Дьяченко В.Г. Теория двигателей внутреннего сгорания

Подождите немного. Документ загружается.

258

ранее поступившего в кривошипную камеру с воздухом, подог-

рева смеси от поверхности стенок кривошипной камеры, поршня,

цилиндра, шатуна, кривошипа. При полном испарении, например,

бензина и отношении массы воздуха к массе бензина в смеси,

равном 13–17 ( = 0,85–1,15) понижение температуры смеси в

кривошипной камере Т

исп

= (19–21) К. Подогрев смеси в криво-

шипной камере вследствие теплообмена между топливовоздуш-

ной смесью и поверхностями стенок кривошипной камеры, дета-

лей в кривошипной камере при частоте вращения кривошипа n =

= 3000–5000 об/мин и разности температур поверхностей стенок

и смеси порядка 70–100 К сопоставим с подогревом смеси во

впускном канале четырехтактного двигателя с искровым зажига-

нием (Т

тк

 5–12 К). Суммарное изменение температуры топли-

вовоздушной смеси в кривошипной камере вследствие испарения

бензина и теплообмена будет составлять примерно 10–20 К.

Среднее значение показателя политропы расширения топ-

ливовоздушной смеси в кривошипной камере на участке от точки

V до точки р (рис. 7.6) допустимо принять равным показателю

адиабаты для смеси к

при температуре смеси Т

 300 К (к

= 1,4), поскольку отношение объема кривошипной камеры в точ-

ке р (V

к.р

) к объему кривошипной камеры в точке V (V

к.

) не пре-

вышает 2. Давление и температура топливовоздушной смеси в

кривошипной камере в точке р (рис. 7.6):

рр















к.

т.к

; (7.8)

к.

к..к

















ТТ

; (7.9)

где Т

к.

 Т

+ Т

тк

– Т

исп

– температура топливовоздушной

смеси в кривошипной камере в точке V.

Изменение давления в кривошипной камере после начала

открытия впускного окна (точка р) определяется также как и из-

менение давления в надпоршневой полости четырехтактного

двигателя на участке наполнения. Если не учитывать влияние

теплообмена и испарения топлива в кривошипной камере, то из-

259

менение давления в кривошипной камере на расчетном участке

при р

кi

< p

(после точки р)



















iis

рк

кк

(7.10)

или при р

кi

> p

 



















isi

рк

кк

, (7.11)

где

 

issis

sis

ср

















 – масса топливовоздуш-

ной смеси, поступившей в кривошипную камеру на расчетном

участке при р

кi

< p

;

 

sisis

isi

ср

кк

















 – масса

топливовоздушной смеси, ушедшей из кривошипной камеры че-

рез впускные окна на расчетном участке при р

кi

> p

; 

= 0,8 –

коэффициент расхода для окон;





 









ср

5,0





sssiss

SSHSbf – среднее значение эф-

фективной площади впускного окна на расчетном участке;

 – плотность топливовоздушной смеси во впускном ка-

нале;































2 – скорость смеси во впу-

скном окне при р

кi

< p

;

 – плотность смеси в криво-

шипной камере;































2 – скорость сме-

си во впускном окне при р

кi

 p

;

 





SSFV 

1

пк

– измене-

ние объема кривошипной камеры на расчетном участке.

260

В конце расчетного участка определяется давление, коли-

чество топливовоздушной смеси в кривошипной камере и ее тем-

пература:

iii

ррр

кк)1к(









; (7.12)

isii

MMM

кк)1к(









; (7.13)

или

siii

MMM

кк)1к(









; (7.14)

)1к(

)1к()1к(

)1к(









. (7.15)

Расчет процесса заполнения кривошипной камеры топливо-

воздушной смесью продолжается до момента закрытия поршнем

впускного окна. Так как заполнение кривошипной камеры обыч-

но завершается до момента начала открытия продувочных окон

(точка d на рис. 7.6), оценка выбора ширины и высоты впускного

окна (площади проходного сечения впускного окна), моментов

открытия и закрытия впускного окна (фаз газораспределения 



) для конкретного значения частоты вращения кривошипа мо-

жет быть выполнена без увязки с газообменом в надпоршневой

полости двигателя.

Давление и температура топливовоздушной смеси в криво-

шипной камере к началу продувки надпоршневой полости (точка

d на рис. 7.6) определяется как и для участка расширения (от точ-

ки V до точки р) в предположении, что среднее значение показа-

теля политропы сжатия (от точки r до точки d) равно показателю

адиабаты для смеси при температуре Т

 300 К (n = к

= 1,4):

pр















кк

; (7.16)

кк

















TT ; (7.17)

Значение температуры топливовоздушной смеси в точке r

с учетом теплообмена и испарения бензина в кривошипной каме-

261

ре допустимо принять то же, что и для точки V (Т

кr

 Т

= Т

+ Т

исп

– Т

тк

Процессы газообмена в надпоршневой полости обычно раз-

биваются на несколько участков (рис. 7.6):

 участок свободного выпуска – от момента начала откры-

тия выпускных окон (точка е) до момента открытия продувочных

окон (точка d) – участок I;

 участок двойного выпуска от точки d до точки m – уча-

сток II;

 участок продувки от точки m до точки V – участок III;

 участок потери свежего заряда от точки V до точки е –

участок IV.

Параметры продуктов сгорания в надпоршневой полости в

момент открытия выпускных окон (точка е) принимается по

опытным данным или решая совместно уравнение теплового ба-

ланса для участка индикаторной диаграммы от точки V до точки

е и уравнение состояния:

– U

+ L

= (1 – W

; (7.18)

= M

, (7.19)

где U

, U

– внутренняя энергия смеси газов в точке е и точке V;

– индикаторная работа газов за цикл;

– относительные потери теплоты от рабочего тела в стен-

ки надпоршневой полости на участке индикаторной диаграммы

от точки V до точки е;

Q

– теплота сгорания топлива, поступившего в надпорш-

невую полость; р

, V

, T

, M

– давление, объем, температура и

масса рабочего тела в надпоршневой полости.

Значение параметров рабочего тела и показателей цикла

принимаются по опытным данным для подобных двигателей на

соответствующих режимах работы.

Определив температуру газов в точке е из уравнения (7.18),

определяем давление газов в момент начала открытия выпускных

окон из уравнения состояния (7.19).

Для расчета изменения давления газов в надпоршневой по-

лости двухтактного двигателя с кривошипно-камерной продув-

кой используется, как и в случае расчета процессов газообмена в

262

четырехтактном двигателе, квазистатический метод. Предполага-

ется, что на расчетном участке времени рабочее тело находится в

равновесии, течение газов через органы газораспределения и

процессы теплообмена – установившиеся, химические реакции

окисления топлива завершились до начала открытия выпускных

окон. Тогда дифференциальное уравнение (4.28) для участка га-

зообмена I (рис. 7.6) примет вид:

 





















цв

рк

(7.20)

или для конечного значения угла поворота кривошипа

 

























рк

цв

. (7.21)

Значение показателя адиабаты для газов в надпоршневой

полости без значительной погрешности в расчетах изменения

давления газов на участке газообмена допустимо принять посто-

янным и равным среднему значению к

в интервале значений

температуры продуктов сгорания t

– t

.

На участке от момента начала открытия выпускных окон

(точка е) до момента начала открытия продувочных окон (точка

d) из надпоршневой полости продукты сгорания уходят только

через выпускное окно, т.е. в течение расчетного шага из над-

поршневой полости уходит масса газа

 

WfМ

ср

iii

цвввцв









 , (7.22)

где





– плотность газа в расчетном сечении выпускных окон;

 









)1(

в.св

ср

вв

5,0 SSSbf





– среднее значение эффек-

тивной площади выпускных окон на расчетном участке (рис. 7.5);



– коэффициент расхода для выпускных окон (

 0,85); W

вi

–

скорость газа в расчетном сечении выпускного окна.

При критическом режиме истечения 























1

кр

263







 55,054,0

скорость и плотность газа в расчетном сечении вы-

пускных окон:

цв



 ; (7.23)

кр





. (7.24)

При подкритическом режиме истечения































цв

W ; (7.25)

















. (7.26)

Изменение объема надпоршневой полости на расчетном

участке

 





iii

SSFVVV 



п)1(п

. (7.27)

Потери теплоты от газов в стенки надпоршневой полости на

расчетном участке

     

 

ТТFТТFТТFQ

iiiii

ццггпптт





 , (7.28)

где

 





 

53,0

8,0

2,0

1018,6128







iimi

TpCD

– среднее значе-

ние коэффициента теплоотдачи по поверхности стенок надпорш-

невой полости,





КмВт

 .

В конце расчетного участка определяются давление, масса и

температура газа в надпоршневой полости, потери теплоты от га-

зов в стенки вследствие теплообмена:

iii

ррр







1

; (7.29)

iii

MMM

в1









; (7.30)

1пр.сг









T ; (7.31)

264

iii

QQQ







1

. (7.32)

Расчет продолжается до момента начала открытия продувочных

окон (точка d на рис. 7.5).

В момент открытия продувочных окон (точка d) обычно

давление газов в надпоршневой полости выше, чем давление в

кривошипной камере (p

> p

к.d

) и продукты сгорания из надпорш-

невой полости начнут поступать и в продувочные каналы. С это-

го момента необходимо одновременно вычислять изменение дав-

ления на расчетном участке и в надпоршневой полости и в кри-

вошипной камере (двойной выпуск – участок II от точки d до

точки m на рис. 7.6):

 





















pк

цвпцв

; (7.33)





















pк

кцвп

цвпк

кs

; (7.34)

где

 

WfM

ср

iii

цвпппцвп









 – масса газа, вышедшего из

надпоршневой полости в продувочные каналы на расчетном уча-

стке;





– плотность газа в расчетном сечении продувочных окон;

 









)1(

п.сппп

5,0 SSSbf

ср





– среднее значение эффек-

тивной площади продувочных окон;

цвп

– скорость газа в рас-

четном сечении продувочных окон;



– изменение объема

кривошипной камеры на расчетном участке, обусловленное пе-

ремещением поршня;

цвп





– плотность газа, поступивше-

го из надпоршневой полости в продувочные каналы в течение

расчетного промежутка времени;

R – газовая постоянная для

продуктов сгорания.

