Дьяченко В.Г. Теория двигателей внутреннего сгорания

Подождите немного. Документ загружается.

328

рабочего тела от стенок надпоршневой полости. В каждой из этих

полостей в начале каждого из расчетных шагов рабочее тело на-

ходится в равновесном состоянии.

Изменение давления в течение расчетного промежутка вре-

мени в надпоршневой полости



























тн

нн

pк

dp , (9.10)

где р

, V

, 

, М

– давление, объем, плотность и масса рабочего

тела в надпоршневой полости в начале расчетного шага; к

– по-

казатель адиабаты для рабочего тела в надпоршневой полости;

– масса рабочего тела, перетекающая из надпоршневой по-

лости в камеру сгорания в течение расчетного промежутка вре-

мени; dQ

тн

– количество теплоты, сообщаемой рабочему телу

или отдаваемой от рабочего тела в течение расчетного промежут-

ка времени в надпоршневой полости; dV

– изменение объема

надпоршневой полости в течение расчетного промежутка време-

ни, обусловленное перемещением поршня.

Масса рабочего тела, перетекающая из надпоршневой по-

лости в камеру сгорания в течение расчетного промежутка вре-

мени,















 dWf

ккк

нн

, (9.11)

где р

– давление рабочего тела в камере сгорания; 

– коэффи-

циент расхода для соединительного канала (

= 0,7–0,8); f

–

площадь поперечного сечения соединительного канала; W

– ско-

рость потока в канале.

Количество теплоты, сообщаемой рабочему телу или отда-

ваемое рабочим телом в стенки надпоршневой полости, опреде-

ляется по зависимости (4.36).

Для конечного значения расчетного промежутка времени 

давление, температура и количество рабочего тела в надпоршне-

вой полости в конце расчетного промежутка времени:

н(i+1)

= p

нi

+  p

нi

;

н(i+1)

= М

нi

–  М

н i

;

329

)1(н

)1(н)1(н

)1(н







 .

Количество тепла, сообщенное рабочему телу или отданное

от рабочего тела в стенки надпоршневой полости к концу расчет-

ного участка:

тн(i+1)

= Q

тнi

+ Q

тнi

Изменение давления в течение этого же бесконечно малого

расчетного промежутка времени в полости камеры сгорания

























тк

кк

pк

dp , (9.12)

где р

, V

, 

, М

– давление, объем, плотность и масса рабочего

тела в камере сгорания; к

– показатель адиабаты для рабочего

тела в камере сгорания; dM

– изменение массы рабочего тела в

камере сгорания вследствие перетекания рабочего тела из над-

поршневой полости (dM

= dM

); dQ

тк

– количество теплоты, со-

общаемой рабочему телу в камере сгорания в течение расчетного

промежутка времени от поверхности стенок камеры сгорания или

отдаваемое рабочим телом стенкам камеры сгорания (определя-

ется по зависимости (4.36)).

Для конечного значения расчетного промежутка времени

давление, масса и температура рабочего тела, количество тепло-

ты, переданное от стенок к рабочему телу или, наоборот, в конце

расчетного промежутка времени:

к(i+1)

= p

кi

+  p

кi

;

к(i+1)

= М

кi

+  М

н i

;

)1(к

)1(к)1(к

)1(к









;

тк (i+1)

= Q

тк i

+ Q

тк i

Потери энергии, обусловленные гидравлическими сопро-

тивлениями в канале (перепадом давления рабочего тела на со-

единительном канале)

к(i+1)

= L

кi

+ (p

нi

– p

кi

)  V

пi

. (9.13)

330

Часть этой энергии, приходящейся на гидравлические со-

противления в канале, переходит в теплоту, а часть сохраняется в

виде кинетической энергии движения рабочего тела в дополни-

тельной камере сгорания (вихрекамерные дизели). Если в допол-

нительной камере сгорания происходит полное торможение по-

тока рабочего тела, втекающего в дополнительную камеру сгора-

ния (предкамерные дизели), тогда и эта часть потерь энергии в

канале переходит в тепловую, что обусловливает дополнительное

повышение температуры рабочего тела в дополнительной камере

сгорания.

Кинетическая энергия рабочего тела, поступившего в до-

полнительную камеру сгорания, к концу расчетного промежутка

времени

нк)1(к

iii

МЕЕ 



, (9.14)

– скорость рабочего тела в соединительном канале на i-том

расчетном участке.

В вихрекамерных дизелях кинетическая энергия потока газа,

втекающего в дополнительную камеру сгорания, предопределяет

интенсивность процесса смесеобразования и сгорания, в предка-

мерных же дизелях переходит, в основном, в тепловую.

Затем переходим к следующему расчетному шагу. К концу

процесса сжатия перепад давления рабочего тела на канале будет

уменьшаться и в ВМТ давление в дополнительной камере сгора-

ния будет примерно равным давлению рабочего тела в надпорш-

невой полости, но температура рабочего тела в дополнительной

камере сгорания будет значительно выше, чем в надпоршневой

полости.

Потери энергии на перетекание рабочего тела в соедини-

тельном канале предопределяет увеличение механических потерь

двигателя. Чем больше будет в двигателе отношение V

, час-

тота вращения коленчатого вала и меньше отношение f

, тем

больше будут потери энергии на перетекание рабочего тела в со-

единительном канале.

331

Контрольные вопросы и задания

1. Какие факторы определяют необходимость предвари-

тельного сжатия рабочего тела?

2. Какие факторы определяют пределы изменения степени

сжатия в двигателях с искровым зажиганием, температуру и дав-

ление рабочего тела в конце такта сжатия?

3. Какие факторы определяют пределы изменения степени

сжатия в двигателях с воспламенением топлива от сжатия, темпе-

ратуру и давление рабочего тела в конце такта сжатия?

4. Объясните особенности процессов теплообмена в над-

поршневой полости при сжатии рабочего тела.

5. Объясните отличия среднего и истинного значения пока-

зателя адиабаты на участке сжатия.

6. Объясните отличия среднего и истинного значения пока-

зателя политропы на участке сжатия.

7. Объясните особенности протекания процесса сжатия в

двигателях с разделенными камерами сгорания.

8. Какие факторы влияют на параметры рабочего тела в

конце такта сжатия в ДВС с неразделенной камерой сгорания?

9. Какие факторы влияют на параметры рабочего тела в

конце такта сжатия в ДВС с разделенной камерой сгорания?

10. Объясните особенности расчета процесса сжатия в ДВС с

неразделенной камерой сгорания.

11. Объясните особенности расчета процесса сжатия в ДВС с

разделенной камерой сгорания.

12. Как определяются потери энергии на перетекание рабоче-

го тела из надпоршневой полости в дополнительную камеру сго-

рания?

13. Решите следующие задачи:

Задача 1. Определить изменение параметров рабочего тела

в конце такта сжатия и показателя адиабаты сжатия без учета

теплообмена в двигателях с искровым зажиганием (S/D = 80/90,

температура и давление рабочего тела в НМТ: Т

= 350 К; р

= 0,1 МПа) при увеличении степени сжатия с 7 до 10. Зависи-

мость молярной теплоемкости рабочего тела от температуры

332

принять такой же, как и для воздуха ( tс

104,558,20



 ,

кДж/(кмольК)).

Задача 2. Определить изменение параметров рабочего тела

в конце такта сжатия и работу сжатия без учета теплообмена в

быстроходном дизеле (S/D = 100/120, температура и давление ра-

бочего тела в НМТ: Т

= 350 К; р

= 0,1 МПа) при увеличении

степени сжатия с 12 до 23. Зависимость молярной теплоемкости

рабочего тела от температуры принять такой же, как и для возду-

ха (см. условия задачи 1).

Задача 3. Оценить влияние теплообмена на значения пара-

метров рабочего тела в конце такта сжатия в двигателе с искро-

вым зажиганием при условиях задачи 1, приняв значение коэф-

фициента теплоотдачи по среднему значению параметров рабо-

чего тела на такте сжатия для n = 1000 и 5000 об/мин;  = 7 и 11.

Среднее значение температуры поверхности стенок надпоршне-

вой полости принять равным 300С. Определить при этих усло-

виях среднее значение показателя политропы сжатия.

Задача 4. Оценить влияние теплообмена на значения пара-

метров рабочего тела в конце такта сжатия в дизеле при условиях

задачи 2, приняв значение коэффициента теплоотдачи по средне-

му значению параметров рабочего тела на такте сжатия для n =

= 3000 об/мин;  = 12 и 23. Среднее значение температуры по-

верхности стенок надпоршневой полости принять равным 300С.

Определить при этих условиях среднее значение показателя по-

литропы сжатия.

Список литературы к главе 9

1. Глаголев Н.М. Рабочие процессы двигателей внутреннего

сгорания. – М.–К.: Машгиз, 1950. – 476 с.

2. Брилинг Н.Р., Вихерт Н.М., Гутерман И.И. Быстроходные

дизели. – М.: Машгиз, 1951. – 517 с.

