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: 3 из 20

Газообразные топлива, применяемые в автомобильных двига­телях, по агрегатному состоянию при нормальных условиях под­разделяют на сжатые и сжиженные. В сжатом газе (обычно это природный газ) до 95% метана СН₄.
Сжиженные газы являются в основном продуктами переработ­ки попутных газов и газов газоконденсатных месторождений. Они содержат бутан-пропановые и бутилен-пропиленовые смеси, на­ходящиеся при нормальной температуре в жидком состоянии. Объемная теплота сгорания газов существенно меньше, чем жид­ких топлив.

Основные достоинства газовых топлив в сравнении с бензино­выми: вследствие высокой эффективности сжигания могут обес­печить больший КПД; позволяют значительно увеличить степень сжатия; обеспечивают надежный пуск при низких температурах; удовлетворительные экологические свойства, обусловленные от­сутствием свинца, оксидов металлов, ароматических углеводоро­дов, низким содержанием серы.

Водород является перспективным топливом, которое обладает наиболее высокой теплотой и температурой сгорания и образует «чистые» продукты при сгорании, не считая оксидов азота. Пре­пятствиями для применения водорода являются высокая стоимость его получения, трудности с хранением и заправкой.
Кислородсодержащие соединения, применяемые в качестве топ­лива для двигателей — спирты (метанол, этанол, пропанол), эфиры и растительные масла. Наибольшее применение нашел мета­нол, который получают из угля, сланцев, древесины, биомассы. Октановое число спиртов больше, чем у бензинов, поэтому их целесообразно применять в двигателях с искровым зажиганием. Однако они обладают существенными недостатками: низкой теп­лотой сгорания, коррозионностью, высокой теплотой испарения, гигроскопичностью. Производные спиртов (метилтретбутиловый эфир, диметиловый эфир) лишены этих недостатков.
Водотопливные эмульсии существенно снижают содержание сажи и оксидов азота в отработавших газах, повышают эффектив­ность дизельных топлив. Обычно используют эмульсии типа «вода в топливе», в которых объемное содержание воды составляет 10...40 %. Эмульсии снижают температуру пламени и повышают полноту сгорания благодаря улучшению смесеобразования топ­лива с воздухом из-за «микровзрывов» капель воды. К недостат­кам эмульсий можно отнести склонность к расслоению с топ­ливом и невозможность их использования при низких темпера­турах.
Синтетические топлива применяют как в чистом виде, так и в качестве добавок к углеводородным топливам. Они могут быть получены из каменного угля в виде синтетических бензинов и дизельных топлив, метанола. Недостатки таких топлив — меньшая теплота сгорания, большее содержание серы и соединений азота, повышенная температура застывания.

2. Физико-химические основы процесса сгорания топливо-воздушных смесей в различных теплоэнергетических установках.
Окисление (сгорание) топлива. Элементный состав топлива пред­ставляет массовые доли отдельных его составляющих. В одном ки­лограмме топлива содержится: g_C углерода, g_H водорода, g_O кисло­рода. Связь между количеством исходных продуктов (топлива и воздуха) и продуктов сгорания может быть найдена из уравнений химической реакции.

Полное окисление углеводородного топлива предполагает полу­чение конечных продуктов: диоксида углерода С0₂ и водяного пара Н₂0. Минимальное количество кислорода, необходимое для полного сгорания топлива, называют стехиометрическим. Коэф­фициент избытка воздуха такой смеси α=1.

При неполном окислении топлива часть углерода окисляется лишь до СО (оксида углерода), а часть водорода не сгорает.

Стехиометрическое количество воздуха, необходимое для пол­ного сгорания 1 кг топлива при 23 %-м по массе содержании кис­лорода в воздухе, получим через элементный состав топлива:


Двигатели с искровым зажиганием работают при α= 0,7... 1,3, а дизели — при среднем α>1,5. Следует отметить, что при смесеоб­разовании в дизелях есть зоны с α < 1, поэтому в процессе сгора­ния может образовываться несгоревший углерод.

