Главная | Обратная связь

Теоретическая часть

 

на процесс наполнения влияют следующие факторы:

l аэродинамические потери во впускном тракте, впускных клапанах и продувочных окнах. Из-за этого давление в рабочем цилиндре в начале сжатия оказывается ниже давления воздуха во впускном ресивере, понижается плотность воздушного заряда в цилиндре;

l подогрев воздуха от соприкосновения со стенками цилиндра, днищем поршня, клапанами или продувочными окнами. Это приводит к дополнительному понижению плотности заряда и уменьшению количества воздуха в цилиндре по сравнению с теоретическим возможным;

l неполная очистка цилиндра от продуктов сгорания. При любой конструкции газораспределительных органов к началу сжатия в цилиндре всегда остаются остаточные газы, занимающие часть объема цилиндра, препятствуя тем самым большему наполнению его воздухом;

l подогрев воздуха в результате перемешивания с остаточными газами. Температура остаточных газов выше температуры воздуха, поэтому при перемешивании с газами его температура дополнительно повышается, соответственно еще более понижается плотность и уменьшается количество воздуха в составе свежего заряда.

 

Порядок выполнения работы:

 

В результате влияния указанных факторов действительное количество воздуха, оставшееся в цилиндре дизеля к началу сжатия при параметрах окружающей среды, оказывается меньше того теоретического количества воздуха, которое могло бы поместиться в рабочем объеме цилиндра. При этом, чем меньше воздуха содержится в цилиндре, тем меньше топлива в нем может сгореть, тем ниже будет мощность цилиндра.

Для оценки степени наполнения цилиндра свежим зарядом пользуются коэффициентом наполнения η_н. Коэффициентом наполнения называют отношение действительного количества поступившего в цилиндр заряда к тому количеству, которое могло бы поместиться в рабочем объеме Vs при параметрах заряда перед двигателем: Ро, То или Рк, Тк (в двигателях с наддувом).

Коэффициент наполнения можно выразить в виде объемного, массового или мольного отношений

(15.2)

 

где Vd, Gd, Md — действительное количество свежего заряда, поступившего в цилиндр, соответственно м³, кг, к моль;

Vs, Go, Mo — теоретическое количество свежего заряда, которое может поместиться в объеме Vs при параметрах Ро, То или Рн, Тн соответственно м³, кг, к моль.

Качество очистки цилиндра от продуктов сгорания предыдущего цикла оценивается коэффициентом остаточных газов γч, под которым понимается отношение числа молей остаточных газов Мч к числу молей свежего заряда Md, поступившего в цилиндр двигателя, то есть

с учетом сказанного количество молей смеси в конце наполнения (точка «а» на рис.15.5) будет

 

Ма = Мd + Мч = Мd(1 + γч).

 

Рис. 15.5. Диаграмма впуска и выпуска четырехтактного двигателя

 

 

 

Запишем уравнение состояния для точки «а»

 

РаVа = 8314МаТа,

 

где Ра, Vа, Та — давление, объем и температура смеси в точке «а».

Для параметров заряда перед двигателем (Ро, То) имеем РоVd = 8314МdТo, так как Vd = ηн Vs, то Ро ηн Vs = 8314МdТo, где 8314 — газовая постоянная Дж/кг ºС.

Из уравнения состояния следует

 

 

 

подставим эти значения в уравнение (15.2) и, решив его относительно ηн, найдем

 

 

Отношение объемов Va и Vs можно выразить через степень сжатия

 

 

Тогда окончательно получим

 

(15.3)

 

В двигателях с наддувом коэффициент наполнения определяют по отношению к параметрам заряда перед двигателем (Рк; Тк)

 

(15.4)

 

из формул 15.3 и 15.4 видно, что коэффициент наполнения зависит от параметров Ра и Та и коэффициента остаточных газов γч. влияние степени сжатия на ηн незначительно.

Значение Ра зависит от сопротивлений впускной системы и скорости движения свежего заряда, вследствие чего все переходы и закругления впускной системы делают плавными, а проходные сечения продувочных окон и клапанов выбирают из расчета минимально допустимой скорости движения свежего заряда.

Для двигателей без наддува Ра = (0,85 ÷ 0,9)Ро, для двигателей с наддувом Ра = (0,9 ÷ 0,96) Рк. Коэффициент наполнения имеет следующие значения: у четырехтактных двигателей ηн = 0,8 ÷ 0,9. При эксплуатации двигателей ηн может может понижаться из-за нагара и загрязнений во всасывающем и выпускном трактах, поэтому необходимо систематически их очищать, а также промывать воздушные фильтры.

Коэффициент остаточных газов. Известно уже, что общее выражение коэффициента остаточных газов имеет вид

 

 

из характеристического уравнения состояния газа находим для четырехтактных двигателей

 

 

 

откуда

 

Разделив числитель и знаменатель на Vc, получим

 

Чем больше коэффициент остаточных газов, тем меньше будет наполнение цилиндра. С увеличением степени сжатия и температуры остаточных газов коэффициент γч уменьшается. У четырехтактных двигателей без наддува γч = 0,03 ÷ 0,06, у двигателей с наддувом γч = 0,01 ÷ 0,03.

