Исследование работы реального поршневого двигателя целесообразно производить по диаграмме, в которой дается изменение давления в цилиндре в зависимости от положения поршня за весь

цикл. Такую диаграмму, снятую с по­мощью специального прибора индикато­ра, называют индикаторной диаграммой. Площадь замкнутой фигуры индикатор­ной диаграммы изображает в определенном масштабе индикаторную работу газа за один цикл.

На рис. 7.6.1 изображена индикаторная диаграмма двигателя, работающего с быстрым сгоранием топлива при посто­янном объеме. В качестве горючего для этих двигателей применяют легкое топливо бензин, светильный или генераторный газ, спирты и др.

При ходе поршня из левого мертвого положения в крайнее правое через всасывающий клапан засасывается горючая смесь, состоящая из паров и мелких частиц топлива и воздуха. Этот процесс изображается на диаграмме кривой 0-1, которая называется линией всасывания. Очевидно, линия 0-1 не является термодинамическим процессом, так как в нем основные параметры не изменяются, а изменяются только масса и объем смеси в цилиндре. При обратном движении поршня всасывающий клапан закрывается, происходит сжатие горючей смеси. Процесс сжатия на диаграмме изображается кривой 1-2, которая называется линией сжатия. В точке 2, когда поршень еще немного не дошел до левого мертвого положения, происходит воспламенение горючей смеси от электрической искры. Сгорание горючей смеси происходит почти мгновенно, т. е. практически при постоянном объеме. Этот процесс на диаграмме изображается кривой 2-3. В результате сгорания топлива температура газа резко возрастает и давление увеличивается (точка 3). Затем продукты горения расширяются. Поршень перемещается в правое мертвое положение, и газы совершают полезную работу. На индикаторной диаграмме процесс расшире­ния изображается кривой 3-4, называемой линией расширения. В точке 4 открывается выхлопной клапан, и давление в цилиндре падает почти до наружного давления. При дальнейшем движении поршня справа налево из цилиндра удаляются продукты сгорания через выхлопной клапан при давлении, несколько превышающем атмосферное давление. Этот процесс изображается на диаграмме кривой 4-0 и называется линией выхлопа.

Рассмотренный рабочий процесс совершается за четыре хода поршня (такта) или за два оборота вала. Такие двигатели назы­ваются четырехтактными.

Из описания работы процесса реального двигателя внутрен­него сгорания с быстрым сгоранием топлива при постоянном объ­еме видно, что он не является замкнутым. В нем имеются все при­знаки необратимых процессов: трение, химические реакции в рабо­чем теле, конечные скорости поршня, теплообмен при конечной разности температур и т. д.

Рассмотрим идеальный термодинамический цикл двигателя с изохорным подводом количества теплоты (v=соnst), состоящий из двух изохор и двух адиабат.

На рис. 70.2 и 70.3 представлен цикл в - и – диаграммах, который осуществляется следующим образом.

Идеальный газ с начальными параметрами и сжимается по адиабате 1-2 до точки 2. По изохоре 2-3 рабочему телу сообща­ется количество теплоты . От точки 3 рабочее тело расширяется по адиабате 3-4. Наконец, по изохоре 4-1 рабочее тело возвращает­ся в первоначальное состояние, при этом отводится количество теплоты в теплоприемник. Характеристиками цикла являются степень сжатия и степень повышения давления .

Определяем термический КПД этого цикла, полагая, что теплоемкость и величина постоянны:

Количество подведенной теплоты , а количество отведенной теплоты .

Тогда термический КПД цикла

Рис. 7.6.2 Рис. 7.6.3

Термический КПД цикла с подводом количества теплоты при постоянном объеме

. (7.6.1) (17:1)

Из уравнения (70.1) следует, что термический КПД такого цикла зависит от степени сжатия и показателя адиабаты или от при­роды рабочего тела. КПД увеличивается с возрастанием и . От степени повышения давления , термический КПД не зависит.

С учетом – диаграммы (рис. 70.3) КПД определяем из соотношения площадей:

= (пл. 6235-пл. 6145)/пл. 6235 = пл. 1234/пл. 6235.

Очень наглядно можно проиллюстрировать зависимость КПД от увеличения на – диаграмме (рис. 7.70.3).

При равенстве площадей подведенного количества теплоты в двух циклах (пл. 67810=пл. 6235), но при разных степенях сжатия КПД будет больше у цикла с большей степенью сжатия, так как в теплоприемник отводится меньшее количество теплоты, т. е. пл. 61910<пл. 6145.

Однако увеличение степени сжатия ограничивается возможностью преждевременного самовоспламенения горючей смеси, нарушающего нормальную работу двигателя. Кроме того, при высоких степенях сжатия скорость сгорания смеси резко возрастает, что может вызвать детонацию (взрывное горение), которая резко снижает экономичность двигателя и может привести к поломке его деталей. Поэтому для каждого топлива должна применяться определенная оптимальная степень сжатия. В зависимости от рода топлива степень сжатия в изучаемых двигателях изменяется от 4 до 9.

Таким образом, исследования показывают, что в двигателях внутреннего сгорания с подводом количества теплоты при постоянном объеме нельзя применять высокие степени сжатия. В связи с этим рассматриваемые двигатели имеют относительно низкие КПД.

Теоретическая полезная удельная работа рабочего тела зависит от взаимного расположения процессов расширения и сжатия рабочего тела. Увеличение средней разности давлений между линиями расширения и сжатия позволяет уменьшить размеры цилиндра двигателя. Если обозначить среднее давление через то теоретическая полезная удельная работа рабочего тела составит

Давление называют средним индикаторным давлением (или средним цикловым давлением), т. е. это условное постоянное давление, под действием которого поршень в течение одного хода совершает работу, равную работе всего теоретического цикла.

Цикл с подводом количества теплоты в процессе

Изучение циклов с подводом количества теплоты при постоянном объеме показало, что для повышения экономичности двигателя, работающего по этому циклу, необходимо применять высокие степени сжатия. Но это увеличение ограничивается температурой самовоспламенения горючей смеси. Если же производить раздельное сжатие воздуха и топлива, то это ограничение отпадает. Воздух при большом сжатии имеет настолько высокую температуру, что подаваемое в цилиндр топливо самовоспламеняется без всяких специальных запальных приспособлений. И наконец, раздельное сжатие воздуха и топлива позволяет использовать любое жидкое тяжелое и дешевое топливо – нефть, мазут, смолы, каменноугольные масла и пр.

Такими высокими достоинствами обладают двигатели, работающие с постепенным сгоранием топлива при постоянном давлении. В них воздух сжимается в цилиндре двигателя, а жидкое топливо распыляется сжатым воздухом от компрессора. Раздельное сжатие позволяет применять высокие степени сжатия (до ) и исключает преждевременное самовоспламенение топлива. Процесс горения топлива при постоянном давлении обеспечивается соответствующей регулировкой топливной форсунки. Создание такого двигателя связывают с именем немецкого инженера Дизеля, впервые разработавшего конструкцию подобного двигателя.

Рассмотрим идеальный цикл двигателя с постепенным сгоранием топлива при постоянном давлении, т. е. цикл с подводом количества теплоты при постоянном давлении. На рис. 70.4 и 70.5 изображен этот цикл в и диаграммах. Осуществляется он следующим образом. Газообразное рабочее тело с начальными параметрами , , сжимается по адиабате 1-2; затем телу по изобаре 2-3 сообщается некоторое количество теплоты . От точки 3 рабочее тело расширяется по адиабате 3-4. И наконец, по изохоре 4-1 рабочее тело возвращается в первоначальное состоя­ние, при этом в теплоприемник отводится теплота .

Характеристиками цикла являются степень сжатия и степень предварительного расширения .

Определим термический КПД цикла, полагая, что теплоемкости и и их отношение постоянны:

Количество подведенной теплоты

количество отведенной теплоты

Термический КПД цикла

Рис. 7.6.4 Рис. 7.6.5

Среднее индикаторное давление в цикле с подводом теплоты при определяется из формулы

Среднее индикаторное давление увеличивается с возрастанием и .

Цикл с подводом количества теплоты в процессе при и , или цикл со смешанным подводом количества теплоты.

Двигатели с постепенным сгоранием топлива при имеют некоторые недостатки. Одним из них является наличие компрессора, применяемого для подачи топлива, на работу которого расходуется 6–10% от общей мощности двигателя, что усложняет конструкцию и уменьшает экономичность двигателя. Кроме того, необходимо иметь сложные устройства насоса, форсунки и т. д.

