Построение индикаторной диаграммы

 

Индикаторную диаграмму строят для номинального режима работы двигателя в координатных осях: ось абсцисс – надпоршневой объем «V», ось ординат – термодинамическое давление «р» (МПа). В качестве шкалы значений откладываемой величины следует использовать координатные оси. Масштаб рекомендуется выбирать с таким рас­четом, чтобы получить высоту диаграммы равной 1,2 – 1,7 ее основания. Координатные оси как шкалы значений объема и давления должны быть разделены на графические интервалы координатной сеткой или делительными штрихами. Началом отсчета обоих шкал является 0. Частоту нанесения интервалов координатной сетки или штрихов выбирают с учетом удобства пользования диаграммой и удобства отсчета физических величин («V» и «р») с интерполяцией.

Масштаб давлений рекомендуется выбирать из следующего ряда

М_Р = 0,02; 0,025; 0,04; 0,05 МПа в мм.

Масштаб объема следует выбирать с таким расчетом, чтобы получить высоту диаграммы равной 1,2 – 1,7 ее основания.

Рабочий объем цилиндра V_h известен из расчета по формуле (3.66). За единицу измерения объемов удобнее принять см³. Объем камеры сгорания V_c и полный объем цилиндра V_a определяются

V_c=V_h/(e – 1) (3.74)

 

V_а=V_h + V_c (3.75)

 

Для дизельного двигателя дополнительно находят надпоршневой объем в конце расчетного процесса сгорания V_z, см³

 

V_z= V_c·ρ (3.76)

 

В выбранных масштабах на диаграмме откладывают величины давлений в характерных (расчетных) точках цикла.

При объеме V_c (верхняя мертвая точка – ВМТ): давление выпуска р_r (точка r), расчетное давление сжатия р_с (точка с), расчетное давление конца сгорания р_z – для ДсИЗ (точка z), давление сгорания р_z′– для дизеля (точка z′).

При полном объеме V_а (нижняя мертвая точка – НМТ): давление впуска р_а (точка а), расчетное давление в конце расширения р_b (точка b).

Для дизеля дополнительно находится точка z (конец сгорания) при объеме V_z и давлении р_z= р_z′.

Построение политропных процессов сжатия и расширения следует выполнять аналитическим методом.

Для ДсИЗ вычисляются соответствующие давления (сжатия или расширения) 6 – 8 точек для промежуточных объемов, расположенных между V_c=V_z и V_а= V_в.

Расчет выполняется исходя из уравнения политропного процесса р·Vⁿ=const.

Для политропы сжатия п ромежуточные (текущие) давления определяют

 

Р_х = p_a (V_а / V_х) , (3.77)

 

Для политропы расширения давления определяют

 

Р_х = p_в (V_в / V_х) , (3.78)

 

где V_x – текущий объем, принимают в пределах от V_х=V_с до V_x=V_a. Желательно принимать круглые числа, кратные 10, для более удобного дальнейшего построения диаграммы по расчетным точкам. Вблизи ВМТ точки диаграммы определяют чаще, чтобы выполнить с более высокой точностью последующие динамические построения и расчеты.

Для дизеля расчет давлений в текущих точках политропы сжатия выполняется так же, как и для ДсИЗ по (3.77), принимая текущее давление V_с ≤V_х ≤V_а.

Расчет давлений в текущих точках политропы расширения для дизеля выполняется по формуле (3.78), но текущим объемом задаются в пределах V_z′ ≤V_х ≤V_а.

Расчеты следует выполнять в табличной форме и по физическим значениям давлений и объемов в выбранном масштабе по координатным осям находят соответствующие точки и тонкими линиями проводят кривые политропных процессов.

Следующим шагом приближения от расчетного цикла к действительному циклу двигателя является скругление индикаторной диаграммы.

В действительном цикле процесс сгорания начинается до прихода поршня в ВМТ. Поэтому при объеме V_c действительное давление будет выше расчетного на величину повышения давления от сгорания. Начало такого повышения давления в реальном процессе сжатия определяется началом основной фазы сгорания. За начало основной фазы (точка с¢) можно принять угол в градусах поворота коленчатого вала (°ПКВ): для ДсИЗ – φ_с¢ =20 – 30 °ПКВ до ВМТ; для дизеля – φ_с¢ =10 – 15 °ПКВ до ВМТ. Объем в точке с¢ определяется из кинематического выражения для кривошипно-шатунного механизма (КШМ)

 

V_с¢ = V_c + V_h·[(1 – cosj_с¢) + λ·(1 – cos2j_с¢)/4]/2 (3.79)

 

где λ=R/L_ш, R – радиус кривошипа, L_ш – длина шатуна. В автотракторных ПДВС используются механизмы с λ=0,24 – 0,31. При наличии данных значение λ можно принять по двигателю-прототипу.

Принятое здесь значение λ следует использовать в последующих кинематических и динамических расчетах КШМ двигателя.

К моменту прихода поршня в ВМТ действительное давление примерно на 20% больше расчетного, т.е. р_с״≈1,2·р_с (точка с ״).

На диаграмме точки с¢ и с ״ соединяют утолщенной кривой линией.

В процессе сгорания изменяется надпоршневой объем, что не учитывалось в расчетном цикле. В ДсИЗ это приводит к расхождению расчетного р_z и действительного р_zд давлений примерно на 15% (см. (3.43) – процесс сгорания). Значение р_zд откладывают на политропе расширения и полученную точку z_д соединяют утолщенной кривой с точкой с ״.

В дизеле расчетное давление совпадает с действительным давлением (в пределах точности измерений), т.е. р_zд=р_z. В этом случае находят среднюю точку изобарного процесса сгорания z¢-z и плавной утолщенной кривой соединяют эту точку с точкой с ״ и с политропой расширения.

