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
