рые обладают более высокой теплоемкостью. Естественно, что наибольшее значение термического к. п.. д. будет иметь чисто «воздушный» цикл (а=00). Следует отметить, что с увеличением а увеличивается прирост значений термического к. п. д. при нз-мененни степени сжатия (кривая Т1( при ас=1,3 круче кривой tij прн а= 1 н значительно круче кривых Tit при а =0,8 и а = =0,7).

Вместе с тем обеднение смеси (прн а > 1) уменьшает удельную работу (среднее давление) разомкнутого цикла (рис. 21):

Р.=Р«Я„т1,/(аТ„/„Нз). (47)

Среднее давление разомкнутого цикла достигает максимального значения при а= 1, т. е. Б период подюда максимального количества теплоты. Дальнейшее же обеднение смеси, несмотря на рост термического к. п. д., уменьшает pf Изменение среднего давления цикла пропорционально изменению начального давления Ра [см. формулу (47) и рис. 21]. В реальном двигателе превышение начального давления Ра над атмосферным возможно прн наддуве.

Аналогичный анализ можно провести и для разомкнутых циклов с подводом теплоты при р = const н смешанным подводом теплоты при р = const и К = const.

Глава III

РАСЧЕТ ДЕЙСТВИТЕЛЬНОГО ЦИКЛА ДВИГАТЕЛЯ § 8. ПРОЦЕСС ВПУСКА

За период процесса впуска осуществляется наполнение цилиндра двигателя свежим зарядом. Изменение давления в процессе впуска в двигателе без наддува приведено на рис. 22, а в двигателе с наддувом - на рис. 23. Кривые rdaaa, изображенные на этих рисунках,

Рис. 21. Зависимость термического к. п. д. и среднего давления разомкнутого цикла со Сгоранием топлива при V = const от коэффициента избытка воздуха и степени сжатия (Тц = 350 К и Ра = 0,1 МПа)

схематически показывают действительное изменение давления в цилиндре двигателя в процессе впуска. Точки г и о" на этих кривых соответствуют моментам открытия и закрытия впускных клапанов.

При проведении расчетов протекание процесса впуска принимается от точки г до точки о, причем предполагается мгновенное изменение давления в в. м. т. по линии гг", а в дальнейшем давление принимается постоянным (прямая г"а). После расчета и получения координат точек г, г" а а производится ориентировочное скругление по кривой го.

Рис. 22. Изменение давления в процессе впуска в четырехтактном двигателе без наддува

Рис. 23. Изменение давления в процессе впуска в четырехтактном двигателе с наддувом

В современных быстроходных двигателях открытие впускного клапана происходит в среднем за 10-30° до прихода поршня в в. м. т., а закрытие - через 40-80° после н. м. т. Однако указанные средние пределы открытия и закрытия впускного клапана по конструктивным соображениям могут быть изменены как в большую, так и в меньшую стороны.

Предварительное открытие впускного клапана обеспечивает к моменту прихода поршня в в. м. т. некоторое проходное сечение в клапане, что улучшает наполнение цилиндра двигателя. Кроме того, предварительное открытие впускного клапана используется для продувки двигателей с наддувом, что уменьшает количество остаточных газов и снижает тепловую напряженность камеры сгорания, верхней части цилиндра и поршня. Влияние продувки при предварительном открытии впускного клапана может учитываться в расчетах коэффициентом очистки фоч- Величина фо, зависит в основном от степени наддува, скоростного режима двигателя и продолжительности периода перекрытия клапанов. Коэффициент очистки, как правило, учитывается только при расчете двигателей с наддувом. При отсутствии продувки коэффициент Фо, = 1, а при полной очистке цилиндров от продуктов сгорания в период перекрытия клапанов = 0.

Закрытие впускного клапана после н. м. т. позволяет, используя скоростной напор, инерционные и волновые явления во впускной системе, ввести в цилиндр двигателя дополнительную массу свежего .заряда, что повышает степень использования рабочего объема ци-

линдра. Дополнительное наполнение цилиндра после прохода поршнем н. м. т. называется дозарядкой. Влияние дозарядки на параметры, процесса впуска может быть учтено в расчете коэффициентом дозарядки фдоз. Дозарядка рабочего объема цилиндра свежим зарядом в основном зависит от соответствующего подбора фаз газораспределения (прежде всего от величины угла опаздывания закрытия впускного клапана), длины впускного тракта и частоты вращения коленчатого вала. По данным проф. И. М. Ленина при удачно выбранных вышеуказанных параметрах дозарядка на номинальном режиме работы двигателя может достигать 12-15%, т. е. Фдоз= 1,12ч- 1,15. Однако при уменьшении частоты вращения коэффициент дозарядки уменьшается, а при минимальной частоте вращения вместо дозарядки наблюдается обратный выброс, достигающий 5-12%, т.е. Фдоз = = 0,95 0,88.