Стремление упростить и улучшить работу таких двигателей привело к созданию бескомпрессорных двигателей, в которых топливо механически распыляется при давлениях 50–70 МПа. Проект бескомпрессорного двигателя высокого сжатия со смешанным подводом количества теплоты разработал русский инженер Г. В. Тринклер. Этот двигатель лишен недостатков обоих разобранных типов двигателей. Жидкое топливо топливным насосом подается через топливную форсунку в головку цилиндра в виде мельчайших капелек. Попадая в нагретый воздух, топливо само­воспламеняется и горит в течение всего периода, пока открыта форсунка: вначале при постоянное объеме, а затем при постоян­ном давлении.

Идеальный цикл двигателя со смешанным подводом количества теплоты изображен в – и – диаграммах на рис. 70.6 и 70.7.

.

Определим термический КПД цикла при условии, что теплоемкости , и показатель адиабаты постоянны:

Первая доля подведенного количества теплоты

Вторая доля подведенного количества теплоты

Количество отведенной теплоты

ДЕЙСТВИТЕЛЬНЫЕ ЦИКЛЫ ДВС

Отличие действительных циклов четырехтактных двигателей от теоретических

Наибольший КПД можно теоретически получить только в результате использования термодинамического цикла, варианты которого были рассмотрены в предыдущей главе.

Важнейшие условия протекания термодинамических циклов:

· неизменность рабочего тела;

· отсутствие всяких тепловых и газодинамических потерь, кроме обязательного отвода теплоты холодильником.

В реальных поршневых ДВС механическая работа получается в результате протекания действительных циклов.

Действительным циклом двигателя называется совокупность периодически повторяющихся тепловых, химических и газодинамических процессов, в результате которых термохимическая энергия топлива преобразуется в механическую работу.

Действительные циклы имеют следующие принципиальные отличия от термодинамических циклов:

Действительные циклы являются разомкнутыми, и каждый из них осуществляется с использованием своей порции рабочего тела;

Вместо подвода теплоты в действительных циклах происходит процесс сгорания, который протекает с конечными скоростями;

Изменяется химический состав рабочего тела;

Теплоемкость рабочего тела, представляющего собой реальные газы изменяющегося химического состава, в действительных циклах постоянно меняется;

Идет постоянный теплообмен между рабочим телом и окружающими его деталями.

Все это приводит к дополнительным потерям теплоты, что в свою очередь ведет к снижению КПД действительных циклов.

Индикаторная диаграмма

Если термодинамические циклы изображают зависимость изменения абсолютного давления (р ) от изменения удельного объема (υ ), то действительные циклы изображаются как зависимости изменения давления (р ) от изменения объема (V ) (свернутая индикаторная диаграмма) или изменения давления от угла поворота коленчатого вала (φ), которая называется развернутой индикаторной диаграммой.

На рис. 1 и 2 показаны свернутая и развернутая индикаторные диаграммы четырехтактных двигателей.

Развернутая индикаторная диаграмма может быть получена экспе­риментально с помощью специального прибора - индикатора давления. Индикаторные диаграммы можно получить и расчетным путем на основе теплового расчета двигателя, но менее точные.

Рис. 1. Свернутая индикаторная диаграмма четырехтактного двигателя
с принудительным воспламенением

Рис. 2. Развернутая индикаторная диаграмма четырехтактного дизеля

Индикаторные диаграммы используются для изучения и анализа процессов, протекающих в цилиндре двигателя. Так, например, площадь свернутой индикаторной диаграммы, ограниченная линиями сжатия, сгорания и расширения, соответствует полезной или индикаторной работе L i действительного цикла. Величиной индикаторной работы характеризуется полезный эффект действительного цикла:

, (3.1)

где Q 1 - количество подведенной в действительном цикле теплоты;

Q 2 - тепловые потери действительного цикла.

В действительном цикле Q 1 зависит от массы и теплоты сгорания топлива, вводимого в двигатель за цикл.

Степень использования подводимой теплоты (или экономичность действительного цикла) оценивают индикаторным КПД η i , который представляет собой отношение теплоты, преобразованной в полезную работу L i , к теплоте подведенного в двигатель топлива Q 1 :

, (3.2)

С учетом формулы (1) формулу (2) индикаторного КПД можно записать так:

, (3.3)

Следовательно, теплоиспользование в действительном цикле зависит от величины тепловых потерь. В современных ДВС эти потери составляют 55 –70 %.

Основные составляющие тепловых потерь Q 2 :

Потери теплоты с отработавшими газами в окружающую среду;

Потери теплоты через стенки цилиндра;

Неполнота сгорания топлива из-за местного недостатка кислорода в зонах горения;

Утечка рабочего тела из рабочей полости цилиндра из-за неплотности прилегающих деталей;

Преждевременный выпуск отработавших газов.

Для сравнения степени использования теплоты в действительных и термодинамических циклах используют относительный КПД

.

В автомобильных двигателях η o от 0,65 до 0,8.

Действительный цикл четырехтактного двигателя совершается за два оборота коленчатого вала и состоит из следующих процессов:

Газообмена - впуск свежего заряда (см. рис. 1, кривая frak ) и выпуск отработавших газов (кривая b"b"rd );

Сжатия (кривая аkс"с" );

Сгорания (кривая c"c"zz" );

Расширения (кривая z z"b"b" ).

При впуске свежего заряда поршень движется, освобождая над собой объем, который заполняется смесью воздуха с топливом в карбюраторных двигателях и чистым воздухом в дизелях.

Начало впуска определяется открытием впускного клапана (точка f ), конец впуска - его закрытием (точка k ). Начало и конец выпуска соответствуют открытию и закрытию выпускного клапана соответственно в точках b" и d .

Не заштрихованная зона b"bb" на индикаторной диаграмме соответствует потере индикаторной работы вследствие падения давления в результате открытия выпускного клапана до прихода поршня в НМТ (предварение выпуска).

Сжатие фактически осуществляется с момента закрытия впускного клапана (кривая k-с" ). До закрытия впускного клапана (кривая а-k ) давление в цилиндре остается ниже атмосферного (p 0 ).

В конце процесса сжатия топливо воспламеняется (точка с" ) и быстро сгорает с резким нарастанием давления (точка z ).

Так как воспламенение свежего заряда происходит не в ВМТ, и сгорание протекает при продолжающемся перемещении поршня, расчетные точки с и z не соответствуют реально протекающим процессам сжатия и сгорания. В результате площадь индикаторной диаграммы (заштрихованная зона), а значит и полезная работа цикла меньше термодинамической или расчетной.

Воспламенение свежего заряда в бензиновых и газовых двигателях осуществляется от электрического разряда между электродами искровой свечи.

В дизелях топливо воспламеняется за счет теплоты нагретого от сжатия воздуха.

Образовавшиеся в результате сгорания топлива газообразные продукты создают давление на поршень, вследствие чего совершается такт расширения или рабочий ход. При этом энергия теплового расширения газа преобразуется в механическую работу.

Построение индикаторных диаграмм

Индикаторные диаграммы строятся в координатах p-V .

Построение индикаторной диаграммы двигателя внутреннего сгорания производится на основании теплового расчета.

В начале построения на оси абсцисс откладывают отрезок АВ, соответствующий рабочему объему цилиндра, а по величине равный ходу поршня в масштабе, который в зависимости от величины хода поршня проектируемого двигателя может быть принят 1:1, 1,5:1 или 2:1.

Отрезок ОА, соответствующий объему камеры сгорания,

определяется из соотношения:

Отрезок z"z для дизелей (рис. 3.4) определяется по уравнению

Z,Z=OA(p-1)=8(1,66-1)=5.28мм, (3.11)

давлений = 0,02; 0,025; 0,04; 0,05; 0,07; 0,10 МПа в мм так, чтобы

получить высоту диаграммы, равную 1,2…1,7 ее основания.

Затем по данным теплового расчета на диаграмме откладывают в

выбранном масштабе величины давлений в характерных точках а, с, z", z,

b, r. Точка z для бензинового двигателя соответствует pzT .

Индикаторная диаграмма четырехтактного дизельного двигателя

По наиболее распространенному графическому методу Брауэра политропы сжатия и расширения строят следующим образом.

Из начала координат проводят луч ОК под произвольным углом к оси абсцисс (рекомендуется приинмать = 15…20°). Далее из начала координат проводят лучи ОД и ОЕ под определенными углами и к оси ординат. Эти углы определяют из соотношений

0.46 = 25°, (3.13)

Политропу сжатия строят с помощью лучей ОК и ОД. Из точки С проводят горизонталь до пересечения с осью ординат; из точки пересечения - линию под углом 45° к вертикали до пересечения с лучом ОД, а из этой точки - вторую горизонтальную линию, параллельную оси абсцисс.

