книги из ГПНТБ / Теория двигателей внутреннего сгорания. Рабочие процессы учебник
.pdfхарактер изменения этого показателя по ходу поршня будет иметь вид, представленный на рис. 1.27, б.
При практических расчетах рабочего цикла использование переменных значений показателя п[ затруднительно и не вызы вается необходимостью. Поэтому для упрощения расчетов пере менный показатель политропы сжатия п[ обычно заменяют неко торым постоянным средним значением пи которое выбирается та ким образом, чтобы при определенных значениях начальных и ко нечных параметров процесса получалась та же работа, что и при истинном переменном показателе. Этот условный и постоянный по величине показатель — с р е д н и й п о к а з а т е л ь п о л и т р о п ы с ж а т и я nv
Как установлено, в поступающем в цилиндр потоке бензино воздушной смеси часть неиспарившегося топлива содержится в виде капельно-жидкой фазы. Это топливо испаряется в цилиндре как в процессе наполнения, так и в процессе начала сжатия за счет тепла, содержащегося в рабочей смеси. Частичное поглощение тепла от рабочей смеси, особенно для испарения попавших в ци линдр жидких капель, поступивших в период д о з а р я д к и , приводит, несмотря на подогрев свежего заряда от стенок цилиндра (АТ), к снижению мгновенных значений п{ в начальной фазе сжатия до состояния, при котором п( < k( — протекание сжатия осуществляется с кажущимся отводом теплоты. Точка ах — мо мент закрытия впускного клапана после окончания дозарядки цилиндра карбюраторного двигателя.
После того как подвод теплоты за счет подогрева смеси от стенок цилиндра (АТ) будет превышать затраты теплоты на доиспарение топлива, мгновенные значения п{ начнут возрастать и с момента, когда п( станет больше k{, процесс сжатия будет внешне Протекать с подводом теплоты [5, 6].
В связи с изложенным, примерное изменение пг карбюратор ного двигателя можно представить из рис. 1.27, в.
Параметры конца процесса сжатия
Кроме среднего показателя политропы сжатия пъ к числу ос новных параметров, характеризующих процесс сжатия, относятся степень сжатия е, давление рс и температура в конце сжатия Тс.
Давление и температура в конце сжатия могут быть получены из уравнения политропы
РаК1= PcV:1
и характеристических уравнений:
РаУа = 848МаТа;
pcVc = 848МСТС}
где Ма и Мс — число молей рабочего тела в начале и в конце сжатия, но MQ= М,,
70
Из первого |
уравнения |
состояния |
|
|
|
|
|||||
|
Ре = |
Ра ( - ^ г ) " 1 =РаЪП'. |
|
(1.85) |
|||||||
Из характеристических |
уравнений |
определяем |
|
||||||||
|
|
|
РаУа |
|
Tg |
|
|
|
|||
|
|
|
PcVc |
~ ~ T i> |
|
|
|
||||
откуда с учетом уравнения (1.85) |
|
|
|
|
|
||||||
гр __ /т! Рс |
Ус |
__гп |
Ус |
( |
Уд |
\ п> __ |
Т J 1 |
(1.86) |
|||
С~ |
Я Ра |
Уа |
~ |
а |
Уд |
\ |
Ус ) |
в |
|||
|
|||||||||||
Работа и теплообмен в процессе сжатия
Абсолютная работа сжатия между точками а и с (рис. 1.28)
Lgc ~ п^ } (рУс P/Уа)•
Подставляя из характеристических уравнений значения paVa и pcVc и учитывая, что Ма = М с, получим
|
|
j |
__ |
848Л1д [гр |
гр ^ |
|
|
|
|
|
^ас— |
n%_ i K^c — ia)- |
|
|
|||
Так как |
Ма = М3 + M r = |
М3 (1 + уг), |
и остаточных газов |
|||||
где М 3, |
Мг, уг — количество свежего заряда |
|||||||
в молях, коэффициент остаточных газов, то |
|
|
||||||
|
|
Lgc = |
- |
|
|
(Тс ~ |
Та). |
(1.87) |
Д л я к а р б ю р а т о р н ы х д в и г а т е л е й |
|
|||||||
|
|
|
М3= |
аМ0-J— -—, |
|
|
||
|
|
|
|
|
гт |
|
|
|
где М 0, |
рт, а — теоретически |
необходимое |
количество |
воздуха |
||||
для полного сгорания 1 |
кг топлива; молекулярный вес паров топ |
|||||||
лива; коэффициент избытка воздуха. |
|
|
|
|||||
Д л я д и з е л е й |
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
М3 = |
а М 0. |
|
|
|
|
С учетом |
уравнения (1.86) |
|
|
|
|
|
||
|
|
848МЭ(1 + |
Yf) Та |
|
1). |
( 1. 88) |
||
|
|
Тдс -- |
|
|
|
|
||
Учитывая, |
что |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
848Г0 |
’ |
|
|
71
из уравнений (1.87) и (1.88) параметр М3 можно исключить, тогда они примут следующий вид:
PoVS^y 0 + Уг) |
(Тс ~ Т а) |
(1.89) |
|||
Lас |
(ni — О Т’о |
|
|||
и |
|
|
|
|
|
Рр^ЧкО + Уг) (gn,-1_ 1). |
(1.90) |
||||
1 а |
(«1 |
•1) Т0 |
|
|
|
Исходя из первого закона термодинамики, тепловой баланс за |
|||||
процесс сжатия можно представить как |
|
|
|||
Qac = |
ALac + Uc - U |
a, |
(1.91) |
||
где Qac, Uа, Uc — количество |
теплоты, |
сообщенной |
рабочему |
||
телу в процессе сжатия, внутренняя энергия рабочего тела в точ
Р и |
|
ках а и с (рис. 1.28). |
|
|
||||
|
Учитывая, что |
|
|
|
||||
|
|
Uс — М, |
с |
|
|
|
||
|
|
|
U а, = : |
М а\1СуаТа |
И |
|
||
|
|
|
Ма = |
М 3(1 - f у,.). |
|
|||
|
|
Подставляя |
в |
уравнение |
||||
|
|
(1.91) полученные значения вну |
||||||
|
|
тренних энергий |
и |
равенство |
||||
|
|
(1.87), после необходимых |
пре |
|||||
|
|
образований |
получим |
|
|
|||
____Qac |
Р |
l^CVaTa |
1.986 |
(То-Та). |
(1.92) |
|||
мз(1 + уг) |
и, — 1 |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|||
Молекулярные теплоемкости газов [icVa и цсус могут быть по
лучены по табличным данным для \icVi отдельных газов (см. табл. 1.2) из выражения
—Yi^CViMi
V£V~ ^ зО +Yr) •
Если предположить линейную зависимость теплоемкостей от температуры и определять теплоемкости по существующим эмпири
ческим формулам (лсУв = а + |
ЬТа и \хсус = |
а + |
ЬТС, то |
уравне |
ние (1.92) может быть представлено в следующем виде: |
|
|||
_______ Qac_______ |
= а + Ь(Те + |
Та) - |
- ^ |
(1.93) |
M3 ( l + y r)(Tc ~ T a) |
|
|
|
|
72
или |
|
|
|
|
_________ Qac_________ = |
a - f- ЬТа(s'1*-1 1) |
1,986 |
(1.94) |
|
М3(1+У г)Та{гп' - 1- 1 ) |
|
Пх— 1 |
|
|
Уравнения (1.93) и (1.94) выражают суммарный теплообмен |
||||
при сжатии. При известном |
показателе политропы |
сжатия пх |
||
с их помощью можно рассчитать количество теплоты, |
сообщенное |
|||
или всему заряду Qac или одному молю заряда QacIM3 (1 + уг) за один ход сжатия.
Эти уравнения могут быть использованы также для эксперимен тального исследования теплообмена в процессе сжатия по инди каторным диаграммам. Однако в последнем случае целесообразно выполнить некоторые преобразования, исключив средний пока затель пх.
Согласно уравнению (1.89), количество теплоты, соответствую
щее работе сжатия, |
|
|
|
ALae = |
— Л |
Ро^ У О + уЛ (Т _ |
т ч |
|
|
(пх— 1)Т0 '1с |
|
с другой стороны, |
|
|
, |
ALac = AVsPi,
где р х — среднее абсолютное давление сжатия (рис. 1.28). Приравняв правые части двух последних уравнений и выпол
нив необходимые преобразования, получим
|
Тс— Тц |
______ PjTq____ |
|
|
|
|
(«1 — 1) |
_ |
Р0 (! + Yr)^v |
|
|
Тогда из уравнений (1.92) |
и (1.94): |
|
|
||
Qac |
— \icVcTc — \icVaTa |
l,986pxT0 |
|
||
Po(1+Y r) V |
|
||||
M3(l + yr) |
|
|
|
|
|
|
|
|
= a + ЬТа(еп^ + 1) — |
(1.95) |
|
Af„(l +Yr)Ta(8n‘- 1- l ) |
|
|
|||
|
|
|
1.986pxTo |
|
|
|
РоО+УЛЧуГДе"*-1- ! ) |
|
|
||
Для определения количества теплоты, сообщаемого рабочему телу в процессе сжатия при различных положениях поршня, в уравнении (1.95) рх заменяется давлением рх, а температура Тс — температурой Тх, соответствующих давлению и температуре рабочего тела в рассматриваемой точке процесса.
Кроме анализа теплообмена при сжатии, приведенные уравне ния позволяют методом подбора или последовательных прибли жений определять значения показателей адиабаты kx.
Для этого левые части уравнений (1.93) или (1.94) приравни ваются нулю и решаются относительно пх, которое в данном слу чае равно kx.
73
Для определения адиабаты kx воспользуемся уравнением (1.94), но приведем его к следующему виду:
*! — 1 = |
1,986 |
(1.96) |
|
: + ЬТа ( е ^ - 1 + |
|||
|
1)' |
Для решения этого варианта более простым способом будет метод последовательных приближений. Задаваясь любым значе нием kx = 1,35ч-1,38, определяем правую часть уравнения, после этого определится новое значение kx.
Подставляя полученное значение в правую часть , уравнения (1.96), определим искомую величину klt весьма близкую или рав ную предыдущей. В редких случаях требуется еще одно прибли жение.
Показатель адиабаты kx служит ориентиром для уточнения при выборе пи исключающим грубые ошибки и вследствие искажения теплообмена между сжимаемым зарядом и стенками цилиндра. Можно полагать, что
Ч\ |
k t ° f |
|
—0.04' |
Температура рабочего тела в процессе сжатия
Из уравнения pxVx = GRTXтемпература рабочего тела в лю бой точке процесса сжатия
|
|
|
|
тх = |
PxVx |
|
|
(1.97) |
|
|
|
|
|
|
GR |
|
|
|
|
где G = |
GCM+ Gr — вес |
рабочего тела |
(воздуха |
или |
горючей |
||||
смеси и остаточных газов в кг/кг топлива). |
|
|
|
||||||
Для |
карбюраторных двигателей |
|
|
|
|
||||
|
Gcи — CB-)-Gr = GTal0- f GT= Gr (1 + а/0) |
кг. |
(1.98) |
||||||
Для дизелей |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
GCM= GB— GTal0 кг, |
|
(1.99) |
|||||
где GB, GT— вес воздуха |
и топлива; |
а — коэффициент |
избытка |
||||||
воздуха; |
/ 0 — теоретически |
необходимое |
количество |
воздуха |
|||||
в кг воздуха/кг топлива. |
|
|
|
|
|
|
|||
Количество остаточных газов для всех типов двигателей |
|||||||||
|
G r= |
v-rM r = |
y f ia i- ~ |
= -j^-GCMкг, |
|
(1.100) |
|||
где Ро = |
Рсм/(Д = |
|
— коэффициент |
молекулярного изме |
|||||
нения горючей смеси при сгорании; |
цсм |
и рг — молекулярные |
|||||||
веса свежего заряда и остаточных газов. |
|
|
|
||||||
Из уравнений (1.98)— (1.100) |
вес рабочего тела в карбюратор |
||||||||
ных двигателях |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
G = |
GT( l + a / 0) ( l + |
^ - ) |
кг; |
|
|
|||
74
в дизелях
G = GTa/0 ( l + - j^ - ) кг;
газовая постоянная рабочего тела
R = ^см КГС •М/КГ •°С-
Для карбюраторных двигателей газовая постоянная свежего
заряда |
|
|
|
al0 |
Rn. т1 |
|
1 + al0+ |
1 -f- a/0 |
Для дизелей |
|
|
|
Rcm Rb> |
|
где RB, Rn т — газовая |
постоянная воздуха и паров топлива. |
|
После подстановки значений G и R уравнение (1.97) примет вид: |
||
для карбюраторных двигателей |
|
|
' _ _________ РхУX_________ |
||
х |
О + a/0) Rcm(/ + Уг) |
|
для дизелей |
|
(1.101) |
Т _ |
______ РхУX______ |
|
*Gxa/0#CM(1+Yr) ’
При известных значениях показателей начала сжатия (ра и Та) расчет температуры на линии сжатия реализуется с помощью характеристических уравнений, так, например, для произвольной точки линии сжатия
PxVx = Ш М ХТХ |
|
|||
и начала процесса сжатия |
|
|
|
|
РаУа = |
848МаТа. |
|
||
Температура рабочего тела в процессе сжатия |
|
|||
'Г _ |
т |
РзУх |
• |
(1.102) |
* |
a |
РаУа |
|
|
П о к а з а т е л ь п о л и т р о п ы |
с ж а т и я зависит от |
|||
многих факторов, например: оборотов коленчатого вала двигателя, нагрузки, размерности цилиндра, системы охлаждения, пропусков газа через кольца и др. Сильное влияние оказывает частота вра щения коленчатого вала. При увеличении их количество циклов в минуту возрастает и повышается количество теплоты, выделяе мое в единицу времени. Однако вместе с этим уменьшается и время контакта сжимаемого газа с нагретыми стенками цилиндра, умень шаются также утечки заряда через зазоры колец в сочленении поршень— цилиндр.
75
Суммарное воздействие перечисленных факторов снижает отвод теплоты от рабочего тела и приближает процесс сжатия к адиаба тическому (рис. 1.29 и 1.30). Исходя из этого во всех случаях сле дует ожидать повышение значений п1 с увеличением частоты вра
щения коленчатого вала.
Средний показатель политропы сжатия п1 имеет более высокие значения у двигателей с большими размерами цилиндра, так как относительная поверхность охлаждения./7, приходящаяся на 1 м3
МПа
оо |
г=т; |
— |
-Рс- 3,92 |
п, |
|
1 |
1 . |
1,90 |
|
||||||
30 |
|
|
2,99 |
1,30 |
|
|
U— |
71, |
___ — — — |
|
|
|
|
||
1,9 _ |
п, ■' |
1,20 |
1000 |
1900 1800 2200п,оБ/мин |
|||
ч, |
1900 |
1800 п,,о5/мин |
|||||
1000 |
|
|
|
|
|||
Р-ис. 1.29. |
Изменение рс и п1 в зависи |
Рис. |
1.30. |
Изменение пх от ча |
|||
мости от |
частоты |
вращения дизеля |
стоты |
вращения и нагрузки: |
|||
«Татра» (------------) и |
дизеля ЯМЗ-308 |
1 — дроссель открыт на 100%; 2 — на |
|||||
|
(--------- ) |
|
|
|
40%; 3 - на 20% |
||
объема цилиндра V, изменяется обратно пропорционально диа |
|||||||
метру цилиндра |
|
Е __ aD% _ |
const |
|
|
||
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
Т~ ~ |
D |
‘ |
|
|
Короткоходные двигатели располагают более высокими зна чениями показателя политропы сжатия п1.
Использование алюминиевых сплавов вместо чугуна и стали для изготовления деталей цилиндро-поршневой группы снижает величину показателя пх, так как сплав в связи с высокой тепло проводностью увеличивает отвод теплоты от рабочего тела.
Двигатели с жидкостным охлаждением по сравнению с воздуш ным имеют меньшие значения п1. Это объясняется тем, что тем пература теплопередающих деталей двигателей с жидкостным охлаждением ниже, чем у двигателей с воздушным охлаждением.
При более высоких температурах охлаждения жидкости в зарубашечном пространстве показатель пх всегда будет иметь большие значения.
При наддуве показатель пх соответственно повышается. Это объясняется тем, что при увеличении давления на впуске умень шается поверхность охлаждения, приходящаяся на единицу массы рабочего тела, в результате чего уменьшаются относительные тепловые потери.
В практике расчетов обычно пользуются средними значениями показателя политропы сжатия, которые могут быть определены с помощью уравнения политропы в начале и в конце процесса сжатия
РаУ'а' = р № .
76
Логарифмируя это уравнение, получаем
!g Ра + «1 lg Va = lg рс + ' пхlg V„
откуда
__ |
lg Pc — lg Pa __ |
lg p g — lg p a |
1 |
\ g V a ~ l g V c ~ |
Ige |
Любое истинное значение может быть определено для различ ных отрезков кривой линии сжатия, лежащей между объемами цилиндра V1 и V2, по уравнению
|
р2 |
п — ]gP2 — IgPi = |
g р7 |
1 l g l ^ - l g V * |
lg Sl_ 2 • |
Пределы значений параметров процесса сжатия при номиналь ных режимах для современных двигателей приводятся в табл. 1.8.
Т а б л и ц а 1.8. Показатели процесса сжатия
Тип двигателя |
|
|
Рс |
Тс, к |
|
«1 |
кгс/см2 |
МПа |
|||
|
|
|
|
||
Карбюраторные |
1,34— 1,38 |
6— 12 |
0,57— 1,16 |
600— 750 |
|
Дизели: |
|
|
|
|
|
с |
разделенными |
1,34— 1,38 |
30— 45 |
2,81— 4,20 |
700— 900 |
|
камерами |
|
|
|
|
с |
неразделенны |
1,34— 1,38 |
40— 60 |
3,88— 5,88 |
850— 1050 |
|
ми камерами |
Отдельные |
|
|
|
|
|
конструк |
|
|
|
|
|
ции 1,42 |
|
|
|
С увеличением |
с т е п е н и с ж а т и я , |
как это видно из |
|
кривых на рис. 1.3, термодинамический к. п. |
д. |
двигателя будет |
|
возрастать. Однако |
следует учесть, что после |
е ^ 10 прирост |
|
значения i\t начинает заметно уменьшаться, кроме того, возра стают механические нагрузки и потери, а поэтому с учетом типа двигателя для каждого из них е имеет определенные пределы.
Вдвигателях с принудительным зажиганием (карбюраторные) величина е ограничивается в основном детонацией и зависит от антидетонационных свойств топлива.
Вдизелях выбор величины е диктуется главным образом способом смесеобразования и соображениями надежного воспла менения топливовоздушной смеси на всех режимах работы дви
гателя |
и в любых условиях состояния наружного воздуха. |
По этой |
причине в дизелях степени сжатия применяются более |
77
высоких значений по сравнению с двигателями с принудительным зажиганием.
Наиболее низкие степени сжатия е = 13-f-14 имеют дизели с неразделенными камерами сгорания (однокамерные), так как однокамерные конструкции располагают меньшей поверхностью охлаждения, а поэтому температура воздуха в конце сжатия даже при пониженных е гарантирует надежное воспламенение, а сле довательно, пуск двигателя и нормальную его работу при любых условиях эксплуатации.
При выборе степени сжатия е необходимо руководствоваться еще назначением двигателя, так как если он большую часть вре мени должен работать на номинальной нагрузке или близкой к ней, то е может быть ниже, чем у двигателя, который большую часть времени должен работать на пониженных нагрузках.
При таком подходе к вопросу выбора е первая группа двига телей будет работать менее напряженно, при меньших износах с приемлемой экономичностью и долговечностью. Вторая группа двигателей обеспечит при больших е на меньших нагрузках луч шую экономичность и сохранит моторесурс.
Практически возможным решением этого вопроса будет работа двигателя с переменной степенью сжатия, которая автоматически бы повышалась при работе на режимах частичных нагрузок и по нижалась при переходе на номинальный режим. Автоматическое изменение степени сжатия должно обеспечивать во всех случаях сохранение постоянного значения давления в конце сжатия (рс —
— const). Это позволяет иметь оптимальную степень сжатия как при переходе с номинальной нагрузки на частичную, так и при работе в горных условиях на различных высотах. Работа двигателя в высотных условиях, где в связи с падением плотности воздуха уменьшается давление, в конце сжатия создаются условия, ана логичные условиям при дросселировании.
Данные о параметрах наполнения и сжатия при работе карбю раторного двигателя в высокогорных условиях для различных высот Н приводятся в табл. 1.9 [3.11],
В некоторых конструкциях дизелей, работающих на различных топливах, степени сжатия могут быть очень высокими е «=* 25, но эти двигатели имеют добавочную камеру, включаемую при пуске и включаемую при переходе на нормальную работу.
При оценке и выборе е следует учитывать, что уменьшение диаметра цилиндра, применение легких сплавов, увеличение быстроходности и работа. на пониженных нагрузках позволяют применять более высокие степени сжатия.
Например, замена чугунной головки на алюминиевую для кар бюраторного двигателя позволяет повысить е на 0,5, а замена
чугунного |
поршня — на |
0,4— 0,7 единиц. |
|
В дизелях с наддувом и при е = |
12-4-13 значения рс могут |
||
изменяться |
в широких |
пределах и |
достигать 40— 50 кгс/сма |
в двигателях средней быстроходности, |
50— 75 кгс/см2 в быстро- |
||
78 |
|
|
|
|
Т а б л и ц а 1.9. |
Параметры |
наполнения |
е = 6) |
|
|
|
и сжатия |
карбюраторного двигателя |
(ЗИЛ-120, |
|
||
|
при |
изменении высоты над уровнем моря |
|
|
||
|
Параметры |
|
Высота Н, м |
|
|
|
|
0 |
1000 |
2000 |
3000 |
4000 |
|
|
|
|||||
Ра, кгс/см2 |
0,76 |
0,64 |
0,54 |
0,44 |
0,36 |
|
ра, |
МПа |
0,075 |
0,063 |
0,053 |
0,043 |
0,035 |
Та, |
К |
338 |
330 |
320 |
311 |
304 |
рг, кгс/см2 |
8,70 |
7,65 |
6,52 |
5,75 |
4,96 |
|
рс, |
МПа |
0,85 |
0,75 |
0,64 |
0,56 |
0,48 |
Те, |
К |
644 |
626 |
608 |
591 |
578 |
ходных двигателях, что приводит в турбопоршневых двигателях к сильному повышению максимального давления сгорания, дости гающего значений рг = 130 кгс/см2 и выше.
§ 6. ТЕРМОХИМИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ПРОЦЕССА СГОРАНИЯ
Для определения количественного состава смеси газов в харак терных точках диаграммы цикла двигателя необходимо иметь исходные данные весового или объемного состава топлива, на котором работает двигатель, коэффициент избытка воздуха а и коэффициент остаточных газов уг
Для жидких топлив дается элементарный весовой состав
С + Н + S + О — 1 кг,
где весовые доли условно выражены буквенными обозначениями соответствующих химических элементов.
Для газообразных топлив дается элементарный объемный состав
2 СпНтОг Д- N2 = 1 кмоль или м3,
где п, т, г — число атомов углерода, водорода, кислорода. Элементарный состав ряда жидких и некоторых газообразных
топлив для двигателей внутреннего сгорания приведен в табл. 1.10
и 1.11 [13].
Теоретически необходимое количество воздуха для полного сгорания 1 кг жидкого топлива определяется из стехиометриче ских соотношений уравнением в кмоль/кг топлива
М 0= |
1 |
_Н |
|
О |
0,21 |
4 |
32 |
(1 .1 0 3 ) |
|
|
32 ) • |
79