книги из ГПНТБ / Ченцов В.Н. Тепломеханическое оборудование автономных источников электроснабжения конспект лекций
.pdf10
Рис .2 |
|
ства I I . Направление выхлопных и продувочных |
окон обеспечивает |
движение воздуха по контуру полости цилиндра |
и достаточно к а |
чественную очистку его от продуктов сгорания. Во врѳия откры тия продувочных окон продолжается процесс выхлопа, так что при движении поршня ниже продувочного окна происходит процесс вы
хлопа-продувки. Движение |
поршня |
вверх |
сопровождается |
перекры |
тием сначала продувочных |
окон, |
потом |
выхлопных, сжатием с в е |
|
жего заряда воздуха в объеме цилиндра |
выше выхлопного |
окна 4, |
||
I I
впрыонои топлива форсункой б и частичным его сгоранием. Далее процессы в двигателе повторяются.
Сравнительная |
характеристика |
четырехтактных |
|
|
||
и двухтактных дизелей |
|
|
|
|
||
Из рассмотрения принципа действия четырехтактного и двух |
||||||
тактного дизеля следует, что при одинаковых оборотах, |
размерах |
|||||
цилиндра и параметрах |
цикла двухтактный |
дизель должен |
|
иметь |
||
вдвое большую мощность |
(у него каждый оборот |
сопровождается |
||||
рабочим ходом). В действительности, |
и з - з а короткого |
времени |
||||
продувки и плохой очистки цилиндра, |
и з - з а недостаточно |
хорошего |
||||
заряда цилиндра свежей |
порцией воздуха, |
и з - з а |
потерь |
на |
привод |
|
продувочного насоса и |
и з - з а недоиспользования |
рабочего |
объема |
|||
цилиндра вследствие раннего открытия выхлопных окон (при высо ких температурах и давлениях в цилиндре) мощность двухтактного
дизеля увеличена только на 70 - 80% по сравнению с |
четырехтакт |
ным. Положительными качествами двухтактных дизелей |
являются |
также большая степень равномерности хода, простота конструк ции, обуславливающая надежность дивеля и простоту его эксплуа тации .
Основным недостатком двухтактных дизелей является несовер шенство теплового цикла по выиеуказанным причинам, обуславли вающим понижение экономичности по сравнению с четырехтактным дизелем. Частые рабочие ходы, сопровождающиеся выоокими пара метрами выхлопных газов, обуславливают большую термическую на
пряженность |
и шум при работе |
дизеля. |
|
|
|
Основным |
достоинством четырехтактных |
дизелей |
"является с о |
||
вершенство рабочего процесса |
вследствие |
качественной |
очистки |
||
и наполнения |
полости цилиндра, а также более полного |
использо |
|||
вания рабочего объема цилиндра. Более совершенное |
осуществление |
||||
рабочего процесса обуславливает большую экономичность четырех тактных дизелей по сравнит с двухтактными. Удельный расход топ лива в современных четырехтактных дизелях малой и средней мощ
ности |
составляет 150 |
- 170 г / э . л . с . - ч , |
а в |
двухтактных |
||||
170 |
- |
200 |
г / э . л . с . ч . . Достоинствами четырехтактных дизелей я в |
|||||
ляются |
также меньшая |
термическая |
напряженность, |
меньший |
шум |
|||
в работе. |
|
|
|
|
|
|
||
|
Недостатками четырехтактных дизелей являются большие |
г а б а |
||||||
риты |
и вес |
на единицу |
мощности, |
сложность |
конструкции и |
э к с - |
||
12
ч
плуатации, большая неравномерность хода, знакопѳременносгь нагрузок в элементах кривошипно-латунного механизма.