3. Двигатели внутреннего сгорания. Теория поршневых и

комбинированных двигателей / Д.Н. Вырубов, Н.А. Иващенко,

В.И. Ивин, М.Г. Круглов и др. Под ред. А.С. Орлина и М.Г.

Круглова. – М.: Машиностроение, 1983. – 375 с.

333

4. Чернышов Г.Д., Хачиян А.С., Пикус В.И. Рабочий про-

цесс и теплонапряженность автомобильных дизелей. – М.: Ма-

шиностроение, 1986. – 216 с.

5. Дьяченко В.Г. Основы теории рабочих процессов в дви-

гателях внутреннего сгорания: Учеб. пособие. – Киев: УМК ВО,

1988. – 94 с.

334

Глава 10

ПРОЦЕССЫ СМЕСЕОБРАЗОВАНИЯ, СГОРАНИЯ

И РАСШИРЕНИЯ В ДВИГАТЕЛЯХ

С ИСКРОВЫМ ЗАЖИГАНИЕМ

§ 1. Процессы смесеобразования

В двигателях с искровым зажиганием используются как сис-

темы питания с внешним смесеобразованием (топливовоздушная

смесь образуется вне цилиндра двигателя), так и системы пита-

ния с внутренним смесеобразованием (топливовоздушная смесь

образуется непосредственно в надпоршневой полости). Системы

питания в двигателях с внешним смесеобразованием подразде-

ляются на карбюраторные, с моновпрыском (электронным кар-

бюратором) и распределительным впрыском на впускные клапа-

ны. Системы питания в двигателях с внутренним смесеобразова-

нием подразделяются на механические системы впрыска (впрыск

топлива осуществляется с помощью механического топливного

насоса высокого давления и закрытой клапанной форсунки);

пневмомеханические системы впрыска низкого давления с рас-

пылом топлива сжатым воздухом; аккумуляторные системы

впрыска (давление топлива в аккумуляторе поддерживается по-

стоянным с помощью механического топливного насоса высоко-

го давления) с электронной системой управления подъёмом кла-

пана форсунки, начало подъёма и продолжительность подъёма

которого зависят от частоты вращения коленчатого вала и на-

грузки.

Из систем питания двигателей с внешним смесеобразовани-

ем рассмотрим для примера особенности процессов смесеобразо-

вания в двигателе с простейшим карбюратором (рис. 10.1). На

такте впуска поток воздуха в диффузоре 1 карбюратора создает

повышенное разрежение из-за увеличения скорости потока. В зо-

ну минимального проходного сечения диффузора выведен канал

2 подвода топлива из поплавковой камеры 3, в которой поддер-

живается постоянный уровень топлива. Давление воздуха над то-

пливом в поплавковой камере примерно то же, что и давление

воздуха на входе в карбюратор. Под воздействием перепада дав-

335

ления между полостью над топливом в

поплавковой камере и в минимальном

проходном сечении диффузора топли-

во по каналу 2 поступает в поток воз-

духа, скорость которого в зависимости

от режима работы двигателя составляет

30–200 м/с.

Расход топлива через канал 2 при

этом зависит от перепада давления на

канале 2 и площади проходного се-

чения жиклера 4. Скорость топлива

на выходе из канала 2 не превышает

5–6 м/с [1]. Распад струи топлива на

выходе из канала 2 начинается уже при

разности скоростей топлива и воздуха

4–6 м/с, а при разности скоростей свыше 30 м/с происходит пол-

ный распыл топлива. Тонкость распыла топлива характеризуется

средним диаметром капель топлива. При расходах воздуха через

диффузор, близких к максимальным, средний диаметр капель

топлива составляет 20–50 мкм [1]. Дальнейшее улучшение тон-

кости распыла топлива путем увеличения скорости потока через

диффузор увеличивает гидравлические потери на впуске, снижа-

ет коэффициент наполнения при незначительном улучшении ка-

чества топливовоздушной смеси, эффективности ее сгорания.

Интенсивность испарения капель топлива в потоке воздуха

зависит от температуры воздуха, парциального давления паров

топлива в потоке воздуха, скорости воздуха относительно капель.

Наиболее интенсивное испарение топлива происходит в диффу-

зоре. Вначале испаряются более легкие фракции и более мелкие

капли. Более крупные капли топлива, перемещаясь по впускному

трубопроводу, частично оседают на стенках трубопровода и уже

в виде пленки перемещаются к впускному клапану. Неравномер-

ность распределения по цилиндрам капель топлива, пленки топ-

лива на стенках трубопроводов зависит от конструкции впускной

системы и может достигать 10–20 % (по составу смеси). Наибо-

лее интенсивное перемешивание паров топлива и воздуха имеет

место в проходном сечении впускного клапана, где скорости по-

тока максимальны.

Рисунок 10.1 – Схема

простейшего карбюратора:

– диффузор; 2 – канал под-

вода топлива к диффузору;

– поплавковая камера; 4 –

жиклер; 5 – дроссельная за-

слонка

336

Часть капель топлива попадает в надпоршневую полость,

частично оседает на поверхности стенок надпоршневой полости.

Неиспарившиеся к началу сгорания топливовоздушной смеси

капли топлива, топливная пленка на поверхности стенок над-

поршневой полости образуют нагар вследствие термического

крекинга молекул углеводородов, образования свободного угле-

рода. Для интенсификации процесса испарения топлива во впуск-

ной системе, снижения неравномерности состава смеси по ци-

линдрам используют подогрев впускного трубопровода жид-

костью из системы охлаждения или от выпускного коллектора,

который обычно располагают ниже впускного.

Снижение температуры свежего заряда, поступившего в

надпоршневую полость вследствие испарения углеводородов

топлива без учета потерь теплоты на подогрев углеводородов до

температуры кипения:

исп



 , (10.1)

где r

исп

– скрытая теплота парообразования топлива.

Скрытая теплота парообразования бензина в зависимости от

состава углеводородов составляет 300–340 кДж/кг, этилового

спирта – 905 кДж/кг, метилового спирта – 1170 кДж/кг. Соот-

ветственно снижение температуры воздуха в смеси при стехио-

метрическом составе топливовоздушной смеси и полном испаре-

нии топлива только за счет теплоты воздуха примерно составит:

для бензина – 20 С; этилового спирта – 74 С; метилового спирта

– 122 С. С учетом потерь теплоты воздуха на подогрев углево-

дородов топлива до температуры кипения снижение температуры

топливовоздушной смеси будет заметно больше. Таким образом,

при использовании в качестве моторного топлива этилового или

метилового спирта для полного их испарения во впускной систе-

ме необходим интенсивный подогрев впускных трубопроводов,

карбюратора. Без интенсивного подогрева карбюратора, впуск-

ных труб будет происходить их обмерзание и при температуре

окружающей среды выше 20 С.

Важнейшей характеристикой карбюратора является состав

топливовоздушной смеси за смесительной камерой (соотношение

337

массы воздуха и топлива в смеси,

характеризуемое коэффициентом

избытка воздуха). В случае про-

стейшего карбюратора (рис. 10.1)

изменение состава топливовоздуш-

ной смеси в зависимости от расхода

воздуха не соответствует опти-

мальной характеристике карбюра-

тора (рис. 10.2, кривая 2). На ос-

новных эксплуатационных режи-

мах работы двигателя, соответст-

вующих диапазону изменения рас-

хода воздуха 0,15–0,90 от макси-

мального экономичная работа дви-

гателя возможна только при избыт-

ке воздуха, т.е. при значениях ко-

эффициента избытка воздуха 

больших единицы. На режимах внешней скоростной характерис-

тики для достижения максимальных значений крутящего момен-

та, коэффициент избытка воздуха должен быть равным 0,85–0,90.

При прикрытии дроссельной заслонки 5 (рис. 10.1), умень-

шении расхода воздуха до значений меньших 0,1 от максималь-

ного (режимы холостого хода и малых нагрузок) в топливовоз-

душной смеси в надпоршневой полости возрастает количество

остаточных газов (на режимах холостого хода до значений

 = 0,80), ухудшаются условия воспламенения и сгорания топли-

вовоздушной смеси. Для исключения пропусков воспламенения

топливовоздушной смеси коэффициент избытка воздуха должен

быть меньше 1 (0,7–0,9).

В современных карбюраторах оптимальный состав смеси в

поле эксплуатационных режимов работы двигателя достигается

путем использования в карбюраторе, наряду с главной дозирую-

щей системой, ряда вспомогательных систем, каждая из которых

обеспечивает необходимый состав топливовоздушной смеси на

определенных эксплуатационных режимах работы двигателя:

система холостого хода – для режимов холостого хода и малых

нагрузок; насос-ускоритель – для режимов разгона двигателя;

, %

0,8

1,0

1,2



Рисунок 10.2

– Изменение состава

топливовоздушной смеси в

зависимости от расхода

воздуха (степени откры

тия

дроссельной заслонки):

1 – простейший карбюратор;

2 – оптимальная зависимость