При критическом режиме истечения













 55,054,0

кр

скорость и плотность газа в расчетном сечении продувочных

окон:

265

цвп



 ; (7.35)





. (7.36)

При подкритическом режиме истечения































цвп

W ; (7.37)

















Изменение объема кривошипной камеры на расчетном участке

 





iii

SSFVVV 



пк)1(кк

. (7.38)

Предполагается, что продукты сгорания, поступающие в

продувочные каналы из надпоршневой полости, не смешиваясь

со смесью газов в продувочных каналах, оттесняют их от проду-

вочных окон.

В конце каждого расчетного промежутка времени опреде-

ляются следующие величины:

 в надпоршневой полости – давление, масса и температу-

ра продуктов сгорания:

(i+1)

= p

–  p

; (7.39)

(i+1)

= М

– (М

цвi

+ М

цвпi

); (7.40)

)1(т

)1()1(

)1(









; (7.41)

 в кривошипной камере – давление и температура смеси

газов (масса смеси газов в кривошипной камере не изменяется и

равна массе смеси М

в точке r):

к(i+1)

= p

кi

+  p

кi

; (7.42)

266

)1(к)1(к

)1(к





 ; (7.43)

 в продувочных каналах – масса продуктов сгорания,

среднее значение температуры продуктов сгорания в продувоч-

ных каналах (давление продуктов сгорания в продувочных кана-

лах равно давлению p

к(i+1)

в кривошипной камере), среднее зна-

чение плотности продуктов сгорания в продувочном канале:

цвп(i+1)

= М

цвпi

+ М

цвпi

; (7.44)

 

)1(цвп

цвп

)1(цвп













; (7.45)

)1(цвпт

)1(к

)1(цвп





ТR

; (7.46)

Истечение продуктов сгорания из надпоршневой полости в

продувочные каналы продолжается до момента (точка m на

рис. 7.6), когда давление в надпоршневой полости р

будет равно

давлению в кривошипной камере р

кm

. С этого момента при р

кi

> р

в надпоршневую полость начнут возвращаться продукты сгора-

ния из продувочных каналов и зависимости для расчета измене-

ния давления на расчетном участке в надпоршневой полости и в

кривошипной камере несколько изменятся (участок III от точки m

до точки V на рис. 7.6):

 





















pк

пвццв

; (7.47)

 



















pк

кпвц

пвцк

кs

, (7.48)

где

 

пвц

ср

пп

пвцпвц

















 – масса продуктов

сгорания, поступивших из продувочных каналов в надпоршневую

полость на расчетном участке;

267































цвпт

пвц

W – скорость продуктов сгорания

в продувочных окнах; Т

цвп

– температура продуктов сгорания в

продувочном канале.

Давление, температура, масса продуктов сгорания в над-

поршневой полости в конце расчетного промежутка времени:

(i+1)

= p

  p

; (7.49)

(i+1)

= М

– М

цвi

+ М

пвцi

; (7.50)

)1(т

)1()1(

)1(









, (7.51)

т.е. температура продуктов сгорания в надпоршневой полости в

конце расчетного шага определяется в предположении полного

перемешивания поступивших газов из продувочного канала в

надпоршневую полость с продуктами сгорания в надпоршневой

полости.

Давление и температура смеси газов в кривошипной камере

определяется по зависимостям (7.42) и (7.43).

Масса продуктов сгорания, возвратившихся из продувочных

каналов в надпоршневую полость и оставшихся в продувочных

каналах к концу расчетного участка

пвц (i+1)

= М

пвцi

+ М

пвцi

; (7.52)

вп (i+1)

= М

цвп

– М

пвц(i+1)

. (7.53)

Момент времени (угол поворота кривошипа), к которому

продукты сгорания, поступившие в продувочные каналы, пол-

ностью возвратятся в надпоршневую полость, определяется мо-

ментом, когда в конце очередного расчетного промежутка време-

ни М

пвц (i+1)

 М

цвп

. В надпоршневую полость начнет поступать

топливовоздушная смесь, т.е. с этого момента фактически и на-

чинается продувка надпоршневой полости топливовоздушной

смесью. Поскольку поток смеси, поступающей в надпоршневую

полость, направлен в противоположную от выпускных окон сто-

рону, у продувочных окон в направлении к стенке цилиндра, про-