МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ РФ
МІНІСТЕРСТВО АГЕНСТВО ДО ОСВІТИ
Брянський державний технічний університет
Кафедра «Автомобілі та автомобільне господарство»
РЕФЕРАТ
з дисципліни «Математичне моделювання на ЕОМ»
Проектування та моделювання двигуна внутрішнього згоряння
Викладач:
Архангельський О.М.
Брянськ 2008
1. Моделювання як метод наукового пізнання
Моделювання в наукових дослідженнях стало застосовуватися ще в глибоку давнину і поступово захоплювало все нові області наукових знань: технічне конструювання, будівництво і архітектуру, астрономію, фізику, хімію, біологію і, нарешті, суспільні науки. Великих успіхів і визнання практично у всіх галузях сучасної науки приніс методу моделювання ХХ ст. Проте методологія моделювання довгий час розвивалася незалежно окремими науками. Була відсутня єдина система понять, єдина термінологія. Лише поступово стала усвідомлюватись роль моделювання як універсального методу наукового пізнання.
Термін "модель" широко використовується в різних сферах людської діяльності і має безліч значеннєвих значень. Розглянемо лише "моделі", які є інструментами отримання знань.
Модель - це такий матеріальний чи подумки представлений об'єкт, який у процесі дослідження заміщає об'єкт-оригінал так, що його безпосереднє вивчення дає нові знання про об'єкт-оригіналі. Під моделюванням розуміється процес побудови, вивчення і застосування моделей. Воно тісно пов'язане з такими категоріями, як абстракція, аналогія, гіпотеза та ін Процес моделювання обов'язково включає й побудова абстракцій, і умовиводи за аналогією, і конструювання наукових гіпотез.
Головна особливість моделювання в тому, що це метод опосередкованого пізнання за допомогою об'єктів-заступників. Модель виступає як своєрідний інструмент пізнання, який дослідник ставить між собою і об'єктом і з допомогою якого вивчає цікавить його. Саме ця особливість методу моделювання визначає специфічні форми використання абстракцій, аналогій, гіпотез, інших категорій і методів пізнання.
Необхідність використання методу моделювання залежить від того, що багато об'єктів (або проблеми, які стосуються цих об'єктів) безпосередньо досліджувати чи взагалі неможливо, або ж це дослідження потребує багато часу і коштів.
Процес моделювання включає три елементи:
1) суб'єкт (дослідник),
2) об'єкт дослідження,
3) модель, опосередковує відносини пізнає суб'єкта і пізнаваного об'єкта.
Нехай є або необхідно створити певний об'єкт А. Ми конструюємо (матеріально чи подумки) або знаходимо в реальному світі інший об'єкт В - модель об'єкта А. Етап побудови моделі припускає наявність деяких знань про об'єкт-оригіналі. Пізнавальні можливості моделі обумовлюються тим, що модель відображає будь-які суттєві риси об'єкта-оригіналу. Питання про необхідність і достатній мірі схожості оригіналу і моделі вимагає конкретного аналізу. Очевидно, модель втрачає свій сенс як у випадку тотожності з оригіналом (тоді вона перестає бути оригіналом), так і у випадку надмірного у всіх істотних відносинах відмінності від оригіналу.
Таким чином, вивчення одних сторін модельованого об'єкта здійснюється ціною відмови від відображення інших сторін. Тому будь-яка модель заміщає оригінал лише в строго обмеженому сенсі. З цього випливає, що для одного об'єкта може бути побудовано декілька "спеціалізованих" моделей, які концентрують увагу на певних сторонах досліджуваного об'єкта або ж характеризують об'єкт з різним ступенем деталізації.
На другому етапі процесу моделювання модель виступає як самостійний об'єкт дослідження. Однією з форм такого дослідження є проведення "модельних" експериментів, при яких свідомо змінюються умови функціонування моделі і систематизуються дані про її "поведінці". Кінцевим результатом цього етапу є безліч знань про моделі.
На третьому етапі здійснюється перенесення знань з моделі на оригінал формування безлічі знань про об'єкт. Цей процес переносу знань проводиться за певними правилами. Знання про моделі повинні бути скоректовані з урахуванням тих властивостей об'єкта-оригіналу, які не знайшли відображення чи були змінені при побудові моделі. Ми можемо з достатньою підставою переносити будь-який результат з моделі на оригінал, якщо цей результат необхідно пов'язаний з ознаками схожості оригіналу і моделі. Якщо ж певний результат модельного дослідження пов'язаний з відмінністю моделі від оригіналу, то цей результат переносити неправомірно.
Четвертий етап практична перевірка одержуваних за допомогою моделей знань та їх використання для побудови узагальнюючої теорії об'єкта, його перетворення або управління ім.
Для розуміння сутності моделювання важливо не випустити з уваги, що моделювання - не єдине джерело знань про об'єкт. Процес моделювання "занурений" у більш загальний процес пізнання. Ця обставина враховується не тільки на етапі побудови моделі, але і на завершальній стадії, коли відбувається об'єднання та узагальнення результатів дослідження, одержуваних на основі різноманітних засобів пізнання.
Моделювання - циклічний процес. Це означає, що за першим чотирьохетапну циклом може відбутися другий, третій і т.д. При цьому знання про досліджуваному об'єкті розширюються і уточнюються, а вихідна модель поступово вдосконалюється. Недоліки, виявлені після першого циклу моделювання, зумовлені малим знанням об'єкту і помилками в побудові моделі, можна виправити у наступних циклах. У методології моделювання, таким чином, закладені великі можливості саморозвитку.
2. Постановка завдання
Першим етапом моделювання роботи ДВС на основі впливу розмірів і форми камер згоряння є постановка завдання, тобто скласти план проведення роботи, які необхідно здійснити операції для удосконалення камер згоряння вже існуючих двигунів. Для початку необхідно ознайомитися з вже існуючими формами і показниками двигунів і простежити залежності показників двигунів, а так само простежити сучасні нововведення в конструюванні двигунів. З цією метою розглянемо один з процесів, що протікають в двигуні, наприклад сумішоутворення, тому що для швидкого, повного і ефективного згоряння палива необхідно його випаровування і змішання в певних пропорціях з повітрям. Розвиток і досконалість сумішоутворення визначаються характеристиками вприскування та розпилювання, швидкостями руху заряду в камері згоряння, властивостями палива та заряду, формою, розмірами і температурами поверхонь камери згорання, взаємним розташуванням розпилювача і камери згоряння, а також взаємним напрямком руху паливних струменів і заряду. Ступінь впливу окремих факторів залежить від типу камери згоряння.
Потім, маючи конкретні дані про існуючі формах камер згоряння визначити які показники роботи двигуна можна змінити, шляхом збільшення або зменшення обсягів камер згоряння. Аналіз цих даних (витрата палива, потужність, ККД) дозволяє зробити висновок про те, чи вигідно змінювати розмір камери згоряння і чи не будуть змінюватися в гіршу сторону показники, при поліпшенні одного з них.
На наступному етапі можна зробити висновок про викладеному вище і підвести підсумок.
Отже, поставимо перед собою наступні завдання:
1.Рассмотреть існуючі форми камер згоряння.
2. Простежити вплив форми камери згоряння на прикладі сумішоутворення.
2. Удосконалення конструкції камер згоряння ДВЗ.
3. Основні характеристики ДВС
Кожен двигун має власні постійні величини, які в процесі її роботи не змінюються. Основними з них є:
Відстань, яку проходить поршнем від ВМТ до НМТ, називається ходом поршня S, який дорівнює подвоєному радіусу R кривошипа: S = 2R.
Простір над днищем поршня під час перебування їх у ВМТ називається камерою згоряння; її обсяг позначається через Vс; простір циліндра між двома мертвими точками (НМТ і ВМТ) називається його робочим об'ємом і позначається Vh. Сума обсягу камери згоряння Vс і робочого об'єму Vh складає повний об'єм циліндра Vа:
Vа = Vс + Vh.
