7. Индикаторная диаграмма двигателя
Полученная в эксперименте индикаторная диаграмма двигателя – важное средство в анализе термодинамических циклов и работы двигателя в целом. Экспериментальная индикаторная диаграмма позволяет уточнить форму цикла, установить закон горения топлива, определить максимальные значения давления и температуры рабочего тела. С помощью такой диаграммы можно оптимизировать адаптацию турбонагнетателя к двигателю. Индикаторная диаграмма двигателя представляет собой зависимость давления рабочего тела во время совершения цикла от угла поворота кривошипа (угла поворота коленвала двигателя). В курсовом проекте необходимо получить расчётную индикаторную диаграмму двигателя и изобразить её графически.
Так как ранее уже были получены зависимости для расчёта давления от объёма рабочего тела в термодинамическом цикле, то для построения индикаторной диаграммы необходимо дополнительно получить зависимость и для угла поворота кривошипа от объёма рабочего тела.
Возможен и другой подход. В этом подходе следует первоначально определить границы изменения угла поворота кривошипа при совершении каждого термодинамического процесса. Затем, задаваясь значениями угла поворота кривошипа в этих выделенных интервалах, определять соответствующие значения объёма рабочего тела, а по уравнениям термодинамических процессов определять давление рабочего тела. В курсовом проекте рекомендуется использовать эту методику построения индикаторной диаграммы двигателя.
Из простых геометрических соображений можно получить упрощенное уравнение для определения аналитической связи между объёмом рабочего тела и углом поворота кривошипа. Соответствующие обозначения и оси для отсчёта угла поворота кривошипа приведены на рис.2.
V = Vc*(1 + 0.5*(ε-1)*(1+cosφ)) или 7.1
cosφ = 2*(V/Vc -1)/(ε-1) -1 7.2
В этих уравнениях:
V – текущий объём рабочего тела;
Vc – объём рабочего тела в конце термодинамического процесса сжатия;
ε – степень сжатия;
φ – угол поворота кривошипа.
Расчёты, выполненные с использованием уравнений 7.1 и 7.2, позволяют получить достаточно полное представление об индикаторной диаграмме двигателя.
Vmin
ВМТ
Ход поршня
НМТ
Vmax
Рис.2. Конструктивные параметры поршневой расширительной машины
8. Внешняя скоростная характеристика двигателя
Скоростная характеристика двигателя – это зависимости эффективной мощности двигателя, вращающего момента, расхода топлива и удельного расхода топлива от частоты вращения коленчатого вала двигателя. Зачастую наибольший интерес представляет внешняя скоростная характеристика двигателя, соответствующая его работе с наибольшей цикловой подачей топлива.
На основании большого количества экспериментальных исследований поршневых двигателей внутреннего сгорания были получены эмпирические зависимости, описывающие внешнюю скоростную характеристику двигателя [3].
Так, мощность двигателя может быть описана зависимостью
Pe = Pemax*(a*No + b*No2 – c*No3), 8.1
в которой
Pemax - максимальная мощность двигателя (при заданной в исходных данных частоте вращения двигателя);
Pe - мощность двигателя;
No = Nт/N – относительная частота вращения коленвала, представляющая собой отношение текущей частоты к частоте вращения коленвала при максимальной мощности;
Nт – текущая частота вращения коленвала двигателя;
N – частота вращения коленвала двигателя, заданная в исходных данных курсового проекта.
a, b и c – эмпирические коэффициенты.
Для дизельных двигателей в [3] рекомендуется выбирать значение коэффициента а = 0.5 – 0.7. Коэффициенты b и c следует получать решением системы уравнений
a + b – c = 1 (для обеспечения Pe = Pemax при No = 1);
a + 2*b – 3*c = 0 (т.к. при No = 1 мощность двигателя принимает максимальное значение).
При построении внешней скоростной характеристики двигателя его максимальную мощность следует определять по зависимости 5.11, расход топлива принимать прямо пропорциональным частоте вращения коленвала, а удельный расход топлива рассчитывать по зависимости 5.12.
Вращающий момент двигателя рассчитывается по формуле
Te = Pe/ω, 8.2
где ω = 2*π*N/60 – текущая угловая скорость вращения коленвала двигателя
Качественный анализ внешней скоростной характеристики двигателя студенту предлагается выполнить самостоятельно.
Приложение 1