
книги из ГПНТБ / Чернышев А.Н. Корабельные двигатели внутреннего сгорания. (Теория рабочих процессов поршневого двигателя) учебное пособие
.pdf2. |
Как |
изменяется давление в цилиндре |
при адиабати |
|
ческом |
сжатии? Рис. |
17 . |
|
|
* *3. |
Как |
и почему |
изменяется показатель |
политропы сжа |
тия в различные периоды процесса сжатия реального двига теля? Стр. 53, 54,рис. 17 .
4. Что такое мгновенный адиабатный процесс и какие условия необходимы для его осуществления7 Стр.54, рис.17 .
5.В чем заключаются упрощения, применяемые при рас чете процесса сжатия? Стр. 55 .
6.Каким образом выбирается величина осредненного по казателя политропы сжатия? Стр. 55 .
7.Каковы пределы изменения ссредненных показателей политропы сжатия для двигателей различного типа и конст
рукций? |
Стр. 55 . |
n t ? |
|
8. |
Как |
влияет быстроходность дизеля на величину |
|
Стр. |
55 . |
|
|
9. |
Как |
влияет величина нагрузки на величину |
? |
Стр. 56 .
10.В каком двигателе, с большим или меньшим диаметром цилиндра, будет больший показатель п 1? Стр. 56 .
11.Что произойдет с осредненным показателем политропы сжатия, если двигатель перевести с охлаждения забортной водой на охлаждение пресной водой, имеющей большую темпе ратуру? Стр. 56 .
12.Каковы значения п* при пуске двигателя из холод ного состояния7 Стр. 57 .
13.В каком двигателе, новом или отработавшем значи тельный срок, больше величина п* ? Стр. 57 .
1%. Как ориентировочно подсчитать параметры воздуха в конце хода сжатия? Стр. 57, формулы (34), (35) .
15.Каковы давление и температура воздуха в конце хода сжатия7 Стр. 58 .
16.Как изменится экономичность дизеля, если увеличи
вать степень сжатия дизеля, сохраняя X -c o n s t 0 Стр. 58, 5 1 .
60
17. Как изменится экономичность дизеля, если увеличи
вать |
степень |
сжатия дизеля, выполняя условие pz=const? |
Стр. |
58 , |
§ I . |
18.Почему в двигателях малой размерности и с разде ленными камерами сгорания используются повышенные степени сжатия? Стр. 59 .
19.Как ориентировочно подсчитать параметры воздуха
вконце сжатия при пуске из холодного состояния? Стр.59 .
20.Почему в двигателях с повышенным давлением над дува выбираются уменьшенные степени сжатия? Стр. 59 .
Г л а в а 1У
ТЕРМОХИМИЯ И ТЕРМОДИНАМИКА ПРОЦЕССА СГОРАНИЯ
Сгорание является основным процессом рабочего цикла, происходящего в цилиндре двигателя. Во время сгорания про исходит окисление составных элементов поданного топлива кислородом воздуха.
Жкдкое топливо состоит из разнообразных по структуре
углеводородов. Элементарный состав |
I кг топлива может быть |
||||
представлен |
равенством |
|
|
||
1кг |
т о п л |
= с и г С +h kzH+s kz S + oxz 0 . |
(36) |
||
Здесь |
|
|
|
|
|
С, Н, S 1 0 |
- |
химические символы; |
|
||
с , Я , s , o |
- весовое содержание химически чистых |
||||
элементов (углерода, водорода, серы и кислорода) в I кг |
|||||
топлива (весовой элементарный состав). |
|
||||
В зависимости от месторождения нефти среднее содержа |
|||||
ние перечисленных |
элементов в дизельном топливе различно: |
||||
С “0,84*0,88 |
кг, |
h -0,11*0,14 кг, |
s «О,0001«О,05 кг и |
о«О,00005*0,03 кг.
Очевидно, что главными составляющими топлива (более 95£) являются углерод и водород, которые при полном окис лении образуют углекислый газ и пары воды.
§ 9. Количество воздуха, теоретически необходимого для сгорания топлива. Коэффициент избытки воздуха
Зная элементарный состав юплиьа и мольное (объемное)
содержание кислорода в воздухе, на основание стехиометри ческих соотношений легко определить количество воздуха, которое теоретически необходимо для полного сгорания I кг топлива.
1. |
С + 02 = C0Z |
, |
1. Нг +-£0г |
=HZ0 , |
2. |
1 нмоль С+ {шиоль02=1нмояьС02, 2 .1кли>льН2-ь^ыть(^=1нл1аи>Нг0, |
|||
3 .12 кг О i нмоль Оz= 1 нмольС02 , |
3.2нгН2+^нмоль0г=1хли2ЛьНг01 |
|||
ij.ltaC+jji юишьОг^клюльСОц |
кЛнгНг+щумолъОг=т^нмольН2Оу. |
|||
|
с |
с |
ft |
ft |
S.ckzC+f2 нмольОг=^нмольСОг . |
5.h игН2+ -^кмаль0г=-^нло>льН20. |
1. S + 0Z ~ S 0 Z ,
2.1 нмоль S + 1нлюльОг -1 нмольS02 ,
3.32 nzS + lnMOAb0z =lxjuoAbS0z ,
к. lxeS +32 нмоль02= нлизльЪ0г ,
ss
5.s иго + нмоль 0Z =jjj нмольS02 .
Каждая вторая строка в рассматриваемых уравнениях реакции окисления имеет размерность хиломолей. В третьей строке количество углерода, водорода и серы, которые является со ставляющими жидкого топлива и занимают ничтожно малый объем в сравнении с газообразными продуктами, выражено че рез весовые значения киломолей. Второе слагаемое каждой четвертой строки показывает количество кислорода, потреб ного для окисления каждого килограмма углерода, водорода
и серы. Второе слагаемое каждой пятой строки представляет собой количество кислорода в нолях, необходимого для окис ления с кг углерода, h кг водорода и s кг серы, которые со держатся в каждом килограмме топлива.
Из рассмотрения приведенных уравнений можно также сделать следующие существенные выводы, которые понадобят ся в дальнейшем:
1)при сгорании углерода и серн количество молей газообразных продуктов не изменяется;
2)окисление жидкого водорода сопровождается удвое
нием числа нолей |
продуктов сгорания |
(пары Нг 0 ) |
в сравне |
|||||||
нии с количеством нолей кислорода, который затрачен на |
||||||||||
химическую реакцию. |
|
|
|
|
|
|||||
|
Итак, для сгорания I кг топлива необходимо следующее |
|||||||||
количество |
кислорода: |
о |
кльоль |
кислорода. |
||||||
|
|
с |
|
h |
$ |
|||||
|
|
iZ |
М |
3Z |
5Z |
кг т о п л и в а |
|
|||
|
|
о |
- |
количество кислорода в молях, которое не по |
||||||
Здесь j£ - |
||||||||||
требуется, |
так |
как ухе |
содержится в самом жидком топливе |
|||||||
в растворенном или химически связанном состоянии. |
|
|||||||||
|
Если учееть, |
что единица объема (или I киломоль) воз |
||||||||
духа содержит только 21% кислорода, |
то количество |
воздуха, |
||||||||
теоретически необходимого для сгорания I кг дизельного |
||||||||||
топлива |
среднего |
состава, |
|
|
|
|
||||
|
1 |
|
|
|
|
о \ |
П1ЯГ кмсль воздуха. |
|||
1о |
0,21 |
|
|
|
|
32 / |
|
кг |
топлива. |
(37) |
|
|
|
|
|
|
|||||
То же самое |
в |
весовых единицах |
|
|
|
|||||
Ь'о = уив Ь0 «28,95 |
0,495 |
* 14,3 |
кг |
воздуха |
(38) |
|||||
кг |
топлива |
|||||||||
где |
/ Lt |
« |
28,95 |
кг/моль - вес одного моля воздуха. |
||||||
|
Таким образом |
определяется количество воздуха, теоре |
||||||||
тически |
необходимого для сжигания I кг топлива. |
|
||||||||
|
Однако |
в цилиндр дизеля |
вводится большее количество |
64
воздуха, чей теоретически необходимо для сгорания топлива. Делается это в связи с тем, что за отводимое на смесеоб разование в дизеле время практически невозможно получить идеальное перемеиивание впрыскиваемого топлива и воздуха. Поэтому при точном соответствии введенного и потребного воздуха в некоторых зонах цилиндра будет иэлииек, а в дру гих - недостаток кислорода. В связи с этим процесс сгора
ния |
за отведенное время |
не завершится. |
Избыток |
|||
же |
воздуха |
обеспечивает |
более |
полное |
и |
свое |
временное |
сгорание. |
|
|
|
|
|
|
Отноиение действительного количества воздуха, содержа |
|||||
щегося в рабочей смеси, к количеству |
воздуха, |
теоретиче |
ски необходимого для сгорания поданного топлива, называется коэффициентом избытка воздуха.
Аналитически сказанное может быть представлено в фор
ме |
|
|
_ L |
. l l . |
(39) |
lo |
Lо |
|
или |
|
|
Ge |
VkJTm Чп |
|
I'o^r ” |
L'cV |
(40) |
Здесь |
|
|
L и L' - действительное |
количество |
воздуха в рабо |
чей смеси соответственно в молях и килограммах, которое приходится на I кг сгоревшего топлива;
и G™ - действительное количество воздуха (кг) в цилиндре и теоретически необходимое для сгорания поданно го в цилиндр количества топлива;
G* - количество топлива (кг), поданного за цикл в цилиндр дизеля.
При выборе величины коэффициента избытка воздуха учи
65
тываются |
следующие |
|
противоречивые |
обстоятельства: |
|||||||
|
1) |
увеличение |
оС |
при заданных G^=const и fi^-const |
|||||||
(формула |
(40)), |
хотя |
и способствует улучшению условий |
||||||||
сгорания |
топлива, достигается |
за |
счет увеличения VH |
, |
|||||||
т .е . |
в |
итоге за |
счет |
габаритов цилиндра и дизеля; |
|
||||||
|
2) |
уменьшение |
оС |
приG?=const и fK4= const |
позво |
||||||
ляет |
уменьшить |
VH |
и габариты дизеля, |
однако |
влечет |
за |
|||||
собой ухудшение условий сгорания. |
|
|
|
||||||||
Ориентировочные |
значения |
ы. |
на номинальных режимах |
||||||||
работы |
двигателей: |
|
|
|
|
|
|
|
|||
- |
с |
неразделенными камерами |
сгорания . . . . |
1,5*2,2; |
|||||||
- |
с разделенными камерами сгорания........... |
1 , 3 ц ,7; |
|||||||||
- |
карбюраторных |
........................................ . |
о ,8+1 , 2 . |
||||||||
Меньшие значения |
оС |
имеют место в форсированных дви |
|||||||||
гателях, т .е . в установках, где |
веса и габариты имеют пер |
||||||||||
востепенное значение; большие - |
в дизелях, где |
на первое |
|||||||||
место |
выдвигаются вопросы долговечности |
и экономичности. |
Б карбюраторных двигателях среднее значение оС близ ко к единице. Не останавливаясь на причинах, вынуждающих использовать столь малые значения коэффициента избытка воздуха, отметим, что возможность относительно полного сгорания топлива при ОС , близких к единице, объясняет ся хорошим перемешиванием топлива и воздуха в карбюраторе.
§ 10. Количество и состав продуктов сгорания. Коэффициент молекулярного изменения
При полном сгорании топлива конечные продукты состоят:
1) |
из |
газообразных продуктов CO^SO* и паров Н20 ; |
2) |
из |
не участвующих в процессе сгорания избыточно |
го кислорода и азота воздуха.