Свежий заряд, поступающий в цилиндр с параметрами Ро и То, соприкасается с нагретыми частями (всасывающим патрубком, клапанами, днищем поршня, стенками цилиндра). Поэтому температура заряда в начале наполнения То' = То + ΔТ, где ΔТ — величина подогрева заряда от горячих стенок рабочего цилиндра. Кроме того, между поступающим свежим зарядом и остаточными газами в цилиндре происходит теплообмен. Составим тепловой баланс этого теплообмена на линии наполнения от точки «ч» до точки «а» (рис.15.5). Свежий заряд в количестве Мd нагревается от температуры То' до температуры Та, получая теплоту остаточных газов; остаточные газы в количестве Мч, одновременно теряют теплоту, охлаждаются от температуры Тч до температуры Та. Приравняв количество теплоты, отданное остаточными газами к количеству теплоты, полученному свежим зарядом, можно написать

 

MdCμ'(Ta-To') = MчCμ''(Tч-Ta)

 

где Cμ' — мольная теплоемкость свежего заряда;

Cμ'' — мольная теплоемкость остаточных газов.

При допущении Cμ' = Cμ'' получим Мd(Та-То') = Мч(Тч-Та)

После преобразования (Мd + Мч)Та = МdТо' + МчТч

 

 

Разделив почленно числитель и знаменатель на Мd и помня, что Мч/Мd = γч, получим

 

 

Температуру Тч можно принять 600-900К. Ошибка в оценке Тч мало влияет на величину Та, так как должна быть умножена на малую величину γч.

Расчетное значение температуры Та для номинального режима четырехтактных двигателей составляет 300-340К.

Давление конца выпуска Рч зависит в основном от сопротивления в выпускном тракте и равно 0,108-0,120 Мпа.

 

Процесс сжатия

Основное назначение процесса сжатия — повышение давления и температуры заряда для обеспечения надежного самовоспламенения впрыскиваемого топлива на всех режимах работы дизеля.

Сжатие в реальном двигателе представляет собой сложный процесс, протекающий в отличие от идеального цикла не по адиабате, а политропно, то есть с теплообменном. Показатель политропы сжатия n₁ является переменным.

В начале сжатия температура заряда ниже, чем температура стенки цилиндра, поэтому происходит теплоотдача от нагретых деталей к рабочему телу, и кривая сжатия пойдет выше адиабаты (рис.15.6).

 

В некоторый момент в точке «е» кривая действительного процесса пересекается с адиабатой. В этой точке показатель политропы сжатия «n₁» равен показателю адиабаты «к₁» с дальнейшим повышением температуры газа при сжатии теплота начнет переходить от рабочего тела к стенке, следствие этого действительная кривая сжатия пойдет ниже адиабаты.

При пуске холодного двигателя, вследствие интенсивного отвода теплоты от сжимаемого воздуха в холодные стенки, показатель политропы может снижаться, при котором процесс сжатия приближается к изотермическому. В результате этого снижается Рс и Тс и затрудняется запуск двигателя.

Для определения параметров газа в конце сжатия воспользуемся уравнением политропы сжатия, из которого будем иметь РсVcⁿ¹ = PaVaⁿ¹ откуда Pc = Pa(Va/Vc)ⁿ¹ Va/Vc = E Pc = PaEⁿ¹ (15.5).

Температура конца сжатия определится из уравнений состояния газа в точках «а» и «с»

РаVa = 8314М₁Та и РсVc = 8314М₁Тс.

Разделив второе уравнение на первое и решив выражение относительно Тс получим

 

 

или

 

(15.6)

 

Как видно из формул 15.5 и 15.6, давление и температура в конце сжатия зависят от степени сжатия «Е», показателя политропы сжатия «n₁», начальных значений давления и температуры газа.

Для дизелей необходимо, чтобы температура конца сжатия Тс обеспечивала воспламенение впрыснутого топлива. Этим требованием определяется минимальная степень сжатия, однако для надежного запуска, а также устойчивой работы на малых нагрузках и при низкой температуре окружающей среды степень сжатия выбирают несколько выше.

При значительном прорыве газов в картер двигателя уменьшается количество рабочего тела при сжатии, что отрицательно отражается на процессе и сильно ухудшает пусковые свойства двигателя.

При снижении температуры охлаждающей воды понижается температура стенки цилиндра, потери теплоты в стенки увеличивается и n₁, Рс и Тс уменьшаются. Поэтому, чтобы избежать больших потерь теплоты в стенки и в охлаждающую среду, а также в силу ряда других причин, рекомендуется поддерживать температуру воды в зарубашечном пространстве двигателя по возможности более высокой, до 65-75ºС.

 

Содержание отчета:

1. Тема и цель лабораторной работы (экскурсии).

2. Материальное обеспечение.

3. Отчет об экскурсии.

Заключительный контроль:

1. Основные характерные отличия рабочих циклов от идеальных.
2. Какие факторы влияют на наполнение процесса?
3. Дать определение коэффициента наполнения.
4. Определение коэффициента остаточных газов.
5. Дать формулу значения «Ра».
6. Значение по формуле «Та».
7. Основное назначение процесса сжатия.
8. Значение по формуле «Рс».
9. Значение по формуле «Тс».
10. Каково должно быть самое минимальное значение «Тс»?
11. Числовые значения температуры воды.

 

Литература:

1. Методические указания к выполнению лабораторных и практических работ по дисциплине «Судовые энергетические установки и их эксплуатация», 1985.
2. Миклос А.Г., Чернявская Н.Г., Червяков С.П. Судовые двигатели внутреннего сгорания, 1986.