В уравнении (3.32) скрыты некоторые неопределенности, Fэкн образовано при наличии ряда упрощений, ?экв трудно определить непосредственно;
как правило, его определяют с помощью измерения па двигателях массового расхода воздуха и последующего сравнения его со значением, рассчитанным вышеуказанным способом. При этом нельзя сделать заключения о величине давления или изменении давления в цилиндре.
Для получения точных результатов служит шаговый расчет процесса газообмена. Хотя сегодня — в эпоху вычислительной техники — он, как правило, производится вместе с общим расчетом рабочего цикла, сам по себе отдельный расчет газообмена, который при необходимости можно выполнить и с помощью логарифмической линейки или простой счетной машинки, является полезным во многих случаях.
За короткий промежуток времени при одновременном открытии впуска и выпуска в цилиндр поступает количество воздуха, равное dmвп, а из цилиндра выходит количество газов, равное dmвып (рис. 3.11).
Наиболее простым и пригодным для ручного счета является метод, который первым предложил Земан. Впоследствии этот метод был несколько усовершенствован.
Запишем уравнения сохранения массы
и сохранения энергии
где uц — внутренняя энергия заряда цилиндра, отнесенная к единице массы; iвп и iвып — теплосодержание количества газа, поступающего в цилиндр и соответственно вытекающего из цилиндра; dQст — количество теплоты, отводимое в рассматриваемый промежуток времени стенками цилиндра.
Из уравнений сохранения массы и энергии, предполагая, что энергия впуска переходит в теплоту и что вновь поступающий воздух мгновенно перемешивается с зарядом цилиндра, получим:
С учетом этого в уравнениях (3.37) и (3.38) буквы А, В, С и D обозначают следующие выражения: в системе СИ
где члены уравнений описывают: А — втекание; В — вытекание; С — движение поршня; D — теплопередачу; Фц — изменение объема цилиндра.
Функция ?вп определяется по давлению на впуске рвп и давлению в цилиндре pц, а функция ?вып — по давлению pц и давлению на выпуске рвып:
Дифференциальные уравнения (3.37) и (3.38), описывающие изменение давления и температуры, могут быть решены только с помощью шагового метода.
Расчет начинается исходя от давления в цилиндре при открытии выпускного органа (Вып. о.). Значения давления в выпускном трубопроводе могут быть подставлены по экспериментальным данным, если имеются соответствующие измерения.
На рис. 3.12 линия а показывает наклон линии изменения давления в точке п при п-м шаге расчета с оцененным значением (рц)п; линия b — наклон линии изменения давления при повторении n-го шага вычисления с исправленным (рц)п.
Параллельно таким же способом рассчитывается изменение температуры в цилиндре.
При практических решениях приведенных выше дифференциальных уравнений часто можно пренебрегать составляющей теплопередачи (D) или учитывать ее в сумме (например, от 10 до 40° повышения температуры свежего заряда в течение процесса впуска — в зависимости от размеров цилиндра и температуры наддувочного воздуха).
Если для расчета протекания давления и температуры нет электронно-вычислительной машины, то в этом случае проще и быстрее рассчитать только изменение давления по уравнению (3.37), а температуру Тц, которая, кроме пренебрегаемой в данном случае составляющей теплопередачи, входит только в составляющую выпуска (В), определять, как описано ниже.
Для периода, пока впускные органы закрыты, можно принимать, что изоэнтропное расширение происходит, начиная с температуры при открытии выпускных органов Tц Вып. о,
Температура при открытии впускных органов Tц Вып. о находится из pц Вып. о и уравнения состояния — с помощью первоначально оцененного количества заряда.
Во время периода впуска температура Tцn заряда цилиндра может быть рассчитана при п-м шаге вычисления по правилу смешения с наложением адиабатного изменения состояния:
где п обозначает n-й шаг расчета, а п — 1 — предыдущий шаг.
В качестве примера такого расчета, выполненного без применения вычислительных машин, на рис. 3.13 показаны кривые изменения давления и температуры в цилиндре крупного двухтактного двигателя с асимметричной диаграммой газораспределения (петлевая схема продувки с вращающейся заслонкой на выпуске, которая закрывает выпуск прежде, чем поршень перекроет выпускные окна). Кривая а показывает рассчитанное, и кривая б — замеренное протекание давления, Tц — рассчитанное изменение температуры, и кривая в — давление продувки.
Несмотря на то, что вследствие переменного давления в выпускном трубопроводе расчет выполнялся для постоянного давления р3, имеются некоторые различия между измеренными (линия б) и рассчитанными (линия а) величинами давления в цилиндре, совпадение у точки закрытия выпускного органа (Вып. з.) хорошее. Количество заряда определено давлением и температурой в этой точке. Путем повторных вычислений для измененных фаз газораспределения находят, при каких условия количество заряда в цилиндре достигает максимума. Подобные расчеты целесообразно проводить и тогда, когда нет вычислительных машин, так как экспериментальная оптимизация на крупных двигателях обходится очень дорого.
Для четырехтактных двигателей также производились оптимизационные расчеты с целью определения наиболее благоприятных фаз газораспределения, при этих расчетах важными являются расход воздуха и количество заряда. На рис. 3.14 показано изменение давления в цилиндре дизеля с высоким наддувом при различных углах открытия выпускного клапана (Вып. о.). Чем раньше происходит открытие выпускного клапана, тем меньше работы затрачивается на выталкивание газов, но, с другой стороны, тем больше потери работы расширения. Здесь требуется определить оптимум.
Например, на рис. 3.15 кривая 1 представляет собой сумму обеих площадей потерь (см. рис. 3.14) в зависимости от угла предварения открытия выпускного клапана. Как видно из рисунка, минимум этой площади потерь достигается при ? = 75° п. к. в. до н. м. т.
Кривая 2 относится (при прочих равных условиях) к увеличенному на ~7,5% диаметру седла выпускного клапана; кривая 3 соответствует улучшению коэффициента расхода на 12,5%. Наконец, кривая 4 показывает значения площади потерь при пониженной частоте вращения.
Еще более важным, чем для оптимизации фаз газораспределения, становятся расчеты газообмена для предсказания успеха или эффекта от изменения рабочего процесса (о двигателях с измененным рабочим процессом).
|