Параметры процесса наполнения

    В реальном двигателе в начале каждого цикла в цилиндр двигателя поступает определенное количество свежего заряда воздуха. На процесс наполнения влияют следующие факторы:

    - аэродинамические потери во впускном тракте, впускных клапанах и продувочных окнах, а если двигатель с надувом, сюда добавляются потери на холодильнике воздуха после нагнетателя, в результате чего давление в конце процесса наполнения снижается.

    - подогрев воздуха от соприкосновения с нагретыми деталями двигателя (стенки цилиндров, донышко поршня, крышка цилиндра, клапана, продувочные окна и т.д.) в результате чего его температура повышается и соответственно уменьшается плотность и количество свежего заряда.

    - неполная очистка цилиндра от продуктов сгорания, т.к. при любой схеме газообмена в цилиндре всегда остаются остаточные газы.

    - перемешивание свежего заряда воздуха с горячими остаточными газами еще больше снижает плотность воздуха.

 

    Все это приводит к тому, что действительное количество воздуха, поступившего в цилиндр двигателя, меньше того теоретического количества воздуха, которое могло бы разместиться в цилиндре.

    Давление в конце процесса наполнения по опытным данным составляет для четырехтактных ДВС:

    без наддува Р_а = (0,85 – 0,9)Р₀

    с наддувом Р_а = (0,9 – 0,96)Р_s  

    Р₀ = 0,1 Мпа по ГОСТ 10150-88; Р_s – давление перед впускными клапанами у 4-х тактных ДВС с наддувом.

    В 2-х тактных ДВС Р_s - давление в продувочном и наддувочном ресивере. При расчете давление принимаем в абсолютных величинах. В формулах (3) и (4) меньшие значения относятся к быстроходным дизелям. При отсутствии промежуточного охлаждения воздуха после нагнетателя можно принять Р_s = Р_к, где Р_к – давление воздуха после нагнетателя. Величиной Р_к задаемся, используя данные двигателя – прототипа. При наличии холодильника после нагнетателя для 2-х и 4-х тактных ДВС давление Р_s рассчитываем по формуле:

Р_s = Р_k - ∆Р_хол 

где: ∆Р_хол - потеря давления от сопротивления холодильника;

∆Р_хол = (0,003 – 0,005) МПа меньшие значения относятся к низким степеням наддува.

    Степень увеличения мощности ДВС посредством наддува принято оценивать коэффициентом, получившим название степень наддува:

λн = N_eн/N_е = ρ_ен/ρ_е 

где: N_eн, ρ_ен – эффективная мощность и среднее эффективное давление двигателя, форсированного наддувом. По достигнутому значению ρ_ен двигатели можно разделить на три категории:

 

Таблица 6

Степень наддува	Четырехтактные ДВС	Двухтактные ДВС
Умеренный наддув	λн = (0,8 – 1,4)	λн = (0,7 – 1,2)
Повышенный наддув	λн = (1,4 – 2,0)	λн = (1,3 – 1,8)
Высокий наддув	λн = (2,1 – 3,0)	λн = (1,9 – 2,2)

 

    В современных конструкциях двигателей степень наддува достигает значений (4,5 – 4,9) у четырехтактных ДВС и (3,5 – 3,8) у двухтактных ДВС.

    Температуру окружающей среды принимаем согласно ГОСТ 10150-88

Т₀ = 298К.

    Значения температуры свежего заряда воздуха в конце процесса наполнения должны находиться в пределах:

    4-х тактные ДВС Т_а = (300 – 350) К  

    Подогрев свежего заряда воздуха от нагретых деталей составляет:

    4-х тактные с наддувом ∆Т = 5 - 10⁰ 

    При наддуве степень охлаждения воздуха в холодильнике составляет:

    ∆Т_хол = Т_к – Т_s 

Т_к – температура воздуха после нагнетателя 

Т_s - температура воздуха перед впускными органами

    ∆Т_хол = 20 – 140⁰, при отсутствии холодильника Т_s = Т_к, а ∆Т_хол = 0

    Для определения температуры воздуха Т_к необходимо выбрать величину показателя политропы сжатия в нагнетателе n_к:

    Для нагнетателей:

Поршневых n_к = 1,4 – 1,6

Ротативных n_к = 1,55 – 1,75

Центробежных с неохлаждаемым корпусом n_к = 1,8 – 2,0

Центробежных с охлаждаемым корпусом n_к = 1,4 – 1,8           

    Коэффициент наполнения ƞ_к представляет собой отношение количества воздуха действительно поступившего в цилиндр двигателя, к теоретически возможному, которое могло бы разместиться в цилиндре.

    Для четырехтактных ДВС: ƞ_к = 0,8 – 0,95  

    Давление остаточных газов определяются по эмпирическим зависимостям:

4-х тактные тихоходные ДВС Р_r = (1,03 – 1,1)Р₀

4-х тактные быстроходные ДВС Р_r = (1,05 – 1,15)Р₀

2-х и 4-х тактные ДВС с газотурбитованным наддувом Р_r = (0,75 – 1,0)Р_s 

 

    Температура остаточных газов принимается в зависимости от типа двигателя:

4-х тактные с наддувом Т_r = 700 – 1000 К

        

Нижние значения относятся к тихоходным дизелям.

Величиной коэффициента остаточных газов ƴ_r задаются или для 4-х тактных ДВС без наддува определяются аналитическим путем (см. пример расчета цикла). Для 2-х тактных ДВС не представляется возможным установить зависимость между ƴ_r и ƞ_н, поэтому формулы для определения ƴ_r  нет.

    По опытным данным для дизелей:

4-х тактные с наддувом ƴ_r = 0,04 – 0,01

 

Параметры процесса сжатия.

    Выбор степени сжатия ε и среднего показателя политропы сжатия n₁ зависит от многих факторов, таких как:

     - тип двигателя

    - конструктивные особенности

    - материал поршня

    - быстроходность

    - способ смесеобразования

    - наличие или отсутствие наддува и многие другие.

 

    Степень сжатия различных типов двигателей находится в пределах:

- тихоходные без наддува ε = 12 – 14

- тихоходные с наддувом ε = 11 – 12,5

- средней быстроходности ε = 14 – 15

- быстроходные ε = 15 – 18                  

 

    По опытным данным средний показатель политропы сжатия n₁ имеет следующие значения:

- тихоходные дизели большой и средней мощности с охлаждаемыми чугунными поршнями n₁ = 1,32 – 1,29

- быстроходные дизели с неохлаждаемыми поршнями n₁ = 1,38 – 1,42

- дизели с алюминиевыми поршнями n₁ = 1,33 – 1,38          

    Показатель политропы n₁ уточняется методом последовательных приближений по уравнению:

              

n₁ =       

 

    Выбираем первоначальное значение показателя политропы n₁ и подставляем в формулу. Высчитываем новое значение n₁ и сравниваем его с первоначальным. Если разница будет меньше 0,002 прекращаем вычисления. Если это условие не выполняется то подставляем вычисленное значение n₁ в формулу пока не выполнится условие n_1(выч) – n_{1 (пред)} < 0,002.

 

    5.3 Параметры процесса сгорания

    При расчете рабочего цикла важно оценить величину коэффициента избытка воздуха α. По опытным данным в зависимости от качества смесеобразования средние величины α находятся в следующих пределах и приведены в Таблице 7.

 

Таблица 7

Тип двигателя	Коэффициент избытка воздуха α
Без наддува:
Тихоходные	1,8 – 2,1
Быстроходные	1,3 – 1,7
С наддувом:
Тихоходные	2,0 – 2,3
Быстроходные	1,5 – 1,9
С 2-х камерным смесеобразованием	1,4 – 1,7

 

    Коэффициент использования тепла ζ зависит от совершенства процесса сгорания топлива, потерь теплоты в период сгорания топлива, наличия или отсутствия догорания на линии расширения и диссоциации продуктов сгорания и при прочих равных условиях зависит от быстроходности двигателя. При расчете максимальной температуры рабочего цикла для выбора ζ можно руководствоваться следующими данными:

    Для двигателей внутреннего сгорания:

- тихоходных ζ = 0,8 – 0,92

- быстроходных с нераздельными камерами сгорания ζ = 0,8 – 0,85

- быстроходных с раздельными камерами сгорания ζ = 0,65 – 0,75   

    Чем высокооборотней двигатель, тем больше возрастает догорание, тем меньше коэффициент использования тепла. В двигателях с раздельными камерами сгорания ζ снижается из-за потерь на вихреобразование.

    Эмпирические формулы для определения мольных теплоемкостей воздуха и продуктов сгорания, а так же методика определения максимальной температуры цикла Т_z при решении уравнения сгорания приведены в расчетах рабочего цикла ДВС. При решении вопроса о значении величин Р_z, T_z, λ и ρ необходимо исходить из условия ограничения механической и тепловой напряженности деталей двигателя. Чем выше λ и меньше ρ, тем экономичнее будет двигатель, в то же время тем больше будет максимальное давление цикла Р_z и тем жестче будет работать двигатель. Необходимо изучить важнейшие эксплуатационные показатели двигателей – прототипов, рекомендуемых в задании на курсовое проектирование и сопоставить расчетные параметры с действительными для данного типа дизелей. Величины параметров процесса сгорания приведены в Таблице 8.

 

Таблица 8

Тип двигателя	Рz (МРа)	Тz К	λ	ρ
Малооборотный	6 – 10	1700 – 1900	1,3 – 1,6	1,6 – 1,4
Среднеоборотный	6 - 13	1800 - 2000	1,4 – 1,8	1,7 – 1,3

 

Следует отметить, что в современных двигателях повышенной оборотности фирмы MANB&W дизеля марки 6L 32/40 максимальное давление цикла Р_z = 24 МРа, а давление сжатия Р_с = 18 МРа. Действительный коэффициент молекулярного изменения β находится в пределах β = 1,025 – 1,05