Го­рение топлива представляет собой экзотермическую реакцию, которая идет с выделением теплоты. Высшая теплота сгорания топлива Н_B определяет полный тепловой эффект реакций с уче­том конденсации водяных паров, образующихся при сгорании. В поршневых ДВС продукты сгорания не охлаждаются до темпера­туры, при которой происходит конденсация водяного пара. По­этому в расчетах двигателя используют низшую теплоту сгорания Н_и. Для двигателя с искровым зажиганием Н_и = 44 МДж/кг, для дизеля Н_и = 42,5 МДж/кг.
3. Продукты сгорания и их влияние на окружающую среду. Способы обезвреживания продуктов сгорания.
Состав продуктов сгорания. При α = 1 топливо должно сгорать полностью, отработавшие газы содержать азот N₂ и продукты пол­ного сгорания С0₂ и Н₂0, а при α > 1 — еще и избыточный кис­лород O₂.

При α < 1 отработавшие газы включают азот N₂, продукты пол­ного (С0₂ и Н₂0) и неполного сгорания СО и Н₂.

В продуктах сгорания также имеются и другие компоненты: оксиды азота и серы, несгоревшие углеводороды, оксиды свинца и др., количество которых в отработавших газах относительно мало, и они не оказывают воздействия на энергетические показатели двигателя, однако существенно влияют на его экологические ха­рактеристики.

Экологические свойства топлив улучшаются при уменьшении в них ароматических углеводородов и серы.

В дизелях при уменьшении α возрастают количество выделяю­щейся теплоты и температура сгорания, что ведет к увеличению образования NO_X. Рост содержания СО при приближении α к 1, обусловлен ухудшением смесеобразования и неполнотой сгора­ния. При больших значениях α рост СО связан с существенным уменьшением скорости реакции и температуры сгорания, что приводит к неполному окислению, несмотря на избыток 0₂.

В двигателях с искровым зажиганием при уменьшении α < 1, увеличивается содержание СО и Н₂, а также несгоревших углево­дородов С_xН_у. Максимум N0_x достигается при некотором избытке кислорода (α = 1,05...1,1) и достаточно высокой температуре сго­рания.
Основные компоненты, содержащиеся в отработавших газах ДВС, представлены в табл. 2.1.
Таблица 2.1. Основные компоненты отработавших газов, % N_xO_у

Двигатели	N2	02	Н20(пар)	С02	СО	NxOу	CxHy	С (сажа)
Бензиновые	74-77	0,3-0,8	3-5,5	5-12	5-10	До 0,8	0,2-3	До 0,4
Дизели	76-78	2-18	0,5-4	1-10	0,02-5	До 0,5	До 0,5	До 1,1

Токсичные вещества, содержащиеся в отработавших газах

Окись углерода (СО) — газ без цвета и запаха. Приводит к развитию у человека кислородной недостаточности, нарушению центральной нервной системы, поражению дыхательной системы, ухудшению зрения. Увеличенные среднесуточные концентрации СО способст­вуют возрастанию смертности лиц с сердечно-сосудистыми заболе­ваниями. При содержании в воздухе 0,05 % СО слабое отравление наступает через 1 ч, при 1 % человек теряет сознание через несколь­ко вдохов.

Оксиды азота (N_xО_у) представляют собой смесь N0₂, N₂О₃ и N₂O₄ В результате их воздействия нарушается функция бронхов и легких, особенно у людей с сердечно-сосудистыми заболеваниями. При концентрации в воздухе 0,001% по объему оксиды азота вызы­вают раздражение слизистых оболочек носа и глаз, при 0,002 % на­чинается кислородное голодание, при 0,008 % - отек легких.

Сернистый ангидрит — бесцветный газ с резким запахом, стано­вится причиной возникновения бронхитов, астмы и других респира­торных заболеваний.

Углеводороды — группа соединений С_хН_у В результате реакции с окислами азота образуют смог.

Бензапирен—полициклический ароматический углеводород, попадая в организм человека, накапливается и является причиной образования злокачественных опухолей.

Сажа (С) — твердый фильтрат отработавших газов, сам по себе, опасности не представляет, но является накопителем канцерогенных веществ.

Соединения свинца — появляются в отработавших газах в случае
применения этилированного бензина, поражают центральную нервную систему и кровотворные органы человека.

Для снижения количества выбрасываемых в окружающую среду вредных веществ разрабатывается ряд мер, которые направлены на; достижение как можно более полного сгорания топлива. Для этого необходимо улучшать процессы смесеобразования, обеспечивать приготовление оптимального состава горючей смеси для каждого; режима работы двигателя. С этой целью создают все более совершенные конструкции карбюраторов, обеспечивают подогрев топли­ва на различных участках впускной системы, используют электрон­ное управление не только системой питания, но и зажиганием, также планируется полный переход на впрысковую систему питания бензиновых двигателей.

На двигателях, где традиционно применяют карбюраторы, устанавливаются системы автоматического управления экономайзеров принудительного холостого хода (САУПХХ), позволяющие отключать непроизводительную подачу топлива на особенно вредных (по содержанию СО) режимах работы.

Применение форкамерно-факельного зажигания позволяет обеспечить работу двигателя на бедных смесях, что приводит к уме­ньшению токсичных компонентов в составе отработавших газов.

Применение нейтрализаторов отработавших газов в выпускной системе позволяет дополнительно снизить токсичные вещества в отработавших газах.

Закрытая (принудительная) система вентиляции картера устра­няет выброс в окружающую среду вредных веществ вместе с картерными газами.

Переход работы ДВС с традиционных топлив на альтернатив­ные также приводит к снижению содержания вредных компонентов в отработавших газах.
Контрольные вопросы.
1. Из каких элементов состоит топливо, используемое в двигателях?

2. Какие компоненты содержат продукты сгорания топлива при богатой и бедной смеси?

3. Что характеризуется октановое число топлива?

4. Какие октановые числа у бензинов, используемых в двигателях с искровым зажиганием?

5. Что характеризуется цетановое число топлива?

6. Какие цетановые числа у дизельного топлива, используемых в дизельных двигателях?

7. Какие значения имеет коэффициент избытка воздуха, реализуют в дизелях?

8. Какие значения имеет коэффициента избытка воздуха в двигателях с искровым зажиганием?

9. Какие значения низшей теплоты сгорания имеют бензин и дизельное топливо?

10.

Лекция 3: РАБОЧИЙ ПРОЦЕСС ПОРШНЕВОЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ ТРАНСПОРТНОЙ ТЕХНИКИ

1. Основные понятия и определения. Цикл, такты и фазы газораспределения поршневых ДВС. Индикаторные диаграммы.

2. Процессы газообмена. Характеристика и параметры процессов газообмена.

3. Влияние различных факторов на процессы газообмена. Развития систем газообмена.

4. Процесс сжатия.
1. Основные понятия и определения. Цикл, такты и фазы газораспределения поршневых ДВС. Индикаторные диаграммы.

К основным понятиям и определениям двига­теля относятся:

• мертвые точки — крайние положения поршня в цилиндре двигателя, в которых поршень изменяет направление своего дви­жения. Различают верхнюю мертвую точку (ВМТ) и нижнюю мерт­вую точку (НМТ);

• ход поршня — путь, проходимый поршнем от одной мертвой точки до другой;

• рабочий цикл двигателя — совокупность процессов, при ко­торых тепловая энергия превращается в механическую работу;

• такт — часть рабочего цикла, который происходит за один ход поршня;

• объем камеры сгорания или объем сжатия — пространство над поршнем при нахождении поршня в верхней мертвой точке;

