Введение Для высокооборотных дизелей эффективность организации рабочего процесса играет существенную роль, поскольку время, отведённое на смесеобразование, очень мало. В современных двигателях внутреннего сгорания (ДВС) применяются различные способы интенсификации смесеобразования [1-5] с целью снизить период задержки самовоспламенения, который является основной по продолжительности фазой смесеобразования. Предлагаемые нетрадиционные способы организации рабочего процесса [6-9] не получают распространения ввиду того, что все они имеют принципиально одинаковые соотношения между мощностью, литражом и другими технико-экономическими показателями, по сравнению с традиционными ДВС. Довольно давно отрабатывается и организация традиционных рабочих процессов в ДВС на водородном топливе [10-12] или на топливах растительного происхождения [13-15], но она ещё далека от промышленного применения. В связи с высокими экологическими и экономическими качествами производители начинают активно применять газовое топливо - газодизель по всем параметрам превосходит дизель, за исключением мощности, т. к. теплота сгорания газа ниже, чем теплота сгорания дизельного топлива [16-18]. Предлагается также возобновить работы по применению в ДВС генераторного газа [19]. Перспективными считаются работы по применению водотопливных эмульсий [20]. Однако в ближайшее время метан или водород вряд ли полностью вытеснят бензин и дизельное топливо. Значит, современные ДВС, совершенствуясь, пока сохранят своё положение. В этой связи является актуальной необходимость поисковых работ по совершенствованию организации рабочего процесса ДВС, которые должны быть направлены на увеличение степени использования химической энергии топлива и тепловой энергии рабочего тела с целью повышения энергетической эффективности, экономичности и снижения степени загрязнения окружающей среды опасными для неё элементами в отработавших продуктах сгорания. В ходе экспериментальных исследований в данном направлении, проведённых в лаборатории кафедры «Судостроение и энергетические комплексы морской техники» при Астраханском государственном техническом университете (АГТУ), был получен ряд экспериментальных индикаторных диаграмм дизеля 2Ч9,5/11 при организации в нём запатентованных способов организации рабочего процесса (комбинированное смесеобразование с принудительным воспламенением и с воспламенением от сжатия) [21, 22]. Организация данных рабочих процессов направлена на достижение сформулированной выше цели. Для анализа экспериментальных данных была применена классическая методика Гриневецкого - Мазинга, зарекомендовавшая себя как достаточно надёжная в инженерных расчётах. Однако анализ экспериментальных данных показал, что классическая методика Гриневецкого - Мазинга не учитывает опережение начала подачи топлива; теплоотвод от сжимаемого заряда к стенкам и головке цилиндра; диапазоны рекомендуемых значений исходных данных носят условный характер, что приводит к значительному расхождению между экспериментальными и получаемыми расчётными данными. В работах [21, 22] предложен ряд дополнений и корректировок, направленных на преодоление указанных недостатков и позволяющих получать удовлетворительную сходимость расчётных и экспериментальных данных. Однако предложенные дополнения и корректировки следует считать узконаправленными и призванными корректировать методику Гриневецкого - Мазинга для этих частных случаев [23]. Основной научной идеей работы является необходимость исследований по совершенствованию организации рабочего процесса ДВС, что приводит к необходимости анализа показателей рабочего цикла. Таким образом, целью исследования является создание обобщённой методики расчёта показателей рабочего цикла высокооборотных дизелей при различных способах организации рабочего процесса на основе хорошо изученных и достоверных методик, базирующихся на использовании зависимостей, содержащих общие показатели работы двигателя. Современные методы расчёта показателей рабочего цикла ДВС На первых ступенях развития ДВС, т. е. в конце XIX и в самом начале XX в., расчёт рабочего цикла ДВС производился весьма примитивно. Рассчитывали идеальный процесс по одному из известных термодинамических циклов (с изохорным подводом тепла - цикл Отто - или с изобарным - цикл Дизеля), а затем делали пересчёт полученных результатов на действительные условия при помощи двух общих поправочных коэффициентов: первого - для перехода от теоретического среднего индикаторного давления к действительному - и второго - для перехода от теоретического КПД к действительному. Подобный расчёт был чисто формальным и не мог обеспечить надёжных результатов. Такое положение продолжалось до 1907 г., когда профессор МВТУ В. И. Гриневецкий опубликовал разработанный им метод теплового расчёта рабочего процесса ДВС. Сущность этого метода заключается в том, что вместо двух общих поправочных коэффициентов он ввёл целый ряд частных параметров для всех отдельных элементов теплового расчёта. Эти параметры были найдены Гриневецким