Проектирование и моделирование двигателя внутреннего сгорания (стр. 2 из 4)
Ni=(2/T) ·Pi·Vh·n·10-3,
где n - частота вращения коленчатого вала, 1/с,
T - тактность двигателя - число тактов за цикл,
Эффективной мощностью Ne называют мощность, снимаемую с коленчатого вала двигателя для получения полезной работы.
Эффективная мощность меньше индикаторной Ni на величину мощности механических потерь Nm, т.е. Ne=Ni-Nm.
Механические потери в двигателе оцениваются механическим КПД Nm, которое представляет собой отношение эффективной мощности к индикаторной, т.е.
Nm=Ne/Ni=(Ni-Nm) /Ni=1-Nm/Ni.
Для современных двигателей механический КПД составляет 0.72 - 0.9.
Зная величину механического КПД можно определить эффективную мощность
Ne= Nm·Ni.
Разность между средним индикаторным давлением Pi и средним давлением механических потерь Pm называют средним эффективным давлением Pe, т.е.
Pe=Pi-Pm.
Эффективная мощность двигателя Ne=(2/T)·Pe·Vh·n·i·10-3, откуда среднее эффективное давление Pe=103·Ne·T/(2Vh·ni) .
Относительное уменьшение индикаторной мощности Рi за счёт мощности механических потерь Рм оценивается механическое КПД, причём:
.Эффективная топливная экономичность двигателя оценивается эффективным КПД ηе или удельным эффективным расходом топлива ge.
Эффективным КПД называется отношение количества теплоты Qе, преобразованной в эффективную работу We, ко всей подведённой теплоте Qo, т.е.
.После преобразований полученного выражения окончательно:
Выразив эффективную мощность, получим связь между всеми КПД двигателя:
,где ηt, ηо, ηм – соответственно термодинамический, относительный и механический КПД двигателя.
Для оценки эффективности использования рабочего объёма цилиндра применяют литровую мощность Рл (в кВт/л), представляющую собой отношение эффективной мощности Ре к рабочему объёму Vл (в л.).
Это уравнение показывает, что литровая мощность, определяющая степень форсирования двигателя, может быть увеличения при повышении среднего эффективного давления Ре, частоты вращения коленчатого вала.
5. Анализ форм камер сгорания
Цилиндр большого диаметра позволяет осуществить размещение клапанов с небольшими проходимыми сечениями, что способствует снижению гидравлических потерь и повышению коэффициента наполнения. Получившее в настоящее время широкое распространение короткоходные двигатели (двигатели, в которых отношение хода поршня к диаметру цилиндра меньше единицы) имеют сравнительно большой диаметр цилиндра. Это позволяет размещать в головках цилиндров клапаны большого диаметра при их верхнем расположении. Верхнее расположение клапанов и аэродинамическая форма впускных клапанов дают возможность снизить гидравлическое сопротивление, а следовательно, и увеличить коэффициент наполнения. Расположение поршневых колец определяет высоту головки поршня. Чем ближе верхнее кольцо к донышку поршня, тем меньше будет высота его головки, но зато условия работы кольца будут более тяжелые. Чем ближе кольцо к донышку поршня, тем выше его температура, а, следовательно, тем больше будет склонность к загоранию.
При конструировании форм камер сгорания обычно стремятся выбрать такую его схему, которая обеспечила бы наибольшую компактность камеры сгорания и возможность расположить свечу вблизи от центра (полусферическая). В то же время, иногда менее компактные камеры при обеспечении большей турбулизации заряда (плоскоовальная, клиновая и полуклиновая) обладают более высокими антидетонационными свойствами.
Для сравнения вариаций форм камер сгорания охарактеризуем процессы смесеобразования.
Подавляющее большинство камер сгорания имеет форму тел вращения. Если топливо распыливается в объеме камеры сгорания и лишь небольшая часть его попадает в пристеночный слой, то смесеобразование называют объемным.
Объемное смесеобразование. Оно осуществляется в однополостных (неразделенных) камерах сгорания, имеющих малую глубину и большой диаметр, характеризуемый безразмерной величиной - отношением диаметра камеры сгорания к диаметру цилиндра: dк.с./D = 0,75…0,85. Такая камера сгорания располагается обычно в поршне, причем оси форсунки, камеры сгорания и цилиндра совпадают. При объемном смесеобразовании прогрев и испарение топлива происходят в основном за счет теплосодержания части заряда, охваченной струями топлива. Так как скорость испарения зависит от упругости паров топлива, а последняя помимо свойств топлива определяется температурным режимом испарения, то большое значение имеет распределение топлива в объеме сжатого заряда. Последнее оказывает влияние также на условия воспламенения и горения топлива.
Угол конуса топливных струй обычно не превышает 20°. Для обеспечения полного охвата струями всего объема камеры сгорания и использования воздуха число сопловых отверстий должно быть ic= 360/20 = 18.