В результате сгорания I кг топлива происходит измене ние не только химического состава, но и числа молей газо образных (парообразных) веществ и, следовательно, объема,
66
занимаемого этими продуктами при определенном давлении и
температуре. |
|
|
|
|
Пусть |
|
|
|
|
г =0/т |
км0—------- |
- |
количество |
воздуха, приходящего- |
ь |
к г . топлива |
|
|
|
ся на I кг топлива до сгорания; |
|
|||
М |
|
|
количество |
газообразных продук |
тов, приходящихся на I |
кг |
топлива после сгорания. |
Тогда изменение количества молей газообразных продуктов в процессе сгорания
ДМ = |
М- L = М -с Л о . |
(41) |
Если теперь учесть, |
что избыточный кислород |
и весь |
азот присутствуют в одинаковых количествах как в исходных oL L0, так и в конечных продуктах М , а изменение количе ства молей происходит только за счет непосредственно уча ствующих в сгорании газообразных продуктов, то перечислен ные балластные продукты можно просто не включать в равен
ство, составленное на |
основании ухе |
известных стехиометри |
|||
ческих |
соотношений, |
|
исходные дпродукт ы |
||
кояечнь±е продукты |
|||||
( с |
h S \ |
|
/ с |
И |
s |
ЛМ= ( i T + Т + 32 / |
|
\ П + k + J z ~ |
|||
|
|
Я |
_о_ |
|
ю ивль |
|
” |
ц |
32 |
иг т оплива. |
Таким образом, можно заклечить:
1)сгоранию топлива сопутствует изменение числа мо лей, что должно учитываться в расчетах, так как изменение молей эквивалентно изменению объема при одинаковых темпе ратуре и давлении или дополнительной работе;
2)изменение количества молей происходит исключитель но за счет окисления водорода топлива и наличия в топливе собственного кислорода.
67
Относительная величина приращения числа молей характе ризуется теоретическим (химическим) коэффициентом молекулярного изменения
1 + АМ |
, , |
йН |
Ч + 3Z , |
(43) |
|
L |
=1 |
d L 0 1 |
d l 0 |
||
|
который представляет собой отношение количества молей га за в цилиндре после сгорания к количеству молей свежего воздуха»
Действительный коэффициент молекулярного изменения учитывает наличие как в исходных, так и в конечных продук тах сгорания остаточных газов от предыдущего цикла
|
, |
м |
+ м ; |
' |
|
|
|
М + М г Т Г + Т Г JU-o + Tr |
|
|
|||||
^ “ I |
+ К |
1 + f |
1- i+ Гг |
‘ |
(44) |
||
Здесь |
|
|
|
|
|
|
|
М г |
_ |
= Мг_ |
|
(см. |
также формулу (12) |
; |
|
I |
в г |
|
|
||||
М ^- количество |
остаточных газов, |
приходящихся |
|||||
на I кг топлива. |
|
|
|
|
|
|
|
Численное значение |
j l |
для дизелей, работающих при |
но |
||||
минальной нагрузке, в зависимости от |
оС и f r |
находится |
в |
||||
пределах 1,03*1,04. |
|
|
|
|
|
§ I I , Баланс тепла смеианного цикла и определение температуры и давления в точке z
Б смешанном расчетном цикле действительный процесс сгорания заменяется условной линией подвода теплоты на
участке с - у - z |
(рис. 18). |
|
|
|
Несмотря на неоднократные |
попытки [9 ] |
создать надеж |
||
ный метод |
расчета |
действительной линии сгорания, эту рабо |
||
ту нельзя |
считать |
эавериенной. |
Поэтому мы |
ограничиваемся |
68
определением Tz |
. |
Необходимо подчеркнуть, что, если р2 |
по праву может |
именоваться максимальным давлением цик |
|
ла, температура |
Т2 |
не совпадает с Т шах , которая не |
сколько смещена в сторону ННТ по причине догорания топли ва на линии расширения.
Рис. 18. К расчету Tz |
и р , . |
-------- опыт, ------- |
расчет |
Уравнение баланса тепла смеианного цикла, используе мое для расчета Tz , выведено В. В. Гриневецким и осно вано на следующих предпосылках:
I ) весь расчет ведется для I кг сгоревиего топлива.
69