатия.

В процессе сжатия давление и температура рабочего тела увеличи­ваются. В некоторый момент времени температура находящегося в ци­линдре двигателя воздуха из-за сжатия превышает температуру самовос­пламенения топлива. Температура самовоспламенения топлива нефтяного происхождения при давлении воздуха 3.5… 4.5 МПа лежит в пределах 200…250°С. В точке к процесса сжатия с помощью топливного насоса высокого давления начинается впрыск топлива в цилиндр расширительной машины. В результате распыления происходит испарение его мельчайших капель. При приближении поршня к ВМТ топливо воспламеняется (точка га). В этот момент давление рабочего тела резко возрастает. Процесс сжатия рабочего тела в этом случае идет по линии m-d.

Процесс сжатия по описанным ранее причинам является политропиче­ским. При этом в процессе сжатия показатель политропы сжатия изменяет­ся. В инженерной практике для упрощения расчетов значение показателя политропы сжатия усредняют, используя результаты экспериментальных исследований. Для дизельных двигателей среднее значение показателя политропы сжатия примерно равно щ = 1.35… 1.42. Значения параметров рабочего тела в расчетной точке с определяют по формулам (10.76).

Максимальное давление рабочего тела достигается после прохождения поршнем ВМТ (точка z’). В последующем скорость нарастания давления рабочего тела по углу поворота коленчатого вала уменьшается и далее происходит падение давления, что вызвано увеличением объема цилиндра из-за перемещения поршня к НМТ. В процессе расширения рабочим телом совершается полезная работа Wpacm. В точке D цикл замыкается[39].

Для определения параметров рабочего тела в расчетной точке Z (рис. 10.26) используют уравнение сгорания для расчетного цикла. В соот­ветствии с расчетной схемой цикла (рис. 10.24) общее количество тепловой энергии Qi, подведенной к рабочему телу в процессе сгорания топлива, можно условно разделить на две части:

• первая часть Qc-y подводится к рабочему телу при постоянном объеме

(Vc-y = idem);

• вторая часть QyZ подводится к рабочему телу при постоянном давлении

(Py-z — idem).

Общее количество подводимой к рабочему телу тепловой энергии, вы­деляющейся при сгорании топлива, равно

Qi = Q^y + Qy-z. (10.103)

В соответствии с первым законом термодинамики подведенная к рабо­чему телу энергия в тепловой форме идет в общем случае на изменение его внутренней энергии AU и преобразуется в механическую форму W. В этом случае можно записать, что

Q1 = UZ-UC + W. (10.104)

Количество тепловой энергии, подведенной к рабочему телу в процессе сгорания топлива к моменту достижения точки Z (рис. 10.26), определяется по формуле (10.84).

Изменение внутренней энергии рабочего тела в процессе CYZ равно

У г — UС = {Псг + Пост) и" — (Щ + П^) U , (10.105)

Где псг — количество продуктов сгорания, образующихся в процессе сгора­ния топлива; п^ — количество остаточных газов; щ — количество воздуха, поступившего в цилиндр двигателя в процессе впуска; и" — среднее значение удельной внутренней энергии продуктов сгорания топлива в интервале температуры от 0 до Т2; и\%е — среднее значение удельной внутренней энергии воздуха в интервале температуры от 0 до Тс.

Количество тепловой энергии, преобразующейся в механическую форму на участке YZ, равно

W = pzVz-pyVy=pzVz-pzVc, \py=pz; Vy = Vc]. (10.106)

С учетом выражения (9.77) выражение (10.106) можно представить в виде

W = pzVz-\pcVc. (10.107)

В соответствии с уравнением состояния идеального газа (PV = пКГ) Можно записать, что

PzVz = {nCT + n0Crt)KTz Л

РсК = (щ+По^ЯГс J’ (1°’108)

Подставив выражения (10.108) в выражение (10.107), получим

W = (псг + Пос^ДГ* + (щ + Пост)АЛТс. (10.109)

Подставляя выражения (10.84), (10.105) и (10.109) в выражение (10.104), получим

= (Псг + ПостУ |о* — (ni + п^и |ое +

+ Кг + Поспят, — (щ + пост)АЯГс. (10.110)

Преобразуем выражение (10.110):

ЈZHU + (ni +7200^ I + (ni +Пост)АДТс = (псг + 71остК’ |о* + Кг + Пост)RTz\

,Тс (псг+Пост) -.// IТ, . V’^cr + пост) ТУГ

7——————- \Т**0 "ГЛП±с — . ——— Г-U о — h / ———-

(^1+^осг) (^1+^ост) (Пх+посг)

■Л"’ ■If+ЛЯГ. =0Ы" и — + КГ,);

„Мх« +АЯГс=/3(гх"|о’+ДГ«)- (Ю-111)

На основании уравнения состояния идеального газа

Р — = ЛТ; pVn = RT П

Выражение (10.111) можно записать в виде

-^— + и\1- + ХВТс =/?К|о — +Pvn). (10.112)