путём анализа и последующего обобщения результатов экспериментального исследования нескольких двигателей. Расчёт Гриневецкого, изложенный вместе с примерами в объёме 26 страниц, полностью удовлетворял потребностям своего времени. Однако Гриневецкий не использовал цикл со смешанным подводом теплоты (разработанный впервые М. Зейлигером в 1910 г. и развитый далее Е. К. Мазингом и В. В. Синеуцким в 1927 г.); не касался особенностей теплового процесса двухтактных дизелей (в частности газообмена). Также в предложенном методе не рассматривались газовые двигатели с высокой степенью сжатия; особенности рабочего процесса быстроходных двигателей, а также двигатели, работающие с наддувом, которые имеют наибольшее значение для современных судовых энергетических установок. Решение всех этих новых для того времени задач, возникших в тепловом расчёте, после Гриневецкого взяла на себя плеяда его учеников и последователей, в том числе Е. К. Мазинг, Н. Р. Брилинг, В. Г. Цветков, А. С. Орлин, Б. С. Стечкин, С. Е. Лебедев и др. На базе метода Гриневецкого было разработано несколько вариантов теплового расчёта применительно к различным типам двигателей. С развитием техники, в частности двигателестроения, и эволюцией инженерной мысли, путём сочетания и дополнения методик расчёта рабочего процесса ДВС была получена достаточно надёжная в инженерных расчётах методика Гриневецкого - Мазинга как единая общая система. Гриневецкий в своём тепловом расчёте предлагал предварительно задаваться температурой остаточных газов Тг и коэффициентом наполнения цилиндра ηн и дал формулы для вычисления температуры начала сжатия Та и коэффициента остаточных газов γг. Мазинг, в свою очередь, предложил принимать по оценке температуру остаточных газов Тг и коэффициент остаточных газов γг, а вычислять температуру начала сжатия Та и коэффициент наполнения ηн, введя в систему уравнений Гриневецкого температуру Т′0 (воздуха, нагретого стенками цилиндра). Достоинством классической методики расчёта явилась её универсальность как для двухтактных двигателей, так и для четырёхтактных, с наддувом и без него. В системе уравнений Лебедева появляются три новых поправочных коэффициента. Эти уточняющие коэффициенты усложняют все уравнения системы расчёта: - коэффициент очистки (ζr < 1), который учитывает частичную продувку камеры сжатия и, соответственно, снижение давления выталкивания рr до меньшей величины в начале обратного хода (эти определения даются применительно к четырёхтактному процессу); - коэффициент дозарядки (ζ1 > 1), который учитывает дополнительное поступление воздуха (горючей смеси) и, соответственно, повышение давления всасывания ра по инерции в конце такта всасывания до большей величины в начале сжатия; - коэффициент неравенства теплоёмкостей (ζС > 1), который появляется в уравнении смешения; ζС = 1,05÷1,1. Кроме того, в методике теплового расчёта двигателя с внешним смесеобразованием по Лебедеву при расчёте процесса наполнения разрежение dа на такте всасывания и избыточное давление dr на такте выпуска вычисляются, исходя из значений скоростей потока через всасывающий ωвс и выхлопной ωвых клапаны. Это применимо и вполне целесообразно и для расчёта процесса наполнения дизельного двигателя, поскольку рекомендуемые значения разрежения на такте всасывания имеют незначительный диапазон лишь для двух- и четырёхтактных двигателей, при этом не указывается никаких различий в зависимости от размеров цилиндра, быстроходности, степени форсирования, конструкции системы газораспределения и т. д. В целом методика Гриневецкого - Мазинга приближена к реальному процессу, протекающему в цилиндре двигателя, и при инженерных расчётах даёт неплохую точность результатов. Чаще всего расчёт показателей рабочего цикла производится как поверочный применительно к конкретному типу двигателя, имеющему определённые показатели рабочего процесса и условия работы. Однако рекомендуемые диапазоны исходных данных довольно условны, не привязываются к какому-либо конкретному двигателю и отличаются в зависимости от тактности двигателя, его оборотности, наличия или отсутствия наддува, а также от способа смесеобразования. Но этой градации явно недостаточно, поскольку за жизненный цикл двигателя его характеристики претерпевают изменения, и реальный рабочий процесс существенно отличается от его математической модели расчёта. Другие источники предлагают методики расчёта, в которых, кроме исходных данных, общих с моделью Гриневецкого - Мазинга, задаются показателями политропы сжатия n1 и расширения n2. Этот подход принципиально неверен, поскольку предусматривает большой процент допущения. Основными факторами, влияющими на показатель политропы сжатия, являются интенсивность охлаждения цилиндра, его размеры, частота вращения коленчатого вала и интенсивность движения заряда. В связи с тем, что эти показатели непрерывно изменяются на протяжении всего процесса сжатия и расширения, непрерывно изменяются и показатели политроп. Однако Мазинг доказал, что вполне приемлемо с малой погрешностью (