<< < предыдущая 1 2 3 4 5 6 7 / 18 7 8 9 10 11 12 13 14 следующая > >>

Основные параметры процесса наполнения

Дата: 2025-04-30; Просмотры: 2

Оценка:

0.00 из 5.00 — оценок

Скачиваний: 0

Основные параметры, характеризующие процесс наполнения, – давление и температура заряда в начале сжатия Р_а, Т_а. Их принимают в качестве исходных для расчета давления и температуры заряда в процессе сжатия. При выполнении теплового расчета методом Гриневецкого-Мазинга P_а определяют ориентировочно на основании экспериментальных данных о соотношениях между давлением рабочей смеси в конце наполнения и давлением воздуха перед впускными органами: , где Р_s – давление наддува.

Судовые ДВС имеют следующие значения отношения давления заряда в начале сжатия к давлению наддува:

4- тактные без наддува (тихоходные): = (0,85¸0,95);

4- тактные без наддува быстроходные: = (0,80¸0,90);

4- тактные с надддувом: = (0,85¸1,1);

2- тактные с прямоточно-клапанной продувкой: = (0,9¸1,1);

2- тактные с контурной продувкой: = (0,85¸1,05).

Температуру заряда в начале сжатия определяют из теплового баланса заряда в начале сжатия и допущения о равенстве теплоемкостей компонентов заряда.

Принимая ;

, разделив обе части уравнения на , получим

; , (34)

DТ – подогрев воздуха от стенок цилиндра.

DТ = 5 - 10 ^°С у 2- тактных, DТ = 5-20 ^°С у 4- тактных двигателей,

Т_r = 700 - 800 К.

Так как g_r мало, Т_r относительно мало влияет на Т_а.

Коэффициент наполнения судовых ДВС имеет следующие значения:

h_н

4- тактные без наддува тихоходные 0,80¸0,90;

4- тактные без наддува быстроходные 0,75¸0,85;

4- тактные с наддувом 0,85¸0,95;

2- тактные (к полному ходу поршня) 0,65¸0,85.

23 вопрос Процесс сжатия

3.2. Процесс сжатия

В процессе сжатия достигается температура, достаточная для самовоспламенения топлива. Происходит процесс при движении поршня от НМТ к ВМТ после закрытия органов газообмена (клапанов, окон). Параметры, характеризующие процесс сжатия: показатель политропы сжатия n₁, P_с, T_с, e.

При отсутствии утечек воздуха и теплообмена процесс сжатия проходил бы по линии ас¹ (рис. 17), согласно уравнению , где k₁ – показатель адиабаты сжатия. Но сжатие – сложный процесс, зависит от теплообмена между воздухом и стенками переменного по величине и знаку. В начале сжатия идет подогрев воздуха – >k₁. В точке 1 температура воздуха становится равной средней температуре стенок, = k_1. При дальнейшем сжатии температура воздуха становится больше температуры стенок <k₁.

В результате давление конца сжатия (точка с) действительного процесса меньше давления конца сжатия адиабатного процесса (точка с¹). Около ВМТ n₁, оставаясь ниже k₁, несколько увеличивается, т.к. в конце сжатия уменьшается поверхность охлаждения, заряд соприкасается с более нагретыми деталями, что уменьшает теплоотдачу в стенки, а также начинается тепловыделение от сгорания.

Рис. 17. Схема процесса сжатия

Утечка воздуха через неплотности колец невелика и незначительно снижает Р_с и Т_с, поэтому ее, как правило, не учитывают. В расчетах полагают, что процесс происходит по политропе с условным средним показателем n₁, который выбирают так, чтобы получалась такая же работа при сжатии, что и при истинном переменном показателе. Из опыта: МОД с охлаждаемыми поршнями n₁ = 1,34-1,38, СОД и ВОД n₁ = 1,38-1,42.

