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 D—Z‘-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 Qy—Z 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 C—Y—Z 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 Y—Z, 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"’ ■ +иIf+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 Z—B запишем (рис. 10.26):
TzYn2-1 =Тьуп2-1.
|
Ть = Т, |
|
-1 > |
|
} |
У* 2-1 У*2"1 гг = Tz
(10.115)
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
|
Рис. 10.28. К определению жесткости работы двигателя |
» — »(£Г’ (I) (кГ — »(сГ • <10л18>
Для определения степени предварительного расширения рабочего тела в изобарном процессе Y—Z (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
|
Ось вращения кривошипа |
|
Ny^J—L |
|
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\
\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.