Робочий об'єм циліндра (його вимірюють в кубічних сантиметрах або метрах):
де D - діаметр циліндра.
Відношення повного об'єму циліндра Va до об'єму камери згоряння Vc називається ступенем стиснення:
Ступінь стиснення є важливим параметром двигунів внутрішнього згоряння, тому що сильно впливає на його економічність і потужність.
Всі перераховані характеристики двигуна прорціонально залежать від розміру і об'єму камери згоряння.
4. Показники, що характеризують роботу двигуна
Під середнім індикаторним тиском Pi розуміють таке умовне постійний тиск, яке діючи на поршень протягом одного робочого ходу, здійснює роботу, рівну індикаторної роботі газів в циліндрі за робочий цикл.
Згідно з визначенням, середнє індикаторне тиск - відношення індикаторної роботи газів за цикл Li до одиниці робочого об'єму циліндра Vh, тобто
Pi = Li / Vh.
Індикаторної потужністю Ni називають роботу, чинену газами в циліндрах двигуна за одиницю часу. Індикаторна робота (Дж), чинена газами в одному циліндрі за один робочий цикл Li = Pi · Vh.
Так як число робочих циклів, скоєних двигуном в секунду, так само 2n / T, то індикаторна потужність (кВт) одного циліндра
Ni = (2 / T) · Pi · Vh · n · 10 -3,
де n - частота обертання колінчастого вала, 1 / с,
T - тактность двигуна - число тактів за цикл,
Ефективною потужністю Ne називають потужність, що знімається з колінчастого вала двигуна для отримання корисної роботи.
Ефективна потужність менше індикаторної Ni на величину потужності механічних втрат Nm, тобто Ne = Ni-Nm.
Механічні втрати в двигуні оцінюються механічним ККД Nm, яке представляє собою відношення ефективної потужності до індикаторної, тобто
Nm = Ne / Ni = (Ni-Nm) / Ni = 1-Nm/Ni.
Для сучасних двигунів механічний ККД становить 0.72 - 0.9.
Знаючи величину механічного ККД можна визначити ефективну потужність
Ne = Nm · Ni.
Різниця між середнім індикаторним тиском Pi та середнім тиском механічних втрат Pm називають середнім ефективним тиском Pe, тобто
Pe = Pi-Pm.
Ефективна потужність двигуна Ne = (2 / T) · Pe · Vh · n · i · 10 -3, звідки середнє ефективне тиск Pe = 10 3 · Ne · T / (2Vh · ni).
Відносне зменшення індикаторної потужності Р i за рахунок потужності механічних втрат Р м оцінюється механічне ККД, причому:
Ефективна паливна економічність двигуна оцінюється ефективним ККД η е або питомою ефективним витратою палива g e.
Ефективним ККД називається відношення кількості теплоти Q е, перетвореної в ефективну роботу W e, до всієї підведеної теплоти Q o, тобто
Після перетворень отриманого виразу остаточно:
Висловивши ефективну потужність, отримаємо зв'язок між усіма ККД двигуна:
де η t, η про, η м - відповідно термодинамічний, відносний і механічний ККД двигуна.
Для оцінки ефективності використання робочого об'єму циліндра застосовують літрову потужність Р л (в кВт / л), яка була ставлення ефективної потужності Р е до робочого обсягу V л (в л.).
Це рівняння показує, що літрова потужність, що визначає ступінь форсування двигуна, може бути збільшення при підвищенні середнього ефективного тиску Р е, частоти обертання колінчастого вала.
5. Аналіз форм камер згоряння
Циліндр великого діаметру дозволяє здійснити розміщення клапанів з невеликими прохідними перетинами, що сприяє зниженню гідравлічних втрат і підвищення коефіцієнта наповнення. Отримало у даний час широке поширення короткоходний двигуни (двигуни, в яких відношення ходу поршня до діаметру циліндра менше одиниці) мають порівняно великий діаметр циліндра. Це дозволяє розміщувати в головках циліндрів клапани великого діаметру при їх верхньому розташуванні. Верхнє розташування клапанів і аеродинамічна форма впускних клапанів дають можливість знизити гідравлічний опір, а отже, і збільшити коефіцієнт наповнення. Розташування поршневих кілець визначає висоту головки поршня. Чим ближче верхнє кільце до денця поршня, тим менше буде висота його головки, але зате умови роботи кільця будуть більш важкі. Чим ближче кільце до денця поршня, тим вище його температура, а, отже, тим більше буде схильність до займання.
При конструюванні форм камер згоряння зазвичай прагнуть вибрати таку його схему, яка забезпечила б найбільшу компактність камери згоряння і можливість розташувати свічку поблизу від центру (напівсферична). У той же час, іноді менш компактні камери при забезпеченні більшої турбулізації заряду (плоскоовальних, клинова і полукліновая) мають більш високими антидетонаційними властивостями.
Для порівняння варіацій форм камер згоряння охарактеризуємо процеси сумішоутворення.
Переважна більшість камер згоряння має форму тіл обертання. Якщо паливо Розпилююча в об'ємі камери згоряння і лише невелика частина його потрапляє в пристінковий шар, то сумішоутворення називають об'ємним.
Об'ємне сумішоутворення. Воно здійснюється в однополостной (нерозділених) камерах згоряння, які мають малу глибину і великий діаметр, що характеризується безрозмірною величиною - відношенням діаметра камери згоряння до діаметру циліндра: d к.с. / D = 0,75 ... 0,85. Така камера згоряння розташовується звичайно в поршні, причому осі форсунки, камери згоряння і циліндра збігаються. При об'ємному сумішоутворення прогрівання і випаровування палива відбуваються в основному за рахунок теплосодержания частини заряду, охопленої струменями палива. Так як швидкість випаровування залежить від пружності парів палива, а остання крім властивостей палива визначається температурним режимом випаровування, то велике значення має розподіл палива в обсязі стисненого заряду. Остання впливає також на умови займання і горіння палива.
Кут конуса паливних струменів зазвичай не перевищує 20 °. Для забезпечення повного охоплення струменями всього обсягу камери згоряння і використання повітря число соплових отворів має бути i c = 360/20 = 18.
Величина прохідного перерізу соплових отворів f с визначається типом і розмірами дизеля, істотно впливає на тривалість і тиск впорскування і обмежена умовами забезпечення гарного сумішоутворення і тепловиділення. Тому при великому числі соплових отворів їхній діаметр повинен бути невеликим. Виготовити точно отвори малого діаметру важко. Складна також експлуатація дизеля з розпилювачами, що мають малий діаметр соплових отворів. Зокрема, інтенсивніше відбувається зменшення прохідного перерізу соплових отворів через відкладення на їх поверхні коксу, тому доцільно застосування меншого числа отворів, ніж це випливає із умови повного охоплення струменями обсягу камери згоряння. При цьому для забезпечення повного згоряння палива повітря приводиться в обертальний рух тим більш інтенсивно, чим менше число соплових отворів, тому що в цьому випадку заряд за характерний проміжок часу, який приймається зазвичай рівним тривалості впорскування палива, повинен повернутися на більший кут. Досягають цього застосуванням гвинтового або тангенціального впускного каналів, а також екрануванням впускного клапана або його сідла (рис. 1, а-г).
