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

1^L0

•

Отношение

d

-

— —

называется

коэффициентом

ивоытка

воздуха.

Реальное

количества

воздуха

,

подаваемого

в

цилиндр,

определяется

соотношением

L

=

oL 1 0

молей

воздуха/кг

топлива.

Учитывая, что вес одного моля воздуха равен

28,95

к г , в е ­

совое количество подаваемого воздуха может быть

определено с о ­

отношением

& s

= 28,95

L

кг воздуха/кг топлива.

(15)

Учитывая,

что объем

одного моля любого

г а з а ,

приведенный

к одной

технической

атмосфере

(прк 735,6 ми р т . с т . ) ,

при

тем­

пературе

0°С равен

23,15 н 3 , объемное

количество

подаваемого

воздуха может

быть определено соотношением:

Ѵ( = 23,15 1

м 3 воздуха/кг

топлива.

То же при Т 0 и Р 0 :

Ѵ 5 = 23,15

L 27ГГР7 м 3 / к г

*

( І

6 )

Коэффициенты избытка воздуха oL зависят от способа

смесеобра­

зования в дизеле, от его быстроходности

и для различных

типов

дизелей

представлены

в

т а б л . І .

Т

а б

л

и

ц

а

I

Тип дизеля

Коэффициент

избытка

воздуха

оі

Тихоходные

дизели

нѳпосредст-

1,8

-

2,1

Быстр&ходныѳ дизели

непосред-

1,5

-

1,8

Дизели с

разделенной

камерой

1,3

-

1,5

Вычислим по формуле (15) с учетом формул (13) и (14) вес

количества

воздуха,

теоретически необходимого ( т . е . полагая

oL = I )

для полного

сгорания

одного килограмма

топлива

приня­

того

состава

(С = 0,86;

H = 0,13; 0 = 0,01) .

31

ßs*

28,95

o L l 0

= 28,95-1,0 ^

( ^

+ ^

~

=

=

f b | 5

(

0 t 0

7 I

6 +

0 j

0 3 2

5 +

0 ( 0

0 0 3

4 )

= 28,95-0,10444

=

0,<il

0,21

=

14,34

~

14,5

кг

воздуха/кг

топлива.

Итак, для сгорания одного килограмма топлива

необходимо

ориентировочно 14,5 кг воздуха, что составляет

ориентировочно

0,5

моля

(29,95

: 2

«

14,5) .

Теоретический и расчетный коэффициенты молекулярного

и з ­

менения.

Т е о р е т

и ч е с к и

й

м о л ь н ы й

к о э ф ­

ф и ц и е н т .

Вычислим

число

молей

продуктов

сгорания,

полу­

чающихся

в

результате

сжигания

одного

килограмма

топлива

в

L

-

оі L 0

молях

воздуха.

Из реакции сгорания углерода следует, что при горении

одного

моля

углерода

получается

один

моль углекислоты.

Если

в

I

кг

топлива

содержится

С кг

(или -гЯ молей) углерода,

то

С

в

продуктах

сгорания

этого топлива получается jg-

молей у г л е ­

кислоты,

т . е .

/77 (С0 2 ) =

•

Из

реакции сгорания

водорода

следует, что при горении

двух

молей водорода получается два моля паров воды. Если в I кг

топлива

содержится

H кг

(или -Jp- молей)

водорода,

то в продук­

тах

сгорания

I кг

этого

топлива

будет

содержаться - j r - молей

паров

воды,

т . е .

m (Н 2 0) = - | - .

Если

для сгорания

топлива

в

цилиндр подано L =<LL0

молей

воздуха,

то в

нем содержится

0,21 o l Z t

молей кислорода.

При

полном сгорании топлива в реакцию вовлечется 0,21 10

молей

кислорода.

Следовательно, в

продуктах

сгорания

останется

m « ^ )

= 0,21 cL L0

-

0,21 l 0

= 0 , 2 1 1 „

(cL -

1 )

молей

кислорода.

Азот

не участвует

в реакции,

поэтому его количество

не и з ­

менится

и будет

равно

( I - 0 , 2 I ) ö L I „

молей, т . е .

m(Nz)*

0,79 oL L \ .

Общее количество продуктов сгорания # І кг топлива составит

величину

M = ^ + $ - + 0 , 2 І

(oL -

I ) + 0,79 oL LB

i 0 ( o l - 0 ,21) .

I .

l0 = jjSJjj ( j g - + - ^ - -

молей.

ДМ =

M-L

= І

с г

+ - | - + ( oL -

0,21)

Х 0

-

o l i „

=

•

I ? + "7~

+

~ ° » 2 1

^ о -

d L o =

i z + TT -

° ' 2 1 x

x Ô~2Î

+

3?

) =

~f~ +

3?

м

о л е й / к г

топлива.

Итак,

AM

=

M

-

L

= - f -

+

з §

молей/кг

топлива.

делено соотношением

M = j3„ L .

(18)

Из формул (14) и (17) видно, что с повышением

коэффициента

Для

различных

типов

дизелей коэффициент j i 0 колеблется в преде­

лах

1,032 - 1,045 в

соответствии с

колебаниями

коэффициента и з ­

бытка воздуха

( с м . т а б л . I ) .

Р а с ч е т н ы й

к о э ф ф и ц и е н т

м о л е к у ­

л я р н о г о

и з м е н е н и я .

На соотношение числа молей

точных

газов.

С учетом

коэффициента остаточных

газов суммарный

заряд цилиндра

на один

килограмм топлива

составит

Mj = I

+ М^=

1 + £ . 1 »

L ( I

+

ТІ.

) .

где Мр

- число молей

остаточных

газов

на

I

кг

топлива.

Р-

M , - L*M„

( І 9 )

Если разделить числитель и знаменатель дроби на

L , то

получим

й = 1 ° _ ± 1 г .

(20)

всему

объему заряда . В карбюраторных ДВС качество смеси прибли­

жается

к идеальной.

В дизелях условия смесеобразования несоизмеримо

сложнее,

чем в

карбюраторных ДВС.

1.

В дизеле

используется соляр, более тяжелее и труднее

испаряющееся топливо.

2 .

В дизеле

топливо впрыскивается в положении поршня около

В.М.Т., поэтому

смесь должна образоваться и сгореть

з а 20 - 30°

распыливаниѳм в камеру сжатия с давлением

Рс = 30 * 40 кГс/см^

топливо впрыскивается через форсунку вместе

со струей

воздуха,

истекающей

под

давлением

70 - 80 к Г с / с м 2 .

Скорость истечения

достигает

400

м/сек, чем

и обеспечивается

необходимое

качество

оборудованы воздушным компрессором высокого давления,

поэтому

такой способ смесеобразования называют компрессорным,

а д и з е ­

ли - компрессорными.

камерой сжатия и дизели с раздельной камерой. На рис. 5а

пред­

ставлена

форма нераздельной камеры сжатия. Топливо

впрыскивает­

ся через

форсунку непосредственно в камеру

сжатия,

образован­

ную головкой цилиндра 2 и поршнем 3 особой

формы.

Дизели

с т а ­

ственным

впрыском.

Хорошее качество смесеобразования дости ­

г а е т с я по

следующим

причинам:

-

топливо распыливается до туманообразного состояния

за

счет

высокого (

Р

= 200

* 600 кГс/см 2 )

давления впрыска

через

6 - 1 0

отверстий

форсунки

диаметром 0,2

-

0,3 мм;

-

факел топлива

получается достаточно

дальнобойным

и по

средственно при

впрыске

распределяется

достаточно равномерно

по всему объему

камеры

сжатия;

- выступ û головки поршня способствует образованию вихрей

при движении поршня вверх (движение воздуха показано

стрелка­

ми), эти вихри способствуют испарению

топлива

и более

качест ­

венному распределению капель по всему

объему

камеры сжатия;

- кольцевой выступ & предотвращает попадание капель

топ ­

лива

на охлаждаемые

стенки

цилиндра, следовательно, уменьшает­

ся смывание

масла

со

стенок

цилиндра. Форма факела, его

разме­

ры,

диаметр

капель

топлива

и распределение капель разных р а з -

36

мѳров по сечению факела зависят от давления

истечения

топлива,

от диаііѳтра отверстия

и от противодавления в камере сжатия. На

ри&.€ представлены характеристики распиливания для различных

давлений,

диаметра

отверстия Ф = 0,57

ми и противодавления Юат.

По оси абсцисс отложены диаметры капель

в микронах,

а по

оси ординат число

капель

соответствующего диаметра в процентах,

приходящихся,на

единицу

площади

поперечного сечения

факела.

Из

графиков видно, что с увеличением

давления

истечения

уменьшается

размер капель и увеличивается чис ­

ло мелких капель, т . е .

качество

смеси улучшается. В центральной

части сечения при любом давлении

факела крупных

капель

бывает

боль - •

шѳ, чем на периферии

сечения. Уве ­

личение давления приводит к увели­

чению дальнобойности

факела

и к

увеличению угла распыла. Уменьше­

ние отверстия при фиксированном

давлении

приводит, к

уменьшению

О

Ю

20

30

äH

диаметра

капель, уменьшению

даль -

Диаметр капель

мк

нобойности и к увеличению

угла

распыла. Таким

образом,

выгодно

Р и с * 6

увеличивать давление

впрыска

и

уменьшать диаметр отверстий. Эти пути улучшения

смесеобразова­

ния ограничиваются сложностью, точностью изготовления и надеж­

ностью

работы

топливной

аппаратуры.

Достоинствами дизелей с непосредственным впрыском являются

высокая экономичность,

простота конструкции

и хорошие пусковые

качества . Высокая экономичность объясняется

компактностью

к а ­

меры сгорания и вследствие этого минимальными тепловыми

и

гидродинамическими

потерями рабочего

тела .

Хорошие пусковые

качества объясняются тем, что при пуске

холодного дизеля легко происходит самовоспламенение

топлива

вследствие компактности камеры сжатия и малых тепловых потерь.

Дизели с непосредственным впрыском легко запускаются

при

с т е ­

пенях

сжатия

6

s

і з

•

15.

Недостатками

дизелей

непосредственного

впрыска

являются

сложность

изготовления

и высокая стоимость

топливной

аппара-

необходимость

весьма

тонкой

фильтрации

топлива, невозможность

использования

низких

сортов

топлива, высокое

давление с г о р а ­

ния и высокая

жесткость работы дизеля,

т . е .

высокая скорость

средственном впрыске полное

сгорание топлива

происходит только

при высоких значениях коэффициента избытка

в о з д у х а ( d = 1 , 4 + 1 , 8 ) .

Поэтому дизели непосредственного впрыска имеют пониженную

л и т ­

ровую мощность.

Дизели с раздельной камерой сжатия. Дизели с раздельными

камерами сжатия делятся на

предкамерные, воздушнокамерные

и

вихрѳкамерные. Схемы камер

сгорания указанных

дизелей пред­

ставлены на рис.5 б,в и г .

Принцип смесеобразования предкамерного

дизеля

заключается

в следующее. В положении поршня около в . м . т .

при

помощи

фор­

сунки I производится впрыск

топлива в предкамеру

2 ,

занимающую

пр; *>лизитѳльно 30% общего объема камеры сжатия.

В

предкамере

тоіаыво самовоспламеняется

и в ней возникает

резкий

скачок

шой скоростью выбрасывается

через узкий канал 3

в

основной

объем

камеры сжатия 4. При

этом происходит

динамическое

разру ­

шение

струи на мелкие капли

с одновременным

испарением и

ч а с ­

тичным

сгоранием топлива. Таким образом, в предкамерном дизеле

часть

энергии заряда тратится на гидродинамическое

разрушение

струи. 'Предкамерные дизели

имеют ряд преимуществ

по

сравнению

стие форсунки. Топливная аппаратура

предкамерного дизеля по

стоимости дешевле л работает в более

благоприятных

условиях

по сравнению с аппаратурой дизеля непосредственного

впрыска.

В предкамерном дизеле может быть использовано менее

качествен ­

ное и менее тщательно отфильтрованное топливо. Максимальные

давления сгорания получаются меньше

и дизель работает мягче.

избытка воздуха al =

І , з + 1,4. Недостатками предкамерного ди ­

зеля

являются большие

гидродинамические

и тепловые

потери вслед ­

ствие

некомпактной камеры сгорания, а также сложность конструк­

ции головки блока цилиндров. Надежный пуск дизеля

обеспечивает­

ся высокими значениями степени сжатия (

і = 16

*

2 0 ) .

По своим качествам воздушнокамерные

( р и с . 5

в)

и вихрекамер-

Из-за высокой экономичности и хороших пусковых

качеств

бо ­

лее перспективны дизели непосредственного впрыска. Удельный

расход топлива у них составляет 150 -

180 г / э . л , с . - ч . В дизе­

лях

с

раздельной

камерой

удельный

расход

составляет

170

-

200

г / э . л . с . - ч . По экономичности лучшими

из

дизелей

с

раздельной

камерой

сгорания

являются

вихрѳкамѳрные

дизели.

39

личная работа

дизеля (удельный расход де = 165

* 175

г/э.л.с<-ч)

на различных

видах тоннив (газойль, дизтошшво,

бензин

и т . д . ) ,

риода задержки самовоспламенения и растянутости

во времени про­

цесса испарения топлива.

Изменение давления и коэффициента избытка

воздуха

в процессе сгорания топлива

При сгорании капли топлива у ее поверхности весь кислород

воздуха вовлечен в реакцию. В пространстве

между

каплями имеет­

ся свободный кислород. В этих условиях за время

смесеобразова­

ния и сгорания смеси

t = 0,002 * 0,005 сек

невозможно полное

сгорание топлива при коэффициенте избытка воздуха

oL = I . Для

обеспечения полного

сгорания топлива и высокой

экономичности

нутое

в горячий воздух топливо

воспламеняется не мгновенно, а

с некоторой задержкой. В первое

время происходит испарение

легких

фракций топлива и химический

распад топлива

на его го ­

рючие

составляющие. Поэтому топливо

впрыскивается

за несколько

самовоспламенения, а точка d-

концу

сгорания. Интервал вре­

мени, соответствующий отрезку

ас

,

является

периодом задерж­

ки самовоспламенения. Из графика

следует, что часть топлива

успевает сгореть за период впрыска.

Процесс сгорания можно разбить

на три характерных периода:

период ас задержки самовоспламенения,

период

cm самовоспла­

менения и интенсивного горения

и период met

догорания топлива

в процессе движения поршня к н . и . т .

Период ас в основном з а ­