Тепловой расчет целесообразно начать с определения низшей теплотворной
способности топлива Qнp ккал/кГ. (Сортом топлива задаемся - дизельное)
1.Химический состав топлива в процентах по весу:
Массовое содержание углерода С = 0,87
Массовое содержание водорода Н = 0,126
Массовое содержание серы S = 0,02
Массовое содержание кислорода O = 0,04
Массовое содержание азота N = 0,0017
Молярная масса кислорода в воздухе 02 = 32 кг/кмоль (принимаем).
Молярная масса азота в воздухе N2 = 28 кг/кмоль (принимаем).
Молярная масса воздуха ( 0.23+0.77=1), кг/кмоль: в = 0,23·02 + 0,77·N2 = 0,23·32 + 0,77·28 = 28,92.
Теоретическое количество воздуха, необходимое для полного сгорания 1 кг топлива,
Кмоль\кг : L0=
 = =0,560 кмоль\кг
Теоретическое количество воздуха, необходимое для полного сгорания 1 кг топлива, кг/кг:
Lo′=  = 28.92 х 0.56 = 16.1
В воздухе находится примерно 21% кислорода.Теоретически для сгорания 1кг топлива необходимо около 16 кг воздуха.
В дизелях, ввиду незначительного времени для смесеобразования внутри цилиндра, топливо недостаточно хорошо перемешивается с воздухом, и полного сгорания при подаче в цилиндр Lo кмоль воздуха не будет. Для обеспечения полного сгорания топлива и на случай перегрузки двигателя в цилиндр вводится воздуха больше теоретически необходимого.
Отношение количества воздуха, действительно поступившего в цилиндр L, к количеству воздуха, теоретически необходимому Lo, называется коэффициентом избытка воздуха при горении, который обозначается α
Таким образом, количество воздуха, действительно поступившего в цилиндр для сжигания 1 кг топлива, будет равно L = aL0 кмоль, или L'=aL'o мг, или L"=28,96 L"Q кг воздуха.
Коэффициент избытка воздуха при горении зависит от типа двигателя и способа смесеобразования. Чрезмерное повышение а приводит к увеличению объема цилиндра, а избыточный воздух, не участвуя в горении,— к излишним тепловым потерям и снижению средней температуры рабочего цикла.
Величина а для дизелей колеблется в пределах 1,3-2,2.
Количество смеси газов в цилиндре до начала и в конце горения.
Для сжигания 1 кг топлива в цилиндр вводится L кмоль воздуха. Кроме того, в нем имеются остаточные газы в количестве Мг кмоль. Таким образом, в период сжатия до момента начала горения цилиндр будет заполнен смесью воздуха и остаточных газов в количестве
Мг= L + Мг= (1 + Мг / L)кмоль.
Так как отношение Мг / L= Мг /Мs =γrт е. коэффициенту остаточных газов, то
М1= (1 + γr ) L кмоль
В состав смеси газов, находившихся в цилиндре в конце горения, кроме продуктов сгорания СО2 и Н2О входят кислород вследствие наличия избытка воздуха и азот, не участвующий в горении.
Число киломолей СО2 и Н2О определяют на основе формул химических реакций, исходя из условия полного сгорания горючих элементов топлива.
Количество киломолей М'2смеси продуктов сгорания, азота и избыточного кислорода
М'2 =С/12 + Н/2 + (a- 0,21) Lo кмоль.
Отношение числа молей смеси продуктов сгорания М'2 к числу молей свежего заряда Lназывается теоретическим (химическим) коэффициентом молекулярного изменения:
β0= М'2/L
Если учесть, что в цилиндре двигателя от предыдущего цикла остается Мг кмоль остаточных газов, то общее количество смеси в конце сгорания М2будет суммой М2 = М'2+Мг кмоль.
Отношение общего количества киломолей смеси газов в конце сгорания М2к числу киломолей до сгорания Мгназывается расчетным, или действительным, коэффициентом молекулярного изменения:
β=М2/М1=( М'2+Мг)/(L+ Мг)
Разделив почленно числитель и знаменатель на L, получим:
β=( β0+ γr)/(1+ γr)
Величина β для дизелей лежит в пределах 1,02—1,05.
Ответить на следующие вопросы:
определение угла опережения подачи топлива.
Что понимают под периодом задержки воспламенения.
Какие условия необходимы для качественного смесеобразования перед
самовоспламенением топлива в цилиндре.
Понятие о низшей теплотворной способности топлива.
Определение и назначение коэффициента избытка воздуха.
3.2-4 основы теории ДВС 2012
Процесс сгорания, параметры процесса сгорания .
 Для современных д.в.с. оптимальная продолжительность процесса сгорания составляет примерно 0,02—0,0025 сек. Поршень при этом к концу сгорания успевает переместиться по направлению к н.м.т. на расстояние, соответствующее около π/12 рад (15°) поворота кривошипа после в.м.т. Чтобы управлять продолжительностью процесса сгорания, необходимо глубокое знание всех химических и физических явлений, связанных с этим процессом, и всех факторов, оказывающих влияние на его протекание.
Угол опережения подачи топлива для дизелей в зависимости от их типа находится в пределах 150--330. на развернутой диаграмме это т.k.
В т.m происходит воспламенение топлива. k-m --- есть период задержки самовоспламенения. За это время в цилиндр поступает 15-50 % топлива от цикловой дозы, которое успевает испариться и перемешаться с воздухом. Остальное топливо цикловой дозы поступает в камеру сгорания после т. m, т.е. поступает уже в среду охваченную пламенем.
Процесс сгорания топлива на диаграмме условно можно разделить на четыре фазы :
1. период задержки самовоспламенения k-m.
2. фаза быстрого нарастания давления m- z1.
3. фаза сгорания основной дозы топлива, во время которой давление существенно не изменяется z1-z.
4.. фаза догорания топлива z-n. Доходит до 1\3 хода поршня.
Как установлено из рассмотрения процесса сгорания, момент воспламенения топлива не совпадает с моментом ввода его в цилиндр двигателя в среду воздуха, имеющего довольно высокие температуру и давление.
От продолжительности этого отставания зависит интенсивность нарастания давления во время второго периода сгорания. Зависимость интенсивности второго периода от первого вытекает из следующего: если продолжительность первого периода сгорания будет велика, то к моменту воспламенения в цилиндре двигателя сосредоточится значительная часть топлива от всей порции, подаваемой на цикл. Это приведет к резкому нарастанию давления во время второго периода сгорания, т. е. к жесткой работе двигателя, поскольку во время второго периода в сгорании будет участвовать топливо, поданное за первый и подаваемое за второй периоды сгорания
развернутая диаграмма изменения
 давления и температуры сгорания
Нарастание давления во время процесса сгорания топлива в цилиндре характеризуется скоростью нарастания давления на 1 град.поворота коленвала.
Для нормальной работы дизеля она составляет примерно 4-8 кг\см2 в зависимости от конструкции дизеля.
Установлено, что для достижения нормальной скорости нарастания давления во время второго периода сгорания необходимо всеми возможными мерами сокращать продолжительность первого периода, так как регулировать интенсивность второго периода сгорания пока не представляется возможным.
Продолжительность первого периода сгорания и интенсивность сгорания во втором периоде зависят от: качества топлива, оцениваемого температурой самовоспламенения и цетановым числом; степени сжатия; материала поршней, определяющих температуру днища поршня; качества распыла, оцениваемого тонкостью и однородностью дробления впрыскиваемого топлива; завихрений сжимаемого воздуха; закона подачи топлива, при изменении которого оказывается возможным изменять количество топлива, подаваемого за первый период сгорания; начала впрыска, характеризуемого углом опережения впрыска; нагрузки, оцениваемой количеством топлива, подаваемого на цикл; числа оборотов; интенсивности охлаждения и др.
Перечисленные факторы должны определяться исходя из соображений, обеспечивающих сокращение первого периода сгорания по времени и углу поворота коленчатого вала.
Например , при увеличении угла опережения подачи топлива скорость нарастания давления и Pz вырастут, а температура газов на выпуске снизится, и наоборот.
Уравнение сгорания. В состав смеси газов, находящейся в цилиндре в конце горения, входят N, О, Н2О, СО2 и остаточные газы от предыдущего рабочего хода. Ввиду того, что теплоемкости всех компонентов разные, в расчет нужно вводить суммарные теплоемкости.
При сгорании 1 кг топлива должно выделяться QH дж теплоты.' В действительном рабочем цикле ввиду несовершенства смесеобразования часть топлива не сгорает. В силу этой же причины, а также из-за малого периода сгорания, в особенности у быстроходных двигателей, топливо не успевает сгореть на участке mz'z и догорает на линии расширения zn. Таким образом, за расчетный (теоретический) период сгорания (участок mz'z) фактически теплоты выделяется меньше, чем QH.
Однако и выделившаяся на участке mz'zтеплота не полностью используется для повышения внутренней энергии газов и совершения внешней работы, так как часть ее поглощается стенками цилиндра, а часть теряется на диссоциацию продуктов сгорания.
Для наибольшего приближения расчетного цикла к действительному рабочему циклу вводится понятие о коэффициенте использования теплоты при сгорании
ξ учитывающем все указанные выше потери.
Коэффициентом использования теплоты при сгорании называется доля располагаемой теплотворности топлива QH, идущая на увеличение внутренней энергии газа и совершение внешней работы за теоретический период сгорания.
Следовательно, количество теплоты, использованное для повышения внутренней энергии газа и совершения внешней работы за период сгорания (в дж/кг),
Q'H= ξ QH
Коэффициент использования теплоты зависит от формы камеры сгорания, быстроходности двигателя и других факторов. По опытным данным для дизелей ξ равен 0,70—0,90.
В цикле смешанного сгорания вся полезно используемая теплота Q'H складывается из двух частей: теплоты, выделившейся на участке сгорания при постоянном объеме которая полностью идет на увеличение внутренней энергии газа, и теплоты, выделившейся на участке сгорания при постоянном давлении (линия z'z), часть которой идет также на увеличение внутренней энергии газа, а часть — на совершение внешней работы за период расширения газа на участке z'z.
Если учесть сказанное, уравнение теплового баланса можно записать в следующем виде:
ис+ Q'H= uz+ Lz'z
где ис— внутренняя энергия М1 кмоль смеси воздуха и остаточных газов в конце сжатия в дж;
uz— внутренняя энергия М2 кмоль смеси газов в конце горения в дж;
Lz'z— внешняя работа, совершаемая газами на участке z'z, вдж.
После подстановки значений ис, uz, Lz'zи некоторых преобразований получим уравнение сгорания смешанного цикла
(µcv+8314λ)Tc+ ξ QH/М1= β µcрТz дж/кг
Для цикла быстрого сгорания уравнение будет иметь вид
µcv Tc+ ξ QH/М1= β µcрТz дж/кг
Определение температуры, давления и объема в конце сгорания.
В правые части уравнений сгорания входят теплоемкости, зависящие от Tz. Поэтому после подстановки численных значений эти уравнения будут полными квадратными уравнениями относительно Tz. Решив их, можно найти температуру конца сгорания.
Процесс сгорания характеризуется степенью повышения давления- отношением максимального давления сгорания к давлению сжатия:
рz./ рс= λ
Так как при определении Tzдля цикла смешанного сгорания в уравнении после подстановки необходимых значений окажутся две неизвестных величины: Tzи λ.
Степенью повышения давления λ. следует задаться, руководствуясь допустимым для данного типа двигателя давлением в конце сгорания рz.
При выбранном значении λ давление в конце сгорания для цикла
смешанного сгорания находят из выражения
рz./ рс= λ рz= λ рс
Давление в конце сгорания для цикла быстрого сгорания определяют после вычисления Tz
Для судовых дизелей λ=1,3
2,5,
рг= (4,4-14,0) Мн/м2 = (44-140)кгс/см2и
Tz= (1700-2200)°K.
Объем в цикле быстрого сгорания не увеличится, так как в расчетном цикле предполагается, что топливо сгорает при постоянном объеме, т. е. VZ=VC.
Степень предварительного расширения ρ— отношение объема Vzв конце подвода теплоты (или в конце горения для реальных двигателей) к объему в конце сжатия Vс p= Vz./ Vc.
Для дизелей составляет 1.2-1.6
Степень последующего расширения δ — отношение объема Vб в конце расширения к объему Vzв конце подвода теплоты (в конце горения в реальных двигателях):
δ= Vb/ Vc.
Для дизелей примерно равно----------8-10,5
Ответить на следующие вопросы:
от каких факторов зависит период задержки самовоспламенения.
на сколько фаз условно можно разделить процесс сгорания.
от чего зависит скорость нарастания давления во время процесса сгорания.
4.. если изменить угол опережения подачи топлива, как изменяться Pz и Tz и по каким причинам.
5.. Определение степени предварительного расширения.
3.2-5 основы теории ДВС 2012
Процесс расширения. параметры процесса расширения
В отличие от идеального в рабочем цикле газы расширяются не по адиабате, а по политропе с переменным показателем п2.
В течение всего процесса расширения происходит теплообмен между газами и стенками цилиндра. В начале расширения в результате догорания топлива к газу будет подводиться теплота. За этот период n2<k, и политропа расширения расположится выше адиабаты (рис. 241). Затем догорание топлива ослабляется и п2повышается.
По окончании догорания приток теплоты к газу прекратится, и вследствие дальнейшей теплоотдачи значение п2становится больше k(участок кривой mb).
Среднее значение п2может колебаться от 1,20 до 1,35. На величину п2влияют следующие факторы:
Догорание топлива, уменьшающее значение п2. При этом кривая расширения располагается выше адиабаты, приближаясь к изотерме.
В дизелях процесс догорания заканчивается примерно на 1/3 хода поршня.
Теплоотдача от газа через стенки цилиндра к охлаждающей воде.Она увеличивает п2, и линия расширения будет проходить ниже адиабаты, так как n2>k.
Б ыстроходность двигателя, с повышением которой догорание увеличивается и значение п2уменьшается. С изменением режима работы двигателя изменяется и значение п2. При увеличении частоты вращения продолжительность (по времени) теплоотдачи, а следовательно, и п2уменьшаются. Догорание и диссоциация продуктов сгорания будут иметь наибольшие значения в начале процесса расширения.
Однако плохое смесеобразование и поздняя подача топлива могут привести к его догоранию на протяжении почти всего хода расширения, результатом которого будет высокая температура выпускных газов (т.b), повышенный расход топлива, перегрев ДВС и пониженная мощность.
В расчетном цикле предполагается, что расширение происходит до н. м. т. Следовательно, объем в конце расширения Vbбудет равен полному объему цилиндра Va- Определим давление Рbи температуру Тbв конце расширения.
Из уравнения политропы для точек начала и конца расширения
Рz V z n2=Рb Vnbn2= Рb Va n2 получим, что Рb= Рz(V z/ Va) n2
Умножив и разделив правую часть уравнения наVсn2, находим что
Рb= Рz(V z/ Vс∙ V с/ V a ) n2
Отношение V z/ Vс=ρ называется степенью предварительного расширения
Отношение V a / V z = δ называется степенью последующего расширения
Подставив значенияρ иVс/Va=1/ε , получим давление в конце расширения для циклов смешанного и медленного сгорания : Рb= Рz(ρ/ε)n2
Учитывая, что(ρ/ε) =1/δформулу можно переписать в таком виде:найдем, что
Д ля двигателей, работающих по циклу быстрого сгорания, ρ = 1.Следовательно, из формулы найдем, что
Рb= Рz/ε n2
Температуру в конце расширения также определяют из уравнения политропы
|
Скачать 18.02 Mb.