Давление и температура окружающей среды. При работе двигателя без наддува в цилиндр поступает воздух из атмосферы. В этом случае при расчете рабочего цикла двигателя давление окружающей среды принимается равным ро~0,1 МПа, а температура-То - = 293 К.

При работе автомобильных й тракторных двигателей с наддувом воздух поступает в цилиндр из компрессора (нагнетателя), где он предварительно сжимается. В соответствии с этим давление и температура окружающей среды при расчете рабочего цикла двигателя с наддувом принимается равной давлению р и температуре Т воздуха на выходе из компрессора. При наличии промежуточного холодильника воздух из нагнетателя поступает в него, а затем в цилиндр двигателя. В этом случае за давление р и температуру окружающей среды принимается давление и температура воздуха за холодильником.

В зависимости от степени наддува принимаются следующие значения давления р наддувочного воздуха:

При низком наддуве................ 1,5 Ро

При среднем наддуве ................ (1,5-=-2,2) Ро

При высоком наддуве............... (2,2-2,5) р„

Температура воздуха за компрессором

T.To(pJPof~\ (48)

где «к - показатель политропы сжатия воздуха в компрессоре (нагнетателе).

Из выражения (48) следует, что температура наддувочного воздуха зависит от степени повышения давления в нагнетателе и показателя политропы сжатия.

По опытным данным в зависимости от типа наддувочного агрегата и степени охлаждения величину принимают:

Для поршневых нагнетателей............. 1,4-1,6

Для объемных нагнетателей.............. 1,55-1,75

Для осевых и центробежных нагнетателей....... 1,4-2,0

Температуру Т можно определить также по выражению

(Рк/Ро)*-*-1

Т. = То

ад. к

где llafl-K

= 0,66-ь 0,80 -адиабатический к. п. д. компрессора.

Давление остаточных газов. В цилиндре двигателя перед началом процесса наполнения всегда содержится некоторое количество остаточных газов, находящихся в объеме V а камеры сгорания (см. рис. 22 и 23). Величина давления остаточных газов устанавливается в зависимости от числа и расположения клапанов, сопротивлений впускного и выпускного трактов, фаз газораспределения, характера наддува, быстроходности двигателя, нагрузки, системы охлаждения и других факторов.

Для автомобильных и тракторных двигателей без наддува, а также с наддувом и выпуском в атмосферу давление остаточных газов (МПа)

= (1,05 1,25) Ро-

Большие значения Рг принимаются для двигателей с высокой частотой вращения коленчатого вала.

Для двигателей с наддувом и наличием газовой турбины на выпуске

р,= (0,750,98)р.

Давление остаточных газов заметно снижается с уменьшением частоты вращения коленчатого вала. При необходимости определения Рг на различных скоростных режимах двигателя и выбранном значении Рг при номинальном режиме можно использовать приближенную формулу

Рг = Ро (1,035 -f Лр . Ю-» ri"), (49)

где Ap - (prN-1,035 Ро) • \0Р1(роП%); ргм - Давление остаточных газов на номинальном режиме, МПа; «jv -частота вращения коленчатого вала на номинальном режиме,об/мин.

Температура остаточных газов. В зависимости от типа двигателя, степени сжатия, частоты вращения и коэффициента избытка воздуха устанавливается значение температуры Тт остаточных газов в пределах:

Для карбюраторных двигателей.......... 900-1100 К

Для дизелей................... 600-900 К

Для газовых двигателей............... 750-1000 К

При установлении величины необходимо иметь в виду, что при увеличении степени сжатия и обогащении рабочей смеси температура остаточных газов снижается, а при увеличении частоты вращения - возрастает.

Температура подогрева свежего заряда. В процессе наполнения температура свежего заряда несколько увеличивается благодаря подогреву от нагретых деталей двигателя. Величина подогрева ДГ зависит от расположения и конструкции впускного трубопровода, си-

схемы охлаждения, наличия специального устройства для подогрева, быстроходности двигателя и наддува. Повышение температуры улучшает процесс испарения топлива но снижает плотность заряда и, таким образом, отрицательно влияет на наполнение двигателя. Эти два противоположных фактора, появляющиеся в результате повышения температуры подогрева, должны быть учтены при установлении величины ДГ.