Затем из точки С проводят вертикальную линию до пересечения с лучом ОК. Из этой точки пересечения под углом 45?°к вертикали проводим линию до пересечения с осью абсцисс, а из этой точки??вторую вертикальную линию, параллельную оси ординат, до пересечения со второй горизонтальной линией. Точка пересечения этих линий будет промежуточной точкой 1 политропы сжатия. Точку 2 находят аналогично, принимая точку 1 за начало построения.

Политропу расширения строят с помощью лучей ОК и ОЕ, начиная от точки Z", аналогично построению политропы сжатия.

Критерием правильности построения политропы расширения является приход ее в ранее нанесенную точку b.

Следует иметь в виду, что построение кривой политропы расширения следует начинать с точки z , а не z..

После построения политропы сжатия и расширения производят

скругление индикаторной диаграммы с учетом предварения открытия выпускного клапана, опережения зажигания и скорости нарастания давления, а также наносят линии впуска и выпуска. Для этой цели под осью абсцисс проводят на длине хода поршня S как на диаметре полуокружность радиусом R=S/2. Из геометрического центра Оґ в сторону н.м.т. откладывается отрезок

где L - длина шатуна, выбирается из табл. 7 или по прототипу.

Луч О 1.С 1 проводят под углом Q о =, 30° соответствующим углу

опережения зажигания (Qо = 20…30° до в.м.т.), а точку С 1 сносят на

политропу сжатия, получая точку c1.

Для построения линий очистки и наполнения цилиндра откладывают луч О 1?В 1 под углом g =66°. Этот угол соответствует углу предварения открытия выпускного клапана или выпускных окон. Затем проводят вертикальную линию до пересечения с политропой расширения (точка b 1?).

Из точки b 1. проводят линию, определяющую закон изменения

давления на участке индикаторной диаграммы (линия b 1.s ). Линия аs ,

характеризующая продолжение очистки и наполнения цилиндра, может

быть проведена прямой. Следует отметить, что точки s. b 1. можно также

найти по величине потерянной доли хода поршня y .

as =y .S . (3.16)

Индикаторная диаграмма двухтактных двигателей так же, как и двигателей с наддувом, всегда лежит выше линии атмосферного давления.

В индикаторной диаграмме двигателя с наддувом линия впуска может быть выше линии выпуска.

Индикаторная диаграмма двигателя внутреннего сгорания строится с использованием данных расчета рабочего процесса.

При построении на оси абсцисс откладывается отрезок АВ, (рис 8) соответствующий рабочему объему цилиндра, а по величине равный ходу поршня в масштабе M s . Масштаб M s обычно принимается 1:1, 1,5:1 или 2:1.

Отрезок ОА (мм), соответствующий объему камеры сгорания, определяется из уравнения

ОА = АВ/(ε – 1) (2.28)

Отрезок z′z для дизелей, работающих по циклу со смешенным подводом теплоты (рис. 9)

z′z = ОА(ρ – 1) (2.29)

За тем по данным расчета параметров действительного цикла на диаграмме откладывают в выбранном масштабе величины давлений в характерных точках: a, c, z, z, b, r.

Построение политроп сжатия и расширения можно производить аналитическим или графическим методом. При аналитическом методе построения политроп сжатия и расширения вычисляется ряд точек для промежуточных объемов, расположенных между V c и V a и между V z и V b , по уравнению политропы .

Рис. 8. Индикаторная диаграмма бензинового двигателя

Рис. 9. Индикаторная диаграмма дизельного двигателя

Для политропы сжатия , откуда

, (2.30)

где p x и V x – давление и объем в искомой точке процесса сжатия.

Отношение V a /V x изменяется в пределах 1÷ ε.

Аналогично для политропы расширения

(2.31)

Для бензиновых двигателей отношение V b /V x изменяется в интервале 1÷ε , для дизелей – 1÷ δ.

Определение ординат расчетных точек политроп сжатия и расширения удобно производить в табличной форме.

Построение индикаторной диаграммы производят, соединяя точки а и с, z и b плавными кривыми, а точки b и a, c и z – прямыми линиями.

Процессы впуска и выпуска принимают протекающими при р = const и V = const

Для проверки правильности построения диаграммы определяют

р i = M p /AB

где F – площадь диаграммы a c′c″z д b′b″a .

Расчет индикаторных и эффективных показателей ДВС

Индикаторные показатели

Рабочий цикл двигателя внутреннего сгорания характеризуется средним индикаторным давлением, индикаторной мощностью, индикаторным КПД и удельным индикаторным расходом топлива.