Рис. 1 - Схеми, які ілюструють методи створення в процесі впуску обертального руху заряду в циліндрі: а - тангенціальний впускний канал і епюра зміни тангенціальною швидкості заряду вздовж діаметра циліндра; б - гвинтовий канал; в - клапан з екраном; г - екран на сідлі клапана; д - тангенціальні продувні вікна і епюра зміни тангенціальною складової швидкості, руху заряду вздовж діаметра циліндра двотактного дизеля
Кожне з конструктивних рішень, призначених для чотиритактних двигунів, забезпечує переважне надходження повітря в потрібному напрямку (через певну частину прохідного перерізу в клапані). Якщо вісь потоку, що надходить у цьому напрямку, не перетинає осі циліндра, то в результаті взаємодії струменів між собою і зі стінками циліндра створюється обертальний рух всього заряду. Той же ефект у разі двотактних дизелів досягається тангенціальним напрямком осей продувних вікон.
МІНІСТЕРСТВО АГЕНСТВО ДО ОСВІТИ
Брянський державний технічний університет
Кафедра «Автомобілі та автомобільне господарство»
РЕФЕРАТ
з дисципліни «Математичне моделювання на ЕОМ»
Проектування та моделювання двигуна внутрішнього згоряння
Викладач:
Архангельський О.М.
Брянськ 2008
1. Моделювання як метод наукового пізнання
Моделювання в наукових дослідженнях стало застосовуватися ще в глибоку давнину і поступово захоплювало все нові області наукових знань: технічне конструювання, будівництво і архітектуру, астрономію, фізику, хімію, біологію і, нарешті, суспільні науки. Великих успіхів і визнання практично у всіх галузях сучасної науки приніс методу моделювання ХХ ст. Проте методологія моделювання довгий час розвивалася незалежно окремими науками. Була відсутня єдина система понять, єдина термінологія. Лише поступово стала усвідомлюватись роль моделювання як універсального методу наукового пізнання.
Термін "модель" широко використовується в різних сферах людської діяльності і має безліч значеннєвих значень. Розглянемо лише "моделі", які є інструментами отримання знань.
Модель - це такий матеріальний чи подумки представлений об'єкт, який у процесі дослідження заміщає об'єкт-оригінал так, що його безпосереднє вивчення дає нові знання про об'єкт-оригіналі. Під моделюванням розуміється процес побудови, вивчення і застосування моделей. Воно тісно пов'язане з такими категоріями, як абстракція, аналогія, гіпотеза та ін Процес моделювання обов'язково включає й побудова абстракцій, і умовиводи за аналогією, і конструювання наукових гіпотез.
Головна особливість моделювання в тому, що це метод опосередкованого пізнання за допомогою об'єктів-заступників. Модель виступає як своєрідний інструмент пізнання, який дослідник ставить між собою і об'єктом і з допомогою якого вивчає цікавить його. Саме ця особливість методу моделювання визначає специфічні форми використання абстракцій, аналогій, гіпотез, інших категорій і методів пізнання.
Необхідність використання методу моделювання залежить від того, що багато об'єктів (або проблеми, які стосуються цих об'єктів) безпосередньо досліджувати чи взагалі неможливо, або ж це дослідження потребує багато часу і коштів.
Процес моделювання включає три елементи:
1) суб'єкт (дослідник),
2) об'єкт дослідження,
3) модель, опосередковує відносини пізнає суб'єкта і пізнаваного об'єкта.
Нехай є або необхідно створити певний об'єкт А. Ми конструюємо (матеріально чи подумки) або знаходимо в реальному світі інший об'єкт В - модель об'єкта А. Етап побудови моделі припускає наявність деяких знань про об'єкт-оригіналі. Пізнавальні можливості моделі обумовлюються тим, що модель відображає будь-які суттєві риси об'єкта-оригіналу. Питання про необхідність і достатній мірі схожості оригіналу і моделі вимагає конкретного аналізу. Очевидно, модель втрачає свій сенс як у випадку тотожності з оригіналом (тоді вона перестає бути оригіналом), так і у випадку надмірного у всіх істотних відносинах відмінності від оригіналу.
Таким чином, вивчення одних сторін модельованого об'єкта здійснюється ціною відмови від відображення інших сторін. Тому будь-яка модель заміщає оригінал лише в строго обмеженому сенсі. З цього випливає, що для одного об'єкта може бути побудовано декілька "спеціалізованих" моделей, які концентрують увагу на певних сторонах досліджуваного об'єкта або ж характеризують об'єкт з різним ступенем деталізації.
На другому етапі процесу моделювання модель виступає як самостійний об'єкт дослідження. Однією з форм такого дослідження є проведення "модельних" експериментів, при яких свідомо змінюються умови функціонування моделі і систематизуються дані про її "поведінці". Кінцевим результатом цього етапу є безліч знань про моделі.
На третьому етапі здійснюється перенесення знань з моделі на оригінал формування безлічі знань про об'єкт. Цей процес переносу знань проводиться за певними правилами. Знання про моделі повинні бути скоректовані з урахуванням тих властивостей об'єкта-оригіналу, які не знайшли відображення чи були змінені при побудові моделі. Ми можемо з достатньою підставою переносити будь-який результат з моделі на оригінал, якщо цей результат необхідно пов'язаний з ознаками схожості оригіналу і моделі. Якщо ж певний результат модельного дослідження пов'язаний з відмінністю моделі від оригіналу, то цей результат переносити неправомірно.
Четвертий етап практична перевірка одержуваних за допомогою моделей знань та їх використання для побудови узагальнюючої теорії об'єкта, його перетворення або управління ім.
Для розуміння сутності моделювання важливо не випустити з уваги, що моделювання - не єдине джерело знань про об'єкт. Процес моделювання "занурений" у більш загальний процес пізнання. Ця обставина враховується не тільки на етапі побудови моделі, але і на завершальній стадії, коли відбувається об'єднання та узагальнення результатів дослідження, одержуваних на основі різноманітних засобів пізнання.
Моделювання - циклічний процес. Це означає, що за першим чотирьохетапну циклом може відбутися другий, третій і т.д. При цьому знання про досліджуваному об'єкті розширюються і уточнюються, а вихідна модель поступово вдосконалюється. Недоліки, виявлені після першого циклу моделювання, зумовлені малим знанням об'єкту і помилками в побудові моделі, можна виправити у наступних циклах. У методології моделювання, таким чином, закладені великі можливості саморозвитку.
2. Постановка завдання
Першим етапом моделювання роботи ДВС на основі впливу розмірів і форми камер згоряння є постановка завдання, тобто скласти план проведення роботи, які необхідно здійснити операції для удосконалення камер згоряння вже існуючих двигунів. Для початку необхідно ознайомитися з вже існуючими формами і показниками двигунів і простежити залежності показників двигунів, а так само простежити сучасні нововведення в конструюванні двигунів. З цією метою розглянемо один з процесів, що протікають в двигуні, наприклад сумішоутворення, тому що для швидкого, повного і ефективного згоряння палива необхідно його випаровування і змішання в певних пропорціях з повітрям. Розвиток і досконалість сумішоутворення визначаються характеристиками вприскування та розпилювання, швидкостями руху заряду в камері згоряння, властивостями палива та заряду, формою, розмірами і температурами поверхонь камери згорання, взаємним розташуванням розпилювача і камери згоряння, а також взаємним напрямком руху паливних струменів і заряду. Ступінь впливу окремих факторів залежить від типу камери згоряння.
Потім, маючи конкретні дані про існуючі формах камер згоряння визначити які показники роботи двигуна можна змінити, шляхом збільшення або зменшення обсягів камер згоряння. Аналіз цих даних (витрата палива, потужність, ККД) дозволяє зробити висновок про те, чи вигідно змінювати розмір камери згоряння і чи не будуть змінюватися в гіршу сторону показники, при поліпшенні одного з них.
На наступному етапі можна зробити висновок про викладеному вище і підвести підсумок.
Отже, поставимо перед собою наступні завдання:
1.Рассмотреть існуючі форми камер згоряння.
2. Простежити вплив форми камери згоряння на прикладі сумішоутворення.
2. Удосконалення конструкції камер згоряння ДВЗ.
3. Основні характеристики ДВС
Кожен двигун має власні постійні величини, які в процесі її роботи не змінюються. Основними з них є:
Відстань, яку проходить поршнем від ВМТ до НМТ, називається ходом поршня S, який дорівнює подвоєному радіусу R кривошипа: S = 2R.
Простір над днищем поршня під час перебування їх у ВМТ називається камерою згоряння; її обсяг позначається через Vс; простір циліндра між двома мертвими точками (НМТ і ВМТ) називається його робочим об'ємом і позначається Vh. Сума обсягу камери згоряння Vс і робочого об'єму Vh складає повний об'єм циліндра Vа:
Vа = Vс + Vh.
Робочий об'єм циліндра (його вимірюють в кубічних сантиметрах або метрах):
де D - діаметр циліндра.
Відношення повного об'єму циліндра Va до об'єму камери згоряння Vc називається ступенем стиснення:
Ступінь стиснення є важливим параметром двигунів внутрішнього згоряння, тому що сильно впливає на його економічність і потужність.
Всі перераховані характеристики двигуна прорціонально залежать від розміру і об'єму камери згоряння.
4. Показники, що характеризують роботу двигуна
Під середнім індикаторним тиском Pi розуміють таке умовне постійний тиск, яке діючи на поршень протягом одного робочого ходу, здійснює роботу, рівну індикаторної роботі газів в циліндрі за робочий цикл.
Згідно з визначенням, середнє індикаторне тиск - відношення індикаторної роботи газів за цикл Li до одиниці робочого об'єму циліндра Vh, тобто
Pi = Li / Vh.
Індикаторної потужністю Ni називають роботу, чинену газами в циліндрах двигуна за одиницю часу. Індикаторна робота (Дж), чинена газами в одному циліндрі за один робочий цикл Li = Pi · Vh.
Так як число робочих циклів, скоєних двигуном в секунду, так само 2n / T, то індикаторна потужність (кВт) одного циліндра
Ni = (2 / T) · Pi · Vh · n · 10 -3,
де n - частота обертання колінчастого вала, 1 / с,
T - тактность двигуна - число тактів за цикл,
Ефективною потужністю Ne називають потужність, що знімається з колінчастого вала двигуна для отримання корисної роботи.
Ефективна потужність менше індикаторної Ni на величину потужності механічних втрат Nm, тобто Ne = Ni-Nm.
Механічні втрати в двигуні оцінюються механічним ККД Nm, яке представляє собою відношення ефективної потужності до індикаторної, тобто
Nm = Ne / Ni = (Ni-Nm) / Ni = 1-Nm/Ni.
Для сучасних двигунів механічний ККД становить 0.72 - 0.9.
Знаючи величину механічного ККД можна визначити ефективну потужність
Ne = Nm · Ni.
Різниця між середнім індикаторним тиском Pi та середнім тиском механічних втрат Pm називають середнім ефективним тиском Pe, тобто
Pe = Pi-Pm.
Ефективна потужність двигуна Ne = (2 / T) · Pe · Vh · n · i · 10 -3, звідки середнє ефективне тиск Pe = 10 3 · Ne · T / (2Vh · ni).
Відносне зменшення індикаторної потужності Р i за рахунок потужності механічних втрат Р м оцінюється механічне ККД, причому:
Ефективна паливна економічність двигуна оцінюється ефективним ККД η е або питомою ефективним витратою палива g e.
Ефективним ККД називається відношення кількості теплоти Q е, перетвореної в ефективну роботу W e, до всієї підведеної теплоти Q o, тобто
Після перетворень отриманого виразу остаточно:
Висловивши ефективну потужність, отримаємо зв'язок між усіма ККД двигуна:
де η t, η про, η м - відповідно термодинамічний, відносний і механічний ККД двигуна.
Для оцінки ефективності використання робочого об'єму циліндра застосовують літрову потужність Р л (в кВт / л), яка була ставлення ефективної потужності Р е до робочого обсягу V л (в л.).
Це рівняння показує, що літрова потужність, що визначає ступінь форсування двигуна, може бути збільшення при підвищенні середнього ефективного тиску Р е, частоти обертання колінчастого вала.
5. Аналіз форм камер згоряння
Циліндр великого діаметру дозволяє здійснити розміщення клапанів з невеликими прохідними перетинами, що сприяє зниженню гідравлічних втрат і підвищення коефіцієнта наповнення. Отримало у даний час широке поширення короткоходний двигуни (двигуни, в яких відношення ходу поршня до діаметру циліндра менше одиниці) мають порівняно великий діаметр циліндра. Це дозволяє розміщувати в головках циліндрів клапани великого діаметру при їх верхньому розташуванні. Верхнє розташування клапанів і аеродинамічна форма впускних клапанів дають можливість знизити гідравлічний опір, а отже, і збільшити коефіцієнт наповнення. Розташування поршневих кілець визначає висоту головки поршня. Чим ближче верхнє кільце до денця поршня, тим менше буде висота його головки, але зате умови роботи кільця будуть більш важкі. Чим ближче кільце до денця поршня, тим вище його температура, а, отже, тим більше буде схильність до займання.
При конструюванні форм камер згоряння зазвичай прагнуть вибрати таку його схему, яка забезпечила б найбільшу компактність камери згоряння і можливість розташувати свічку поблизу від центру (напівсферична). У той же час, іноді менш компактні камери при забезпеченні більшої турбулізації заряду (плоскоовальних, клинова і полукліновая) мають більш високими антидетонаційними властивостями.
Для порівняння варіацій форм камер згоряння охарактеризуємо процеси сумішоутворення.
Переважна більшість камер згоряння має форму тіл обертання. Якщо паливо Розпилююча в об'ємі камери згоряння і лише невелика частина його потрапляє в пристінковий шар, то сумішоутворення називають об'ємним.
Об'ємне сумішоутворення. Воно здійснюється в однополостной (нерозділених) камерах згоряння, які мають малу глибину і великий діаметр, що характеризується безрозмірною величиною - відношенням діаметра камери згоряння до діаметру циліндра: d к.с. / D = 0,75 ... 0,85. Така камера згоряння розташовується звичайно в поршні, причому осі форсунки, камери згоряння і циліндра збігаються. При об'ємному сумішоутворення прогрівання і випаровування палива відбуваються в основному за рахунок теплосодержания частини заряду, охопленої струменями палива. Так як швидкість випаровування залежить від пружності парів палива, а остання крім властивостей палива визначається температурним режимом випаровування, то велике значення має розподіл палива в обсязі стисненого заряду. Остання впливає також на умови займання і горіння палива.
Кут конуса паливних струменів зазвичай не перевищує 20 °. Для забезпечення повного охоплення струменями всього обсягу камери згоряння і використання повітря число соплових отворів має бути i c = 360/20 = 18.
Величина прохідного перерізу соплових отворів f с визначається типом і розмірами дизеля, істотно впливає на тривалість і тиск впорскування і обмежена умовами забезпечення гарного сумішоутворення і тепловиділення. Тому при великому числі соплових отворів їхній діаметр повинен бути невеликим. Виготовити точно отвори малого діаметру важко. Складна також експлуатація дизеля з розпилювачами, що мають малий діаметр соплових отворів. Зокрема, інтенсивніше відбувається зменшення прохідного перерізу соплових отворів через відкладення на їх поверхні коксу, тому доцільно застосування меншого числа отворів, ніж це випливає із умови повного охоплення струменями обсягу камери згоряння. При цьому для забезпечення повного згоряння палива повітря приводиться в обертальний рух тим більш інтенсивно, чим менше число соплових отворів, тому що в цьому випадку заряд за характерний проміжок часу, який приймається зазвичай рівним тривалості впорскування палива, повинен повернутися на більший кут. Досягають цього застосуванням гвинтового або тангенціального впускного каналів, а також екрануванням впускного клапана або його сідла (рис. 1, а-г).
Рис. 1 - Схеми, які ілюструють методи створення в процесі впуску обертального руху заряду в циліндрі: а - тангенціальний впускний канал і епюра зміни тангенціальною швидкості заряду вздовж діаметра циліндра; б - гвинтовий канал; в - клапан з екраном; г - екран на сідлі клапана; д - тангенціальні продувні вікна і епюра зміни тангенціальною складової швидкості, руху заряду вздовж діаметра циліндра двотактного дизеля
Кожне з конструктивних рішень, призначених для чотиритактних двигунів, забезпечує переважне надходження повітря в потрібному напрямку (через певну частину прохідного перерізу в клапані). Якщо вісь потоку, що надходить у цьому напрямку, не перетинає осі циліндра, то в результаті взаємодії струменів між собою і зі стінками циліндра створюється обертальний рух всього заряду. Той же ефект у разі двотактних дизелів досягається тангенціальним напрямком осей продувних вікон.
Для чотиритактних дизелів найбільш ефективно використання гвинтових каналів. Відливання головки циліндра при цьому виявляється складною.
Певні труднощі пов'язані із забезпеченням ідентичності форми і розташування каналів у процесі виробництва. При експлуатації слід вживати заходів до попередження накопичення помітних відкладень на стінках каналів.
При підході поршня до ВМТ заряд з обсягу, розташованого над витискувачем поршня, перетікає в камеру згоряння. Наведений на рис. 2, а характер перетікання обумовлений взаємодією сил витіснення заряду, відцентрових сил і сил тертя.
Рис. 2 - Схеми перетікання і руху заряду в камері згоряння: а - перетікання обертового заряду з надпоршневому простору в камеру згоряння; б - просторове рух заряду в камері згоряння
При відповідному співвідношенні між силами заряд перетікає з надпоршневому простору в камеру згоряння як би пошарово безпосередньо біля кромки камери згоряння і рухається вздовж стінки. Додавання швидкостей обертального руху заряду, створеного при впуску, і витіснення заряду при стисканні викликає рух заряду. Процес перетікання пов'язаний з певними втратами енергії обертального руху, які тим більше, чим більше вихідна енергія обертального руху заряду при впуску і менше ставлення d к.с. / D. У результаті перетікання заряду в камеру, що має діаметр менше діаметра циліндра, швидкість обертання заряду збільшується. Через зазначених втрат енергії це збільшення відбувається в меншому ступені, ніж випливає з закону збереження моменту кількості руху, проте прискорення обертання заряду більше при менших значеннях d к.с. / D. Для розглянутого випадку об'ємного сумішоутворення ускореніe обертання заряду при витісненні його в камеру згоряння невелика, тому що діаметр камери згоряння лише незначно менше діаметра циліндра.
Заряд у циліндрі і камері згоряння рухається по складних просторовим траєкторіями. Крім особливостей втеканіе заряду в циліндр через клапан (продувні вікна) на характер руху заряду впливають мінлива швидкість переміщення поршня і перетікання заряду з обсягу над витискувачем поршня в камеру згоряння. У разі камер об'ємного сумішоутворення найбільший вплив на процеси сумішоутворення надає тангенціальна складова швидкості w t, спрямована по дотичній до окружності камери згоряння. Інші складові мала, і їх вплив невелика. У межах камери згоряння величина w t зростає від центру до периферії, тобто заряд обертається «як тверде тіло». Над витискувачем поршня w t убуває до периферії. Створення обертального руху заряду при впуску призводить до зменшення ефективного перерізу клапана і зниження наповнення, причому тим більшим, чим більше необхідна інтенсивність обертання заряду. На рис. 5 наведена взаємозв'язок між максимальним значенням тангенціальною швидкості w t max руху заряду і коефіцієнтом наповнення ηv. Збільшення w t max викликає зменшення ηv, більш інтенсивне при великих діаметрах камери згоряння.
При великому відношенні d к.с. / D, враховуючи мале прискорення обертання заряду при витісненні його в камеру згоряння, щоб уникнути значного падіння наповнення, використовують відносно велике число соплових отворів (6 - 10). У даному випадку найбільше значення швидкості руху заряду не перевищує 12-15 м / с.
Сумішоутворення у розділених камерах згоряння. Розділені камери згоряння складаються з допоміжної і основний порожнин, з'єднаних горловиною. В даний час застосовують в основному вихрові камери згоряння і передкамери. Найменування допоміжної порожнини (камери) тут поширене на всю камеру згоряння. Принципово різний для розглянутих камер згоряння характер руху заряду в додатковій камері. У разі вихрової камери згоряння вісь сполучної горловини спрямована по дотичній до внутрішньої поверхні сферичної або циліндричної вихрової камери згоряння. Тому в останній створюється спрямоване вихровий рух заряду. Швидкість перетікання заряду через горловину і близька до неї максимальна швидкість руху заряду в вихровий камері досягають 100-200 м / с в залежності від відносної величини обсягу вихрової камери згоряння (V В.К / V с) і відносної величини прохідного перерізу горловини (f р / F п) (F п - площа поршня). Паливо впорскується через штіфтовий розпилювач в напрямку.
Іноді для полегшення запуску застосовують два соплових отвори, причому одне з них подає паливо в зону обсягу заряду з найбільшою температурою. Особливо велика частка палива, що подається через цей отвір на пусковому режимі.
Рухомим зарядом паливо, що надходить з форсунки, віджимається до стінки вихрової камери згоряння. Таким чином, і тут мають місце елементи пристінкового сумішоутворення. Нижню частину вихрової камери нерідко виконують знімною теплоізольованої. Температура горловини вихрової камери може доходити до 600 - 650 ° С. Повітря, що протікає через неї, додатково нагрівається, що сприяє інтенсивному сумішоутворенню. Інтенсифікації сумішоутворення сприяє і те, що паливо приходить в зіткнення з гарячою знімною частиною вихрової камери згоряння. Зі зростанням частоти обертання тепловий режим вихрової камери згоряння і знаходиться в ній заряду зростає, що сприяє прискоренню сумішоутворення і предпламенних реакцій. Оскільки зазвичай обсяг V В.К <(0,5 - 0,6) V с, то в вихрової камері, куди подається вся порція палива, на режимах великих навантажень створюється збагачена суміш. Природно, тут неможливо повне згоряння палива. Внаслідок займання тиск у вихровий камері підвищується. Палаючий заряд починає перетікати в другу основну порожнину камери згоряння, виконану у вигляді фасонної виїмки на поршні (рис. 3, а), де зосереджена значна частина ще не використаного для горіння повітря. При правильному виборі форми і розташування обох порожнин камери згоряння і горловини в основний порожнини камери згоряння відбувається швидке і досить повне Догорание палива.
Рис. 3 - Розділені камери згоряння: а - вихрова (на верхній проекції показано напрямок перетікання заряду з основної порожнини в вихрові камеру при стисненні, на нижній - з вихрової камери в основну при розширенні); б - вихрова і розпилювач типу «Пннтакс» з допоміжним пусковим розпилюють отвором; в - передкамера; г - передкамера малого перепаду тиску дизеля MWM
Відносні обсяг і перетин горловини в разі передкамери (рис. 3, в), як правило, менше, ніж у вихрової камери згоряння. Малі f г / F п викликають підвищені втрати на перетікання заряду між обома порожнинами камери згоряння. Є, однак, передкамери малого перепаду тисків (рис. 3, г), в яких V п.к / V c і f г / F п близькі до аналогічних значень для вихрових камер згоряння, що викликано прагненням зменшити втрати енергії на перетікання заряду і тим самим підвищити економічність передкамерного дизеля.
Напрямок осей отворів, що з'єднують циліндр з передкамерою, таке, що при перетікання заряду на такті стиску в останній створюється безладний рух заряду. Швидкості перетікання досягають 300 м / с і більше. Впорскування здійснюється назустріч потоку заряду, що надходить із циліндра. При стисненні тиск в циліндрі більше тиску в передкамери. Інтенсивна турбулізація заряду в передкамери сприяє хорошому перемішуванню палива з повітрям, інтенсивному сумішоутворенню. У результаті швидкого, але неповного згоряння збагаченої суміші тиск у передкамери різко зростає. Починається перетікання палаючого заряду в основну порожнину камери згоряння, де завдяки інтенсивному перемішуванню паливо швидко і досить повно догорає навіть при малих надлишках повітря (а = 1,15 - 1,2).
Як і у випадку вихрової камери згоряння, підвищення температури допоміжної камери і перетікає в неї заряду, яке відбувається при збільшенні частоти обертання і навантаження, сприяє інтенсифікації процесу сумішоутворення і більш швидкого займання палива. Незважаючи на різке підвищення тиску в допоміжній камері згоряння (особливо при передкамерного смесеобразованія), збільшення тиску над поршнем відбувається порівняно повільно в результаті поступового перетікання палаючого заряду з допоміжної камери згоряння. Паливо догорає в основний порожнини здебільшого вже після ст. м. т., що не викликає різкого підвищення тиску в порожнині над поршнем.
Сумішоутворення при наддуванні. При наддуванні дизеля зростає щільність, а нерідко і температура заряду в циліндрі. Займання прискорюється. Тому виникає необхідність істотного збільшення пробивну здатність паливних струменів. Для цього зазвичай збільшують діаметр соплових отворів. Щоб забезпечити високі тиску впорскування, одночасно збільшують об'ємну швидкість витіснення палива плунжером шляхом збільшення його діаметра і швидкості. Поєднання елементів системи паливоподачі доцільно підібрати так, щоб тривалість впорскування палива при наддуванні, коли потрібно подача великих порцій палива, була не більше, ніж на дизелі без наддуву, а тиску впорскування були б вищі. При цьому створюються сприятливі умови для сумішоутворення і тепловиділення.
У разі газотурбінного наддуву щільність заряду в циліндрі збільшується із зростанням частоти обертання і навантаження, а тривалість періоду затримки запалення за часом скорочується. Щоб забезпечити необхідну проникнення паливних струменів за період затримки запалення, топливоподающая апаратура повинна забезпечувати більш різке збільшення тиску впорскування зі збільшенням частоти обертання і навантаження, ніж на дизелі без наддуву.
При наддуванні внаслідок збільшення щільності заряду може зрости знесення крапель палива обертовим зарядом і збільшитися кут конуса струменів. Швидкість руху заряду не залежить у помітною мірою від тиску на впуску. Оптимальне значення швидкості руху заряду при наддуванні виявилося трохи меншим, ніж без наддуву, у зв'язку з зазначеним збільшенням зносу і кута конуса струменів.
Висновки
1. Проаналізувавши вираз ефективної потужності випливає, що ефективна потужність двигуна може бути підвищена в загальному випадку за рахунок:
а) збільшення робочого об'єму циліндра (збільшення лінійних розмірів діаметру циліндра і ходу поршня);
б) збільшення числа циліндрів;
в) збільшення частоти обертання колінчастого вала двигуна;
г) переходу з чотиритактного на двотактний цикл;
д) підвищення нижчої теплоти згоряння палива;
е) підвищення щільності заряду і коефіцієнта наповнення (наприклад, шляхом наддуву, а також за рахунок поліпшення організації газообміну, зниження опорів на впуску і випуску, застосування інерційного наддуву для збільшення дозарядки і т.д.);
ж) підвищення індикаторного ККД (за рахунок вдосконалення процесу згоряння та скорочення втрат теплоти палива в процесах стиснення і розширення);
з) підвищення механічного ККД двигуна (наприклад, за рахунок використання високоякісних масел, зменшення дотичних поверхонь, скорочення насосних втрат і т.д.).
2. У разі розділених камер згоряння підвищеними виявляються теплові та газодинамічні втрати. Тому теплоіспользованіе в дизелях з розділеними камерами згоряння гірше. У той же час застосування таких камер згоряння полегшує форсування двигуна по частоті обертання. Це пов'язано з інтенсифікацією сумішоутворення і предпламенних реакцій при збільшенні п.
У дизелях з розділеними камерами згоряння тривалість періоду затримки запалення менше і виражена в градусах кута повороту колінчастого валу в меншій мірі зростає при збільшенні п. Це забезпечує можливість досягнення сприятливого тепловиділення при помірних навантаженнях на деталі в широкому діапазоні частот обертання. Дизелі з розділеними камерами згорання можуть працювати бездимним і з допустимою токсичністю відпрацьованих газів при менших надлишках повітря, ніж дизелі з однополостной камерами згоряння. Тому, незважаючи на гірше теплоіспользованіе, ефективність їх циклу зазвичай не поступається ефективності циклу дизелів з нерозділеного камерою згоряння.
Зниження механічних втрат можна досягти вибором однополостной камер згоряння замість розділених, внаслідок виключення практично втрат на перетікання заряду.
3. Наповнення циліндрів. При незмінній циклової подачі палива збільшення коефіцієнта наповнення η v і щільності заряду перед впускними органами р до веде до пропорційного зростання ά. Це супроводжується збільшенням η i і пропорційним підвищенням р t. У разі зміни циклової подачі палива пропорційно зростанню твори η v р до незмінним залишиться ά. Якщо уникнути істотного подовження вприскування та порушення оптимальних умов сумішоутворення, то теплоіспользованіе не погіршується і р t зростає пропорційно η v р к.
Для дизелів з однополостной камерою згоряння і великим числом соплових отворів збільшення коефіцієнта наповнення можна добитися, якщо використовувати два впускні клапани на циліндр і зменшити відношення ходу поршня до діаметру циліндра (S / D). Обидва ці заходи сприяють збільшенню прохідних перерізів впускних клапанів. У дизелях з камерою в поршні і малим числом соплових отворів мінімальний переріз системи впуску розташовується нерідко у впускному каналі, а не в клапані. Останнє пов'язано з необхідністю забезпечення високої вихідної швидкості обертання заряду, що залежить від швидкості повітря в каналі.
Тому збільшення прохідного перерізу в клапанах не призводить до помітного зростання коефіцієнта наповнення. Слід також мати на увазі, що при зменшенні S / D в дизелях з камерами згоряння в поршні, що мають мале d кс / D, помітно зростає об'єм повітря в надпоршневому зазорі, що несприятливо впливає на розвиток тепловиділення.
4. Відношення ходу поршня до діаметру циліндра. Розміри двигуна, виражені через діаметр циліндра D і переміщення поршня S, залежать від номінальної частоти обертання п н. З виразу середньої швидкості поршня з п = Sn/30 випливає, що при збільшенні частоти обертання, щоб уникнути зростання середньої швидкості поршня, від якої залежать механічні втрати двигуна, його надійність і зносостійкість, слід зменшувати хід поршня. При незмінному робочому обсязі циліндра зменшення ходу поршня має супроводжуватися збільшенням діаметра циліндра. Це можливо, проте, лише до певних меж, оскільки надмірне зменшення відношення ходу поршня до діаметру циліндра (S / D) може призвести до несприятливого зміни масових і габаритних показників двигуна, зростанню механічних і термічних навантажень і погіршення теплоіспользованія. Досвід створення дизелів показує, що в разі однополостной камер згоряння малого діаметра і розділених камер згоряння найкращі показники забезпечуються при S / D = 1,0 - 1,4. При менших S / D погіршується використання повітря внаслідок збільшення вмісту його в «мертвих» зонах.
