ОХ – текущее перемещение поршня

Текущее перемещение поршня задается с определенным интервалом, примерно каждые 15мм. Первое значение текущего перемещения поршня соответствует отрезку ОА, а последнее значение – отрезку ОВ.

1.3.2 Политропа расширения

n₂ - коэффициент политропы расширения

Результаты расчета точек политроп сводятся в таблицу 1:

Сначала соединяются плавной кривой все вычисленные и нанесенные на поле диаграммы точки политропы сжатия (от а до с) и политропы расширения (от z до b), далее соединяются точки от с до z (для бензиновых двигателей) или с - z´- z (для дизелей) и, наконец, b-a - прямой линей. Таким образом, получается расчетная индикаторная диаграмма без учета насосных ходов (тактов впуска и выпуска).

Для оценки точности построения расчетной или теоретической индикаторной диаграммы необходимо определить теоретическое среднее индикаторное давление P_{i (d T )}, т.е. то условное индикаторное давление, которое действует на днище поршня в течение одного рабочего хода и совершает работу, равную индикаторной работе газов за цикл (Рис. 9). Теоретическое среднее индикаторное давление определяется путем планиметрирования площади индикаторной диаграммы а-с-z-b-a (Рис.2а) или a-c-z´-z-b-a (Рис.2б) и сравнивается с P_i, полученное в тепловом расчете.

P_{i (dТ)}=

F _(dТ) – площадь теоретической индикаторной диаграммы без учета процессов газообменов (впуска и выпуска), [мм²].

Значение P_{i (dТ)} должно быть примерно равно значению P_i, полученному в тепловом расчете. Если относительная ошибка () не превышает 5%, это означает, что теоретическая индикаторная диаграмма была правильно построена.

а. б. в.

Рис.2. Расчетная индикаторная диаграмма

а - двигатель с воспламенением от искры; б - дизель; в - дизель с наддувом

Проведение оценки точности построения индикаторной диаграммы можно проводить в этом разделе или после ее скругления. Если проводит после ее скругления, тогда из скругленной диаграммы определяется среднее действительное индикаторное давление Р_{i ( dd )} путем также планиметрирования площади F _(dd) индикаторной диаграммы a ´´- c ´- f - c ´´- z _д - b ´- b ´´- a ´´ (Рис. 8) и сравнивается с P_id, полученное в тепловом расчете, с учетом коэффициента полноты диаграммы.

1.4. Скругление индикаторной диаграммы, или ее реальное построение.

Скругление индикаторной диаграммы осуществляется на основе начала впрыскивания топлива (в основном, для дизелей) или момент подачи искры зажигания (для двигателей с воспламенением от искры), максимального давления сгорания и фаз газораспределения (Рис. 12).

а. Момент подачи искры зажигания определяется углом опережения зажигания (θ_оз - Рис. 3) и находится в пределах:

θ_оз =30 50 ºПКВ до ВМТ

(большее значение θ_оз соответствует более высокооборотным двигателям).

Момент начала впрыскивания дизельного топлива определяется углом опережения его впрыскивания (θ_вп - Рис. 4) и находится в пределах:

θ_вп =15 35 ºПКВ до ВМТ.

Период от начала момента подачи искры зажигания (точка с´) до момента, когда давление в цилиндре в результате выделения теплоты становится больше, чем давления при сжатии смеси без сгорания (точка f - Рис.3), называется фазой формирование фронта пламени, или начальной фазой сгорания (Δφ_б).

Δφ_б = 5 18 ºПКВ

Период от начала впрыскивания дизельного топлива (точка с´) до момента, когда давление в цилиндре становится в результате выделения теплоты больше, чем давления при сжатии заряда без впрыскивания топлива (точка f - Рис. 4), называется периодом задержки воспламенения (Δφ_τi).

Δφ_τi = 7 12 ºПКВ

б. Для двигателейс воспламенением от искры, работающих по циклу с подводом теплоты при V=const, из-за ограничения скорости нарастания давления на каждый градус поворота коленчатого вала (ΔР/Δφ_{z д}) максимальное давление действительного цикла (Р_{z д}) равно следующему значению:

Р_{z д} =0.85·Р_z.

и достигает при угле поворота коленчатого вала Δφ_{z д} =8 12 ºПКВ после ВМТ (в точке z _д – Рис. 3). Значение ΔР/Δφ_{z д}=(Р_{z д}– Р _с´)/ Δφ_{z д}и колеблется от 0.1 до 0.4 МПа/ºПКВ. Если ΔР/Δφ_{z д}меньше 0.1 МПа/ºПКВ, то увеличивается догорание на линии расширения, а если ΔР/Δφ_{z д}больше 0.4 МПа/ºПКВ - жесткость работы двигателя растет.

Рис. 3 Изменение давления в процессе сгорания двигателя с воспламенением от искры

 

Для дизелей, работающих по циклу со смешенным подводом теплоты, при V=const и Р=const максимальное давление действительного цикла (Р_{z д}) равно расчетному (Р_z):

 

Р_{z д}= Р_z

 

и достигает этого значения при угле поворота коленчатого вала Δφ_{z д}=6 15 ºПКВ после ВМТ (в точке z _д – Рис. 4). Значение Δφ_{z д} менее 10ºПКВ соответствует дизелям с объемным смесеобразованием, и у которых ΔР/Δφ_{z д}=1.0 1.2 МПа/ºПКВ; а Δφ_{z д} ближе к 15ºПКВ – дизелям с вихревой камерой, у которых ΔР/Δφ_{z д}=0.2 0.5 МПа/ºПКВ.

Рис. 4 Изменение давления в процессе сгорания дизельного двигателя

Для бензиновых двигателей P_{zд max} (Рис. 5а) достигает при частоте вращения максимального крутящего момента (n_M), для дизелям P_{zд max} (Рис. 5б) достигает при частоте вращения номинальной мощности (n_N)

Рис. 5 Скоростная характеристика режимов работы двигателя

а – бензиновый двигатель; б – дизель

 

в. Фазы газораспределения характеризуют начало открытия и закрытия впускных и выпускных клапанов (Рис. 6). Эти фазы обозначаются следующим образом:

 

b ´- начало открытия выпускного клапана

b ´ b ´´- основной выпуск отработавших газов или свободных выпуск

b ´ a ´- общий процесс выпуска

a ´- закрытие выпускного клапана

 

Выпускной клапан открывается (φ_{b ´}) за 40 80º до НМТ и закрывается (φ_{а ´}) через 10 50º после прохода ВМТ.

 

r ´- начало открытия впускного клапана

r ´ a ´´ - общий процесс впуска

аa ´´- дозарядка

a ´´ - закрытие впускного клапана

 

Впускной клапан открывается (φ_{r ´}) за 10 35º до прихода поршня в ВМТ и закрывается (φ_{a ´´}) через 40 85º после прохода ВМТ.

 

r ´ a ´ - перекрытие клапанов или интенсивный газообмен

φ_п – угол перекрытия клапанов

 

а. б.

Рис. 6 Изменение давления в процессе впуска и выпуска в четырехтактном двигателе

а - без наддува; б - с наддувом

 

Рис. 7 Круговая диаграмма фаз газораспределения четырехтактного двигателя

 

Перед скруглением индикаторной диаграммы (Рис.8) находятся следующие точки:

1.4.1 В ВМТ определяется точка r. Расстояние отрезка характеризует давление остаточных газов:

= Р_r/М_р

1.4.2 В ВМТ определяется точка с^´´. Расстояние отрезка характеризует давление в конце такта сжатия c учетом начала воспламенения топлива до ВМТ:

Р_с /М_р для бензиновых двигателей

Р_с /М_р для дизелей

 

Для округления индикаторной диаграммы необходимо найти положение точек r ´, a ´, a ´´, c ´, f, z _д, b ´ в расчетной индикаторной диаграмме. Положение этих точек определяется графическим путем с помощью поправки Брикса, которая определяется следующим образом (Рис. 8).:

 

1.4.3 Под свернутой индикаторной диаграммой в координатах Р = f (V) чертится отрезок хода поршня , параллельно оси абсциссы.

1.4.4 Находится середина отрезка хода поршня :

/ 2 = О₁

1.4.5 Из точки О₁ радиусом О₁В рисуется полуокружность (п).

1.4.6 Из точки О₁ перемещением в сторону НМТ определяется отрезок :

= (R·λ)/(2·М_s)

1.4.7 Из точки О₂ проводятся лучи под углами φ_{r ´}, φ_{a ´´}, θ_оз, Δφ_б, Δφ_{z д}, φ_{b ´}, φ_{а ´} для бензиновых двигателей и φ_{r ´}, φ_{a ´´}, θ_вп, Δφ_τi, Δφ_{z д}, φ_{b ´}, φ_{а ´} - для дизелей - до пересечения с полуокружностью.

1.4.8 Из точки пересечения луча с полуокружностью (для каждого из вышеуказанных углов) проводятся прямые линии параллельно оси давления до пересечения с линией процесса сжатия или расширения расчетной индикаторной диаграммы, которому принадлежит соответствующая точка.

1.4.9 В НМТ между P_o и P_b определяется точка b ´´. P_{b ´´} меньше, чем P_b из-за опережения открытия выпускного клапана в точке b ´.

1.4.10 Проводится скругление расчетной индикаторной диаграммы (а-с-z-b- a для бензиновых двигателей или a-c-z´-z-b-a для дизелей) по рис. 8 следующим образом:

Соединяя плавными кривыми точки

r - a ´

a ´- a

а - с точками политропы сжатия

c ´- c ´´- z _д

z _д - с точками политропы расширения

b ´- b ´´

b ´´- r ´- r

получаем, таким образом, действительную индикаторную диаграмму

r - a ´- а - a ´´- c ´- f - c ´´- z _д - b ´- b ´´- b ´´- r ´- r (Рис. 8).

 

 

Как было сказано выше, условное индикаторное давление совершает работу, равную индикаторной работе (L_i = P_{i (d d )}· V_h) газов за цикл.

Рис. 9 Свернутая индикаторная диаграмма

 

1.5 Развертка действительной индикаторной диаграммы

 

Развертка индикаторной диаграммы означает ее перестроение из координат Р = f (V) в координаты Р = f (φ). Развернутая индикаторная диаграмма в координатах Р = f (φ) позволяет оценить динамическую нагруженность элементов кривошипно-шатунного механизма (КШМ) и получается графическим методом.

Для построения развернутой индикаторной диаграммы в координатах Р = f (φ) используется тот же масштаб давления (М_р), который быль принят для построения индикаторной диаграммы в координатах Р = f (V), исходя из теплового расчета.

 

Методика построения развернутой индикаторной диаграммы заключается в следующем:

1.5.1 От свернутой индикаторной диаграммы в координатах Р = f (V) развернутая диаграмма строится из новой оси координат Р = f (φ) таким образом, чтобы ось абсциссы находилась на том же уровне, что и Р_о (Рис. 11), т.е. ось абсциссы развернутой диаграммы получается как продолжение линии атмосферного давления от индикаторной диаграммы в координатах Р = f (V).

1.5.2 На оси ординаты откладывается значения давления газов (P_г´), соответствующее заданному масштабу М_р.

При этом следует иметь виду, что на свернутой индикаторной диаграмме давление отсчитывают от абсолютного нуля (Рис.8 или Рис. 11а), а на развернутой индикаторной диаграмме (Рис. 11б) показывают избыточное давление (Δ P_г) над поршнем:

Δ P_г = Р_г´ – Р_о

Избыточное давление над поршнем (Рис. 10) складывается из: Р_г´ – давления в цилиндре двигателя над поршнем и Р_о – давления в картере (в данном расчете принимается, что давление в картере равно атмосферному давлению). Следовательно, давления в цилиндре двигателя будут отрицательными, если они меньше атмосферного(Р_о).

 

Рис. 10 Давление газов, воздействующее на поршень

 

1.5.3 На оси абсциссы откладываются значения углов поворота коленчатого вала, которые соответствуют полному циклу четырехтактного двигателя (720 ºПКВ).

1.5.4 Выбирается масштаб угла поворота коленчатого вала:

М_φ = _ _ _ [º/мм]

Рекомендуемый масштаб:

М_φ = 2 º/мм.

Нахождение углов поворота коленчатого вала, которые соответствуют значениям перемещения поршня, осуществляется с помощью поправки Брикса, так же, как было сделано в пунктах с 1.4.3 по 1.4.6, т.е. необходимо под свернутой индикаторной диаграммой (Рис. 11а) начертить на отрезке = S/М_s полуокружность, где ее центром будет О₁= / 2. При вращении кривошипа на угол φ,перемещение поршня будет соответствовать отрезку = Х_φ, который определяется как проекции от экстремума вектора . Этот вектор синхронно вращается с кривошипом О₁D. Центр вращения вектора размещен относительно О₁ в сторону НМТ на отрезке = (R·λ)/(2·М_s).

 

1.5.5 Из точки E´ проводится прямая линия, параллельно оси ординаты, и на местах пересечений с кривыми свернутой индикаторной диаграммы образуются четыре точки 1´, 4´, 3´, 2´ (Рис. 11а).

1.5.6 Из каждой точки пересечения (1´, 4´, 3´, 2´) проводятся прямые линии, параллельны оси абсциссы (как показывают стрелки Рис. 11)

1.5.7 На оси абсциссы откладываются значения углов поворота коленчатого вала для каждой из этих точек. Каждая точка соответствует определенному такту (1´ – впуск, 4´ – выпуск, 2´ – сжатие, 3´ – рабочий ход).

Это процедура проводится примерно каждые 20ºПКВ, а в зоне видимого сгорания (конец такта сжатия и начала рабочего хода) - каждые 5ºПКВ.

1.5.8 Из найденных углов поворота коленчатого вала проводятся прямые линии, параллельные оси ординаты. В местах пересечений этих горизонтальных и вертикальных линий находятся точки (1´´, 2´´, 3´´, 4´´) развернутой индикаторной диаграммы (Рис. 11б).

Как видно из рис. 11, каждому перемещению поршня (Х_φ) соответствуют четыре точки в развернутой индикаторной диаграммы.

Как было сказано выше, развернутая индикаторная диаграмма показывает избыточное давление над поршнем (Δ P_г)в любом моменте вращения коленчатого вала. Для дальнейших работ (динамического расчета кривошипно-шатунного механизма) необходимо найти силу давления газов (Р_г) на поршень:

Р_г= ΔP_г·F_п [МН]

F_п – площадь поршня, м²

Δ P_г – [МПа].

РП 12 Тепловой баланс двигателя. Из анализа действительного рабочего цикла двигателя внутреннего сгорания было установлено, что только 20..40% теплоты расходуется на совершение полезной работы; остальная часть составляет всевозможные тепловые потери. Тепловой баланс показывает распределение теплоты в двигателе. Он дает возможность оценить степень совершенства работы двигателя и наметить пути улучшения его экономичности. Уравнение теплового баланса в общем виде: Qo=Qe+Qохл+Qг+Qн.с+Qост, где Qo- общее количество теплоты в результате сгорания топлива, - теплота эквивалентная эффективной мощности, - теплота отданная охлаждающей среде, - унесенная отработавшими газами, - теряемая от неполноты сгорания, - не учтенные. Составляющие теплового баланса чаще определяют экспериментально или рассчитывают.

РП 13 Определение и классификация характеристик ДВС. Зависимость какого-либо основного показателя (или показателей) работы двигателя от другого показателя или фактора, влияющего на работу двигателя, называется характеристикой двигателя. Работу двигателя в различных эксплуатационных условиях можно проанализировать, если установлена связь между его мощностью, крутящим моментом, расходом топлива и другими величинами и показателями, определяющими режим работы двигателя.

Режим работы двигателя характеризуется нагрузкой и числом оборотов. Полной нагрузкой называется любой режим работы двигателя, независимо от числа оборотов, при полностью открытой дроссельной заслонке (карбюраторные и газовые двигатели) или полной подаче топлива (дизельные двигатели). Частичными нагрузками называются любые другие режимы работы двигателя при неполном открытии дроссельной заслонки или неполной подаче топлива. Частичные нагрузки оцениваются в долях от полной нагрузки с указанием соответствующего им числа оборотов.

Зависимость какого-либо основного показателя (или показателей) работы двигателя от другого показателя или фактора, влияющего на работу двигателя, называется характеристикой двигателя. Характеристики двигателя строятся на основании опытных данных, получаемых при испытаниях двигателя в лабораторных условиях. Основными характеристиками двигателя являются: скоростная характеристика; нагрузочная характеристика; регулировочные характеристики. Испытание и построение регулировочных характеристик двигателя обычно предшествует получению скоростных и нагрузочных характеристик.