Теоретическое среднее индикаторное давление – это отношение теоретической расчетной работы газов за один цикл к ходу поршня.

Для бензиновых двигателей, работающих по циклу с подводом теплоты при V = const, теоретическое среднее индикаторное давление

Для дизеля, работающего по циклу со смешенным подводом теплоты при V = const и р = const

Среднее индикаторное давление p i действительного цикла отличается от значения на величину, пропорциональную уменьшению расчетной диаграммы за счет скругления в точках с, z, b.

Уменьшение теоретического среднего индикаторного давления вследствие отклонения действительного процесса от расчетного цикла оценивается коэффициентом полноты диаграммы φ и и величиной среднего давления насосных потерь Δp i .

Коэффициент полноты диаграммы φ и принимается равным:

для карбюраторных двигателей …………………….…. 0,94÷0,97

для двигателей с электронным впрыском топлива…… 0,95÷0,98

для дизелей………………………………………………. 0,92÷0,95

Среднее давление насосных потерь (МПа) при процессах впуска и выпуска

Δp i = p r – p a . (3.3)

Для четырехтактных двигателей без наддува величина Δp i положительна. В двигателях с наддувом от приводного нагнетателя при p a > p r величина Δp i отрицательна. При газотурбинном наддуве значение p a может быть как больше, так и меньше p r , т.е. величина Δp i может быть как отрицательной, так и положительной.

При проведении расчетов потери на газообмен учитываются в работе, затрачиваемой на механические потери. В связи с этим принимают, что среднее индикаторное давление p i отличается от только на коэффициент полноты диаграммы

p i = φ и . (3.4)

При работе на полной нагрузке величина p i (МПа) достигает:

для четырехтактных бензиновых двигателей…………………… 0,6÷1,4

для четырехтактных форсированных бензиновых двигателей… до 1,6

для четырехтактных дизелей без наддува………………………. 0,7÷1,1

для четырехтактных дизелей с наддувом……………………….. до 2,2

Индикаторная мощность N i – работа, совершаемая газами внутри цилиндра в единицу времени.

Для многоцилиндрового двигателя индикаторная мощность (кВт) равна

N i = p i V h in /(30τ ), (3.5)

где p i – среднее индикаторное давление, МПа;

V h – рабочий объем одного цилиндра, л (дм 3);

i – число цилиндров;

n – частота вращения коленчатого вала двигателя, мин -1 ;

τ – тактность двигателя. Для четырехтактного двигателя τ=4.

Индикаторная мощность одного цилиндра

N i = p i V h n /(30τ ), (3.6)

Индикаторный КПД η i характеризует степень использования в действительном цикле теплоты топлива для получения полезной работы и представляет собой отношение теплоты, эквивалентной индикаторной работе цикла, ко всему количеству теплоты, внесенной в цилиндр с топливом.

Для 1 кг топлива

η i = L i /Н и , (3.7)

где L i – теплота, эквивалентная индикаторной работе, МДж/кг;

Н и – низшая теплота сгорания топлива, МДж/кг.

Для автомобильных и тракторных двигателей, работающих на жидком топливе

η i = p i ·l 0 ·α /(Н и ·ρ k ·η V), (3.8)

где p i выражено в МПа; l 0 – в кг/кг топл.; Н и – в МДж/кг топл.; ρ k – в кг/м 3 .

В автомобильных и тракторных двигателях, работающих на номинальном режиме, величина индикаторного КПД составляет:

для двигателей с электронным впрыском топлива……… 0,35÷0,45

для карбюраторных двигателей…………………………… 0,30÷0,40

для дизелей…………………………………………………. 0,40÷0,50

Удельный индикаторный расход топлива g i характеризует экономичность действительного цикла

g i = 3600/(η i Н и) или g i = 3600 ρ 0 η V /(p i ·l 0 ·α) . (3.10)

Удельный расход топлива на номинальном режиме:

для двигателей с электронным впрыском топлива …g i = 180÷230 г(кВт·ч)

для карбюраторных двигателей………………………g i = 210÷275 г(кВт·ч)

для дизелей……………………………………….……g i = 170÷210 г(кВт·ч)

Эффективные показатели

Эффективными показателями называют величины, характеризующие работу двигателя, снимаемую с его вала и полезно используемую. К числу эффективных показателей относятся: эффективная мощность, крутящий момент, среднее эффективное давление, удельный эффективный расход, эффективный КПД.