В действительном цикле происходит открытие выпускного клапана до прихода поршня в НМТ (точка в¢), что снижает давление в конце расширения (точка в¢¢). Положение точки в¢¢ находится примерно посредине между точками в (расчетная точка конца расширения) и а (расчетная точка конца впуска).

Положение точки в¢ на политропе расширения определяется по объему

V_в¢= V_c + V_h·[(1 – cosj_в¢) + λ·(1 – cos2j_в¢)/4]/2 (3.80)

 

Угол начала открытия выпускного клапана в °ПКВ от ВМТ

 

j_в¢=180-φ_вып, (3.81)

где φ_вып – угол открытия выпускного клапана в °ПКВ до НМТ, общепринятый при оценке фаз газораспределения.

Найденные таким образом дополнительные точки действительной (скругленной) индикаторной диаграммы соединяют утолщенными плавными кривыми линиями. Примеры построения индикаторной диаграммы приведены в приложении 2.

 

Тепловой баланс двигателя

Тепловой баланс двигателя (внешний) представляет распределение тепловой энергии, введенной в ДВС с топливом, за определенный отрезок времени (рассмотрим ниже в кДж за 1 с) и имеет вид

 

Q_о = Q_е+Q_г+Q_охл+Q_нс+Q_ост, (3.82)

 

где Q_о – общая теплоты, введенная в двигатель с топливом, равная в кДж/с

Q_о = Н_u·G_т/3600, (3.83)

 

где низшая теплота сгорания топлива H_u подставляется в кДж/кг;

Q_е – теплота, превращенная в эффективную работу, равная в кДж/с

 

Q_е=N_e; (3.84)

 

Q_г – теплота, потерянная с отработавшими газами, равная в кДж/с

 

, (3.85)

 

где изобарные мольные теплоемкости определяются по уравнению Майера

, (3.86)

а ,

 

где изохорная средняя мольная теплоемкость отработавших газов в интервале температур от 0 до t_r °C – определяется методом интерполяции по таблицам приложения 3 по заданному a и температуре t_r=T_r - 273, а изохорная средняя мольная теплоемкость воздуха в интервале температур от 0 до t_r °C – определяется методом интерполяции по таблицам приложения «В» по температуре t₀ = T₀–273. При расчете двигателя с наддувом теплоемкость воздуха принимается при температуре после компрессора t_к=Tк-273.

 

Q_охл– теплота, потерянная в среду охлаждения ДВС, можно принять по опытным данным в % от Q_о – 20 – 35%.

Q_нс–теплота, потерянная из-за химической неполноты сгорания топлива, равная в кДж/с

 

Q_нс =ΔH_u·G_т/3600 (3.87)

 

Q_ост– неучтенные (прочие) потери теплоты, определяемые как разность

Q_ост = Q_о – (Q_е + Q_г + Q_охл+ Q_нс). (3.88)

 

Тепловой баланс в относительных единицах (в процентах)

 

100%=q_е+q_г+q_охл+q_нс+q_ост, (3.89)

 

Составляющие теплового баланса в процентном соотношении определяются: q_е=100·Q_е/Q_о; q_г=100·Q_г/Q_о; q_охл=100·Q_охл/Q_о; q_нс=100·Q_е/Q_о; q_ост= 100·Q_ост/Q_о.

Составляющие теплового баланса рекомендуется свести в таблицу. На этом тепловой расчет заканчивается.

 

Список литературы

 

1. Луканин, В.Н. Двигатели внутреннего сгорания. В 3 кн. Кн. 1. Теория рабочих процессов: учебник для вузов / В.Н. Луканин, К.А. Морозов, А.С. Хачиян и др.; под ред. В.Н. Луканина. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Высш. шк., 2005. 479 с.: с ил.

2. Луканин, В.Н. Двигатели внутреннего сгорания. В 3 кн. Кн. 2. Динамика и конструирование: учебник для вузов / В.Н. Луканин, И.В. Алексеев, М.Г. Шатров и др.; под ред. В.Н. Луканина и М.Г. Шатрова. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Высш. шк., 2005. 400 с.

3. Луканин, В.Н. Двигатели внутреннего сгорания. В 3 кн. Кн. 3. Компьютерный практикум. Моделирование процессов в ДВС: учебник для вузов / В.Н. Луканин, М.Г. Шатров, Т.Ю. Кричевская и др.; под ред. В.Н. Луканина и М.Г. Шатрова. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Высш. шк., 2005. 414 с.

4. Колчин А. И., Демидов В. П. Расчёт автомобильных и тракторных двигателей /Учебное пособие для вузов. 3-е изд., перераб и доп. –М.: Высшая школа, 2003. – 496 с.

5. Автомобильные двигатели / под ред. М.С. Ховаха. М.: Машиностроение, 1977. 592 с.

6. Двигатели внутреннего сгорания / под. ред. В.Н. Луканина. М.: Высш. шк., 1985. 312 с.

Приложение 1

 

Приведенные примеры расчета процессов сгорания ДсИЗ и дизеля не являются образцами для оформления курсового проекта. В курсовом проекте следует написать расчетную формулу, пояснить составляющие ее члены. В случае выбора отдельных величин по опытным данным, указать их диапазон изменения и принять желаемое значение.

В приведенных примерах это не делается, так как все изложено в методике теплового расчета.

Основная задача примеров: показать, как решается уравнение сгорания, т.к. это решение вызывает более всего вопросов и чаще всего в нем делаются ошибки.

 

⇐ Предыдущая12345Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: