Построение индикаторной диаграммы двигателя внутреннего сгорания

Индикаторная диаграмма ДВС строится с использованием данных расчета рабочего процесса.

1. При построении диаграммы ее масштабы рекомендуется выбирать с таким расчетом, чтобы получить высоту равной 1,2–1,7 ее основания. Масштабы диаграммы принимаются в следующих пределах: масштаб хода поршня M_S = 0,5; 1,0; 1,5 мм в мм; масштаб давлений M_p = 0,020; 0,025; 0,040; 0,050; 0,070–0,100 МПа в мм.

2. Определяется длина отрезка AB, соответствующего рабочему объему цилиндра, а по величине равного ходу поршня S в масштабе M_S, мм

.

(12.1)

3. Определяется отрезок OA, соответствующий объему камеры сгорания, мм

.

(12.2)

Для дизелей, работающих по циклу со смешанным подводом теплоты, также определяется величина отрезка z′z, соответствующего перемещению поршня, при котором продолжается подвод теплоты в цикл в процессе расширения (при постоянном давлении), мм

,

(12.3)

где ρ – степень предварительного расширения.

4. Из точки O, являющейся началом координат диаграммы, по оси абсцисс откладывается отрезок OA (мм). Далее от точки A по оси абсцисс откладывается отрезок AB. Таким образом, абсцисса A соответствует положению поршня в верхней мертвой точке (в.м.т.), а абсцисса B – в нижней мертвой точке (н.м.т.).

5. На основании данных теплового расчета определяется максимальная высота диаграммы (точка z), а также ординаты характерных точек, мм: ; ; ; ; ; .

6. Характерные точки a (B, ); b (B, ); c (A, ); r (A, ); z (A, ) наносятся на диаграмму. Также показывается величина давления окружающей среды p₀.

7. Производится построение политроп сжатия и расширения аналитическим методом.

Построение политропы сжатия производится с использованием зависимости, МПа

,

(12.4)

где p_x, V_x – давление и объем в искомой точке процесса сжатия.

Если привести параметры состояния рабочего тела в надпоршневом пространстве к масштабу диаграммы, то зависимость 12.4 может быть преобразована к следующему виду, мм

,

(12.5)

где OX – расстояние по оси абсцисс от начала координат до искомой точки процесса сжатия, мм.

Отношение V_a/V_x, а соответственно и OB/OX, изменяется в пределах от 1 до ε (степень сжатия).

Построение политропы расширения производится с использованием зависимости, МПа

,

(12.6)

где p_x, V_x – давление и объем в искомой точке процесса расширения.

Если привести параметры состояния рабочего тела в надпоршневом пространстве к масштабу диаграммы, то зависимость 12.6 может быть преобразована к следующему виду, мм

.

(12.7)

Для бензиновых двигателей отношение V_b/V_x, а соответственно и OB/OX, изменяется в пределах от 1 до ε, а для дизелей – от 1 до δ=ε/ρ (степень последующего расширения).

Определение ординат расчетных точек политроп сжатия и расширения удобно производить в табличной форме (см. табл. 12.1).

Точки a и c соединяют плавной кривой, проходящей через вычисленные и нанесенные на поле диаграммы точки политропы сжатия, а точки z и b – кривой, проходящей через точки политропы расширения (координаты точек в табл. 12.1 приведены в графах 2 и 5 для политропы сжатия и в графах 2 и 8 для политропы расширения).

8. Для бензинового двигателя прямыми линиями соединяются точки с и z, а также b и a, а для дизеля – точки c и z′; z′ и z, а также b и a. Принимается, что процесс выпуска протекает сначала при постоянном объеме от давления p_b до давления p_r (из точки b вертикально вниз), затем – при постоянном давлении p_r от н.м.т. до в.м.т. (горизонтально до точки r), а процесс впуска сначала протекает также при постоянном объеме от давления p_r до давления p_a (из точки r вертикально вниз), затем – при постоянном давлении p_a от в.м.т. до н.м.т. (горизонтально до точки a).

Таблица 12.1

Расчетная таблица к построению политроп сжатия и расширения

№ точек	OX, мм	OB/OX, мм	Политропа сжатия	Политропа расширения
	Рx/Мр, мм	Рx, МПа		Рx/Мр, мм	Рx, МПа
1	2	3	4	5	6	7	8	9
. . .
m*

^*m – количество расчетных точек.

9. Действительная диаграмма отличается от расчетной по ряду причин:

– в реальном двигателе за счет опережения зажигания (момент зажигания характеризуется точкой c′ на действительной диаграмме) или впрыска топлива рабочая смесь воспламеняется до прихода поршня в в.м.т. (момент воспламенения характеризуется точкой f) и повышает давление в конце процесса сжатия (на действительной индикаторной диаграмме конец процесса сжатия характеризуется точкой c′′);

– процесс видимого сгорания происходит при изменяющемся объеме и протекает по некоторой кривой от точки, соответствующей концу процесса сжатия на действительной диаграмме (точка c′′), до точки z_д, а не по прямой cz для бензиновых двигателей или прямым cz′ и z′z для дизеля. При построении индикаторной диаграммы бензинового двигателя точка z_д лежит на пересечении политропы расширения и изобары , а при построении диаграммы дизеля – на прямой z′z ориентировочно вблизи точки z;

– открытие выпускного клапана до прихода поршня в н.м.т. (характеризуется точкой b′ на действительной диаграмме) снижает давление в конце расширения (точка b′′, характеризующая параметры рабочего тела в конце процесса расширения на действительной диаграмме, обычно располагается между точками a и b).

Для правильного построения характерных точек действительной индикаторной диаграммы необходимо установить взаимосвязь между углом φ поворота коленчатого вала и перемещением поршня S_x. Эта связь устанавливается на основании выбора длины шатуна L_ш и отношения радиуса кривошипа R к длине шатуна λ=R/L_ш (принимается в пределах λ=0,25–0,31).

Скругление индикаторной диаграммы осуществляется на основании следующих соображений и расчетов. Фазы газораспределения необходимо устанавливать с учетом получения хорошей очистки цилиндра от отработавших газов и обеспечения дозарядки в пределах, принятых в расчете. В современных быстроходных двигателях открытие впускного клапана (на действительной индикаторной диаграмме момент открытия впускного клапана характеризуется точкой r′) происходит в среднем за 10–35º до прихода поршня в в.м.т., а закрытие (момент закрытия впускного клапана на диаграмме характеризуется точкой a′′) – через 40–85º после н.м.т. Открытие выпускного клапана происходит за 40–80º до н.м.т., а закрытие (момент закрытия выпускного клапана на диаграмме характеризуется точкой a′) – через 10–30º после в.м.т.

Угол опережения зажигания, т.е. угловой интервал от момента подачи искры до прихода поршня в в.м.т., в бензиновых двигателях принимается в пределах 15–50º. Угол опережения впрыскивания, т.е. угол, на который повернется коленчатый вал от момента начала впрыскивания топлива до прихода поршня в в.м.т., в дизелях принимается в пределах 20–30º. Продолжительность периода задержки воспламенения может быть принята в пределах 5–10º.

В соответствии с принятыми фазами газораспределения и углом опережения зажигания или впрыска (в зависимости от типа двигателя) определяют положение точек r′, a′, a′′, c′, f, b′ по формуле для перемещения поршня, мм

.

(12.8)

Для удобства построения диаграммы расчет абсцисс точек сводится в табл. 12.2.

Ордината точки c" определяется из выражений:

МПа и мм.

(12.9)

Таблица 12.2

Расчетная таблица к скруглению индикаторной диаграммы

Обозначение точек	Положение точек	j		Расстояние от в.м.т. (AX), мм
r¢	(10–35)º до в.м.т.	(10–35)º
a¢	(10–30)º после в.м.т.	(10–30)º
a²	(40–85)º после н.м.т.	180–(40–85)º
с¢	бенз: (15–50)º до в.м.т. диз: (20–30)º до в.м.т.	(15–50)º (20–30)º
f	бенз: (10–40)º до в.м.т. диз: (10–20)º до в.м.т.	(10–40)º (10–20)º
b¢	(40–80)º до н.м.т.	180–(40–80)º

Ордината точки z_д для бензиновых двигателей определяется следующим образом, мм

.

(12.10)

Точки r с a′; c′ с f и c′′ и далее с z_д соединяются плавными кривыми; далее точка z_д соединяется кривой расширения с точкой b′, а она – плавной кривой – с точкой b′′, которая соединяется с точками r′ и r линией выпуска. В итоге получается скругленная действительная индикаторная диаграмма ra′ac′fc′′z_дb′b′′r.

Пример теплового расчета карбюраторного двигателя

Исходные данные

Произвести тепловой расчет четырехтактного карбюраторного двигателя, предназначенного для легкового автомобиля. Эффективная мощность двигателя N_e = 47 кВт при частоте вращения коленчатого вала n_N = 5600 мин^–1.

Двигатель четырехцилиндровый с рядным расположением. Система охлаждения – жидкостная закрытого типа. Степень сжатия ε = 8,5. Ход поршня S = 66 мм, диаметр цилиндра D = 79 мм.

Тепловой расчет двигателя