3.2. Тепловой процесс дизеля. Мощность и кпд дизеля

Основные термодинамические процессы

Термодинамические процессы, в результате которых рабочее тело (газы, получаемые при сгорании топлива в цилиндрах), проходя по­следовательно различные состояния, возвращается снова в перво­начальное (исходное) состояние, называются замкнутыми процесса­ми, или циклами.

Для того чтобы тепловой двигатель мог длительное время преоб­разовывать тепло в механическую работу, он должен работать по зам-

125

кнутому термодинамическому циклу — это первое условие преобразования тепла в механическую работу. Тепловая машина дол­жна иметь теплоноситель — второе условие. В двигателях внутрен­него сгорания теплоносителем является рабочее тело. Чтобы тепло­вая машина работала, необходимо наличие сред с разными темпера­турными уровнями — это третье условие. В двигателях внутреннего сгорания рабочее тело имеет высокий уровень температур, а окружа­ющая среда — низкий температурный уровень.

Только при соблюдении этих условий тепловая машина может дли­тельное время преобразовывать тепло в механическую работу. От­сутствие любого из этих условий делает невозможным переход тепло­вой энергии в механическую работу.

Величины, характеризующие физическое состояние тела, назы­ваются термодинамическими параметрами состояния. Основными параметрами состояния рабочего тела являются удельный объем V, давлениер и температура Т. Удельный объем Fпредставляет собой объем единицы массы вещества, обычно 1 кг. Второй термодинами­ческий параметр —давление — это сила, приходящаяся на единицу окружающей газ поверхности.

Третий параметр — температура (абсолютная) — характеризует степень нагретости тела и измеряется в градусах Кельвина (К). Меж­ду абсолютной температурой Г и температурой t °C, измеряемой по стоградусной шкале, существует зависимость: Т = t + 21Ъ.

Давление по международной системе СИ измеряется в паскалях [Па], килопаскалях [кПа] и мегапаскалях [МПа], но допускается вре­менно применение в качестве единицы давления — килограмм-сила на квадратный сантиметр [кгс/см²]. Соотношение между этими еди­ницами: 1 кгс/см² = 98 000 Па = 98 кПа = 0,1 МПа.

Процесс изменения состояния рабочего тела можно изобразить графически в координатахр—К(рис. 3.7).

Рабочие тела, используемые в тепловых двигателях, находятся в газообразном состоянии. Для идеального газа при переходе его из одного состояния в другое существует зависимость

PVIT= const = R. 126

Величина R в этом уравнении называется газовой постоянной R = 29,3 кгс-м (кгтрад) или 287 Дж/(кгтрад). Уравнениер V- RTn&-зывается характеристическим, или уравнением состояния идеально­го газа Клайперона—Менделеева.

Непосредственным результатом большинства термодинамических процессов является деформация рабочего тела. Если при этом проис­ходит увеличение его объема с преодолением внешних сил, то рабо­чее тело совершает работу. Чтобы уменьшить объем тела, необходи­мо затратить работу, которую совершают внешние силы.

Таким образом, при переходе рабочего тела из одного состояния в другое выполняется внешняя работа, которой в координатахр—Vсо­ответствует площадь, расположенная под линией процесса.

Пусть начальное состояние газа в цилиндре (см. рис. 3.7) изобра­жено точкой 1, а конечное — точкой 2. В начальном состоянии газ за­нимал объем V_v имел давлениер_х и температуру; после расширения до точки 2 он стал занимать больший объем V₂, а давление газа/>₂ и темпе­ратура стали меньше. В точке 1 газ содержал запас тела Q_v в точке 2 — Q₂. Таким образом, изменение состояния рабочего тела (газа) в коорди­натах/) F изображается в данном случае кривой 1—2. При этом объем газа увеличился, а давление и температура понизились. Количество тепла в газе уменьшилось на величину Q = Q_x — Q₂.

О

Рис. 3.7. Графическое изображение процесса изменения состояния рабочего

тела в координатахр—V: 1 — начальное состояние рабочего тела; 2 — конечное состояние рабочего тела

127

Если предположить, что пространство, в котором происходило рас­ширение газа, изолировано от внешней среды, т.е. тепло к газу не под­водилось и не отводилось (адиабатический процесс), то ясно, что тепло Si ~ S2 было израсходовано на совершение внешней работы L, кото­рая в координатах/)—F изображается заштрихованной площадью, расположенной ниже линии 1—2.

Замкнутый цикл в координатах/)—Vбудет выглядеть как зам­кнутый контур (рис. 3.8). В процессе сжатия рабочего тела (адиаба­та ас) вся затраченная на сжатие работа расходуется на повышение внутренней энергии тела, т.е. его температуры. Подведенное тепло Q_x расходуется частично на повышение температуры тела — про­цесс при постоянном объеме (изохорный) — су, а частично на вы­полнение внешней работы — процессу при постоянном давлении (изобарный). Чем выше наибольшая температура цикла, тем выше коэффициент полезного действия тепловой машины. В процессе рас­ширения zb рабочего тела совершается работа по преодолению со-

0

V

Рис. 3.8. Диаграмма идеального термодинамического цикла двигателя внут­реннего сгорания:

ас — сжатие рабочего тела; су — подвод тепла при постоянном объеме; yz -

подвод тепла при постоянном давлении; zb — расширение рабочего тела; Ъа -

отвод тепла при постоянном объеме

128

противления внешних сил. Процесс Ъа при постоянном объеме со­ответствует отнятию тепла Q₂ от рабочего тела (отвод тепла к «хо­лодильнику»).

Полезная работа L, полученная в идеальной тепловой машине, изоб­ражается площадью а—с—у—z—Ъ, расположенной внутри диаграммы термодинамического цикла.

Степень использования тепла в идеальном цикле называется тер­мическим коэффициентом полезного действия тепловой машины:

r}_t=(Q_l-Q₂)/Q_l,

т.е. термический КПД есть отношение полезно использованного теп­ла к подведенному в идеальном термодинамическом цикле.

Термодинамические циклы описывают работу идеальных тепло­вых машин, в которых тепло превращается в механическую работу наиболее совершенно, так как предполагается, что они работают без трения, без охлаждения стенок цилиндра и не принимаются во вни­мание многие другие обстоятельства, имеющие место в реальных дви­гателях и понижающие степень совершенства преобразования в них теплоты в работу. Таким образом, изучение идеальных термодинами­ческих циклов позволяет определить наибольшее возможное с термо­динамической точки зрения значение коэффициента полезного дей­ствия превращения теплоты в механическую работу в рассматривае­мых условиях.

Идеальные циклы необходимы для сравнения с циклами действи­тельных машин. По величине отклонения действительных циклов or идеальных судят о совершенстве использования тепла в реальных двигателях и намечают меры по их усовершенствованию.

Горение топлива в цилиндрах дизеля

По химическому составу топлива и реакциям горения определяется теоретически необходимое количество воздуха для сгорания единицы массы топлива (1 кг). Химический состав дизельного топлива устанав­ливается в лабораториях.

Дизельные топлива разных марок имеют примерно одинаковый состав: 86 % углерода (С), 13,0 % водорода (Н) и 1 % кислорода (О). Для сжигания 1 кг топлива такого состава теоретически требуется

129

L_o = 14,4 кг воздуха. В действительности же, чтобы обеспечить пол­ное сгорание впрыснутого топлива, в цилиндр необходимо подать боль­ше воздуха (L), чем требуется теоретически. Отношение а = L/L_o на­зывается коэффициентом избытка воздуха. Исследованиями установ­лено, что для нормальной работы дизеля при номинальной мощности коэффициент избытка воздуха должен составлять 1,8—2,2. Если он будет меньше, то топливо сгорает не полностью, что сопровождается «дымлением», перегревом деталей двигателя и работой его при повышенных температурах отработавших газов. Если а будет слиш­ком большим, то в двигателе не будет реализована полная мощность, и, кроме того, он будет иметь повышенные потери тепла с отработав­шими газами. При снижении нагрузки коэффициент избытка воздуха возрастает (рис. 3.9) и на холостом ходу может увеличиться до 6—12. Выбор коэффициента избытка воздуха имеет весьма важное значение для экономичной и надежной работы дизеля. Его величина зависит от того, насколько конструкция дизеля обеспечивает хорошее перемеши­вание частиц топлива с воздухом по всей камере сгорания.

При распыливании топлива через сопла форсунки с малыми от­верстиями в цилиндре образуется кольцевой факел из мелких частиц

10

0

25

50

75

\
\
	\

100

Рис. 3.9. Изменение коэффициента избытка воздуха с ростом нагрузки 130

топлива. Форма камеры сгорания должна быть такой, чтобы частицы топлива в виде факела заполнили все пространство камеры, однако не достигли стенок поршня и цилиндра, а сгорали во взвешенном сос­тоянии (рис. 3.10). Вопросам распыла топлива и его перемешивания с воздухом в цилиндре двигателя посвящено много опытных работ и теоретических исследований. Путем подбора диаметра отверстий со­пла форсунок, давления распыла и угла между осями отверстий и осью распылителя можно получать различные диаметры капель топлива, скорости и дальности полета частиц топлива (дальнобойность), на­правления и формы факела распыла.

Хорошим считается распыл, когда диаметр капель равен 10— 20 мкм. На качество смесеобразования существенное влияние оказы­вает вязкость топлива (рис. 3.10, в). Увеличивая диаметр отверстий в

Р, = 14 кгс/см

'у	\	у — ^
^■■■■^■:;-|.--г';		щ\			\
	f'	W		§щ	!/' '		"л	I:""	\
		щ		V/ w						■и/

Рис. 3.10. Форма факела распыла топлива при разных цикловых подачах

(справа налево — увеличение цикловой подачи):

а — без завихрения воздуха: б—с завихрением; в — влияние вязкости топлива; 1 — факел при маловязком топливе; 2 — при вязком топливе

131

сопле форсунки, можно получить более крупные капли топлива при одновременном возрастании дальности их полета. Повышение давле­ния распыла топлива (при прочих неизменных условиях) приводит к уменьшению диаметра капель, увеличению дальнобойности части топлива и сокращению времени полета частиц. При возрастании дав­ления в конце сжатия (увеличении плотности воздуха в цилиндре) скорость полета частиц уменьшается, дальнобойность сокращается, диаметр капель топлива увеличивается.

При возрастании частоты вращения вала двигателя увеличивается давление распыла, диаметр капель топлива уменьшается, скорость и путь полета частиц увеличиваются. Большая вязкость топлива спо­собствует увеличению диаметра капель, возрастанию дальнобойнос­ти, удлинению факела топлива с одновременным уменьшением его диаметра. С уменьшением вязкости топлива факел становится коро­че, но большего диаметра.

Завихрение воздуха в цилиндре вызывает укорочение и утолще­ние факела. Чем больше завихрение, тем интенсивнее происходит раз­рушение трудновоспламеняемой фазы и проникновение свежего воз­духа к центру капли топлива, что ускоряет и улучшает процесс го­рения. Все эти зависимости при их умелом использовании дают воз­можность правильно регулировать топливную аппаратуру и процесс смесеобразования в цилиндрах дизелей.

Теоретические исследования и опыты показывают, что впрысну­тая в цилиндр капля топлива в жидкой фазе мгновенно воспламениться не может. Требуется какое-то время t, чтобы капля топлива прогре­лась, испарилась, чтобы пары смешались с воздухом и потом воспла­менились. Время t на подготовку топлива к самовоспламенению тем больше, чем больше диаметр капли и меньше завихрение воздуха в цилиндре.

Подготовка топлива к самовоспламенению протекает таким обра­зом: пары топлива проникают (диффундируют) в среду сжатого воз­духа и образуют вокруг капли вначале трудновоспламеняющуюся (из-за недостатка кислорода) паровоздушную фазу. При дальнейшем испарении и распространении паров топлива в среде сжатого возду­ха образуется легковоспламеняющаяся паровая фаза с коэффициен­том избытка воздуха а = 0,8/0,9. В этой фазе зарождается пламя, которое способствует быстрому испарению топлива и распростра-

132

нению горения по всему объему цилиндра. Таким образом, t есть время, которое необходимо для подготовки топлива к самовоспла­менению. Это так называемый период задержки воспламенения топ­лива; он может измеряться в градусах угла поворота коленчатого вала Ф° или в секундах. Период запаздывания воспламенения обычно составляет 6—15° угла поворота коленчатого вала или 0,001—0,002 с. Когда капля топлива и воздух находятся в состоянии покоя в ци­линдре, то проникновение воздуха через зоны 2 и 3 к воспламеня­ющейся капле затруднено. При относительном перемещении кап­ли в воздухе доступ его к топливу облегчается, поэтому при завих­рении воздуха в цилиндре t уменьшается. Период задержки вос­пламенения оказывает большое влияние на процесс горения в ци­линдре дизеля: чем больше t, тем более «жестко» протекает работа дизеля. При больших значениях t происходит скопление топлива в цилиндре до его воспламенения, и процесс сгорания в дизеле ста­новится мало управляемым, резко повышается давление сгорания p_zn скорость нарастания давления в цилиндре. Особенно резко это проявляется при низких температурах окружающего воздуха Т_ок, когда могут наблюдаться даже пропуски вспышек на холостом ходу и малых нагрузках.