Величина проходного сечения сопловых отверстий fс определяется типом и размерами дизеля, существенно влияет на продолжительность и давление впрыскивания и ограничена условиями обеспечения хорошего смесеобразования и тепловыделения. Поэтому при большом числе сопловых отверстий их диаметр должен быть небольшим. Изготовить точно отверстия малого диаметра трудно. Сложна также эксплуатация дизеля с распылителями, имеющими малый диаметр сопловых отверстий. В частности, интенсивнее происходит уменьшение проходного сечения сопловых отверстий из-за отложения на их поверхности кокса, поэтому целесообразно применение меньшего числа отверстий, чем это следует из условия полного охвата струями объема камеры сгорания. При этом для обеспечения полного сгорания топлива воздух приводится во вращательное движение тем более интенсивно, чем меньше число сопловых отверстий, так как в этом случае заряд за характерный промежуток времени, принимаемый обычно равным продолжительности впрыскивания топлива, должен повернуться на больший угол. Достигают этого применением винтового или тангенциального впускного каналов, а также экранированием впускного клапана или его седла (рис. 1, а-г).
Рис. 1 - Схемы, иллюстрирующие методы создания в процессе впуска вращательного движения заряда в цилиндре: а - тангенциальный впускной канал и эпюра изменения тангенциальной скорости заряда вдоль диаметра цилиндра; б - винтовой канал; в - клапан с экраном; г - экран на седле клапана; д - тангенциальные продувочные окна и эпюра изменения тангенциальной составляющей скорости, движения заряда вдоль диаметра цилиндра двухтактного дизеля
Каждое из конструктивных решений, предназначенных для четырехтактных двигателей, обеспечивает преимущественное поступление воздуха в нужном направлении (через определенную часть проходного сечения в клапане). Если ось потока, поступающего в этом направлении, не пересекает оси цилиндра, то в результате взаимодействия струй между собой и со стенками цилиндра создается вращательное движение всего заряда. Тот же эффект в случае двухтактных дизелей достигается тангенциальным направлением осей продувочных окон.
Для четырехтактных дизелей наиболее эффективно использование винтовых каналов. Отливка головки цилиндра при этом оказывается сложной.
Определенные трудности связаны с обеспечением идентичности формы и расположения каналов в процессе производства. При эксплуатации следует принимать меры к предупреждению накопления заметных отложений на стенках каналов.
При подходе поршня к ВМТ заряд из объема, расположенного над вытеснителем поршня, перетекает в камеру сгорания. Приведенный на рис. 2, а характер перетекания обусловлен взаимодействием сил вытеснения заряда, центробежных сил и сил трения.
Рис. 2 - Схемы перетекания и движения заряда в камере сгорания: а - перетекание вращающегося заряда из надпоршневого пространства в камеру сгорания; б - пространственное движение заряда в камере сгорания
При соответствующем соотношении между силами заряд перетекает из надпоршневого пространства в камеру сгорания как бы послойно непосредственно у кромки камеры сгорания и движется вдоль ее стенки. Сложение скоростей вращательного движения заряда, созданного при впуске, и вытеснения заряда при сжатии вызывает движение заряда. Процесс перетекания связан с определенными потерями энергии вращательного движения, которые тем больше, чем больше исходная энергия вращательного движения заряда при впуске и меньше отношение dк.с./D. В результате перетекания заряда в камеру, имеющую диаметр меньше диаметра цилиндра, скорость вращения заряда увеличивается. Из-за отмеченных потерь энергии это увеличение происходит в меньшей степени, чем следует из закона сохранения момента количества движения, однако ускорение вращения заряда больше при меньших значениях dк.с./D . Для рассматриваемого случая объемного смесеобразования ускорениeвращения заряда при вытеснении его вкамеру сгорания невелико, так как диаметр камеры сгорания лишь незначительно меньше диаметра цилиндра.
Заряд в цилиндре и камере сгорания движется по сложным пространственным траекториям. Помимо особенностей втекания заряда в цилиндр через клапан (продувочные окна) на характер движения заряда влияют переменная скорость перемещения поршня и перетекание заряда из объема над вытеснителем поршня в камеру сгорания. В случае камер объемного смесеобразования наибольшее влияние на процессы смесеобразования оказывает тангенциальная составляющая скорости wt, направленная по касательной к окружности камеры сгорания. Другие составляющие малы, и их влияние невелико. В пределах камеры сгорания величина wt растет от центра к периферии, т. е. заряд вращается «как твердое тело». Над вытеснителем поршня wt убывает к периферии. Создание вращательного движения заряда при впуске приводит к уменьшению эффективного сечения клапана и снижению наполнения, причем тем большим, чем больше необходимая интенсивность вращения заряда. На рис. 5 приведена взаимосвязь между максимальным значением тангенциальной скорости wtmax движения заряда и коэффициентом наполнения ηv. Увеличение wtmax вызывает уменьшение ηv, более интенсивное при больших диаметрах камеры сгорания.