Литература по Механике и для Механиков / Для 3-го курса / Voznitskiy_-_Sudovye_dvigateli_vnutrennego_sgora (2)

При расчете действительных циклов зависимость термодинами­ ческих параметров рабочих тел от температуры необходимо учиты­ вать. Фактор увеличения теплоемкостей с ростом температуры приво­ дит к снижению КПД расчетного цикла по сравнению с идеальным циклом.

§ 1.3* Процесс наполнения цилиндра

Рабочий процесс в цилиндре ДВС представляет собой совокуп­ ность взаимосвязанных процессов: наполнения цилиндра свежим за­ рядом воздуха, сжатия, сгорания топлива, расширения рабочего тела и газообмена. Наполнение цилиндра свежим воздухом из атмосферы яв­ ляется итогом процессов газообмена. Непосредственное всасывание воздуха из атмосферы осуществляется только в четырехтактных ДВС

22 Судовые двигатели внутреннего сгорания

В уравнении (1.16) R - универсальная газовая постоянная. Коэффициент наполнения определяется следующим образом:

Физический смысл Т]и заключается в том, что его величина пока­ зывает, какую долю от максимально возможного заряда составляет дей­ ствительный свежий заряд воздуха.

Выведем формулу для расчета г]н 4-тактного двигателя. Сделав следующие подстановки в уравнение (1.15) GB = T]HPsVh и Ga= раVa,

Подставив в формулу (1.18) вместо плотностей их зависимости от термодинамических параметров из формул (1.16 и 1.19), получим окон­ чательный вид формулы для расчета коэффициента наполнения четы­

Аналогичным образом выводится расчетная формула для коэф­ фициента наполнения двухтактного дизеля. В окончательном виде фор­

где ед- действительная степень сжатия, у /- доля потерянного рабочего объема цилиндра к моменту начала сжатия.

Необходимые для расчета Г] по формулам (1.20 и 1.21) геометри­ ческие характеристики е е и I// принимаются по двигателю-прототи­ пу, значения у^ p s, Т выбираются по литературным справочным дан­ ным с учетом типа двигателя, его форсировки и схемы газообмена. Давление в цилиндре в начале сжатия для четырехтактных дизелей с наддувом р = (0,96 -з- 0,99)р , для двухтактных с изобарным наддувом - р в= (0,9+ 0,95)^.

Температура смеси газов в начале сжатия Тасущественно зависит от количества остаточных газов в цилиндре. Запишем уравнение теп­

где: Q , Ое и Ог —количество тепла в смеси газов, в свежем заряде и в остаточных газах; сг/ се, сг - соответственно средние изохорные удель­ ные теплоемкости смеси газов, свежего заряда воздуха и остаточных газов, кДж/(кг-К); Т Г - температуры воздуха и остаточных газов в цилиндре.

Так как основным компонентом воздуха и остаточных газов явля­ ется азот, можно допустить, что с = с= с , тогда уравнение (1.22) пре­ образуется к виду:

Разделив почленно на G , окончательно получим формулу для расчета Т :

Вуравнении (1.23) температура воздуха, поступающего в цилиндр

Г= Г + Atnod, где Atngd= 10 -5- 15 К - подогрев потока воздуха о стенки по пути его движения из продувочного воздуха в цилиндр. Температу­ ра остаточных газов зависит от типа дизеля, избытка воздуха при сго­ рании и продувке и лежит в пределах Т = 600 -s- 900 К. Таким образом, несмотря на то что смесь газов в цилиндре состоит в основном из свежего заряда, подогрев его о стенки и смешение с горячими остаточ­ ными газами поднимает температуру содержимого цилиндра в начале сжатия на 40-70 К по сравнению с Г .

Формулы (1.20 и 1.21) состоят из следующих отношений:

££д

^I или £ _ j - это отношение, большее 1, учитывает увеличе­

ние свежего заряда, обусловленное его размещением в объеме камеры сжатия, так как при определении максимально возможного свежего

лирования потока воздуха во впускных органах;

ZL

j- <1 - учитывает снижение G из-за подогрева (см. выше);

а

1 ^ + ^ <1 - учитывает потерю заряда вследствие того, что часть

объема цилиндра занимают остаточные газы, и воздух там не может разместиться;

(1 —I//) <1 —учитывает дополнительную потерю заряда в двухтак­ тных двигателях из-за уменьшения объема цилиндра к началу действи­ тельного сжатия.

Последнее обстоятельство обусловливает значительно меньшие величины коэффициента наполнения в двухтактных дизелях по срав­ нению с четырехтактными дизелями. Порядок величин для коэффици­ ента наполнения современных судовых дизелей с наддувом следую­ щий: Г]н= 0,85 0,95 - четырехтактные; Г]н= 0,65 -г- 0,75 - двухтактные малооборотные с изобарным наддувом.

Влияние эксплуатационных факторов на наполнение цилинд­ ра. Для обеспечения полного сгорания топлива в дизеле необходимо, чтобы система газообмена и наддува обеспечивала достаточную вели­ чину заряда воздуха, который после расчета rjHопределяется по фор­ муле Ge= TjHp V h. Заменяя плотность в этом выражении правой частью формулы (1.16), получим:

г- V* „ Л

~R ~Т\' (1'24')

Из формулы (1.24) следует, что свежий заряд воздуха в различных условиях эксплуатации может измениться при изменении любого из параметров, входящих в правую часть, кроме постоянных рабочего объема цилиндра и R.

Режим работы дизеля. Ранее уже отмечалось, что при изменении нагрузки и частоты вращения коленчатого вала двигателя изменяются расход газов через турбину и их энергия. При снижении нагрузки и оборотов уменьшается давление за центробежным компрессором р к, пропорционально снижаются р и р . Температура воздуха на выходе

из центробежного компрессора Тктакже уменьшается, но это не приво­ дит к изменению Г , так как она автоматически поддерживается посто­ янной за счет изменения расхода воды через воздухоохладитель. Как показали исследования процессов газообмена судовых дизелей, у при изменении режима работы мало изменяется, поэтому Татакже остает­ ся примерно постоянной. Учитывая сказанное, вполне очевидно, что отношения p jp s, TJTaи 1/(1 + у ) при изменении режима работы дизеля с наддувом остаются примерно постоянными. Из формул (1.20 и 1.21) следует, что коэффициент наполнения также остается примерно по­ стоянным.

Объединив все постоянные и неизменные величины в некоторую константу к, получим:

т.е. массовый заряд в дизеле с наддувом при изменении режима работы изменяется примерно пропорционально давлению наддува.

Следует отметить, коэффициент наполнения дизелей с наддувом по указанным выше причинам мало изменяется и при изменении дру­ гих эксплуатационных факторов, кроме особых случаев, которые рас­ сматриваются в конце данного раздела.

Давление и температура атмосферного воздуха. Температура забортной воды.

Морские суда работают в различных районах земного шара от Арктики и Антарктики до тропиков, поэтому перечисленные парамет­ ры, изменяющиеся в широком диапазоне, оказывают существенное влияние на заряд воздуха. Атмосферное давление р ш в разное время года изменяется в пределах 725-780 мм рт.ст., а среднемесячные тем­ пературы наружного воздуха tatи забортной воды twсоставляют:

для средних широт tat = 3 -ь 20° С; tw = 4 -*• 17° С; для тропиков tM= 25 35° С; tw= 27 -s- 32° С.

Расчеты показывают, что эти параметры, так же как и в выше рассмотренном случае, мало влияют на г] , поэтому изменение заряда воздуха будет определяться зависимостью

Л'

Давление воздуха в машинном отделении на входе в фильтр центробежного компрессора р двсегда равно атмосферному давлению (см. рис. 1.7), поэтому при колебаниях p at примерно пропорционально будут изменяться р к, р и Gg.

26 Судовые двигатели внутреннего сгорания

Температура на всасывании компрессора t существенно отлича­ ется от / , вследствие выделения тепла работающими двигателями, подогревателями и трубопроводами систем она всегда существенно выше атмосферной температуры. В умеренных широтах tg составляет 20-30° С, а в тропиках может достигать 50 и более °С. При таком силь­ ном увеличении ^изменяется режим работы компрессора, давление воздуха на выходе р куменьшается, что в итоге снижает заряд воздуха.

Любое изменение параметров на входе в компрессор отражается также на температуре Тк, однако существенного влияния на температу­ ру воздуха в продувочном ресивере (и на заряд воздуха) это не оказы­ вает, так как она поддерживается постоянной за счет изменения расхо­ да охлаждающей воды, прокачиваемой через воздухоохладитель.

Забортная вода используется в централизованных системах ох­ лаждения современных морских судов для охлаждения пресной воды, которая в свою очередь охлаждает двигатели, в том числе подается на воздухоохладители надувочного воздухаглавных и вспомогательных двигателей. Исключение составляют суда маломерные или старые, где для охлаждения воздухоохладителей используется непосредственно забортная вода. Все теплообменники проектируются с большим запа­ сом по поверхности теплообмена, температурный напор при их нор­ мальном техническом состоянии лежит в пределах At = 8 -s- 12° С, по­ этому даже в тропиках максимальное значение температуры воздуха в ресивере не выходит за верхний рекомендованный диапазон: ts = twmax+ At = 32 + 12 = 44° С. Существенное увеличение Г и соответствующее снижение заряда воздуха может иметь место при плохом техническом состоянии воздухоохладителей (загрязнения поверхностей теплообме­ на с воздушной и водяной стороны, большое число заглушенных тру­ бок), которое приводит к значительному увеличению At.

Влажность атмосферного воздуха. Атмосферный воздух всегда содержит некоторое количество водяного пара. Относительной влаж­ ностью (<р%) называют отношение парциального давления водяного пара в атмосферном воздухе при параметрах р м и tat к парциальному давлению насыщенного пара р нас при этих же параметрах - (р = (p j Рна) 100%• Другой характеристикой влажного атмосферного воздуха является его влагосодержание (d), представляющее собой отношение:

где Gnи G - соответственно массы водяного пара и сухого воздуха во влажном.

trnin, °С

Рис: 1.8. К определению минимальной температуры наддувочного воздуха в зависимости от атмосферных параметров и давления наддува, для

предотвращения конденсации водяного пара в воздухоохладителе

Влагосодержание воздуха зависит от атмосферного давления, тем­ пературы и относительной влажности и определяется по специальным таблицам. Графически эта зависимость представлена в левой части рис. 1.8 (при p at = 760 мм рт.ст.).

В зависимости от района плавания судна атмосферные показате­ ли влажности воздуха изменяются в широких пределах. Влагосодер­ жание воздуха в умеренных широтах редко превышает 0,01, тогда как в тропиках при относительной влажности 80-100% оно достигает 0,03-0,04 (т.е. до 40 г водяного пара на 1 кг сухого воздуха). Наличие влаги уменьшает заряд сухого воздуха, необходимый для сгорания топлива, поэтому является отрицательным фактором для процесса на­ полнения.

При охлаждении воздуха в воздухоохладителе в дизелях с уме­ ренным наддувом (p jp g < 2) конденсации водяных паров не происхо­ дит, и вся влага поступает в цилиндры. В современных высокофорси­ рованных дизелях часть влаги конденсируется в воздухоохладителе и собирается в специальный сборник, расположенный в его нижней час­ ти (см. рис. 1.7). Сборник конденсата снабжен датчиком уровня 1, ко­ торый подает управляющий сигнал на клапан удаления конденсата 2. Конструкция воздухоохладителя исключает попадание конденсата с воздухом в цилиндры, так как это крайне нежелательно в связи с нару­

На рисунке 1.9 приведены экспериментальные данные по расходу конденсата (GmH, кг/ч) из сборников для главного двигателя 6RTA-58 «Зульцер» (6ДКРН 58/170) в зависимости от давления воздуха в про­ дувочном ресивере при работе на винт регулируемого шага (и = const). Судно находилось в тропиках, атмосферные параметры: t = 29° С, <р= 90%; при этом d = 0,02. Температура воды на входе в воздухоохлади­ тель twl = 31° С, на выходе tw2 = 36° С; ts = 48° С.

С учетом влагосодержания и расчетного расхода влажного возду­ ха через центробежный компрессор был рассчитан расход водяного

пара G , кг/ч.

г пар7

При работе на малых нагрузках конденсации влаги вообще не про­ исходит, она начинается при степени повышения давленияp j p 0> 1,6 (точка 1 на рис. 1.9). При 100% нагрузке дизеля (точка 2) расход кон­ денсата составляет 720 кг/ч. В воздухоохладитель с влажным воздухом при этом поступает 970 кг/ч водяного пара.

Таким образом, экспериментальные данные показывают, что в воздухоохладителе не весь пар конденсируется из-за ограниченного времени нахождения влажного воздуха в воздухоохладителе. На ма­ лых нагрузках в тропиках в цилиндры поступает 100% атмосферной влаги, на режимах полного хода (75-100% нагрузка двигателя) - от 50 до 70%. При плавании судна в умеренных и северных районах конден­ сация влаги прекращается, вся влага поступает в цилиндры на всех эксплуатационных режимах работы двигателя.

При отсутствии конденсации пара в воздухоохладителях свежий заряд воздуха уменьшается, так как часть объема цилиндра занимает атмосферный пар. Обозначим через /У и rj1 —соответственно плотность воздуха и коэффициент наполнения при полном отсутствии атмосфер­ ной влаги в нем. При наполнении цилиндра влажным воздухом при тех же значениях параметров в ресивере и влагосодержании d плотность воздуха и коэффициент наполнения цилиндра воздухом будут меньше

С учетом формул (1.27 и 1.28) свежий заряд при наполнении ци­ линдра влажным воздухом