книги из ГПНТБ / Артамонов, М. Д. Основы теории и конструкции автомобиля учебник

наддуве п температурах выше 2300 К. Во время расширения темпе­ ратура газов уменьшается, и часть теплоты, затраченной на диссоциацию, вновь освобождается в результате окисления эле­ ментов, образующихся прп диссоциации. Однако использова­ ние этой теплоты в рабочем процессе двигателя не очень эффек­ тивно.

Прп тепловом расчете дизелей пли газовых двигателей дис­ социацией пренебрегают, так как онп работают прп высоких значениях коэффициента избытка воздуха, относительно низких температурах п высоких давлениях сгорания.

Степень повышения давления К находится в пределах 3—4 для карбюраторных двигателей, 3—5 — для газовых двигателей п 1,2—1,4 — для дизелей.

Ниже приведены значения температуры Т2 и давления p z газов в конце сгорания прп работе двигателей с полной нагруз­ кой:

дится в пределах 1,2—1,7.

§ 4. ПРОЦЕСС РАСШИРЕНИЯ

В процессе расширения теплота преобразуется в полезную меха­ ническую работу.

В отличие от теоретического цикла, в котором процесс расши­ рения происходит адиабатически, действительный процесс расши­ рения сопровождается интенсивным теплообменом между газами, с одной стороны, и стенками цилиндра п камеры сгорания н дппщем поршня — с другой, а также некоторой утечкой газа через неплотности. Кроме того, происходит подвод теплоты к газам в результате догорания топлива и восстановления некоторого количества продуктов диссоциации, - а также уменьшение тепло­ емкости газов вследствие снижения их температуры при расшире­ нии. В результате этого действительный процесс расширения газов совершается по политропе с переменным показателем п2, который изменяется в пределах 1,15—1,30.

Повышение температур сгорания и расширения вызывает увеличение теплоемкости газов и уменьшение показателя п2. Увеличение интенсивности охлаждения двигателя способствует увеличению показателя п2.

При определении давления и температуры конца процесса расширения считают, что при работе двигателя по циклу при V = const расширение происходит от в. м. т. до н. м. т.; прп работе по смешанному циклу расширение начинается с момента

40

(

окончания подвода теплоты при р — const (точка г), а заканчивав ется в н. м. т.

Согласно уравнению подтропического процесса pV n — const можно написать, что

РъУЪ = РгУ?.

Из полученного уравнения определим давление в конце рас­ ширения

{Vz'-rh

Рь-Р .(т гь) ■

Умножив и разделив выражение в скобках на Vc, получим

(Ll

Pb — Pi \V c Vb

Но так как

Vc

т. е. представляет собой степень последующего расширения, для цикла со смешанным сгоранием получим

В начале расширения приток теплоты к газам вследствие интенсивного догорания значительно больше, чем теплоотдача в охлаждающую среду (в «стенки»). Поэтому показатель поли­ тропы расширения п2 (рис. 13) меньше показателя адиабаты рас­ ширения к (участок zm) . По мере уменьшения догорания значение

41

показателя политропы п., повышается. Если выделяющаяся теп­ лота при догорании равна тепловым потерям в стенки, то кривая политропы пересекает линию адиабаты в точке Н.

При дальнейшем расширении газов тепловые потери в стенки больше, чем приток теплоты вследствие догорания, и поэтому значение показателя п2 увеличивается (участок mb).

В связи с тем, что учесть все явления, сопровождающие про­ цесс расширения, весьма трудно, действительную кривую расши­ рения с переменным показателем, как и для процесса сжатия, заменяют нолитроппческой кривой с постоянным показателем щ.

Среднее значение показателя политропы расширения >и меньше значения показателя адиабаты к, и поэтому кривая показателя политропы расширения расположена выше кривой показателяадиабаты.

Ниже приведены средние значения показателя политропы расширения п.,:

На величину среднего значения показателя /г2 оказывает

влияние ряд факторов. Увеличение угловой скорости коленчатого вала двигателя приводит к уменьшению показателя /г2, что объ­ ясняется значительным догоранием и уменьшением теплоотдачи в стенки.

Температуру в конце расширения можно определить из ра­ венства, полученного в результате совместного решения харак­ теристического и полнтроппческого уравнений:

Tbvz>-' = T2v? --'.

42

Уменьшение значений давления и температуры в конце рас­ ширения у дизелей объясняется большей степенью расширения газов и меньшей температурой конца сгорания.

§ 5. ПРОЦЕСС ВЫПУСКА

Процесс выпуска должен происходить таким образом, чтобы давление р г остаточных газов в конце выпуска и затрата работы на осуществление этого процесса были минимальными.

В современных двигателях выпускной клапан открывается с опережением, что уменьшает работу, затрачиваемую при выпуске, и улучшает очистку цилиндра от отработавших газов. Однако при этом несколько уменьшается мощность двигателя пз-за со­ кращения продолжительности процесса расширения.

Давление отработавших газов в цилиндре во время выпуска не остается постоянным, так как из-за периодичности этого про­ цесса в системе выпуска возникают упругие колебания газов. Так как колебания газов при выпуске не могут быть теорети­ чески рассчитаны, то величину давления в процессе выпуска обычно принимают постоянной, равной некоторому среднему значению за весь этот процесс.

Давление р г выпуска зависит от угловой скорости коленчатого вала двигателя, конструкции и размеров системы выпуска и находится в пределах 0,105—0,12 МН/м2.

Температура отработавших газов зависит в основном от тех же факторов, что и температура в конце процесса расширения. Наибольшая температура отработавших газов получается при несколько обедненной смеси, т. е. приблизительно при коэффи­ циенте а = 1,05 -г- 1,15. Дальнейшее обеднение смеси приводит к снижению температуры отработавших газов, так как, несмотря на увеличение продолжительности сгорания, максимальная тем­

Отработавшие газы имеют значительную энергию, при ис­ пользовании которой улучшается топливная экономичность порш­ невого двигателя. Энергию отработавших газов можно использо­ вать в газовой турбине, служащей для привода центробежного нагнетателя, который осуществляет наддув поршневого двигателя.

При использовании в газовой турбине энергии отработав­ ших газов увеличивается сопротивление в системе выпуска, что повышает давление р т. Однако такое увеличение сопротивления полностью компенсируют повышением давления на впуске.

Состав отработавших газов зависит от качества рабочей смеси, способов образования и воспламенения смеси, режима работы,

43

технического состояния двигателя и т. д. В случае хорошо отра­ ботанной конструкции и исправного состояния двигателя состав отработавших газов в основном зависит от количества кислорода, находящегося в камерах сгорания двигателя.

В отработавших газах, кроме углекислого газа, водяного пара п кислорода, содержатся токсические вещества. Основными составляющими, определяющими токсичность отработавших га­ зов, являются окись углерода, окислы азота и альдегиды.

на режиме холостого хода, а также на малых и максимальных нагрузках двигателя. Это соответствует работе двигателя па богатых смесях (а < 1 ), т. е. при значительной неполноте сго­

рания топлива.

Увеличению содержания окиси углерода в отработавших газах карбюраторных двигателей способствует неправильная регу­ лировка карбюратора и системы зажигания, использование бен­ зина с малым октановым числом и износ трущихся деталей двига­ теля (поршневых колец, поршпей и стенок цилиндров).

Отработавшие газы карбюраторных двигателей в условиях эксплуатации содержат 0 ,0 2 —1 % окиси углерода по объему.

Необходимо учитывать, что при движении автомобиля отработав­ шие газы быстро перемешиваются с окружающим воздухом, что исключает образование местных загазованных зон. Отработавшие газы быстроходных дизелей содержат в 2—3 раза меньше окпсп углерода по сравнению с карбюраторными двигателями. Это объясняется большим значением коэффициента избытка воздуха и более низкой температурой сгорания топлива.

Окислы азота в отработавших газах составляют 0,001—0,2% по объе.му. Образованию окислов азота способствуют повышение температуры при сгораппп и увеличение степени сжатия карбю­ раторных двигателей.

Основными методами борьбы с токсичностью отработавших газов автомобильных двигателей являются следующие.

Эксплуатируемые двигатели, а также их отдельные узлы и системы (особенно системы питания и зажигания) должны рабо­ тать стабильно.

Опытным путем установлено, что при впрыске легких топлив в цилиндры дизеля окислов углерода и азота в отработавших газах образуется меньше, чем у карбюраторных двигателей, что объясняется сравнительно медленно протекающим процессом сгорания и пониженными температурами процесса. Дизели, рабо­ тающие как на тяжелых, так и на легких фракциях нефтяных топлив (бензинах и др.), получили название многотопливных. Следовательно, использование легких топлив в дизелях приводит к уменьшению токсичности отработавших газов. Токсичность отработавших газов двигателей с факельным зажиганием значи­ тельно меньше (см. ниже) вследствие того, что в этих двигателях

44

Г л а в а IV

ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ И К. П. Д. ДВИГАТЕЛЯ

§ I. СРЕДНЕЕ ИНДИКАТОРНОЕ ДАВЛЕНИЕ, ИНДИКАТОРНАЯ МОЩНОСТЬ И ЭКОНОМИЧНОСТЬ

Для определения индикаторной мощности двигателя необходимо знать среднее индикаторное давление р {. Давление p i представляет собой условное постоянное давление газов, под действием которого при расширении совершается работа, равная индикаторной работе

диаграммы. Давление р1 представляет собой среднее геометри­ ческое давление за процесс сжатия, а давление р 2 — среднее геометрическое давление за процессы сгорания и расширения.

Сначала определим среднее индикаторное давление смешан­

полезной работой LZ'Z+ Lzb за процессы сгорание — расширение и работой Lac, затраченной на сжатие:

Работу на участке z'z предварительного расширения при постоянном давлении согласно рис. 14 определим из выражения

Lz> = pz (Vz - V z.) = pzVz ' ( ^ - l ) .

\

46

Так как

Уг' — Vc, р, = Хра п ^ - = р ,

' С

ТО

LZ'Z= X(p —1) pcVc.

Работа политропического расширения газов на участке zb

Подставляя найденные выражения для определения работ LZ'Z, Llb й Lac в уравнение (36) и вынося за скобки произведение Р , У С , получим

Средние индикаторные давления действительных циклов че­ тырехтактных двигателей, подсчитанные по формулам (37) и (38), имеют меньшие значения из-за округлений индикаторной диаграммы и насосных потерь Ap it возникающих при впуске и выпуске.

47

Потери на округление индикаторной диаграммы учитывают

коэффициентом полноты диаграммы фп, который для четырех­ тактных двигателей находится в пределах 0,92—0,97. Значения

коэффициента срп для карбюраторных и газовых двигателей больше, чем для дизелей.

Следовательно, действительное среднее индикаторное давление

где Др; — насосные потери.

Насосные потери в четырехтактных двигателях приближенно определяют по формуле

АР ; = / > , • - Ра-

где р г — давление в конце выпуска в МН/м2; ра — давление в конце впуска в МН/м2.

По опытным данным величина Др; для быстроходных двига­ телей без наддува находится в пределах 0,025—0,040 МН/м2.

Насосные потери относят к механическим потерям, так как практически механические потери, т. е. потери на трение, обычно определяют на стенде путем прокручивания прогретого двига­ теля электродвигателем стенда. При таком способе определения механических потерь в мощность, затрачиваемую на прокручи­ вание, входит также и мощность, необходимая для осуществле­ ния впуска и выпуска воздуха, т. е. мощность насосных потерь. В связи с этим формула (39) примет вид

Если линия впуска расположена выше линии выпуска (ра> р г), например, при наддуве с помощью приводного нагнетателя, то работу, которая затрачивается на вспомогательные процессы, также, учитывают величиной механических потерь в двигателе.

Для двухтактных двигателей действительное среднее инди­ каторное давление определяют с учетом доли потерянного объема ф и коэффициента полноты диаграммы фп:

Коэффициент фп для двухтактных дизелей зависит от типа продувки и находится в пределах 0,92—1,0. Нижний предел относится к случаю прямоточной продувки и выпуску газов через клапаны, а верхний — для выпуска и продувки, осущест­

вляемых через окна.

Ниже приведены значения среднего индикаторного давления (в МН/м2) четырехтактных двигателей при полной нагрузке:

48

Если снята нндикаторная диаграмма действительного цикла двигателя, то среднее индикаторное давление можно определить по формуле

F

Pi = T m«■

Индикаторной мощностью называют работу, которую совер­ шают газы в цилиндре двигателя в единицу времени.

Индикаторная работа в МН-м, совершаемая газами в цилиндре за один цикл:

Li = PiVh.

Число рабочих циклов, происходящих в цилиндре в секунду,

в об/мин; т — тактность двигателя, т. е. число тактов в цикле). Поэтому мощность, развиваемая в одном цилиндре:

jyf __ PjE/|C0e irr-r *

Тогда индикаторную мощность многоцплиндрового двигателя, имеющего гц цилиндров, можно определить по формуле

Индикаторный к. п. д. представляет собой отношение теплоты, которая преобразуется в полезную работу цикла ко всей затраченной теплоте Ни:

Следовательно, с помощью индикаторного к. п. ц. оценивают степень использования теплоты в цилиндре двигателя с учетом всех тепловых потерь, включая и отвод теплоты в холодный источник.

Как указывалось выше, работа цикла равна произведению PiVh\ объем же Vh можно определить из характеристического уравнения

т)vPoVн —8314MJT„,

решив его относительно объема Vb:

8314<¥17,0

49