Методы повышения мощности поршневых двигателей. Рабочий объем. Коэффициент сжатия.
1) Увеличение количества подводимого тепла к газу, расположенному в камере сгорания.
При увеличении количества подводимого тепла возрастает давление газа в начале такта расширения, увеличивается сила, с которой газы будут действовать на поршень, следовательно, растет работа расширения и работа цикла. Поэтому при работе двигателя, можно управлять его мощностью путем изменения количества ТВС, подаваемого в цилиндры. Изменение идеального рабочего цикла при увеличении количества ТВС показано на рисунке 1-8. Из рисунка видно, что при увеличении количества подводимого тепла работа цикла эквивалентна площади «cz'b'a», т.е получаем приращение работы цикла ΔLц.
Рис.1-8. Изменение идеального рабочего цикла при увеличении количества подводимого к газу тепла,ΔLц— приращение работы цикла
2) Увеличение степени сжатия.
При увеличении степени сжатия увеличивается ход поршня и максимальное давление в камере сгорания (рис.1-9), а следовательно, возрастает и работа цикла. Работа цикла для увеличенной степени сжатия эквивалентна площади «c'z'b'a».
Кроме того, с ростом степени сжатия, как правило, увеличивается рабочий объем двигателя, что позволяет подавать в камеру сгорания больше ТВС. Поэтому дополнительно появляется возможность увеличить мощность двигателя путем увеличение количества подводимого тепла.
Рис.1-9. Изменение идеального рабочего цикла при увеличении степени сжатия
3) Увеличение частоты вращения коленчатого вала.
Как было сказано ранее, работой цикла называется работа, произведенная в цилиндре поршневого двигателя за один цикл, т.е. за 4 такта его работы. Если увеличить угловую скорость вращения коленвала, то в единицу времени будет осуществляться большее количество циклов, а значит производиться больше работы. Следовательно, с ростом угловой скорости вращения коленвала возрастает мощность поршневого двигателя.
Процесс сгорания топливовоздушной смеси
Общие сведения о горении ТВС
В ПД процесс подвода тепла к рабочему телу осуществляется в цилиндре двигателе. Подвод тепла происходит в результате сгорания топлива. При горении окислителем служит кислород атмосферного воздуха, а топливом — авиационный бензин. Применяемые в настоящее время авиационные бензины нефтяного происхождения состоят, в основном, из углерода (84—86%) и водорода (14—16%).
Процесс горения топлива представляет собой совокупность химических реакций окисления, приводящих к превращению химической энергии топлива в основном в тепловую энергию, а самого топлива — в газообразные вещества (продукты сгорания). Протекание процесса горения и параметры продуктов сгорания (температура, состав продуктов сгорания) в значительной мере зависят от состава смеси, то есть от соотношения топлива и окислителя.
При сгорании углеводородного топлива происходят химические реакции:
С+О2 = СО2+тепло.
2Н2 + О2 = 2Н2О + тепло.
Как следует из характера химических реакций, для полного окисления углеводородного топлива необходимо строго определенное количество кислорода воздуха. Наименьшее количество окислителя, потребное для полного сжигания (окисления) одного килограмма топлива, называется теоретически необходимым количеством окислителя (обозначается через Lo). Продуктами полного окисления углеводородных топлив являются CO2 и Н2О.
Для авиационных бензинов Lo≈15 кг воздуха/кг бензина. В действительности в цилиндры двигателя на 1 кг топлива подается L кг воздуха.
Отношение действительного количества воздуха L, подведенного в двигателе для окисления 1 кг топлива, к теоретически необходимому называется коэффициентом избытка воздуха:
При L=Lo коэффициент α=l и топливовоздушная смесь называется теоретической, при α<I — богатой (с избытком топлива), а при α>l —бедной (с недостатком топлива). Полное сгорание всего подаваемого в цилиндры бензина возможно только при α ≥ l.
Теплотворностью топлива (Нu) называется количество тепла, выделяющегося при полном сгорании 1 кг топлива. Теплотворность определяют экспериментальным путем, сжигая топливо в среде сжатого кислорода в специальных приборах — калориметрах. Выделенное тепло рассчитывают по нагреву воды в калориметре.
Теплотворность авиационных бензинов равна приблизительно 44000 кДж/кг.
Теплотворностью топливовоздушной смеси (hu) называется количество тепла, выделяющегося при полном сгорании 1 кг топливовоздушной смеси.
При α=l на 1 кг топлива в камеру сгорания подается Lo килограммов воздуха. В результате получаются топливовоздушная смесь (ТВС), а после сгорания — продукты сгорания в количестве 1+Lo кг. При сгорании этой смеси выделяется тепло, равное Нu. Тогда теплотворность топливовоздушной смеси будет равна
Если α отличается от единицы, то количество смеси и образующихся из нее продуктов сгорания равно 1+L=l+αLo. Тогда теплотворность топливовоздушной смеси определяется по формуле
где hα— теплотворность смеси при α ≠ l; Hα— теплотворность топлива при α ≠ l.
Как видно из графика на рис 1-10, наибольшее количество тепла (hu) при сгорании ТВС выделяется при α=l . Это объясняется следующим. При α>l с увеличением избытка воздуха количество тепла, выделяющегося при сгорании ТВС, уменьшается т.к. в составе смеси уменьшается количество топлива. В области богатых смесей (α<l) топливо из-за недостатка кислорода окисляется не полностью, поэтому теплотворность ТВС также снижается.
Из сказанного можно сделать вывод, что в цилиндры ПД необходимо подавать ТВС с коэффициентом избытка воздуха близким к теоретическому. Следовательно, увеличивая количество подаваемого в цилиндры топлива, необходимо увеличить и количество воздуха.
Рис. 1-10. Влияние состава смеси на теплотворность топлива Нα,
и топливовоздушной смеси hα