При більшості однополостной камер згоряння не вдається ефективно використовувати можливості збільшення прохідного перерізу в клапанах при збільшенні діаметру циліндра, так як наповнення циліндра обмежується в основному величиною мінімального перерізу у впускному каналі. У дизелях з однополостной камерами згоряння великого діаметра доцільне застосування S / D <1. У карбюраторних двигунах застосовуються S / D = 0,85 - 1,05.
Список використаної літератури
1. «Двигуни внутрішнього згоряння», А.С. Хачиян, К.А. Морозов та ін
2. «Розрахунок автомобільних і тракторних двигунів» А.І. Колчин, В.П. Демидов.
3. «Технічне моделювання та конструювання» під ред. В.В. Колотілова.
Певні труднощі пов'язані із забезпеченням ідентичності форми і розташування каналів у процесі виробництва. При експлуатації слід вживати заходів до попередження накопичення помітних відкладень на стінках каналів.
При підході поршня до ВМТ заряд з обсягу, розташованого над витискувачем поршня, перетікає в камеру згоряння. Наведений на рис. 2, а характер перетікання обумовлений взаємодією сил витіснення заряду, відцентрових сил і сил тертя.
Рис. 2 - Схеми перетікання і руху заряду в камері згоряння: а - перетікання обертового заряду з надпоршневому простору в камеру згоряння; б - просторове рух заряду в камері згоряння
При відповідному співвідношенні між силами заряд перетікає з надпоршневому простору в камеру згоряння як би пошарово безпосередньо біля кромки камери згоряння і рухається вздовж стінки. Додавання швидкостей обертального руху заряду, створеного при впуску, і витіснення заряду при стисканні викликає рух заряду. Процес перетікання пов'язаний з певними втратами енергії обертального руху, які тим більше, чим більше вихідна енергія обертального руху заряду при впуску і менше ставлення d к.с. / D. У результаті перетікання заряду в камеру, що має діаметр менше діаметра циліндра, швидкість обертання заряду збільшується. Через зазначених втрат енергії це збільшення відбувається в меншому ступені, ніж випливає з закону збереження моменту кількості руху, проте прискорення обертання заряду більше при менших значеннях d к.с. / D. Для розглянутого випадку об'ємного сумішоутворення ускореніe обертання заряду при витісненні його в камеру згоряння невелика, тому що діаметр камери згоряння лише незначно менше діаметра циліндра.
Заряд у циліндрі і камері згоряння рухається по складних просторовим траєкторіями. Крім особливостей втеканіе заряду в циліндр через клапан (продувні вікна) на характер руху заряду впливають мінлива швидкість переміщення поршня і перетікання заряду з обсягу над витискувачем поршня в камеру згоряння. У разі камер об'ємного сумішоутворення найбільший вплив на процеси сумішоутворення надає тангенціальна складова швидкості w t, спрямована по дотичній до окружності камери згоряння. Інші складові мала, і їх вплив невелика. У межах камери згоряння величина w t зростає від центру до периферії, тобто заряд обертається «як тверде тіло». Над витискувачем поршня w t убуває до периферії. Створення обертального руху заряду при впуску призводить до зменшення ефективного перерізу клапана і зниження наповнення, причому тим більшим, чим більше необхідна інтенсивність обертання заряду. На рис. 5 наведена взаємозв'язок між максимальним значенням тангенціальною швидкості w t max руху заряду і коефіцієнтом наповнення ηv. Збільшення w t max викликає зменшення ηv, більш інтенсивне при великих діаметрах камери згоряння.
При великому відношенні d к.с. / D, враховуючи мале прискорення обертання заряду при витісненні його в камеру згоряння, щоб уникнути значного падіння наповнення, використовують відносно велике число соплових отворів (6 - 10). У даному випадку найбільше значення швидкості руху заряду не перевищує 12-15 м / с.
Сумішоутворення у розділених камерах згоряння. Розділені камери згоряння складаються з допоміжної і основний порожнин, з'єднаних горловиною. В даний час застосовують в основному вихрові камери згоряння і передкамери. Найменування допоміжної порожнини (камери) тут поширене на всю камеру згоряння. Принципово різний для розглянутих камер згоряння характер руху заряду в додатковій камері. У разі вихрової камери згоряння вісь сполучної горловини спрямована по дотичній до внутрішньої поверхні сферичної або циліндричної вихрової камери згоряння. Тому в останній створюється спрямоване вихровий рух заряду. Швидкість перетікання заряду через горловину і близька до неї максимальна швидкість руху заряду в вихровий камері досягають 100-200 м / с в залежності від відносної величини обсягу вихрової камери згоряння (V В.К / V с) і відносної величини прохідного перерізу горловини (f р / F п) (F п - площа поршня). Паливо впорскується через штіфтовий розпилювач в напрямку.
Іноді для полегшення запуску застосовують два соплових отвори, причому одне з них подає паливо в зону обсягу заряду з найбільшою температурою. Особливо велика частка палива, що подається через цей отвір на пусковому режимі.
Рухомим зарядом паливо, що надходить з форсунки, віджимається до стінки вихрової камери згоряння. Таким чином, і тут мають місце елементи пристінкового сумішоутворення. Нижню частину вихрової камери нерідко виконують знімною теплоізольованої. Температура горловини вихрової камери може доходити до 600 - 650 ° С. Повітря, що протікає через неї, додатково нагрівається, що сприяє інтенсивному сумішоутворенню. Інтенсифікації сумішоутворення сприяє і те, що паливо приходить в зіткнення з гарячою знімною частиною вихрової камери згоряння. Зі зростанням частоти обертання тепловий режим вихрової камери згоряння і знаходиться в ній заряду зростає, що сприяє прискоренню сумішоутворення і предпламенних реакцій. Оскільки зазвичай обсяг V В.К <(0,5 - 0,6) V с, то в вихрової камері, куди подається вся порція палива, на режимах великих навантажень створюється збагачена суміш. Природно, тут неможливо повне згоряння палива. Внаслідок займання тиск у вихровий камері підвищується. Палаючий заряд починає перетікати в другу основну порожнину камери згоряння, виконану у вигляді фасонної виїмки на поршні (рис. 3, а), де зосереджена значна частина ще не використаного для горіння повітря. При правильному виборі форми і розташування обох порожнин камери згоряння і горловини в основний порожнини камери згоряння відбувається швидке і досить повне Догорание палива.
Рис. 3 - Розділені камери згоряння: а - вихрова (на верхній проекції показано напрямок перетікання заряду з основної порожнини в вихрові камеру при стисненні, на нижній - з вихрової камери в основну при розширенні); б - вихрова і розпилювач типу «Пннтакс» з допоміжним пусковим розпилюють отвором; в - передкамера; г - передкамера малого перепаду тиску дизеля MWM
Відносні обсяг і перетин горловини в разі передкамери (рис. 3, в), як правило, менше, ніж у вихрової камери згоряння. Малі f г / F п викликають підвищені втрати на перетікання заряду між обома порожнинами камери згоряння. Є, однак, передкамери малого перепаду тисків (рис. 3, г), в яких V п.к / V c і f г / F п близькі до аналогічних значень для вихрових камер згоряння, що викликано прагненням зменшити втрати енергії на перетікання заряду і тим самим підвищити економічність передкамерного дизеля.
Напрямок осей отворів, що з'єднують циліндр з передкамерою, таке, що при перетікання заряду на такті стиску в останній створюється безладний рух заряду. Швидкості перетікання досягають 300 м / с і більше. Впорскування здійснюється назустріч потоку заряду, що надходить із циліндра. При стисненні тиск в циліндрі більше тиску в передкамери. Інтенсивна турбулізація заряду в передкамери сприяє хорошому перемішуванню палива з повітрям, інтенсивному сумішоутворенню. У результаті швидкого, але неповного згоряння збагаченої суміші тиск у передкамери різко зростає. Починається перетікання палаючого заряду в основну порожнину камери згоряння, де завдяки інтенсивному перемішуванню паливо швидко і досить повно догорає навіть при малих надлишках повітря (а = 1,15 - 1,2).