Эффективная мощность . Полезная работа, получаемая на валу двигателя в единицу времени называется эффективной мощностью N e .

N e =N i - N мп (3.9)

где N мп мощность механических потерь.

Эффективная мощность дана студенту в исходных данных для проектирования ДВС (см. задание на выполнение курсового проекта).

Под механическими потерями понимают потери на все виды механического трения, осуществление газообмена, привод вспомогательных механизмов (водяного, масляного, топливного насосов, вентилятора, генератора и пр.), вентиляционные потери, связанные с движением деталей двигателя в среде воздушно-масляной эмульсии и воздуха, а также на привод компрессора.

Механические потери оценивают средним давлением механических потерь p мп, которое характеризует удельную работу механических потерь (приходящуюся на единицу рабочего объема) при осуществлении рабочего цикла.

При аналитическом определении N e (кВт) она рассчитывается по формуле:

N e = p e V h in /(30τ ) (3.10)

где p e =L e /V h - среднее эффективное давление (МПа), т. е. полезная работа, получаемая за цикл с единицы рабочего объема;

V h – рабочий объем цилиндра, л;

n – число оборотов коленчатого вала, мин -1

Эффективный крутящий момент М е (Н∙м)

М е = (3∙10 4 /π)(N e /n ) (3.11)

При расчете ДВС среднее эффективное давление (МПа) определяют как

p e = p i - p мп (3.12)

Среднее давление механических потерь p мп (МПа) для двигателей различного типа определяется по определяется по эмпирическим формулам:

для бензиновых двигателей с числом цилиндров до шести и отношением S/D>1

p мп =0,049 + 0,0152V п.ср;

для бензиновых двигателей с числом цилиндров до шести и отношением S/D≤1

p мп =0,034 + 0,0113V п.ср

для четырехтактных дизелей с неразделенными камерами

p мп =0,089 + 0,0118V п.ср

30.09.2014

Рабочий цикл - совокупность тепловых, химических и газодинамических процессов, последовательно, периодически повторяющихся в цилиндре двигателя с целью преобразования тепловой энергии топлива в механическую энергию. Цикл включает пять процессов: впуск, сжатие, сгорание (горение), расширение, выпуск.
На тракторах и автомобилях, применяемых в лесной промышленности и лесном хозяйстве, устанавливаются дизельные и карбюраторные четырехтактные двигатели. Лесотранспортные машины, в основном, оснащаются четырехтактными дизельными двигателями,
В процессе впуска цилиндр двигателя заполняется свежим зарядом, представляющим собой очищенный воздух у дизельного двигателя или горючую смесь очищенного воздуха с топливом (газом) у карбюраторного двигателя и газодизеля. Горючей смесью воздуха с мелкораспыленным топливом, его парами или горючими газами должно обеспечиваться распространение фронта пламени во всем занятом пространстве.
В процессе сжатия в цилиндре сжимается рабочая смесь, состоящая из свежего заряда и остаточных газов (карбюраторные и газовые двигатели) или из свежего заряда, распыленного топлива и остаточных газов (дизели, многотопливные и с впрыском бензина двигатели и газодизели).
Остаточными газами называются продукты сгорания, оставшиеся после завершения предыдущего цикла и участвующие в следующем цикле.
В двигателях с внешним смесеобразованием рабочий цикл протекает за четыре такта: впуска, сжатия, расширения и выпуска. Такт впуска (рис. 4.2а). Поршень 1, под воздействием вращения коленчатого вала 9 и шатуна 5, перемещаясь к НМТ, создает разряжение в цилиндре 2, в результате чего свежий заряд горючей смеси поступает по трубопроводу 3 через впускной клапан 4 в цилиндр 2.