Чем лучше распылено топливо при впрыске в цилиндр, чем выше давление и температура воздуха в конце сжатия, тем меньше период задержки воспламенения топлива и, следовательно, лучше параметр процесса сгорания. Отметим, что для обеспечения надежного воспла­менения впрыснутого в цилиндр топлива температура конца сжатия Т_о должна превышать на 100—200 °С температуру самовоспламене­ния топлива Т_св. Склонность к воспламенению является одной из важ­нейших характеристик дизельного топлива. Топлива, более склонные к воспламенению, имеют меньший период задержки воспламенения, в результате чего рабочий процесс в цилиндре протекает более благо­приятно, двигатель работает «мягко». Если бы период задержки вос­пламенения был равен нулю и топливо, попав в цилиндр, сразу же воспламенялось, то закон сгорания топлива полностью соответство­вал бы закону подачи топлива в цилиндр и мы бы могли управлять процессом горения топлива в цилиндре, задавая требуемый закон впрыскивания. В действительности же, как мы видим, этого нет. Склонность дизельного топлива к воспламенению обычно оценива-

133

ется цетановым числом, которое определяется на специальной мотор­ной установке путем сравнения воспламеняемости испытываемого образца топлива и эталонной смеси. Чем больше цетановое число, тем качество топлива выше. На тепловозах применяют дизельное топ­ливо с цетановым числом, лежащим в пределах от 45 до 60 единиц. Отметим также, что при применении дизельного топлива с большим цетановым числом значительно улучшаются пусковые свойства дизе­ля и уменьшается нагарообразованне.

Фазы газораспределения дизелей. Правильный выбор моментов (фаз) открытия и закрытия клапанов и окон определяет качество очистки цилиндров от газов и зарядки их свежим воздухом (рис. 3.11). Чтобы повысить коэффициент наполнения г\₀ и улучшить зарядку цилиндров свежим воздухом, клапаны (окна) открывают и закрыва­ют не при крайних положениях поршня, а раньше или позже. При движении поршня вправо в период расширения газов выпускной клапан открывается в точке е, когда поршень еще не дойдет до НМТ, а закрывается в точке е', когда поршень пройдет ВМТ. Впускной кла­пан открывается в точке а и закрывается в точке а'. В период ае' оба клапана открыты. Такие фазы газораспределения дают наилучшее наполнение цилиндров свежим воздухом. Наивыгоднейшие фазы газораспределения устанавливаются заводом опытным путем.

Рис 3.11. Фазы открытия и закрытия клапанов двигателя: е, е' — моменты открытия и закрытия выпускных клапанов; а, а' — моменты открытия и закрытия впускных клапанов; />₀ — атмосферное давление (1 кгс/см²);р_а,р_г — давление в цилиндре соответственно в период наполнения

и выпуска

134

Угол поворота коленчатого вала дизеля от начала впрыска топлива в цилиндр до прихода поршня в ВМТ называется углом опережения подачи топлива ср_оп. Угол опережения подачи оказывает большое влия­ние на протекание рабочего процесса дизеля. При увеличении ср_оп го­рение топлива начинается раньше, максимальное давление сгорания p_z повышается, горение топлива заканчивается раньше и температура отработавших газов уменьшается. С уменьшением угла опережения подачи давление сгорания снижается, а температура отработавших газов повышается. На развернутых индикаторных диаграммах дизеля (рис. 3.12) можно видеть, что если во время сжатия начать впрыск топлива в точке 1, то процесс горения и расширения будет протекать по сплошной линии а. Если топливо начать подавать в точке 2, то дальнейшее протекание процесса будет описываться штриховой ли­нией б. Штриховая линия в соответствует расширению воздуха в ци­линдре при отсутствии впрыска топлива. На этой же диаграмме пока­зан угол задержки воспламенения топлива ср.. Оптимальный угол опе­режения впрыска зависит от частоты вращения вала и нагрузки дизе­ля. Он устанавливается заводом опытным путем.

Рл

ф, П.К.В.

Рис. 3.12. Развернутые индикаторные диаграммы дизеля при различных

углах опережения впрыска топлива:

Ф_оп — угол опережения впрыска; ср_г-—угол запаздывания воспламенения топлива; 1 и 2 — начало впрыска; Г я 2' — начало воспламенения топлива

135