Як і у випадку вихрової камери згоряння, підвищення температури допоміжної камери і перетікає в неї заряду, яке відбувається при збільшенні частоти обертання і навантаження, сприяє інтенсифікації процесу сумішоутворення і більш швидкого займання палива. Незважаючи на різке підвищення тиску в допоміжній камері згоряння (особливо при передкамерного смесеобразованія), збільшення тиску над поршнем відбувається порівняно повільно в результаті поступового перетікання палаючого заряду з допоміжної камери згоряння. Паливо догорає в основний порожнини здебільшого вже після ст. м. т., що не викликає різкого підвищення тиску в порожнині над поршнем.
Сумішоутворення при наддуванні. При наддуванні дизеля зростає щільність, а нерідко і температура заряду в циліндрі. Займання прискорюється. Тому виникає необхідність істотного збільшення пробивну здатність паливних струменів. Для цього зазвичай збільшують діаметр соплових отворів. Щоб забезпечити високі тиску впорскування, одночасно збільшують об'ємну швидкість витіснення палива плунжером шляхом збільшення його діаметра і швидкості. Поєднання елементів системи паливоподачі доцільно підібрати так, щоб тривалість впорскування палива при наддуванні, коли потрібно подача великих порцій палива, була не більше, ніж на дизелі без наддуву, а тиску впорскування були б вищі. При цьому створюються сприятливі умови для сумішоутворення і тепловиділення.
У разі газотурбінного наддуву щільність заряду в циліндрі збільшується із зростанням частоти обертання і навантаження, а тривалість періоду затримки запалення за часом скорочується. Щоб забезпечити необхідну проникнення паливних струменів за період затримки запалення, топливоподающая апаратура повинна забезпечувати більш різке збільшення тиску впорскування зі збільшенням частоти обертання і навантаження, ніж на дизелі без наддуву.
При наддуванні внаслідок збільшення щільності заряду може зрости знесення крапель палива обертовим зарядом і збільшитися кут конуса струменів. Швидкість руху заряду не залежить у помітною мірою від тиску на впуску. Оптимальне значення швидкості руху заряду при наддуванні виявилося трохи меншим, ніж без наддуву, у зв'язку з зазначеним збільшенням зносу і кута конуса струменів.
Висновки
1. Проаналізувавши вираз ефективної потужності випливає, що ефективна потужність двигуна може бути підвищена в загальному випадку за рахунок:
а) збільшення робочого об'єму циліндра (збільшення лінійних розмірів діаметру циліндра і ходу поршня);
б) збільшення числа циліндрів;
в) збільшення частоти обертання колінчастого вала двигуна;
г) переходу з чотиритактного на двотактний цикл;
д) підвищення нижчої теплоти згоряння палива;
е) підвищення щільності заряду і коефіцієнта наповнення (наприклад, шляхом наддуву, а також за рахунок поліпшення організації газообміну, зниження опорів на впуску і випуску, застосування інерційного наддуву для збільшення дозарядки і т.д.);
ж) підвищення індикаторного ККД (за рахунок вдосконалення процесу згоряння та скорочення втрат теплоти палива в процесах стиснення і розширення);
з) підвищення механічного ККД двигуна (наприклад, за рахунок використання високоякісних масел, зменшення дотичних поверхонь, скорочення насосних втрат і т.д.).
2. У разі розділених камер згоряння підвищеними виявляються теплові та газодинамічні втрати. Тому теплоіспользованіе в дизелях з розділеними камерами згоряння гірше. У той же час застосування таких камер згоряння полегшує форсування двигуна по частоті обертання. Це пов'язано з інтенсифікацією сумішоутворення і предпламенних реакцій при збільшенні п.
У дизелях з розділеними камерами згоряння тривалість періоду затримки запалення менше і виражена в градусах кута повороту колінчастого валу в меншій мірі зростає при збільшенні п. Це забезпечує можливість досягнення сприятливого тепловиділення при помірних навантаженнях на деталі в широкому діапазоні частот обертання. Дизелі з розділеними камерами згорання можуть працювати бездимним і з допустимою токсичністю відпрацьованих газів при менших надлишках повітря, ніж дизелі з однополостной камерами згоряння. Тому, незважаючи на гірше теплоіспользованіе, ефективність їх циклу зазвичай не поступається ефективності циклу дизелів з нерозділеного камерою згоряння.
Зниження механічних втрат можна досягти вибором однополостной камер згоряння замість розділених, внаслідок виключення практично втрат на перетікання заряду.
3. Наповнення циліндрів. При незмінній циклової подачі палива збільшення коефіцієнта наповнення η v і щільності заряду перед впускними органами р до веде до пропорційного зростання ά. Це супроводжується збільшенням η i і пропорційним підвищенням р t. У разі зміни циклової подачі палива пропорційно зростанню твори η v р до незмінним залишиться ά. Якщо уникнути істотного подовження вприскування та порушення оптимальних умов сумішоутворення, то теплоіспользованіе не погіршується і р t зростає пропорційно η v р к.
Для дизелів з однополостной камерою згоряння і великим числом соплових отворів збільшення коефіцієнта наповнення можна добитися, якщо використовувати два впускні клапани на циліндр і зменшити відношення ходу поршня до діаметру циліндра (S / D). Обидва ці заходи сприяють збільшенню прохідних перерізів впускних клапанів. У дизелях з камерою в поршні і малим числом соплових отворів мінімальний переріз системи впуску розташовується нерідко у впускному каналі, а не в клапані. Останнє пов'язано з необхідністю забезпечення високої вихідної швидкості обертання заряду, що залежить від швидкості повітря в каналі.
Тому збільшення прохідного перерізу в клапанах не призводить до помітного зростання коефіцієнта наповнення. Слід також мати на увазі, що при зменшенні S / D в дизелях з камерами згоряння в поршні, що мають мале d кс / D, помітно зростає об'єм повітря в надпоршневому зазорі, що несприятливо впливає на розвиток тепловиділення.
4. Відношення ходу поршня до діаметру циліндра. Розміри двигуна, виражені через діаметр циліндра D і переміщення поршня S, залежать від номінальної частоти обертання п н. З виразу середньої швидкості поршня з п = Sn/30 випливає, що при збільшенні частоти обертання, щоб уникнути зростання середньої швидкості поршня, від якої залежать механічні втрати двигуна, його надійність і зносостійкість, слід зменшувати хід поршня. При незмінному робочому обсязі циліндра зменшення ходу поршня має супроводжуватися збільшенням діаметра циліндра. Це можливо, проте, лише до певних меж, оскільки надмірне зменшення відношення ходу поршня до діаметру циліндра (S / D) може призвести до несприятливого зміни масових і габаритних показників двигуна, зростанню механічних і термічних навантажень і погіршення теплоіспользованія. Досвід створення дизелів показує, що в разі однополостной камер згоряння малого діаметра і розділених камер згоряння найкращі показники забезпечуються при S / D = 1,0 - 1,4. При менших S / D погіршується використання повітря внаслідок збільшення вмісту його в «мертвих» зонах.
При більшості однополостной камер згоряння не вдається ефективно використовувати можливості збільшення прохідного перерізу в клапанах при збільшенні діаметру циліндра, так як наповнення циліндра обмежується в основному величиною мінімального перерізу у впускному каналі. У дизелях з однополостной камерами згоряння великого діаметра доцільне застосування S / D <1. У карбюраторних двигунах застосовуються S / D = 0,85 - 1,05.
Список використаної літератури
1. «Двигуни внутрішнього згоряння», А.С. Хачиян, К.А. Морозов та ін
2. «Розрахунок автомобільних і тракторних двигунів» А.І. Колчин, В.П. Демидов.
3. «Технічне моделювання та конструювання» під ред. В.В. Колотілова.