§ 2 . ИДЕАЛЬНЫЕ И РАСЧЕТНЫЕ ЦИКЛЫ ДИЗЕЛЕЙ. СХЕМА ТЕПЛОВОГО РАСЧЕТА ДИЗЕЛЯ
Основные |
понятия |
и определения |
Под п р о ч е е о м |
следует |
понимать изменение рабочего т е |
ла в полости цилиндра,происходящее по определенной физической, химической, тепловой или более сложной, комбинированной законо
мерности. Из |
рассмотрения принципа |
действия |
четырехтактного |
||
дизеля |
следует, что основыми процессами в нем являются: |
||||
- |
процесс |
наполнения цилиндра |
(всасывания); |
||
- |
процесс |
сжатия; |
|
|
|
- |
процесс |
впрыска |
топлива и образования |
топливо-воздушной |
|
смеси; |
|
|
|
|
|
- |
процесс |
сгорания |
смеси; |
|
|
-процесс расширения;
-процесс выхлопа.
Вдвухтактном дизеле дополнительно происходит процесс вы хлопа продувки, но отсутствует процесс всасывания.
Под т а к т о м понимается совокупность процессов, про исходящих при движении поршня от верхнего положения до нижнего или наоборот. Так, например, второй такт четырехтактного дизеля составляет совокупность процессов сжатия, впрыска топлива и о б разования горючей смеси и частичного сгорания смеси.
Под ц и к л о м понимается совокупность тактов, сопровож дающаяся однократным превращением химической энергии топлива в
механическую работу. Цикл четырехтактного |
|
дизеля состоит из |
ч е |
||
тырех тактов; двухтактного - из двух тактов . |
|
|
|||
Идеальные |
циклы дизелей |
|
|
|
|
Для теоретического анализа процессов в |
дизелях |
большое |
зна |
||
чение имеют теоретические (идеальные) циклы. |
|
|
|||
Под и д е а л ь н ы м |
ц и к л о м |
понимается |
упрощенная |
||
термодинамическая схема рабочего цикла дизеля, не имеющего |
к а |
||||
ких-либо потерь энергии, кроме неизбежного |
по второму закону |
||||
термодинамики отвода тепла в |
холодильник. |
|
Изучение |
идеальных • |
|
13
циклов дает возможность установить пределы |
полезного использо |
|||
вания тепла в различных типах дизелей, |
сравнить между |
собой |
||
экономичность этих типов и определить |
пути |
совершенствования |
||
дизелей. |
|
|
|
|
При рассмотрении |
идеальных циклов |
условно принимаются с л е |
||
дующие допущения: I ) цикл осуществляется с постоянным количест |
||||
вом идеального г а з а |
( т . е . г а з а неизменного |
химического |
состава |
|
и теплоемкости); 2) |
процессы сжатия и |
расширения протекают |
||
адиабатически; 3) процессы сгорания топлива и удаления продук тов сгорания заменены условными процессами подвода или отвода
тепла, происходящего |
изохорно |
(при V = const ) |
или |
изобарно |
||||||
(при |
Р = |
const |
) . |
|
|
|
|
|
|
|
|
Осуществление цикла с постоянным количеством |
г а з а означает |
||||||||
замкнутость цикла. Для теоретического и экспериментального |
ана |
|||||||||
лиза |
процессов в |
дизелях большое значение имеют |
и н д и к а |
|||||||
т о р н ы е |
д и а г р а м м ы |
циклов, представляющие |
собой |
|||||||
графическое изображение зависимости давления рабочего тела |
от |
|||||||||
его |
объема |
(диаграмма Р - V |
) или зависимости |
температуры |
||||||
рабочего |
тела |
от |
энтропии |
(диаграмма |
Т |
- s |
) . |
|
|
|
|
На рис . 3 представлена индикаторная диаграмма |
цикла |
ДВС |
с |
||||||
самовоспламенением от сжатия с комбинированным подводом тепла (цикла Тринклѳра). Адиабата ас соответствует сжатию рабочего тела в цилиндре. Изохора Cl' соответствует подводу первой пор-
Рис.З
14
ции тепла 0 / . |
Изобара |
z'z |
соответствует подводу второй |
||||
порции тепла |
Q" |
. Адиабата ге |
соответствует расширению |
р а |
|||
бочего тела в цилиндре. |
Изохора еа |
соответствует |
отводу |
к |
|||
холодильнику |
тепла ö 2 , |
являющегося |
частью тепла |
Q,=Q'r + й"г . |
|||
Без этого отвода невозможно превращение тепла в механическую
рабрту |
в соответствии со вторым началом термодинамики. |
|
|
||||||||||||
|
Для характеристики |
цикла |
вводится понятие |
о |
его |
п а р а |
|||||||||
м е т р а х , |
представляющих |
собой отношение |
объемов |
или |
д а в |
||||||||||
лений |
в характерных точках цикла. |
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
Основными |
параметрами |
цикла |
являются: |
|
|
|
|
|
|
|||||
|
с т е п ѳ |
в |
ь |
с |
ж |
а т |
и я |
е -• - у 3 - |
, |
представляющая |
|||||
собой |
отношение |
объема |
цилиндра |
в начале ^сжатия, |
т . е . при |
на |
|||||||||
хождении поршня в нижней мертвой |
точке (нмт), к объему камеры |
||||||||||||||
сгорания, т . е . к объему цилиндра |
при нахождении |
поршня |
в |
верх |
|||||||||||
ней |
мертвой точке |
( в и т ) ; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
ср,т е п е н ь |
п о в ы ш е н и я |
д а в л е н и я |
|
|||||||||||
Л |
= |
, представляющая |
собой |
отношение |
максимального |
давле |
|||||||||
ния |
к |
давлению |
|
конца сжатия; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
с т е а е н ь |
п р е д в а р и т е л |
ь н о г о |
|
р а с |
||||||||||
ш и р е н и я |
|
р |
= -У* |
|
, представляющая |
собой |
отношение |
объ |
|||||||
ема в |
конце подвода тепла к объему конца сжатия. |
|
|
|
|
||||||||||
|
Для любого |
|
идеального |
цикла |
его термический |
я . п . д . , |
харак |
||||||||
теризующий степень полезного использования тепла |
G f |
, |
выра |
||||||||||||
жается |
соотношением: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
1* |
|
Q, |
|
5/ |
|
|
|
|
|
|
|
В первый изохоричѳский период подвода тепла |
оно |
идет |
только |
|||||||||||
на |
нагрев г а з а , |
сопровождающийся |
повышением давления. |
Второй |
|||||||||||
период подвода тепла сопровождаьтся также получением работы. Для рассматриваемого идеального цикла ого к . л . д . может быть выражен чѳрзз п а р а м е т р ы
(вывод |
формулы дается в курсе технической термодина |
мики) . |
|
15
Из формулы ( I ) , как частные случаи, могут быть получены формулы к . п . д . для цикла с изобарным подводом тепла (цикла Дизеля) и цикла с изохорным подводом тепла (цикла Отто).-
Для цикла Дизеля параметр Л = I , поэтому
г, - , |
' |
P*-f |
4 t - 1 |
"[TT- |
kip-1) ' |
Для цикла Otto параметр |
р = I , поэтому |
|
В формуле ( I ) параметр |
к является показателем |
адиабаты, |
равным отношению теплоемкости идеального газа при |
постоянном |
|
давлении Ср к теплоёмкости |
при постоянном объеме |
с ѵ : |
V
Расчетные пиклы дизелей
Анализ идеальных циклов позволяет установить пределы полез ного использования тепла в различных дизелях, но на основании этого анализа невозможно решить прикладные, конкретные вопросы проектирования дизеля с заданными характеристиками. Эта невоз можность объясняется тем, что действительные процессы, проис ходящие в дизелях, очень сильно отличаются от процессов иде ального цикла. Идеальный цикл осуществляется (теоретически) с постоянным количеством идеального г а з а ( т . е . газа неизменной
теплоемкости и химического с о с т а в а ) . |
В реальном |
дизеле |
каждый |
цикл осуществляется с новой порцией |
рабочего тела; вследствие |
||
сгорания топлива в корне изменяется |
химический |
оостав |
г а з о в ; |
вследствие сильных перепадов температур существенно изменяются теплоемкости г а з о в .
В идеальных циклах процессы сжатия и расширения rasa пред полагаются адиабатическими. В реальных дизелях в первый период сжатия газ нагрѳвает.ся от горячих стенок цилиндра, а в конце сжатия от нагревшегося вследствие сжатия газа тепло передается стенкам цилиндра, т . е . процесс является политропическим при по
казателе |
политропы |
п ф const . Политропическим является также |
процесс |
расширения |
г а з о в . |
16
В идеальных циклах предполагается, что к рабочему телу под
водится |
тепло извне |
по изохорам и |
изобарам. Б цилиндре реально |
|||||||||||||||||
го дизеля тепло получается вследствие сложнейших процессов |
|
о б |
||||||||||||||||||
разования |
рабочей |
смеси и ее |
сгорания, по-разному происходящих |
|||||||||||||||||
в каждой точке цилиндра и в |
каждый момент |
времени, причем |
|
в |
||||||||||||||||
чистом виде изохорныѳ и изобарные |
процессы |
отсутствуют. |
Процесс |
|||||||||||||||||
выпуска |
отработавших |
газов в |
реальном |
дизеле |
достаточно |
сложен |
||||||||||||||
и не |
эквивалентен |
изохорному |
отводу |
тепла |
в |
холодильнике, |
пред |
|||||||||||||
полагаемому в идеальных циклах. В реальных дизелях рабочие |
|
про |
||||||||||||||||||
цессы |
сопровождаются |
тепловыми |
и |
гидродинамическими |
потерями |
|||||||||||||||
энергии |
рабочего |
тела, которые |
очень |
сложно |
учесть . |
|
|
|
|
|||||||||||
В настоящее время не существует полной теории двигателей |
||||||||||||||||||||
внутреннего |
сгорания, |
позволяющей |
проектировать |
|
новые двигатели |
|||||||||||||||
с заданными |
характеристиками |
с |
учетом |
всех |
указанных |
сложных |
||||||||||||||
процессов. Но опыт эксплуатации и |
проектирования |
двигателей |
по |
|||||||||||||||||
к а з а л , |
что |
достаточно |
хорошие |
для |
целей практики |
результаты |
||||||||||||||
дает |
учет |
не |
всех, |
а |
только |
основных |
процессов |
в |
реальных |
дизе |
||||||||||
л я х . |
На основании |
этого учета |
строятся |
расчетные |
циклы, |
а |
|
на |
||||||||||||
основании анализа этих циклов, в |
свою |
очередь, |
проектируются |
|||||||||||||||||
новые |
двигатели. |
В расчетных |
циклах |
дизелей |
предполагается, |
что |
||||||||||||||
в рабочий |
цилиндр |
поступает |
воздух . |
Процессы |
сжатия |
воздуха |
и |
|||||||||||||
расширения газов предполагаются политропическими с постоянными показателями политроп, отображающих усредненный обмен тепла между стенками цилиндра и газом . Предполагается, что сгорание топлива начинается в в . м . т . и происходит по смешанному циклу, т . е . циклу Тринклера. Предполагается также, что падение давле
ния, в процессе выхлопа газов |
происходит |
при постоянном |
объеме |
||||||||
в н . м . т . |
В расчетных циклах |
учитывается |
влияние |
тактов |
всасыва |
||||||
ния |
и выталкивания |
газов |
на |
параметры рабочего |
тела |
и в |
целом |
||||
на |
цикл. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
На р и с Л представлена |
индикаторная |
диаграмма расчетного |
||||||||
цикла четырехтактного поршневого быстроходного дизеля. |
|
||||||||||
|
На диаграмме отображены: |
|
|
|
|
|
|
||||
|
Ъа |
- |
процесс |
всасывания |
воздуха; |
|
|
|
|
||
|
ас |
- |
процесс |
сжатия |
воздуха; |
|
|
|
|
||
|
С г' |
- |
процесс |
сгорания топливо-воздушной смеси; |
|
||||||
|
z'z |
- |
процесс |
расширения, совмещенный с процессом сгорания; |
|||||||
|
ze |
- |
процесс |
расширения |
продуктов |
сгорания; |
|
|
|||
|
ее' |
- |
процесс |
выхлопа; |
|
|
|
|
|
|
|
|
е'Ъ' |
- |
процесс |
выталкивания остатков продуктов |
сгорания. |
||||||
17
IP z' z
|
|
Рис.4 |
|
|
Индикаторная диаграмма расчетного цикла состоит |
из |
двух |
||
площадей |
5, и |
& 2 . Основная площадь 5, соответствует |
положи |
|
тельной |
работе |
цикла. Площадь 82 соответствует работе, |
затра |
|
чиваемой на всасывание заряда воздуха в цилиндр и на выталки
вание продуктов сгорания. Площадь |
Sz |
обычно |
не |
превосходит |
|||||||
3% площади |
S, |
. Полезная |
работа |
цикла |
определяется |
зависимо |
|||||
стью |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
A = |
|
k(St-Sz), |
|
|
|
|
где |
к - |
масштабный |
коэффициент. |
|
|
|
|
|
|||
|
6 связи с малостью площади |
Sz |
на индикаторной диаграмме |
||||||||
расчетного |
цикла обычно |
строится |
только площадь |
5, |
. Точка а |
||||||
считается |
соединенной с |
точкой |
е'. |
Насосные |
потери, |
соответст |
|||||
вующие площади |
52 , |
относятся к |
механическим |
потерям в диееле, |
|||||||
учитываемым механическим |
к . п . д . |
дизеля |
r j M . |
|
|
|
|||||
Понятие о схеме теплового расчета дизеля Экспериментально-теоретическая методика Теплового расчета
двигателя внутреннего сгорания разработана основоположником
"О ЗАЛА
18
теории ДВС В.И.Гриневецким, профессором Московского высшего технического училища (ныне носящего имя Н.Э.Баумана). Методика расчета была опубликована в 1907 г . в работе "Тепловой расчет рабочего процесса двигателей внутреннего сгорания". Профессор того же училища Е.К.Мазинг развил методику расчета В.И.Грине вецкого в ее применении к тепловому расчету бескомпрессорных дизелей. Современная методика теплового расчета дизелей пред ставляет собой методику Гриневецкого - Мазинга, получившую дальнейшее развитие в трудах советских ученых. Сущность мето дики состоит в экспериментально-теоретическом определении па
раметров газов в точках а , С , г', |
ъ |
и е |
индикаторной |
диа |
||||
граммы |
расчетного цикла.' |
|
|
|
|
|
|
|
Тепловой расчет ведется на один килограмм |
сгораемого |
топлива. |
||||||
Исходя |
из принятого метода смесеобразования |
рассчитываемого |
ди |
|||||
з е л я , |
задаются степенью сжатия і и |
количеством |
воздуха, |
необ |
||||
ходимого для сгорания одного килограмма |
топлива. |
|
|
|
|
|||
Из опыта проектирования и эксплуатации |
дизелей задаются |
в е |
||||||
роятными для данного типа дизеля значениями |
давления |
Ра |
и тем |
|||||
пературы Та воздуха в конце процесса |
всасывания, |
т . е . |
в |
точке а |
||||
индикаторной диаграммы расчетного цикла. На основании парамет
ров Р |
и |
Та |
оценивается наполнение цилиндра свежим Зарядом |
||||
воздуха |
с |
учетом его смешения с остаточными продуктами сгора |
|||||
ния. Далее |
рассчитывается политропический |
процесс |
сжатия |
в о з |
|||
духа и вычисляются температура и давление |
воздуха |
в |
точке |
с |
|||
индикаторной |
диаграммы. Усредненный за весь процесс |
сжатия |
|||||
показатель политропы принимается на основании опыта проектиро
вания и |
эксплуатации |
существующих |
дизелей |
данного |
типа. С у ч е |
|||||||||
том выбранного метода |
смесеобразования, |
а |
также |
на |
основании |
|||||||||
опыта эксплуатации аналогичных проектируемому типов дизелей |
|
|||||||||||||
оценивается |
максимальное |
давление |
Рг |
в |
цилиндре |
и |
вычисляется |
|||||||
значение |
степени |
повышения давления |
Л = д 2 - |
. Центральным |
в |
|||||||||
тепловом |
расчете |
дизеля |
является |
расчет |
процесса сгорания, |
на |
||||||||
основании которого определяется температура |
продуктов |
сгорания |
||||||||||||
в точке |
г |
индикаторной |
диаграммы |
и объем |
|
V |
в конце |
сгорания. |
||||||
Расчет политропического |
процесса |
расширения |
позволяет |
полностью |
||||||||||
начертить индккаторяув диаграмм расчетного цикла и определить индикаторную работу никла. Ка основании опыта эксплуатации ди
зелей Е ходаз |
расчета учитываются тепловые, |
гидродинамические и |
механические |
потери з дизеле, что позволяет оценить его эффек |
|
тивную мощность и экономичность. Отдельные |
этапы расчета, а |
|
19
а также расчет в целом могут производиться повторно с целью получения более точных результатов.
По экспериментально-теоретической методике возможен |
расчет |
||
мощности дизеля по заданным размерам цилиндра, |
тактности, числу |
||
цилиндров и скорости вращения коленчатого вала, |
а |
также |
возмо |
жен расчет размеров цилиндра по заданным мощности, |
тактности, |
||
числу цилиндров и скорости вращения коленчатого |
в а л а . Более |
||
подробно этапы теплового расчета дизелей рассматриваются в по следующих параграфах главы I .
§ 3. ДЕЙСТВИТЕЛЬНЫЕ ПРОЦЕССЫ НАПОЛНЕНИЯ И СЖАТИЯ
Процесс наполнения
Целью расчета процесса наполнения является вычисление объ ема свежего воздуха, заполняющего цилиндр. В процессе наполне ния цилиндра всасывающий клапан, воздухоочиститель четырех тактного дизеля и весь всасывающий тракт оказывают сопротивле ние потоку воздуха, процесс всасывания происходит при давлении
р,меньшем атмосферного рв. Плотность воздуха дополнительно
уменьшается з а счет |
его нагрева |
о стенки |
цилиндра. Кроме того, |
||
в начале такта всасывания объем |
камеры сжатия Ѵс |
остается |
з а |
||
полненным горячими |
продуктами сгорания, |
которые |
нагревают |
с в е |
|
жий заряд и уменьшают его объем, смешиваясь с ним. Все эти про
цессы должны быть учтены при вычислении объема свежего |
заряда |
|||
воздуха. |
|
|
|
|
Коэффициент |
наполнения |
|
|
|
К о э ф и ц и е н т о м |
н |
а п о л н е н и я |
цн |
назы |
вается отношение действительного количества свежего воздуха
(объем |
, |
вес G g |
или |
число |
молей 1 ) , заполнившего |
цилиндр, |
||
к количеству |
воздуха, |
которое могло |
бы поместиться |
в рабочем |
||||
объеме V s |
цилиндра (см . |
рис . 3) |
при |
параметрах TQ |
и PQ |
среды, |
||
из которой поступает воздух. Коэффициент наполнения может быть выражен объемным или весовым отношением:
отсюда I =qH