KP_SGEO_Dizelya

(

<

).

Величина

по мере приближения к ВМТ непрерывно

уменьшается. Поэтому давление конца сжатия

(точка С) действительного

процесса оказывается ниже давления

(точка С’) для адиабатного сжатия.

По опытным данным, показатель′

политропы

в судовых дизелях

изменяется за рабочий цикл от 1,5 (у НМТ) до 1,1 (у ВМТ).

СЕВМАШВТУЗ

В

расчётном

цикле принимают

для

упрощения процесс

сжатия

=

протекающим по политропе с условным средним постоянным показателем

(

), величина которого обеспечивает получение той же работы на

линии

сжатия, как

и при переменном истинном показателе (

=

).

Средний показатель политропы сжатия изменяется от 1,34 до 1,42.

Наибольшее влияние на величину среднего показателя оказывают

параметры

и условия охлаждения цилиндра.

С увеличением, , , ,

частоты вращения

двигателя показатель потлиропы

растёт, так как уменьшается продолжительность теплообмена. При снижении

(

) приводит к

→ 1,1

происходит обратное явление, процесс сжатия приближается к

изотермическому

(

). Уменьшение

основных

размеров

цилиндра

(площадь,

росту его относительной поверхности охлаждения

ОХЛ

как

охлаждения, приходящаяся на единицу объёма цилиндра) и, ⁄

следствие,

снижению . Этим

обстоятельством объясняются

трудности,

возникающие при запуске малолитражных судовых дизелей. Повышение

нагрузки

(среднего

эффективного давления

)

приводит

к

росту

температуры стенок. Следовательно, к заряду подводится больше теплоты, в

результате

несколько увеличивается.

Значительное влияние на

оказывают конструктивные мероприятия,

например повышение скорости циркуляции охлаждающей воды, введение

= 1,34 ÷ 1,37

= 1,38 ÷ 1,42

охлаждения поршня и др. Для МОД и СОД с охлаждаемыми поршнями

, для ВОД с неохлаждаемыми поршнями

.

Давление газов

и их абсолютную температуру в конце сжатия определяют

=

=

или

и∙

Из этих формул

видно, что с ростом

параметры газа в конце

= ∙

=

СЕВМАШВТУЗ

сжатия увеличиваются. При повышении степени

сжатия

у

дизелей

увеличивается надёжность процесса самовоспламенения, снижается объём

камеры сжатия

и

коэффициент

остаточных

газов

,

что

приводит

к

некоторому росту

коэффициента наполнения

н. Однако

при

больших

увеличиваются параметры газа в конце процесса горения. Это создаёт

трудности в уплотнении поршней, повышает нагрузку на подшипники и

вызывает необходимость усиления (утяжеления) конструкции дизеля.

По опытным

данным,

параметры

газа

в конце

процесса

сжатия

• для дизелей с наддувом

= 3,5 ÷ 5,0

МПа,

= 800 ÷ 900

К.

составляют:

= 5,0 ÷ 10,0

= 800 ÷ 1100

У судовых дизелей

• для дизелей без наддува

МПа,

К;

зависит от типа двигателя, его быстроходности,

способа смесеобразования, отсутствия (или наличия) наддува,

конструктивных особенностей, условий эксплуатации:

•

для МОД при

м/с степень сжатия

;

•

Нижний

предел

= 8,0 ÷ 12,0

= 15 ÷ 16

для СОД при

= 4,5 ÷ 7,0м/с степень сжатия

= 11 ÷ 13;

•

для ВОД при

= 6,0 ÷ 9,0 м/с степень сжатия = 13 ÷ 14 .

выбирают из условия обеспечения надёжности

самовоспламенения топлива, что достигается при:

∆ ≈ 150 ÷ 200

температура воспламенения;

≈ 550

К – средняя

(

)

>

+ ∆

К.

К

– превышение

температуры

в цилиндре

(

над

,

)

>

увеличивающее надёжность самовоспламенения топлива.

700 ÷ 800

минимальная

температура конца

сжатия

Таким образом,

тот же объём, равный произведению молекулярной массы

(см. таблицу 1)

= 0 , = 0,1013

. При нормальных физических условиях

на удельный объём газа

(

МПа)∙

=объём 1 кмоля любого идеального газа

СЕВМАШВТУЗкг кислорода (или 1 кмоль кислорода). Для окисления 1 кг углерода

составляет 22,4

м3.

Таблица 1 Молекулярные массы

Газ

Химическое

Молекулярная

Плотность при

Газовая

обозначение

масса, кг/кмоль

НФУ1, кг/м3

постоянная

Азот

N2

28,0

1,254

296,6

Водород

H2

2,0

0,090

4124,1

Водяной пар

H2O

18,0

0,804

461,4

Воздух

–

28,9

1,293

287,0

Кислород

O2

32,0

1,429

259,6

Окись углерода

CO

28,0

1,254

296,9

Сернистый

SO2

64,0

–

129,8

ангидрид

Углекислый газ

CO2

44,0

1,950

189,0

(5)

Количество кислорода,

необходимого для окисления горючих элементов

+ + + = 1 кг.

приведены в таблице 3.

(6)

Молекулярные массы

+ =

.

Из формулы (6)

следует, что для сжигания 12 кг углерода требуется 32

, и

требуется 32/12 кг (или 1/12 кмоль)

кислорода,

а

для

кг

углерода –

соответственно

кг (или

кмоль) кислорода.

Аналогично для

окисления водорода и серы требуется соответственно

⁄12

+

= 2

(8)

2

/4 и /32 кмоль кислорода:

(7)

СЕВМАШВТУЗбыть больше теоретического вследствие невозможности получения

Кислород, входящий

состав топлива, также принимает участие в

в+

=

.

окислении его горючих элементов, поэтому необходимое количество

кислорода воздуха следует уменьшить на

кмолей (где

– массовое

содержание кислорода в топливе). В

результате теоретически необходимое

⁄32

количество кислорода для сжигания топлива:

Известно, что воздух

состоит=

по+

4

объёму+

−из 21%.

кислорода и 79% азота,

12

32

32

поэтому теоретическое количество воздуха, необходимого для сгорания 1 кг

топлива, составит (в киломолях на килограмм топлива):

=

То же количество воздуха, выраженное

в килограммах на 1 кг топлива, равно

0,21

= 0,87,

= 0,126, =

)

кмоль/кг,

– молекулярная масса воздуха,

кг/кмоль (см. табл.3).

=

∙

0,000,

= 0,004

= 0,495

= 14,3

Для дизельного топлива среднего состава (

можно рассчитать по формуле

.

кг/кг.

= 0,1013

= 0 ,

Объёмное количество воздуха, теоретически необходимого для

сгорания при нормальных физических условиях (

МПа),

Действительное количество

воздуха

дизеля для сгорания 1 кг топлива, должно

, вводимого в цилиндр ′

= 22,4 ∙

необходимому, называется коэффициентом избытка воздуха:

=

=

′′

=

> 1

Полное сгорание топлива, при котором все его горючие компоненты

СЕВМАШВТУЗиз условия полного сгорания топлива. Например, в соответствии с формулой

превращаются в конечные продукты окисления, можно получить только при

= 1

. Полное сгорание при отсутствии кислорода в продуктах сгорания (т.е.

при

) называют совершенным.

•

СОД

= 1,8 ÷ 2,2;

воздуха у дизелей с наддувом изменяется в следующих пределах:

•

ВОД

= 1,6

÷ 2,0.

•

МОД

= 1,5

;

Для

÷ 1,8

выполнения теплового расчёта процесса сгорания топлива в

смесью воздуха и остаточных газов

, т.е.:

После сгорания в состав

смеси, находящейся в цилиндре, кроме продуктов

= +

= ∙ (1 +

)

реакции горения углерода (формула (6)) при сжигании его 12 кг образуется

кмоль

или 44 кг

. Если сгорает кг углерода, то образуется

⁄12

кмолей

или кг

кг

. Рассуждая аналогично, по формулам (7) и

(8) получим, что

при полном сгорании водорода и серы, входящих в состав

44

⁄12

топлива, образуется

кмолей водяных паров и

кмолей сернистого

содержится по объёму 79% азота и 21% кислорода, то

газа. Так как в воздухе⁄2

⁄32

продуктов

0,21 ∙ (

−

,1) ∙ и

, а избыточного

содержание азота в продуктах сгорания составит

СЕВМАШВТУЗ

кислорода

.

В

результате

мольное

количество

смеси

0,79 ∙

∙

окисления

азота и кислорода будет равно:

или

′ =

12 +

2

+

32

+ 0,21 ∙

(

− 1)

∙

+ 0,79 ∙

∙

Отношение

к

12

2

32

воздушного заряда

′

мольному= +

+количеству+ ( − свежего0,21) ∙

называют

теоретическим′

(химическим)

коэффициентом

молекулярного

изменения:

′

=

′ +

Общее количество смеси с учётом= .наличия остаточных газов будет

. Отношение общего мольного количества смеси газов в

конце

сгорания

к

мольному

количеству

до

сгорания

называется

расчётным

или

действительным

коэффициентом

молекулярного

или

= =

′ ++

изменения:

=

+

.

(9)

Для дизелей

изменяется в

пределах 1,02 ÷ 1,05.

1 +

′

= ′

( )

со

При термодинамическом рассмотрении процесса сгорания

смешанным

подводом

теплоты кривую

изменения давления

в

расчётном

цикле

условно

заменяют

изохорой

и

изобарой

(см.

рис.52,54,58).

Участок

процесса сгорания

от точки

(условное начало

сгорания) до

точки

(условный конец

сгорания)

называется периодом

смесеобразования часть топлива не сгорает на участке

и догорает на

линии

расширения

(см.

рис.4 и

7). В результате′

за расчётный

теоретический период сгорания (участок

) из 1 кг топлива выделяется

меньше

теплоты, чем

низшей

теплоты

сгорания′

. Кроме того, не вся

этих факторов осуществляется с помощью коэффициента

использования

теплоты при сгорании:

=

′

,

(10)

где

– теплота, используемая на увеличение внутренней энергии газа и

совершение′

внешней работы на участке видимого сгорания (

), Дж/кг.

Коэффициент зависит от конструктивных особенностей′

двигателя

на

оказывает процесс догорания

на линии

расширения, которому

СЕВМАШВТУЗспособствует увеличение быстроходности, ухудшение смесеобразования,

тихоходных дизелей = 0,85 ÷ 0,95, для быстроходных –

= 0,65 ÷ 0,85.

уменьшение скорости сгорания и

некоторые

другие

факторы. Для

СЕВМАШВТУЗ

внутренней энергии и совершение внешней работы:

Здесь индекс

определяет

точки начала и конца процесса сгорания (см.

′

= ∆

+

.

,

(11)

а работу

∆

=

−

=

−

(12)

рис.58). Изменение внутренней энергии на участке будет

расширения газов, образующихся при сгорании 1 кг топлива,

применительно к циклу со смешанным подводом теплоты можно найти по

где

и

– =

=

(

−

) =

−

.

(13)

формуле

; Дж/(кг ∙ К)

принять

=

средние изохорные мольные теплоёмкости газов в начале и

конце

процесса

сгорания,

=

∙

=

; с достаточной

точностью

можно

и

8314 ∙

;

(14)

– абсолютные давления газов, МПа:

,

С,

=

8314 ∙

;

3

.

(15)

– объёмы газов в точках расчётного цикла, м ;

);

=

−

= 8314 ∙ (

−

учётом (10), (14), (15) запишем (13) ÷ (11) в виде:

=

+

∆

=

(

−

);

,

(16)

Разделив

=

+ 8314 ∙

− 8314 ∙

правую и левую части уравнения (16) на

и используя формулу

Майера

+ 8314 =

,

получим уравнение сгорания:

(

+ 8314 ∙ )

+

=

.

(17)

В цикле с изохорным подводом теплоты внешняя работа за период сгорания

или

+

=

равна нулю, следовательно,

СЕВМАШВТУЗ

+

=

.

При изобарном подводе теплоты (

= 1) уравнение (17) примет вид:

виду= 20,77 ∙ 10

+ 2,77 ∙

+

=

.

= 29,08 ∙ 10

+ 2,77 ∙

теплоёмкостей газов

Уравнение (17)

после подстановки в

него

значений

и

=

+

,

− = 0

(18)

можно привести к

полного квадратного уравнения

или

Из которого можно определить

температуру в конце процесса сгорания.

+

В формуле (18)

– коэффициенты уравнения сгорания. Это

уравнение удобно решать, ,

методом

последовательных приближений,

задаваясь произвольно выбранными значениями

(обычно

достаточно

двух-трёх приближений). При определении

для

цикла

смешанного

сгорания предварительно оценивают значение степени повышения давления

по допустимому для данного типа двигателя давлению в конце сгорания

[см. формулу (14)].

Ориентировочные значения параметров:

•

для МОД

= 1,10 ÷ 1,35,

= 6 ÷ 9 МПа,

= 1700 ÷ 1800 К;

•

для СОД

= 1,35 ÷ 1,55,

= 8 ÷ 14 МПа,

= 1800 ÷ 1900 К;

•

для ВОД

= 1,35 ÷ 1,55,

= 10 ÷ 15 МПа,

= 1900 ÷ 2000 К;