• рабочий объем цилиндра — пространство, освобождаемое поршнем при движении от верхней к нижней мертвой точке;

• полный объем цилиндра — сумма объема камеры сгорания и рабочего объема цилиндра;

• рабочий объем двигателя — сумма рабочих объемов всех ци­линдров двигателя, выраженная в литрах;

• степень сжатия — отношение полного объема цилиндра к объ­ему камеры сгорания. Степень сжатия показывает, во сколько раз сжимается рабочая смесь в цилиндре двигателя;

• количество тактов, при которых происходит преобразование тепловой энергии в механическую работу. Различают двигатели четырехтактные и двухтактные. Четырехтактным называется двигатель, у которого рабочий процесс совершается за четыре хода поршня (или за два оборота коленчатого вала). Двухтактным на­зывается двигатель, у которого рабочий процесс совершается за два хода поршня (или за один оборот коленчатого вала).

Индикаторная диаграмма. Если термодинамические циклы изображают зависимость измене­ния абсолютного давления (р) от изменения удельного объема (υ), то действительные циклы изображаются как зависимости измене­ния давления (р) от изменения объема (V) (свернутая индикаторная диаграмма) или изменения давле­ния от угла поворота коленчатого вала (φ), которая называется развер­нутой индикаторной диаграммой.

Фазы газораспределения представляют собой периоды, выра­женные в градусах угла поворота коленчатого вала относительно ВМТ и НМТ, в течение которых клапаны открыты.

Правильный выбор фаз улучшает очистку цилиндров от отработавших газов и наполнение свежим зарядом, а также уменьшает потери энергии на газообмен. На верхней рисунке показана круговая диаграмма фаз газо­распределения.

ВМТ




Фазы газораспределения выбирают с учетом особенностей двига­теля, его основных режимов работы и геометрических размеров впуск­ного тракта. Неизменные фазы газораспределения выбирают для наи­более важного диапазона скоростных режимов работы двигателя. Так, двигатели с высокой частотой вращения имеют более широкие диа­пазоны фаз газораспределения, чем малооборотные двигатели.

Для улучшения наполнения цилиндров свежим зарядом под­бирают определенное сочетание фаз газораспределения и геомет­рических размеров впускного тракта (в основном его длину), обес­печивая этим динамический наддув двигателя.

2. Процессы газообмена. Характеристика и параметры процессов газообмена.

Действительный цикл двигателя состоит из ряда последова­тельных процессов, которые взаимосвязаны и зачастую перекры­вают друг друга. В них происходит изменение количества и состава рабочего тела, а также теплообмен между рабочим телом и дета­лями, формирующими камеру сгорания.

Характеристика процессов газообмена. Газообменом называет­ся совокупность процессов выпуска и впуска, обеспечивающих смену рабочего тела.

Качество очистки цилиндра от отработавших газов и эффективность наполнения его свежим зарядом определя­ют показатели рабочего процесса двигателя. В действительном цикле начало и конец процессов газообмена (впуска и выпуска) не со­ответствуют началу и концу тактов впуска и выпуска.

Процессы газообмена взаимосвязаны друг с другом и оказыва­ют существенное влияние на другие процессы, происходящие в действительном цикле. Например, создание направленного дви­жения заряда в цилиндре путем профилирования и расположения впускных каналов в головке цилиндров способствуют улучшению смесеобразования и сгорания.

Для повышения эффективности газообмена необходимо обес­печить возможно большую пропускную способность проходных сечений клапанов f, см², называемую «время—сечение». Графи­чески она представляет площадь под кривой текущей площади проходного сечения клапана между мертвыми точками в зависи­мости от времени.

Работа газообмена (насосные потери) в двигателях без наддува и при газотурбинном наддуве отрицательна. При применении при­водного компрессора работа газообмена положительна, однако воз­растают затраты его на привод.