Средний показатель политропы сжатия можно определить по уравнению политропы и индикаторной диаграмме:

; . (35)

При проектировании ДВС средний показатель политропы сжатия получают из уравнения баланса теплоты за процесс сжатия. При этом принимают допущение, предложенное Мазингом: количество теплоты, сообщенное воздуху в процессе, равно нулю, т.е. процесс сжатия рассматривается как псевдоадиабатический. При этом средний показатель политропы будет равен показателю кажущейся адиабаты. Уравнение первого закона термодинамики:

, (36)

где – количество теплоты, подведенное воздуху в процессе сжатия в результате теплообмена со стенками цилиндра, = 0 по допущению;

– изменение внутренней энергии рабочей смеси в процессе сжатия; – количество теплоты, эквивалентное абсолютной работе политропного сжатия на участке ас:

; (37)

; (38)

где – постоянные коэффициенты.

Учитывая , получим . (39)

Это уравнение решают методом последовательных приближений, задаваясь n₁ = 1,34÷1,42 и добиваясь тождества после решения. Р_с и Т_с определяют из уравнения политропы сжатия:

; ; . (40)

У современных ДВС: Р_с МПа Т_сК

без наддува 3,5÷5 700÷900

с наддувом 4,0÷11,0 850÷1100.

24 вопрос Процесс сгорания

3.3. Процесс сгорания

Сгорание топлива – основной процесс расчетного цикла. Методика расчета основана на предположении, что действительный характер изменения давления в цилиндре условно заменяется изохорным су и изобарным уz (процессами подвода теплоты).

Сгорание сопровождается неизбежными потерями теплоты на неполноту сгорания Q_нс, диссоциацию продуктов сгорания Q_дис. и теплообмен со стенками цилиндра Q_w. Q_нс обусловлена тем, что часть топлива не успевает сгореть на участке суz, и газы содержат некоторое количество продуктов неполного сгорания. На кривой расширения происходит догорание топлива. Диссоциация продуктов сгорания т.е. расщепление молекул некоторых соединений, сопровождающееся поглощением теплоты и понижением температуры конца сгорания, наблюдается при высокой температуре (выше 2000 К). Теплота, затраченная на расщепление, не полностью потеряна, т.к. при снижении температуры может происходить восстановление распавшихся молекул. Но эффективность ее использования низкая, так как теплота подводится при более низкой температуре, по сравнению с температурой расщепления.

Оценку количества выделившейся теплоты производят по коэффициенту выделения теплоты, который представляет собой долю теплоты сгорания, выделившуюся к рассматриваемому моменту рабочего процесса, и учитывает потери от неполноты сгорания и на диссоциацию.

. (41)

Долю теплоты сгорания, которая используется на повышение внутренней энергии рабочего тела и совершение работы до рассматриваемого момента рабочего процесса, оценивают коэффициентом использования теплоты, который дополнительно учитывает потери на теплообмен со стенками цилиндра:

. (42)

Характер изменения этих коэффициентов показан на (рис. 18).

Рис. 18. Схема процессов сгорания и расширения. Изменение коэффициентов выделения и использования теплоты

В расчетах рабочих процессов применяют значения коэффициента использования теплоты, соответствующие точкам z и в расчетного цикла x_z, x_в, зависящие от совершенства процесса сгорания и потерь теплоты. Согласно опытным данным, у МОД и СОД x_z = 0,75¸0,85; x_в= 0,85¸0,95; у ВОД

x_z= 0,7¸0,8; x_в = 0,85¸0,9, у длиноходовых x_z = 0,92¸0,97; x_в= 0,95¸0,96.

25 вопрос 3.4. Процесс расширения

3.4. Процесс расширения

В расчетном цикле считают, что процесс расширения начинается в конце видимого сгорания в точке z. В действительном цикле расширение заканчивается в момент открытия выпускных окон или клапанов. В расчетном цикле конец расширения относят к точке «в», расположенной в НМТ у четырехтактных двигателей и на уровне верхней кромки выпускных окон – у двухтактных. На процесс расширения влияют теплообмен, догорание, утечка газов через неплотности колец, восстановление некоторого количества продуктов диссоциации, возникающих при сгорании. Эти факторы изменяют показатель политропы расширения (рис. 19).

Рис. 19. Схема процесса расширения

В первой части из-за подвода теплоты от догорания и восстановления продуктов диссоциации

. Затем догорание уменьшается, теплообмен увеличивается вследствие большой площади теплообмена. Показатель политропы расширения возрастает. В связи с трудностью учета всех факторов для определения параметров газов используют политропу с усредненным показателем n₂, постоянным за процесс и дающим такую же работу, как и при действительном расширении с переменным показателем политропы.

Среднее значение показателя политропы определяют из уравнения первого закона термодинамики

, (56)

Изменение внутренней энергии рабочего тела в процессе расширения

, но ; и ; (57)

; (58)

. (59)

Подставив эти выражения в уравнение первого закона термодинамики, учитывая, что

, получим

. (60)

Это уравнение решают методом последовательных приближений. Показатель политропы расширения n₂ в первом приближении принимают характерным для данного типа ДВС. n₂=1,2÷1,3 для МОД и СОД с охлаждаемыми поршнями; n₂ = 1,1÷1,25 для ВОД с неохлаждаемыми поршнями.

Давление и температуру газа в точке «в» находят по известным формулам политропного процесса:

; ;

; ; . (61)

Судовые ДВС имеют следующие давление и температуру в точке «в»:

МОД СОД ВОД

Р_в МПа 0,25-0,85 0,3-0,9 0,4-0,95

T_в К 900-1000 1000-1100 1100-1200

26 вопрос

27 вопрос Периоды процесса сгорания

6.2. Периоды процесса сгорания

При анализе процесса сгорания по развернутой диаграмме весь процесс условно разбивают на 4 периода (рис. 36).

Рис. 36. Диаграмма изменения параметров рабочего процесса

1период – задержки самовоспламенения. От начала поступления топлива до момента отрыва кривой от политропы сжатия (точка с), условно принимаемого за начало самовоспламенения топлива. Время, соответствующее периоду задержки самовоспламенения в секунду t_i = j_i/6n , где n обороты в минуту, j угол поворота коленчатого вала.

Период задержки самовоспламенения и порция топлива g_i, которая впрыскивается в цилиндр за этот период, оказывают существенное влияние на характер протекания сгорания.

2 период – начального горения. От начала самовоспламенения (точки с) до момента P_z. Характеризуется взрывообразным воспламенением и сгоранием паров топлива, впрыскнутого и испарившегося, в основном, за период задержки самовоспламенения. Сгорание происходит с высокой скоростью тепловыделения и резким нарастанием давления при продолжающемся впрыскивании топлива и повышении его концентрации в смеси. Интенсивность роста давления характеризует жесткость рабочего процесса.

3 период – основного горения, соответствует участку от момента достижения P_z до момента T_z, характеризуется наиболее интенсивным протеканием процесса сгорания по всему объему камеры сгорания, при высокой скорости тепловыделения.

В течение этого периода обычно заканчивается впрыскивание топлива, причем топливо попадает в среду с высоким давлением и высокой температурой и сгорает с небольшой задержкой от поступления в цилиндр. Повышается концентрация продуктов неполного сгорания. Изменение давления зависит от соотношения между характеристикой впрыскивания и увеличением объема цилиндра. От продолжительности этого периода, а также давления в цилиндре существенно зависит индикаторная работа.

4-й период – это период догорания топлива. Момент конца сгорания топлива определяют по углу поворота кривошипа, при котором достигается нулевая скорость тепловыделения

Период догорания у ВОД распространяется иногда до конца расширения (момента выпуска). Догорание топлива на линии расширения не желательно. Вызывает повышение теплонапряженности деталей ЦПГ, увеличение тепловых потерь, снижение экономичности ДВС. Сокращению периода догорания способствуют: увеличение коэффициента a, увеличение угла опережения впрыска, уменьшение продолжительности впрыска, уменьшение частоты вращения, увеличение Р_си Т_с, улучшение распыливания и смесеобразования. Для тяжелого топлива – оптимальная температура его подогрева и обеспечение оптимальной вязкости.

Для увеличения к.п.д. общая продолжительность сгорания топлива должна быть минимальной. Анализ динамики тепловыделения дизелей показывает, что период от начала самовоспламенения до момента достижения максимального давления в цилиндре Р_z составляет 12÷20° ПКВ, а до момента достижения температуры T_z - 18÷-38° углаповорота коленчатого вала. Общая продолжительность процесса сгорания топлива у большинства современных дизелей не превышает 60÷80° угла поворота коленчатого вала.

28 вопрос тепло передача

7.1. Теплообмен газов со стенками цилиндра

Общий сложный процесс передачи тепла в цилиндре можно условно разделить на три последовательно протекающие фазы: теплоотдачу от горячих газов к стенке, теплопроводность через стенку и теплоотдачу от стенок охлаждающей среде.

Теплоотдача от газов к стенке происходит конвекцией и излучением. Используя законы Ньютона и Стефана-Больцмана, находим

, (109)

где C – коэффициент лучеиспускания;

α_г – коэффициент теплоотдачи от газов к стенке цилиндра;

τ – продолжительность времени теплообмена;

Т_г, Т₁ – температуры газов и стенки соответственно.

Доля тепла, передаваемая излучением, составляет 12¸18 %, но ею часто в ориентировочных расчетах пренебрегают.

Количество теплоты, передаваемой при установившемся тепловом потоке через плоскую стенку, можно определить из закона Фурье:

, (110)

где l - коэффициент теплопроводности материала стенки.

Теплоотдача от стенки к воде:

, (111)

где α_в - коэффициент теплоотдачи от стенки к воде;

Т_в – температура охлаждающей воды.

При нормальной работе с постоянной нагрузкой тепловые потоки равны . Можно считать ,

тогда: ; ; . (112)

Суммируем эти уравнения:

; . (113)

Температуры на разных сторонах стенки цилиндра Т₁и Т₂ можно определить следующим образом: суммируем 2 последних уравнения из уравнений (112)

; . (114)

Термическое сопротивление теплопередаче от внутренней поверхности к воде обозначим , (115)

и подставив уравнение (114) в первое уравнение из уравнений (112) получим:

; отсюда

. (116)

Мгновенную температуру наружной поверхности Т₂ можно определить, зная Т₁ и Q.

. (117)

В установившихся режимах температурные колебания на поверхности стенки незначительны, ими в расчетах пренебрегают, используя средние значения температур:

; (118)

. (119)

и - определяют планиметрированием площадей под кривыми:

и , (120)

(121)

Температуру Т₁ и Т₂ можно найти также графически при известных Т_г и Т_в. Строим в любом масштабе стенку толщиной δ (рис. 41).

Рис. 41. Схема теплопередачи через плоскую стенку

В этом же масштабе отложим в одну сторону значения а в другую - . Из крайних точек по вертикали в произвольном масштабе отложим Т_г и Т_в и соединим их прямой.

Мгновенные значения температуры Т_г можно найти из уравнения , где и определяют из индикаторной диаграммы – на линии сжатия, - на линии сгорания и расширения. b – коэффициент молекулярного изменения. Так как , температуру можно определить графически по индикаторной диаграмме (рис. 42).

Рис. 42. Построение диаграммы температуры газа в цилиндре.

На чертеже определяют масштаб температуры так, чтобы Т_с совпала с Р_с , а объем V_c – с произведением GR (это определяет масштаб оси V). Из произвольной точки m опускаем перпендикуляр на вертикаль V_c = GR и горизонтальную ось V. Из центра координат проводим луч через точку n до пересчения со вторым перпендикуляром.

29 вопрос Результирующая температура

7.2. Результирующая температура

При расчетах стационарных тепловых потоков не пользуются переменными значениями a_г и Т_г, а приводят их к постоянным значениям исходя из условия равенства теплоты, передаваемой за цикл при переменном и установившемся тепловом потоке, т.е.

, (122)

где Т_гр – результирующая по теплоотдаче температура газа.

Под результирующей температурой по теплопередаче Т_гр имеется в в виду такая температура (условная) газов в цилиндре, при которой, если бы она сохранялась постоянной за цикл, в охлаждаемую среду передавалось бы такое же количество тепла, какое передается при действительном характере изменения температуры:

, (123)