Такт сжатия (рис. 4.2б). После заполнения цилиндра свежим зарядом впускной клапан закрывается, а поршень, перемещаясь к ВМТ, сжимает рабочую смесь. При этом в цилиндре повышаются температура и давление. В конце такта рабочая смесь воспламеняется от искры, возникающей между электродами свечи 5, и начинается процесс сгорания.
Такт расширения или рабочий ход (рис. 4.2e). В результате сгорания рабочей смеси образуются газы (продукты сгорания), температура и давление которых резко возрастают к приходу поршня в ВМТ. Под воздействием высокого давления газов поршень перемещается к НМТ, при этом совершается полезная работа, передаваемая на вращающийся коленчатый вал.
Такт выпуска (см. рис. 4.2г). В этом такте происходит очистка цилиндра от продуктов сгорания. Поршень, перемещаясь к ВМТ, через открытый выпускной клапан 6 и трубопровод 7 выталкивает продукты сгорания в атмосферу. В конце такта давление в цилиндре незначительно превышает атмосферное давление, поэтому в цилиндре остается часть продуктов сгорания, которые смешиваются с горючей смесью, заполняющей цилиндр при такте впуска следующего рабочего цикла.
Принципиальное отличие рабочего цикла двигателя с внутренним смесеобразованием (дизельных, газодизельных, многотопливных) состоит в том, что на такте сжатия топливоподающая аппаратура системы питания двигателя впрыскивает мелкораспыленное жидкое моторное топливо, которое перемешивается с воздухом (или смесью воздуха с газом) и воспламеняется. Высокая степень сжатия двигателя с воспламенением от сжатия позволяет нагреть рабочую смесь в цилиндре выше температуры самовоспламенения жидкого топлива.
Рабочий цикл двухтактного карбюраторного двигателя (рис. 4,3) применяемого для пуска дизеля трелевочного трактора, совершается за два хода поршня или за один оборот коленчатого вала. При этом один такт является рабочим, а второй - вспомогательным. В двухтактном карбюраторном двигателе отсутствуют впускной и выпускной клапаны, их функцию выполняют впускное, выпускное и продувочные окна, которые открываются и закрываются поршнем при его движении. Через эти окна рабочая полость цилиндра сообщается с впускными и выпускными трубопроводами, а также с герметичным картером двигателя.

Индикаторная диаграмма. Рабочий или действительный цикл двигателя внутреннего сгорания отличается от теоретического, изучаемого в термодинамике, свойствами рабочего тела, представляющего собой реальные газы переменного химического состава, скоростью подвода и отвода тепла, характером теплообмена между рабочим телом и окружающими его деталями и другими факторами.
Действительные циклы двигателей графически изображаются в координатах: давление - объем (р, V) или в координатах: давление - угол поворота коленчатого вала (р, φ). Такие графические зависимости от указанных параметров называются индикаторными диаграммами.
Наиболее достоверные индикаторные диаграммы получаются экспериментально, приборными методами, непосредственно на двигателях. Индикаторные диаграммы, полученные расчетным путем на основании данных теплового расчета, отличаются от действительных циклов вследствие несовершенства методов расчета и применяемых допущений.
На рис. 4.4 приведены индикаторные диаграммы четырехтактных карбюраторного и дизельного двигателей.

Контур г, а, с, z, b, r представляет собой диаграмму рабочего цикла четырехтактного двигателя. Она отражает пять чередующихся и частично перекрывающих друг друга процессов: впуск, сжатие, сгорание, расширение и выпуск. Процесс впуска (r, а) начинается до прихода поршня в BMT (около точки r) и заканчивается после HMT (в точке k). Процесс сжатия заканчивается в точке с, в момент воспламенения рабочей смеси у карбюраторного двигателя или в момент начала впрыска топлива у дизеля. В точке с начинается процесс сгорания, который заканчивается после точки r. Процесс расширения или рабочий ход (r, b) заканчивается в точке b. Процесс выпуска начинается в точке b, т. е. в момент открытия выпускного клапана, и заканчивается за точкой r.
Площадь r, а, с, b, r построена в координатах p-V, следовательно, в определенном масштабе характеризует работу, развиваемую газами в цилиндре. Индикаторная диаграмма четырехтактного двигателя состоит из положительной и отрицательной площадей. Положительная площадь ограничена линиями сжатия и расширения k, с, z, b, k и характеризует полезную работу газов; отрицательная ограничена линиями впуска и выпуска и характеризует работу газов, затрачиваемую на преодоление сопротивления при впуске и выпуске. Отрицательная площадь диаграммы незначительна, ее величиной можно пренебречь, а вычисление производить только по контуру диаграммы. Площадь этого контура эквивалентна индикаторной работе, ее планиметрируют для определения среднего индикаторного давления.
Индикаторной работой цикла называют работу за один цикл, определяемую по индикаторной диаграмме.
Среднее индикаторное давление - это такое условное постоянно действующее давление в цилиндре двигателя, при котором работа газа за один ход поршня равна индикаторной работе цикла.
Среднее индикаторное давление р определяется по индикаторной диаграмме: