книги из ГПНТБ / Ченцов В.Н. Тепломеханическое оборудование автономных источников электроснабжения конспект лекций
.pdf40
в цилиндре в момент впрыска. Период cm характеризуется интен
сивностью |
нарастания давления W |
= -тгтг- |
• Чем |
больше |
пара - |
||
метр V »іем |
жестче |
работает дизель . При |
7*8 |
КГС/СІГ ^град. |
|||
нагрузка |
на |
поршень |
носит ударный |
характер . |
Параметр W |
з а в и |
|
сит от длительности периода задержки самовоспламенения. Чем
Рис . 7 |
|
|
больше этот период, тем больше накапливается готовых к |
сгора |
|
нию компонентов топлива и теы резче |
возрастает давление |
при |
самово спламѳ не нии. |
|
|
Таким образом, желателен малый |
период задержки самовоспла |
|
менения топлива. Свойство топлива в отношении периода задержки
самовоспламенения определяется |
его |
цетановым числом. Цетановым |
||
числом (ЦЧ) топлива называется |
процент содержания |
цетана в |
т э |
|
той бмвси с альфамѳтилнафгалином, |
которая обладает |
таким |
же |
|
периодом задержки самовоспламенения, как и испытуемое топливо. Цетан (углеводород нормального ряда C j g H ^ ) обладает очень ма лым периодом задержки самовоспламенения. Альфаметилнафгалин
41
(ароматический углеводород CjjHtq) обладает очень большим пе риодом задержки самовоспламенения. Смесь этих веществ обладает тем меньшим периодом задержки самовоспламенения, чем 'больше в смеси процент содержания цетана. Различные смеси этих веществ . были испытаны на дизеле, оборудованном аппаратурой для измере ния периода задержки самовоспламенения, и составлена таблица задержек самовоспламенения в зависимости от процентного содер жания цетана в смеси. На этой же установке определяется ЦЧ топлива. Если оно обладает таким же периодом задержки самовос пламенения, как смесь 60% цетана и 40% альфамѳтилнафталина, то считается, что ЦЧ этого топлива равно 60. ЦЧ дизельных топлив колеблется в пределах 30 - 70. Чем выше ЦЧ топлива, тем меньше период задержки самовоспламенения, тем лучше это топливо. Так как большой период задержки самовоспламенения обуславливает жесткую работу дизеля, сопровождающуюся стуками, то считают, что цетановым числом оценивается стукоустойчивость топлива.
Процесс догорания топлива, соответствующий участку та г р а фика, вреден. В этот период энергия топлива расходуется не на индикаторную работу газов, а на нагрев цилиндра и выхлопного тракта . С точки зрения экономичности дизеля выгодным является мгновенное сгорание заряда в в . м . т . Поэтому желательно сокра щение периода сгорания за счет всех фаз, особенно за счет уменьшения задержки самовоспламенения и за счет периода дого рания.
Из-за совмещения процессов впрыска и сгорания изменение
коэффициента избытка воздуха в цилиндре |
*• процессе |
сгорания |
|||||||
является сложным. На рис.8 кривой I |
|
представлено изменение |
ко |
||||||
эффициента о[ в зависимости от угла |
|
tp |
поворота |
кривошипа. Кри |
|||||
вой 2 показан закон подачи топлива, |
|
кривой 3 - |
закон |
сгорания |
|||||
топлива. Ординаты под |
кривыми ак |
и |
|
kd |
соответствуют |
коли |
|||
честву не сгоревшего топлива. В момент |
а |
начала |
впрыска |
топливо |
|||||
в цилиндре отсутствует |
и коэффициент |
избытка воздуха |
cL |
= |
о о . |
||||
В момент |
с конца |
периода задержки самовоспламенения |
топливо |
|
начинает |
сгорать, |
но так как интенсивность впрыска |
в |
этот мо |
мент превосходит |
интенсивность сгорания, то момент |
нахождения |
||
в цилиндре максимального количества несгорезшего топлива сме
щён |
за точку к |
• В этот |
момент значение коэффициента оі |
дости |
|||
гает |
минимума. |
В последующий период количество топлива |
умень |
||||
шается за |
счет |
выгорания, |
поэтому |
значение |
коэффициента |
о і в о з |
|
р а с т а е т . |
После |
сгорания всей дозы |
соплива |
в смеси остается кис- |
|||
42 |
|
лород избыточного воздуха, поэтому коэффициент cL - |
. Не |
смотря на высокие значения в этот период коэффициента оі |
, |
условия догорания топлива являются тяжелыми, так как |
частицы |
||
топлива и кислорода в |
пространстве оказываются разделенными |
||
продуктами сгорания. |
|
|
|
Указанное изменение коэффициента |
избытка воздуха |
во в р е |
|
мени и в пространстве |
свидетельствует |
о сложности процесса |
|
ШіменениеоС
|
кон сгссания |
|
||
|
|
|
rusa |
|
Закон |
|
|
|
|
подом гтюп'ш |
|
|
|
|
|
статок |
Ігюплибс |
|
|
С — |
m |
а |
|
|
Период сгорания |
|
|
|
|
|
топлива |
|
|
|
|
Рис . 8 |
|
|
|
сгорания в дизеле . Кроме т о г о , в процессе |
сгорания и |
нагрева |
||
газов существенно изменяются теплоемкости |
ср и |
г а з о в . |
||
Весьма сложным является теплообмен между газами и ставками ци линдра. Рабочий процесс сопровождается не поддающимися учету
гидродинамическими потерями и з - з а |
интенсивного |
движения исход |
ных и конечных продуктов сгорания. |
Изложенное |
свидетельствует |
о том, насколько сложен точный физико-химический и тепловой расчет рабочих процессов в дизелях. Однако следует отметить, что в настоящее время ведется интенсивная разработка прямогс точного метода расчета . Существующаяоя же методике расчета яв ляется экспериментально-теоретическо!-.
Процесс распыяивания топлива т дизьлн/ исследован П . Г . Кз - лимен, В.Я.Натаизоном, И.В.Астаховым, Н.В.Емыгедьским и лр- •-
43
гими советскими учеными. В результате работ этих ученых полу чен достаточно надежный метод расчета закона подачи топлива.
Термодинамическое уравнение сгорания
Выведем термодинамическое уравнение сгорания для смешанного цикла в предположении, что 25 - 45% топлива сгорает при по стоянном объеме Ѵс . При этом давление в камере сгорания под нимается до величин, указанных в табл.2. Для вывода термодина мического уравнения сгорания воспользуемся уравнением теплового баланса рабочего тела.
|
|
|
|
|
|
|
|
Т а б л и ц а |
2 |
|||
|
Максимальные |
давления |
сгорания |
в дизелях |
|
|
||||||
|
с |
различными |
способами |
смесеобразования |
|
|
||||||
|
|
|
|
|
Максимальное |
Степень |
||||||
Тип |
дизеля |
|
|
давление |
повышения |
|||||||
|
|
сгорания |
давления |
|||||||||
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
рг |
кГс/см? |
Л |
|
||||
Дизели |
непосредственного |
|
65 |
- |
80 |
1,6 |
- |
2 |
||||
Дизели |
с раздельной |
каме- |
||||||||||
|
50 |
- |
60 |
1.5 |
- |
1,7 |
||||||
|
|
|
|
|
|
|||||||
В конце |
сжатия смесь |
I |
молей |
воздуха |
и Мр |
молей |
остаточных |
|||||
газов обладает энергией: |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
где Сѵ |
и |
с £ - мольные |
изохорные |
теплоемкости воздуха и |
||||||||
остаточных |
газов. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Процесс сгорания топлива является не полным, и имеются теп ловые и гидродинамические потери. Поэтому количество использу емого тепла сгорания I кг топлива может быть определено урав нением:
где GLH- низшая теплотворность топлива;
Ц - коэффициент использования теплоты.
Коэффициент Ц зависит от качества смесеобразования, ско рости, полноты сгорания и колеблется в пределах § = 0,7*0,9 .
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
44 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Внутренняя |
энергия |
смеси |
M |
молей продуктов сго-...мі?я л |
|||||||||||||||||
Mj, молей остаточных газов в конце |
сгорания |
(см.точку |
с |
«а |
|||||||||||||||||
диаграмме, представленной,на рис.4) |
при температуре |
7~г |
6j,;s? |
||||||||||||||||||
равна |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
где |
|
с"ѵ - средняя изохорная |
теплоемкость |
продуктов |
сгорания. |
||||||||||||||||
|
В первый период сгорания газы не совершают работу и энер |
||||||||||||||||||||
гия |
топлива |
расходуется |
только |
на повышение |
внутренней |
энергии |
|||||||||||||||
г а з о в . Во втором |
периоде |
|
сгорания газы |
расширяются |
от |
объемаѴг |
|||||||||||||||
обмена |
Ѵг |
|
и .совершают работу, |
равную |
W |
кГм за |
счетДѴккал |
||||||||||||||
теплоты |
( |
А = |
|
|
- тепловой |
эквивалент |
I |
кГм работы). На ос |
|||||||||||||
новании первого закона термодинамики запишем уравнение |
|
тепло |
|||||||||||||||||||
вого |
баланса: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Запишем |
параметрические |
уравнения |
состояния |
газов |
для |
начала |
|||||||||||||||
и конца |
горения: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(21) |
Работа |
расширения |
от объема |
Ѵ. = Ѵ,' |
до объема V |
|
равна: |
|||||||||||||||
W = ( Ѵ г |
- Ѵе)Рг |
» Vl Р г - Л Рс |
Ѵс |
= |
|
|
|
|
(M^M^-IR^MP)TC, |
||||||||||||
|
|
|
|
Рг |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
где |
• |
31 = р— - |
степень |
|
повышения |
давления; |
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
/?^= |
ß'hS - |
|
универсальная |
газовая |
постоянная. |
|
|
|
|||||||||||
|
Значением |
степени |
повышения давления |
Л |
задаются |
в з а в и |
|||||||||||||||
симости от метода |
смесеобразования |
в |
предполагаемом |
дизеле (см. |
|||||||||||||||||
т а б л . 2 ) . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
Подставим |
выражение |
|
работы |
W |
в у р а в н е н и е ^ |
теплового |
||||||||||||||
баланса, |
имея |
в виду |
соотношения: |
« |
|
|
|
|
' |
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
А/?„= Ц ! = |
1,985. |
|
с ; |
= |
с ; + 1,985. |
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
а |
_ |
M . |
|
у |
|
I |
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
Ра - |
— |
у |
|
от» - |
|
|
|
|
|
|
|||||
Л5
U'Je* M, cl Tc+ Ц Q- cl (M*M„) TS AU,
После деления всех |
членов уравнения |
на |
L |
получив: |
|
|
|||||
+ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
и окончательно |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
С ^ П ^ ^ Н ^ Д С / ^ ) ] / - ^ - ! |
- ^ . - ^ ^ * ^ ^ |
. |
(22) |
||||||||
Из уравнения (22) |
вычисляется |
температура |
конца |
|
с г о р а н и я ^ . |
||||||
Покажем, что, зная |
величину |
Тг |
, |
можно |
вычислить |
степень |
|||||
предварительного расширения |
р |
и |
объем |
Ѵ г |
• |
|
|
||||
'Поделим почленно |
уравнения |
(21). |
|
|
|
|
|
|
|||
Рг Ѵг |
_ |
^(МіМгПъ |
|
|
= |
А/ 2 Г г |
|
|
|||
отсюда |
|
Ѵ , _ МгТг |
Рс |
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
г-ус |
- м, |
|
тсРг |
|
|
|
|
|
|
Учитывая, что
|
|
|
|
46 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Изменение теплоемкости газов в процессе |
сгорания |
|
|||||||||
|
Сгорание |
топлива в |
дизеле сопровождается ростом температу |
|||||||||
ры |
продуктов |
сгорания |
до 2000°К и выше. При такой |
температуре |
||||||||
наблюдается |
разложение |
(диссоциация) |
паров воды и |
углекислоты |
||||||||
по |
реакциям: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 С О Г = ^ 2 С О + 0 Г . |
|
|
|
|
|
|||
|
На разложение одного моля паров |
воды |
расходуется |
6І&00 ккал, |
||||||||
а |
на разложение |
одного |
моля углекислоты |
68200 ккал |
|
теплоты. |
||||||
Поэтому возрастание температуры продуктов сгорания сопровож |
||||||||||||
дается увеличением их теплоемкости. |
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
На р и с . 9 |
представлен характер |
зависимостей |
теплоемкости |
||||||||
углекислоты и паров воды. Эти зависимости |
нелинейны, |
но для |
||||||||||
практических |
расчетов |
эти зависимости аппроксимируются |
прямыми |
|||||||||
|
|
ср |
ккал/моль°£ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Ѣ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1Ъ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
12 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
11 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
10 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
9 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
8 |
|
1000 |
2000 |
|
Т°С |
|
|
|
||
|
|
|
|
Рис.9 |
|
|
|
|
|
|
|
|
(на р и с . 9 представлены |
пунктиром) |
вида |
А + 5 Г |
. Средние |
моль |
|||||||
ные теплоемкости при постоянном объеме в зависимости от темпе
ратуры |
приблизительно |
выражаются соотношениями: |
для углекислоты |
|
^ ( C O g ) |
= 7,82 + 0,00125 Г ; |
(24) |
для |
поров воды |
^ ( Н ^ О ) = 5,49 + 0,00112 Т ; |
(25) |
47
для воздуха и всех двухатомных газов
СѴ(Я) = 4,62 + 0,00053 Т , |
(26) |
Изобарная и изохорная теплоемкости связаны соотношением:
ср- |
с» |
= |
A / ? j i f = |
f|f |
= І ' 9 |
8 5 |
ккал/моль-град. |
|
|
Если |
|
M |
молей |
продуктов |
сгорания I кг |
топлива содержат |
|||
m ( /Ѵ2 ) кг |
азота, |
/Т7 |
( 0 2 ) |
кг |
кислорода, |
m (COg) кг |
у г л е |
||
кислоты |
и |
m{Br>0) |
кг паров |
воды, то мольная изобарная |
тепло |
||||
емкость продуктов сгорания может быть вычислена по формуле сум марной теплоемкости:
РM [/77(N2)C/,(/?)4/T7(0i)C/,(/?)4/77(C02)Cc(C0z) +
|
+ /77(Н20)С (Нг 0) |
(27) |
||
|
|
|
|
|
После вычислений |
формула |
(27) |
приводится к виду: |
|
|
с ; |
= а |
\ в т . |
|
Следует отметить, |
что вычисление температуры 7 2 конца сгора |
|||
ния производится из квадратного уравнения, так как в уравнение
сгорания (22) подставляется зависимое |
от |
Г значение теплоем |
|
кости с'р , |
выраженное соотношением |
= |
А + ВТ при усло |
вии равенства |
Т = Тг . |
|
|
Вывод уравнения сгорания применительно к дизелям был осу ществлен основателями методики теплового расчета дизелей про фессорами Н.Р.Брилингом и Е.К.Мазингом. Уточнение уравнения сгорания применительно к процессам в быстроходном дизеле было осуществлено профессором Т.М.Мелькуновым в 1940 г .
§ 6. ДЕЙСТВИТЕЛЬНЫЕ ПРОЦЕССЫ РАСШИРЕНИЯ И ВЫПУСКА
|
Процесс |
расширения |
|
|
|
В расчетном цикле современного быстроходного дизеля пред |
|||||
полагается, что расширение газов происходит в |
два этапа |
(см . |
|||
р и с . 4 ) . Первый, |
изобарический |
этап расширения |
сопровождается |
||
подводом тепла |
(участок г'ъ |
диаграммы). Второй этап |
представ |
||
ляет собой адиабатическое расширение газов (участок |
ъе |
диа- |
|||
48
граммы). Действительные процессы расширения являются полигропичѳскими и происходят более сложно. В первый период действи тельного расширения имеет место догорание топлива, обуславли вающее интенсивный подвод тепла к рабочему телу . В этот перио; температура газов заметно не падает, происходит как бы видимое
изотермическое расширение |
|
(показатель |
политропы |
расширения |
|||||||||||
/ 7 2 « / |
) . Второй |
период начинается после |
догорания |
топлива, |
п о |
||||||||||
казатель |
пг |
приближается |
к |
показателю адиабаты |
к |
. Дальнейшее |
|||||||||
расширение газов сопровождается значительным теплоотводом |
от |
||||||||||||||
газов к охлаждаемым стенкам цилиндра и показатель |
пг |
становит |
|||||||||||||
ся больше показателя к . Экспериментальное определение |
показа |
||||||||||||||
теля |
пг |
по индикаторным |
диаграммам |
быстроходного |
дизеля |
пока |
|||||||||
з а л о , |
что в |
первый |
период |
расширения |
пг |
= 1,0 * 1,05, |
в с е р е |
||||||||
дине |
расширения |
пг |
= 1,28 |
и в |
конце |
расширения |
|
пг |
=1,46 . |
||||||
Среднее |
значение |
показателя |
пг |
оказалось равным |
1,24. |
Значе |
|||||||||
ние показателя |
пг |
увеличивается с улучшением |
смесеобразова |
||||||||||||
ния, уменьшением оборотов и нагрузки на дизель, с увеличением интенсивности охлаждения.
При расчетах процесса расширения так же, как и при расче тах процесса сжатия, предполагают показатель политропы расши рения постоянным и равным среднему значению. Абсолютная темпе ратура и давление газов в конце расширения определяются соот ношениями политропы:
Из анализа формул (28) и (29) следует, что абсолютная тем пература и давление в конце расширения увеличиваются с умень
шением численного значения степени сжатия s . Так как |
с увели |
||
чением температуры газов в конце расширения |
увеличиваются по |
||
тери теплоты, то для увеличения |
экономичности дизеля |
является |
|
желательным увеличение степени |
сжатия. |
|
|
В современных быстроходных |
дизелях показатель политропы . |
||
Пг= 1,2 + 1,24, давление конца |
расширения |
^ = 2 , 7 * 3 , 5 |
к Г с / с м 2 . |
49 и температура конца расширения Те = 950 + ІІОО°К.
В карбюраторных дизелях параметры ре и Т{ имеют большее значение из-за меньших значений степеней сжатия.
>Процесс выпуска в четырехтактных дизелях
Процесс выпуска в реальном цикле соответствует отводу теп
лоты в теоретическом цикле и имеет вспомогательное |
значение. |
|||
В первый период выпуска происходит резкое уменьшение |
давления |
|||
и температуры газов. В дальнейшем газы выталкиваются |
поршнем |
|||
практически при постоянном давлении. С целью лучшей |
очистки |
|||
цилиндра и уменьшения коэффициента остаточных газов |
[см.фор |
|||
мулу ( 6 ) ] давление газов в конце процесса выпуска должно |
быть |
|||
минимальным. Уменьшению давления газов в конце процесса |
вы |
|||
пуска способствуют |
увеличение проходного сечения |
выхлопных |
||
клапанов, степени |
сжатия, интенсивности охлаждения |
и |
уменьше |
|
ние нагрузки на дизель. С целью лучшей очистки цилиндра от га дов в современных дизелях выхлопные клапаны открывают до прихо да поршня в H.M.T., а закрывают после прихода поршня в в . м . т .
Более подробно физические процессы при выпуске и наполнении в четырехтактных дизелях будут рассмотрены при изучении газорас пределительных механизмов.
В конце процесса выпуска температура газов в четырехтакт
ных дизелях |
колеблется |
в пределах 600 - 900°К при давлении |
||
Рг а 1,05 • |
1,1 Кгс/см 2 . |
|
||
Особенности газообмена в двухтактных дизелях |
||||
Схемы механизмов |
выпуска - продувки. Особенностью работы |
|||
двухтактного |
дизеля |
является совмещение процессов |
выпуска и |
|
продувки после открытия |
поршнем продувочных окон |
(см . рис . 2) . |
||
Если в четырехтактном дизеле процесс очистки цилиндра от гавов осуществляется за время, соответствующее 400 * 450° поворота коленчатого вала, то в двухтактных дизелях этому процессу с о ответствует поворот коленчатого вала лишь на 130 - 150°. Ка чество очистки и зарядки цилиндра зависит от совершенства си стемы выпуска - продувки дизеля.
К системам выпуска - продувки современных |
дизелей предъяв |
|
ляются |
следующие требования: |
|
I . |
Наилучшая очистка цилиндра от продуктов |
сгорания и х о |
рошая зарядка воздухом при наименьшем расходе |
продувочного |
|
воздуха |
и наименьшем ходе поршня. |
|