Курс лекции по ЭУТТ.. Вахламов. Лекции по дисциплине Энергетические установки транспортной техники для бакалавров высших учебных заведений, обучающихся по специальности

• Название: Лекции по дисциплине Энергетические установки транспортной техники для бакалавров высших учебных заведений, обучающихся по специальности
• Анкор: Курс лекции по ЭУТТ.. Вахламов.doc
• Дата: 03.02.2017
• Размер: 5.99 Mb.
• Имя файла: Курс лекции по ЭУТТ.. Вахламов.doc
• Тип: Лекции; #2019
• страница: 2 из 20

Такт выпуска осуществляется во время движения поршня от НМТ (φ= 540°) к ВМТ (φ = 720°), в ходе которого продукты сгорания выталкиваются из цилиндра при небольшом избыточ­ном давлении = (1,05... 1,2). На индикаторной диаграмме дан­ному такту соответствует кривая br.

В конце такта выпуска в точке а', когда поршень еще не дошел до ВМТ, начинает открываться впускной клапан.

Рабочие процессы четырехтактного дизеля. В термодинамике данный цикл моделируется циклом Сабатэ—Тринклера, в кото­ром полагают, что теплота подводится в процессах при V= сопst в ВМТ и при р = сonst после ВМТ.

Дизель — двигатель с воспламенением от сжатия, внутренним смесеобразованием и качественным регулированием мощности. Она регулируется путем впрыскивания различного количество топли­ва в неизменное количество воздушного заряда, что практически не влияет на общий объем топливовоздушной смеси, но резко изменяет ее состав (α от 1,3 до 5). В дизеле свежий заряд — воздух. Для полного сжигания 1 кг дизельного топлива требуется кисло­род, содержащийся в 14,5 кг воздуха. Чтобы обеспечить надежное самовоспламенение смеси, степень сжатия в дизелях принимает­ся большей, чем в двигателях с искровым зажиганием: ε = 14... 23.

Проанализируем особенности протекания процессов, форми­рующих рабочий цикл дизеля (рис. 1.3), и сравним с характером протекания аналогичных процессов в двигателе с искровым за­жиганием.

Такт впуска. Гидравлические потери во впускной системе ди­зеля меньше, чем в двигателе с искровым зажиганием, из-за от­сутствия дроссельной заслонки.

Они не меняются при изменении нагрузки на двигатель. Нет отвода теплоты от свежего заряда на до испарение топлива. Поэтому давление в точке а в дизеле боль­ше, чем в двигателе с искровым зажиганием.

Так как в дизеле степень сжатия больше, то к свежему заряду подмешивается относительно меньшее количество отработавших газов, температура которых меньше, чем у двигателя с искровым зажиганием. Поэтому температура в дизеле несколько ниже.



Рис. 1.3. Схема дизеля и его индикаторная диаграмма:

1 — кривошипно-шатунный механизм; высокого давления; 2 — редуктор; 3 — топливный насос; 4 — форсунка; 5 — механизм газораспределения
Такт сжатия. Из-за большей степени сжатия параметры рабо­чего тела в точке с у дизеля выше, чем в двигателе с искровым зажиганием.

Топливо впрыскивается в камеру сгорания в конце такта сжа­тия. Угол поворота коленчатого вала от момента начала впрыски­вания топлива (точка f) до прихода поршня в ВМТ, называется углом опережения впрыскивания . Процесс сгорания начинается до ВМТ, а давление в цилиндре превышает давление сжатия .

Такт расширения. В отличие от двигателя с искровым зажиганием в дизеле подготовка топливовоздушной смеси происходит за существенно меньший интервал времени. Значительная часть топ­лива впрыскивается в цилиндр непосредственно в процессе сго­рания. Поэтому в дизеле при положении поршня около ВМТ сго­рает меньшая доля топлива, чем в бензиновом двигателе. Часть подаваемого топлива сгорает после ВМТ. Более низкие значения являются следствием большего значения коэффициента избыт­ка воздуха в дизеле.

Параметры рабочего тела в конце такта расширения в точке b ниже, чем в двигателе с искровым зажиганием, из-за более высо­кой степени сжатия и, следовательно, большей степени расши­рения продуктов сгорания.

Такт выпуска. Параметры рабочего тела в точке r в дизеле так­же ниже, чем в двигателе с искровым зажиганием, что обуслов­лено более низкой температурой в конце такта расширения .

3. Современное состояние и перспективы развития различных энергетических установок.

Мощность двигателя можно повышать экстенсивно, увеличи­вая рабочий объем цилиндра или число цилиндров i, однако при этом возрастают габаритные размеры и масса двигателя.

Ме­роприятия по интенсивному повышению мощности оценивают литровой мощностью , которая представляет собой отношение номинальной эффективной мощности к рабочему объему двигателя:



—мощность, получаемая с единицы рабочего объема. При заданной номинальной мощности большая литровая мощность обеспечивает снижение рабочего объема и, следовательно, умень­шение габаритных размеров и массы двигателя.

Комплекс технических мероприятий, направленных на повы­шение литровой мощности, называют форсированием двигателя.

Из определения , следует, что принципиально возможно форсировать ДВС тремя способами: увеличением номинальной частоты вращения или среднего эффективного давления , переходом с четырехтактного рабочего процесса на двухтактный.

Увеличение путем повышения номинальной частоты враще­ния широко применяется в двигателях с искровым зажигани­ем. В дизелях такое повышение затруднено из-за сравнительно боль­шой массы подвижных элементов кривошипно-шатунного меха­низма, больших механических нагрузок, трудностей с организа­цией процессов смесеобразования и сгорания при малом време­ни, отводимом на их реализацию. Кроме того, при повышении частоты вращения возрастают внутренние потери и ухудшается экономичность двигателя.

Номинальная частота вращения современных двигателей с ис­кровым зажиганием достигает 6500 мин^-1, дизелей грузовых автомо­билей — 2600 мин^-1, а дизелей легковых автомобилей — 5500 мин^-1. Это предопределяет большую литровую мощность двигателей с искровым зажиганием (в 2...3 раза по сравнению с дизелями без наддува).

Теоретически переход с четырехтактного рабочего цикла на двух­тактный должен повысить литровую мощность в два раза. Однако реально увеличивается в 1,5... 1,7 раза. Это связано с тем, что часть рабочего объема двигателя используется на организацию процессов газообмена (в нижней части цилиндра расположены окна для газообмена), снижается качество очистки и наполнения цилиндров, часть горючей смеси теряется в период их продувки, а также требуются дополнительные затраты энергии на привод продувочного насоса. Поэтому у двухтактных двигателей эконо­мические показатели хуже, чем у четырехтактных.

Кроме того, двухтактный двигатель имеет большую тепловую напряженность элементов, формирующих камеру сгорания, из-за того, что количество теплоты, подводимой в единицу времени, в нем в два раза больше, чем у четырехтактного.

Форсирование двигателей возможно по среднему эффективному давлению . Для этого необходимо увеличить цикловую подачу топлива и количество воздуха, подаваемого в цилиндр под давле­нием за счет повышения его плотности. Такой способ повышения называется наддувом.

Различают четыре основные типы наддува: динамический (резо­нансный), наддув от приводного компрессора, газотурбинный и комбинированный.

Наддув с механическим приводом компрессора от коленчатого вала (рис. 1.4, а) позволяет хорошо согласовать работу компрессора с тяговыми характеристиками двигателя. Он обычно используется для кратковременного повышения мощности ДВС за счет невысо­кой степени наддува. Однако применение такого наддува вызыва­ет существенное снижение экономичности двигателя, что обус­ловлено затратами энергии на привод компрессора.



Рис. 1.4. Схемы наддува двигателя: а — с приводным компрессором; б — с газотурбинным наддувом; 1 — компрес­сор; 2 — турбина
Газотурбинный наддув (рис. 1.4, б) получил наиболее широкое распространение в современных двигателях. Для привода центро­бежного компрессора 1 используется часть энергии отработавших газов, поступающих на лопатки газовой турбины 2. Агрегат, объ­единяющий газовую турбину и компрессор, называют турбоком­прессором.

При газотурбинном наддуве возможны два способа использо­вания энергии отработавших газов: при постоянном давлении пе­ред турбиной — отработавшие газы поступают в ресивер, а затем при постоянном давлении подаются на турбину; импульсный над­дув — отработавшие газы подаются непосредственно на турбину. В этом случае используется не только потенциальная, но и кине­тическая энергия газов.

Импульсный наддув наиболее эффективен при малых значениях дав­ления наддува (<0,15 МПа), когда энергия импульса оказывается значительно больше среднего значения давления. При больших значе­ниях эффект от применения импульсного наддува уменьшается, а при>0,4 МПа— практически отсутствует.

При газотурбинном наддуве механическая связь агрегата над­дува с коленчатым валом двигателя отсутствует, поэтому могут существенно ухудшиться тяговые характеристики и приемистость двигателя из-за инерционности турбинного колеса. В связи со сни­жением энергии отработавших газов на малых нагрузках в начале разгона может не обеспечиваться подача в цилиндр требуемого количества свежего заряда.

Эти недостатки могут быть устранены путем использования комбинированного наддува — последователь­ной комбинации наддува с приводным компрессором и газотур­бинного наддува.

Динамический (резонансный) наддув предполагает использование колебательных явлений в системе впуска и выпуска, возникаю­щих в результате циклического повторения процессов газообмена в цилиндре. Принцип его заключается в создании зоны сжатия свежего заряда перед впускным клапаном до момента его закры­тия, что обеспечивает увеличение массы поступающего в цилиндр заряда. Кроме того, в выпускном трубопроводе во время перекры­тия клапанов за закрывающимся выпускным клапаном создается зона разрежения отработавших газов, что позволяет улучшить очи­стку цилиндра и полнее заполнить его свежим зарядом.

Конструктивно данная «настройка» системы осуществляется путем изменения длины и площади проходного сечения впускных и выпускных каналов. В ряде конструкций длина впускного трубо­провода изменяется в зависимости от режима работы двигателя.

Динамический наддув позволяет увеличить мощность двигате­ля на 5... 10 %.

Применение газотурбинного наддува обеспечивает увеличение мощности двигателя на 20...50%.

По мере повышения степени наддува увеличивается механи­ческая и тепловая напряженность элементов, формирующих ка­меры сгорания, что предъявляет повышенные требования к их конструкции и материалам, к эффективности системы охлажде­ния и качеству используемого масла. Для повышения степени над­дува и снижения высокой тепловой напряженности лопаток тур­бины в системе наддува организуют охлаждение наддувочного воздуха.

В двигателях с искровым зажиганием применение наддува тре­бует принятия специальных мер по предотвращению нарушения процесса сгорания, называемого детонацией: некоторого сниже­ния степени сжатия, интенсификации охлаждения деталей каме­ры сгорания.
Контрольные вопросы.
1. По каким параметрам классифицируются двигатели.

2. Опишите последовательность тактов и рабочих процессов четырехтактного бензинового двигателя.

3. Опишите последовательность тактов и рабочих процессов 4-ехтактного дизеля.

4. Что такое степень сжатия? Какие значения степеней сжатия у современных двигателей с искровым зажиганием и дизелей?

5. Что такое угол опережения впрыскивания топлива и для чего он необходим?

6. Что такое угол опережения зажигания и для чего он необходим?

7. Перечислите основные виды механических и тепловых потерь в двигателе.

8. Дайте определение КПД: индикаторного, механического и эффективного. Как эти КПД связаны между собой?

9. Для чего необходим параметр «коэффициент избытка воздуха»?

10. Каким параметром описывается состав смеси?
Лекция 2: ТОПЛИВА И ПРОДУКТЫ СГОРАНИЯ.
1. Виды топлив применяемых в теплоэнергетических установках и их краткая характеристика.

2. Физико-химические основы процесса сгорания топливо-воздушных смесей в различных теплоэнергетических установках.

3. Продукты сгорания и их влияние на окружающую среду. Способы обезвреживания продуктов сгорания.
1. Виды топлив применяемых в теплоэнергетических установках и их краткая характеристика.
К топливам предъявляют следующие требования:

• максималь­ное содержание химической энергии в единице объема и полнота выделения теплоты;

• минимальное образование токсичных про­дуктов;

• надежная подача топлива и высококачественное смесеоб­разование в широком диапазоне изменения внешних условий, на всех режимах работы двигателя, включая пуск;

• минимальная склон­ность к образованию нагара и коррозионно-агрессивных продук­тов сгорания;

• высокая термическая стабильность и хорошие мою­щие свойства;

• стабильность свойства при хранении и транспорти­ровании;

• отсутствие механических примесей и воды;

• возможно малая пожароопасность;

• приемлемая стоимость.

В действительном цикле двигателя происходят физико-хими­ческие превращения рабочего тела. В цилиндр двигателя поступает свежий заряд — воздух или топливовоздушная смесь. Затем свежий заряд смешивается с оставшимися в камере сгорания остаточны­ми газами, образуя рабочую смесь. В процессе сгорания при выделе­нии теплоты рабочая смесь превращается в отработавшие газы (ОГ). Окислителем при горении топлива является кислород ат­мосферного воздуха. В качестве жидкого топлива для двигателя ис­пользуют продукты переработки нефти — бензин и дизельное топ­ливо, представляющие собой смеси различных углеводородов. Могут применяться и другие виды топлива — сжатый и сжижен­ный газы; синтетические топлива, получаемые переработкой угля, сланцев, битуминозных песков; спирты; эфиры и др.

Бензины для автомобильных двигателей представляют собой смеси углеводородов, которые выкипают в диапазоне температур 40...200 °С. В Российской Федерации производят бензины марок А-76, АИ-93, АИ-95, АИ-98, а также бензины с улучшенными экологическими свойствами. Цифры в марке бензина характери­зуют его антидетонационные свойства, которые оценивают окта­новым числом (ОЧ). Оно численно равно процентному содержанию в смеси изооктана с ОЧ = 100 и Н-гептана с ОЧ = 0, которая имеет такую же детонационную стойкость, как и испытуемый бензин.

Октановое число оценивают по моторному методу в единицах ОЧМ и по исследовательскому методу в единицах ОЧИ. ОЧИ > ОЧМ на 8... 12 единиц. Эту разницу называют чувствительностью бензина к октановому числу.

Наименьшей детонационной стойкостью обладают парафины, наибольшей — ароматические углеводороды. Октановое число бен­зина повышают добавкой в него низкокипящих высокооктановых углеродов или кислородосодержащих веществ — метилового спир­та, метилтретбутилового эфира и других антидетонационных при­садок (тетраэтилсвинца и тетраметилсвинца, а также металлокар-бонатов, алкилгалогенидов). Применение присадок на основе свин­ца ограничено в эксплуатации из-за их токсичности. При увеличе­нии степени сжатия и диаметра цилиндра необходимо использо­вать топливо с большим октановым числом.

Испаряемость бензинов определяется их фракционным соста­вом и давлением насыщенных паров. Испаряемость влияет на пус­ковые свойства двигателя при низких температурах, на склон­ность к образованию паровых пробок в системе питания при вы­соких температурах, а также на приемистость двигателя.

Прокачиваемость, склонность к образованию отложений, кор­розионная активность являются важными эксплуатационными свойствами бензинов.
Дизельные топлива для автомобильных и тракторных дизелей производят из гидроочищенных фракций прямой перегонки не­фти.

В Республике Казахстан производят дизельное топливо, пред­назначенное для использования при различных температурах окружающего воздуха: Л — 0 °С и выше, 3 — минус 20 °С и выше; А — минус 50 °С и выше.

Важными эксплуатационными качествами дизельного топлива являются испаряемость, воспламеняемость, низкотемпературные свойства.

Испаряемость дизельного топлива зависит от фракционного состава, плотности и вязкости.

Воспламеняемость дизельных топлив оценивают цетановым чис­лом (ЦЧ). Его определяют по объемному содержанию цетана (ЦЧ= 100) в смеси с α - метил нафталином (ЦЧ = 0), которая при испытании на одноцилиндровой установке имеет одинаковую вос­пламеняемость с исследуемым топливом. Для быстроходных дизелей ЦЧ = 45. Пусковые свойства дизеля улучшаются при повышении ЦЧ.

Приближенная связь между ОЧ и ЦЧ выражается зависимос­тью: ЦЧ = 60 - ОЧ/2. Таким образом, топливо, обладающее высо­ким ЦЧ (хорошей воспламеняемостью), имеют малое ОЧ (низ­кую детонационную стойкость).

При снижении температуры до определенных значений дизель­ное топливо мутнеет, из него начинают выпадать кристаллы угле­водородов. При дальнейшем понижении температуры дизельное топливо теряет способность проходить через фильтр с необходи­мой скоростью. Далее оно застывает. Для улучшения низкотемпе­ратурных свойств дизельное топливо очищают от парафиновых углеводородов и обогащают специальными присадками.