(1 "Г Т)ост)

Учитывая, что U+PVn = Л, последнее выражение представим в виде

П1 (1 + Ffecr)

Выражение (10.113) называется уравнением сгорания топлива в рас­четном цикле ДВС со смешанным процессом подвода тепловой энергии. Для определения максимального значения температуры Тг рабочего тела в расчетном цикле сначала на основе статистических данных задают значения величин и А. Затем, рассчитав по уравнению (10.76) темпе­ратуру рабочего тела (воздуха) в точке с, с помощью графика (рис. 10.20) определяют внутреннюю энергию воздуха и |qc = /СО-

Численное значение левой части выражения (10.113) равно удельной энтальпии продуктов сгорания Л" |Q* . С помощью графика (рис. 10.27) по известной величине H" |q" можно определить температуру Tz.

На рис. 10.28 показан фрагмент развернутой индикаторной диаграммы, охватывающий на индикаторной диаграмме (рис. 10.26) область макси­мального давления рабочего тела. Отношение

= ^ (10.114)

Характеризует жесткость работы двигателя, оно показывает, на какую величину изменяется давление рабочего тела в процессе сгорания топлива при повороте кривошипа коленчатого вала на 1 градус. Если величина

КДж/кмопъ

1.6 1.8 2.0 2.2 TIO’K

Рис. 10.27. Зависимость энтальпии продуктов сгорания жидкого топлива от температуры

Wp превышает значения 1.0… 1.5мпа/град для дизельного двигателя или 0.2… 0.3 мпа/град для бензинового двигателя, то двигатель работает жест­ко. В этом случае на детали кривошипно-шатунного механизма действует нагрузка ударного характера.

Параметры рабочего тела в конце процесса расширения (точка Ь; рис. 10.26) можно определить на основе уравнения адиабаты (9.36), заме­нив показатель адиабаты показателем политропы расширения. В соответ­ствии с выражением (9.36) для процесса ZB запишем (рис. 10.26):

TzYn2-1 =Тьуп2-1.

Ть = Т,

-1 >

}

У* 2-1 У*2"1 гг = Tz

(10.115)

Уу

К*2"

[Vb = Va].

Уравнения состояния идеального газа для конечных точек процесса расширения имеют вид

PzVz = NKTz\ PbVb = пКГь

Разделим второе уравнение на первое:

(10.116)

РъУъ _ ПКГь _ Ть ~ТХ

PxVx пКГх

Подставляя выражение (10.115) в выражение (10.116), получим

P^TWM-1. (10.117)

Давление рабочего тела в точке Ь (рис. 10.26) равно

Действительное протекание рабочего цикла четырехтактного дизельного двигателя

Рис. 10.28. К определению жесткости работы двигателя

» — »(£Г’ (I) (кГ — »(сГ • <10л18>


Для определения степени предварительного расширения рабочего тела в изобарном процессе YZ (рис. 10.26) разделим первое уравнение системы (10.108) на второе:

PcVc Щ+Пост Тс V

Учитывая зависимость (10.49) и то, что Vz/Vc = Vz/Vy = р, a Pz/Pc = А, выражение (10.119) можно записать в виде

Т

Wg.

Из последнего выражения получим

Р = Рщ- (Ю-120)

Действительное протекание рабочего цикла четырехтактного дизельного двигателя

Ось вращения кривошипа

Ny^JL

Начало открытия выпускного клапана

Положение кривошипа, соответствующее полному закрытию впускного клапана

НМТ

Полное закрытие Впускного клапана

Рис. 10.29. Диаграмма фаз газораспределения дизельного двигателя, работающего по действительному циклу

Диаграмма фаз газораспределения действительного цикла дизельного двигателя показана на рис. 10.29. По внешнему виду она не отличается от аналогичной для бензинового двигателя (рис. 10.22). Основное отличие этих диаграмм фаз газораспределения состоит в величине угла перекры­тия клапанов. В дизельных двигателях с наддувом перекрытие клапанов больше, чем в двигателях без наддува. Чем больше перекрытие клапанов, тем больше поршень при продувке цилиндра охлаждается воздухом. Ниже приведены углы перекрытия клапанов для бензиновых и дизельных двига­телей:

Бензиновые двигатели

Дизельные двигатели

Без наддува

С наддувом

20…80°

10…60°

50… 100°

Продувка цилиндра с помощью агрегата наддува способствует лучшей очистке цилиндра от отработавших газов. В этом случае улучшается наполнение цилиндра двигателя новым рабочим телом.

1’азы

\Диффуэор\

Действительное протекание рабочего цикла четырехтактного дизельного двигателя

\Компрессор\

Рис. 10.30. Конструктивная схема одноваль — ного ГТД

В настоящее время количество дизельных двигателей без наддува уменьшается, а с наддувом — увеличивается. Применение наддува позво­лило улучшить энергетические и экономические показатели дизельных двигателей.

Ваш отзыв

Рубрика: Основы теории тепловых процессов и машин

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *