книги из ГПНТБ / Ченцов В.Н. Тепломеханическое оборудование автономных источников электроснабжения конспект лекций

20

Для удобства

вычисления

определим

коэффициент

наполнения

четырехтактного

дизеля,

как

отношение

L

(количество

свежего

заряда

в

молях)

к количеству заряда

if

в

объеме

при

пара ­

метрах

Т 0

и Pjj.

Определим

числа молей

Мр

продуктов

сгорания,

остающихся

в

объеме

камеры

сгорания

Мс

,

для

чего воспользуем­

ся

уравнением состояния

г а з а :

где

Р

-

давление

гаэов

в

конце такта

выпуска,

несколько

большее

атмосферного;

Тг

-

температура

газов в

цилиндре

в

конце такта выпуска;

- универсальная

гаэовая

постоянная,

для

продуктов

сгорания

значение

Р^

принимается

равным

1,985

ккал/моль'град .

Число

молей

продуктов

сгорания

В процессе

всасывания весь

объем

цилиндра

V Q

заполняется

смесью

свежего заряда с оставшимися продуктами сгорания

при

температуре

Та

, причем

Т0 <

Та<Тп.

Общее количество смеси свежего заряда с остаточными газами

Число

молей смеси, выраженное из уравнения ее

состояния,

Число

молей

свежего

заряда,

очевидно,

равно

разности

чисел

М1

и

Mj.

:

В объеме

V s

при давлении

PQ

и

температуре

TQ поместилось

бы

число

нолей

,

_

V, Р„ .

о

пр

где

ср -

коэффициент, учитывающий снижение скорости движения

воздуха и з - з а

сопротивлений

в клапанах,

= 0 , 6 - 0 , 7 ;

С - максимальная скорость движения воздуха через клапаны.

При средней скорости

поршня

Ст

площади сечения

цилиндра F

и площади

f

проходного

сечения

клапана

C~1,S7cmj-

м/сек .

(4)

Средняя

скорость поршня с т

вычисляется по

формуле

Cm=±ß-

м/сек,

(5)

где

s - ход поршня, н;

п - число оборотов коленчатого вала в минуту.

Важно

отметить, что при увеличении давления

атмосферы PQ

и уменьшении температуры окружающего воздуха TQ возрастает

плотность

заряда воздуха в цилиндре и мощность

дизеля,

если

остается

неизменным соотношение воздуха и топлива. Но с изме­

нением параметров PQ и TQ аналогичным образом изменяются

пара­

метры

Р а

и Т а , поэтому существенного

изменения

коэффициента цн

полнения

в основном зависит от сопротивления всасывающего

тракта и нагрева воздуха в нем, а также от степени

сжатия

е .

Следовательно,

коэффициент наполнения

характеризует

конструк­

тивные качества дизеля, а не внешние условия его работы.

Зна­

чение коэффициента наполнения

в современных дизелях

колеблется

в пределах

q

= 0,85

* 0,95.

Коэффициент остаточных

газов

К о э ф ф и ц и е н т о м

о с т а т о ч н ы х

г а з о в

называется

отношение

числа мол*ѳй остаточных газов Мр к числу

молей свежего

заряда

воздуха

L .

•

V

Р

P.. L

І н

Я о

газов Мр

уменьшается температура смеси

и несколько возрастает

коэффициент

наполнения

цн . В четырехтактных дизелях коэффи­

циент уг

=

0,03

* 0,05.

Дизели

с высокой

степенью сжатия имеют

меньшие

значения

коэффициента

остаточных

г а з о в .

_ Ta+àT+Zr

Тр

(7)

где

Т 0

-

температура

наружного

воздуха;

Tj,

-

температура

остаточных

г а з о в ;

-

коэффициент

остаточных

г а з о в ;

Д Т -

подогрев

воздуха во

всасывающем

тракте

дизеля,

Д Т = 10 * І5°С .

Уравнение (7) получено из уравнения баланса тепла при сме­

шивании воздуха с остаточными газами.

Коэффициент наполнения может быть выражен через коэффициент

остаточных

г а з о в .

Число

молей

смеси

свежего

заряда

с остаточ ­

ными

газами

Mf = L +/%,

= I + 2Г„1 = LO + у г

) •

Следовательно, число молей свежего заряда

L -

—

Из

определения

р

V

п - L -

М>

' а

4а

Р а П

Р°Т0

-

,.я,

-

Ф Г *

-

-

£

характеризуются давлением Р

нагнетателя или гродузочного

на -

coca и температурой TR воздуха на входе в дизель .

Увеличение

коэффициента

яапслнения благоприятно отражается

на мощности и

экономичности

діізеля. Средствами увеличения

к о -

ная коэффициента остаточных газов являются

уменьшение

сопротив­

ления выхлопного тракта, продувка цилиндра

свежим

зарядом

в о з ­

духа, увеличение степени сжатия.

На

коэффициенты

и

^

существенное

влияние

имеет

р е г у ­

лировка

газораспределительного механизма.

Процесс

сжатия

В первый период сжатия к рабочему телу

подводится

тепло

от

нагретых стенок цилиндра. По

мере сжатия

воздух

нагревается

и

в конечный период сжатия начинает отдавать

тепло

стенкам

ци­

линдра, т . е . в

целом

процесс

сжатия

является

лолитропичѳским

с

изменяющимся

показателем политропы

п1 .

Температура и давление воздуха в конце

сжатия

вычисляются

по

формулам:

Р

= Р

е"'

'с

'ас

'

причем

показатель политропы

я ,

изменяется

в

различвые

моменты

сжатия. В первый период сжатия п,>

к

-

-—

,

в

последний

п е ­

риод сжатия п,

< / с .

9

В четырехтактных быстроходных дизелях в процессе сжатия по ­

казатель

/7,

изменяется

в пределах

от

1,53

до

1,17.

В расчетах для их упрощения

считают,

что

показатель

п1

остается

постоянным,

средним

з а

весь

процесс

сжатия. Для

р а з ­

личных

типов дизелей

показатель

п1

считают

равным: в

быстро­

ходных

дизелях

с неохлаждаемыми

поршнями

nf

= 1,37 +

1,39;

в

дизелях

тихоходных

и с

охлаждаемыми

поршнями

п1

=1,35

*

1,36.

В дизелях

температура

TQ

конца

сжатия

должна

обеспечивать

надежное

самовоспламенение

топлива и составляет величину 800*

950°К.

Давление Р с

конца

сжатия

в различных типах

дизелей к о ­

леблется

в пределах

от 30

до 50

к Г с / с м 2 .

В дизелях

с высокий

наддувом давление Р с

может

достигать 100

к Г с / с м 2 .

требования, связанные с их

антидетонационными

качествами.

2 .

Вследствие

впрыска

топлива в цилиндр при положении

порш­

ня около в . м . т .

в

современных быстроходных

дизелях время

обра­

зования

горючей

смеси и ее

сгорания очень

мало

(несколько

ты­

собой

в основном смеси предельных парафинов ряда

С ^ д .

Химическая структура

парафинов:

HI

HI

HI

H — с — с . . .

с — H .

I

г

I

H

H

H

Следовательно, основными горючими составляющими дизельных

топлив являются углерод и водород, они определяют

теплотворную

способность топлива. Примесями топлив обычно являются азот N ,

сера

S

и кислород 0. Примеси

нежелательны. Азот

не участвует

в горении и отрицательно сказывается

на теплотворной

способ­

ности топлива. В результате

сгорания

серы получается

сернистый

газ

SO^

• Так как в продуктах

сгорания топлива имеются пары

веды,

то

при

соединении

газа

S0Z с

водой

получаются

пары

агрессивной

серной кислоты,

обуславливающие

коррозию

Дизеля.

творной способности топлива.

Элементарный состав

топлива

обычно дается в

процентах или

в

весовых

долях.

Элементарный

состав

дизельных

топлив

Состав

Углерод

Водород

Кислород

Сера

Всего

в

%

84 - 87

12 - 15

0,5 - 2

0,00

- 2,5

100%

в

весовых

долях

. . .

0,84 - 0,87

0,12 - 0,1 5 0,005-0,02

0,00-0,0025 I

кг

По

элементарному

составу топлива

можно

определить

его

т е п ­

лотворную

способность

и производить

расчет

количества

воздуха,

необходимого для сгорания данного вида топлива.

Ценность топлива

определяется

его теплотворностью,

под ко ­

торой

понимают количество теплоты,

выделяющееся при полном

с г о ­

лотворность

топлива. В ы с ш а я

т е п л

о т в о р н о с т ь

топлива Qg

оценивается в калориметрической

бомбе, где улавли­

сгорания

топлива. В дизелях

температура выхлопных газов превос­

ходит І00°С, пары воды уносят с собой теплоту

парообразования,

поэтому

приходится

учитывать

н и з ш у ю

т е п л о т в о р ­

н о с т ь

топлива

QH .

Очевидно соотношение

Ö

= Ц. - 600 W к к а л / к г ,

(10) '

где

W

- весовое содержание паров воды в

продуктах

сгоравия

одного

килограмма

топлива;

600

- теплота

парообразования одного

килограмма

пара,

к к а л / к г .

Для

жидкого

топлива

W = 9Н +

ЪУ ,

( I I )

где

H -

весовое содержание водорода в топливе;

W- -

весовое

содержание

примеси чистой

воды в топливе.

27

Qê=

8I00C + ЗООООН - 2600(0

- S ) к к а л / к г ,

(12)

В этой формуле

С,

Н, 0 и

S - весовые

доли углерода,

водорода,

кислорода и серы в

одном

килограмме топлива.

дизелей. Рассмотрим эти качества .

П л а н о в о е

ч и с л о .

Цетановоѳ число

характе ­

ризует период задержки самовоспламенения топлива и будет

р а с ­

смотрено при изучении процессов

сгорания.

2 . В я з к о с т ь .

Вязкость топлива определяет его

спо ­

собность к фильтрации и оказывает существенное влияние на

р а с ­

пиливание. Динамическая

вязкость

измеряется в

п у а з а х

(сантипуазах) .

Вязкостью

в один

сантипуаз обладает

жидкость,

у которой развивается сила трения в одну диву на площадках

в

один квадратный сантиметр, удаленных одна от другой

на

один

сантиметр и двигающихся одна по отношению к другой со скоро­

стью I см/сек .

Динамическая вязкость, отнесенная к плотности жидкости,

представляет собой кинематическую вязкость и измеряется

в

с т о к с а X

(сантистоксах) .

Иногда сравнение вязкости различных сортов топлива произ­

водят по условной вязкости, представляющей собой отношение

в р е ­

мени истечения

из вискозиметра 200 см 3

топлива

ко времени

и с ­

Условная вязкость выражается

в градусах. Лучшими качествами об ­

ладают

топлива, имеющие меньшую в я з к о с т ь .

3.

Ф р а к ц и о н н ы й

с о с т а в .

Фракционный состав

другие

его характеристики. Лучшими качествами

обладает

топливо,

имеющее

больше лѳгкоиспаряющихся фракций.

4.

Т е м п е р

а т у

р а

в с п ы ш к и .

Температура

вспышки

в закрытом

тигле

определяет пусковые

качества

топлива,

зии

дизеля

и его

топливной

системы, поэтому их количество

огра­

ничивается.

Кислотность топлива оценивается количеством в миллиграммах

едкого

кали КОН,

которое необходимо ввести з 100 мг топлива до

его

полной

нейтрализации.

6.

З о

л ь н

о с т ь

и

к о к с у в м о о т ь .

F

ксче-

С

H

«

О

, « .

, « .

« .

0,860 кг

+ 0,130 кг

+ 0,01

кг = I кг.

довательно, для сжигания одного килограмма

углерода

потребует­

ся II

кг кислорода, а для сжигания С кг углерода,

содержаще-

XÜ

^5

гооя

в топливе, необходимо Ц С кг кислорода или j g . ^ С =

= ~ - молей кислорода.

Водород воздействует с кислородом по реакции:

2Н2 + Og —*— 2Н2О + 136720

ккал/мольН.

4 кг

водорода + 32 кг кислорода « 36 кг паров

воды

или

I

кг

водорода + 8 кг кислорода = 9 кг

паров

воды.

Если в одном килограмме топлива имеется в связанном виде

(в виде Н2 0)

0 килограммов

кислорода, то эти 0 килограммов

кислорода

свяжут -°г- кг водорода

и водорода

будет сгорать

о

не H кг, а (Н — — ) к г .

8

Следовательно, если для сжигания I кг водорода

требуется

8 кг кислорода, то дня сжигания (H — g - )

кг активного водоро­

да,

содержащегося в I кг топлива,

необходимо

(H — S - ) «8 =

=

(8Н- 0)

кг

кислорода или

-

- ~ — ~ -

молей

кислорода.

На основании вышеизложенного

можно утверждать,

что для

сжигания

I

кг топлива вышеуказанного состава

необходимо

~х +

н

п

t

- | —

молей кислорода.

Воздух

содержит

21% кислорода, поатому

количество воздуха

в

молях,

необходимое

для полного

сжигания I

кг топлива,

может

быть

представлено выражением

і0= Q^l»

+ I " " зе* М 0

Л 9 Й в о

з д у х а / к р

т

о п

л и в а -

с і з )