В зависимости от типа двигателя значения ДГ принимают:

Для карбюраторных двигателей........... О-20°

Для дизелей без наддува.............. 10-40°

Для двигателей с наддувом............ (-5)-(4-10)"

В двигателях с наддувом величина подогрева свежего заряда снижается благодаря уменьшению температурного перепада между деталями двигателя и температурой наддувочного воздуха. При повышении температуры наддувочного воздуха возможны и отрицательные значения ДГ.

Изменение величины ДГ в зависимости от скоростного режима двигателя при ориентировочных расчетах может быть определено по формуле

ДГ = ЛЛИО-0,0125«), (50)

где Лт = Arjv/(110-0,0125 «jv), ДГл/ и пы-соответственно температура подогрева и частота вращения коленчатого вала при номинальном режиме работы двигателя.

Давление в конце впуска. Давление в конце впуска (МПа) - основной факхор, определяющий количество рабочего тела, поступающего в цилиндр двигателя:

Ра = Pft - Дра ИЛИ Ра = Ро - Ра- (51)

Потери давления Ара за счет сопротивления впускной системы и затухания скорости движения заряда в цилиндре при некотором допущении можно определить из уравнения Бернулли:

Ap. = (P-flB„)K/2)p,.10-«, (52)

где Р - коэффициент затухания скорости движения заряда в рассматриваемом сечении цилиндра; - коэффициент сопротивления впускной системы, отнесенный к наиболее узкому ее сечению; ©вп - средняя скорость движения заряда в наименьшем сечении впускной системы (как правило, в клапане или в продувочных окнах); и ро - плотность заряда на впуске соответственно при наддуве и без него

(при pft =ро и pft =ро).

По опытным данным в современных автомобильных двигателях на номинальном режиме (Р* -f 1вп) = 2,5 Ч- 4,0 и tOgn = 50 -f-Ч- 130 м/с. .

Гидравлические потери во впускной системе уменьшаются при увеличении проходных сечений, придании обтекаемой формы клапанам, обработке внутренних поверхностей впускной системы, правильном выборе фаз газораспределения и т. д.

Плотность заряда (кг/м) на впуске \

Pft =Pft . 10e/(i?,r,) или Ро =Ро - .Юв/Н.Го. (53)

где Rb - удельная газовая постоянная воздуха:

= R/ц, = 8315/28,96 = 287 Дж/(кг. град), (54)

где Я =8315 Дж/(кмоль • град) - универсальная газовая постоянная.

Средняя скорость движения заряда в наименьшем сечении впускной системы

Юцп = Wn шах -Г- = -- п У \ + ,

(55)

где Гц - площадь поршня, м*; f - : впускной системы, м*; R -а D - соотв(

площадь наименьшего сечения соответственно радиус кривошипа и Диаметр поршня, м; % = R/L - отношение радиуса кривошипа к длине шатуна; п - частота вращения коленчатого вала, об/мин;

А„ = (RnDVT+/mnn-- Подставив (55) в формулу (52), получим

Ар„ = (р* -f з„) {а1пЧ 2) р, . 10-е. (56)

У четырехтактных двигателей без наддува величина Ар„ колеб-лется в пределах:

Для карбюраторных двигателей Для дизелей без наддува . . .

(0,05-г0,20)/>„ (О.ОЗн-0.18) Ро

Дизели по сравнению с карбюраторными двигателями при той же частоте вращения имют несколько пониженное значение Ар„. Это объясняется снижением гидравлических сопротивлений благодаря отсутствию карбюратора и более упрощенной впускной системе.

При работе двигателя с наддувом (см. рис. 23) значение ра приближается к Pft, однако абсолютные значения сопротивлений во впускных органах возрастают. Для четырехтактных двигателей с наддувом Ар„ = (0,03 ч- 0,10) МПа.

Коэффициент остаточных газов. Величина коэффициента остаточных газов у г характеризует качество очистки цилиндра от продуктов сгорания. С увеличением Vr уменьшается количество свежего заряда, поступающего в цилиндр двигателя в процессе впуска.

Коэффициент остаточных газов для четырехтактных двигателей:

с учетом продувки и дозарядки цилиндра

уЩ--foPr-. (57)

ТдозРа - ТочРг

без учета продувки и дозарядки (Фо, = Фдоз = 1)

Tk + AT- р,

где е - степень, сжатия.

Ра - Pt

(58)