2. книга по теории ДВС 09. 2012. 2. книга по теории ДВС 09. Первый и второй законы термодинамики
Скачать 18.02 Mb.
|
ТzVzn2-1= TbVb n2-1= ТbVа n2-1 откудаTb= Тz(Vz/Vа) n2-1. Умножив и разделив правую часть уравнения наVс n2-11, получим температуру в конце расширения для циклов смешанного и медленного сгорания: термометры контроля температуры Tb= Тz(Vz/V с∙Vс/ Va) n2-1 выпускных газов и охлаждения ДВС. откудаTb= Тz(ρ/ε) n2-1 илиTb= Тz/δ n2-1 Для двигателей со сгоранием при постоянном объеме δ = ε. Значит,Tb= Тz/ε n2-1 По опытным данным для дизелей Рb = (0,24—0,49) Мн/м2 = (2,4-4,9) кгс/см2и Ть= (900-200)°К. В период выпуска преодолеваются вредные сопротивления в выпускном канале, трубопроводе и глушителе, на что затрачивается работа. Она увеличивается с повышением скорости газов. Давление газов в цилиндре за период выпуска не остается постоянным, в результате чего они движутся с переменной скоростью. В начале выпуска скорость их больше, чем в конце. Ввиду того что колебания давления газов при выпуске не поддаются точному теоретическому подсчету, в расчетах обычно вместо переменного давления используют среднее постоянное давление газов в период выпуска. Необходимо различать давление в период выпуска в цилиндре Prи давление в выпускной трубе. Среднее давление в период выпуска Prв цилиндре выше давления в выпускной трубе. Температура газов в период выпуска как в цилиндре, так и в выпускном трубопроводе также не остается постоянной. Средняя температура газов непосредственно за выпускным коллектором для двигателей, по данным проф. Ваншейдта, находится в пределах (250-450) °С Ответить на следующие вопросы: 1. почему такт расширения ( рабочий ход ДВС) является политропным. 2. понятие степени предварительного расширения. 3. понятие степени последующего расширения. 4. от каких факторов зависит значение температуры выпускных газов. 4. как реально на двигателях контролируют Тz 3.2-6 основы теории ДВС 2012 Построение индикаторной диаграммы. Ср.индикаторное давление. Виды мощностей Построение расчётной индикаторной диаграммы Индикаторная диаграмма служит исходным материалом для динамического и прочностного расчета двигателя. Построение индикаторной диаграммы можно выполнить двумя способами:
сжатия и b-z для политропы расширения.
Здесь приведен пример построения диаграммы диаграммы способом Толле аналитическим способом. Построение диаграммы выполняется на миллиметровой бумаге. 1.По оси абцисс откладываем объем цилиндра. Рекумендуемая длина Va= 250 мм, По оси ординат Pz= 200мм. Масштаб давлений будет Мд = 200\Pz = мм на 1 кг\см2 (Мпа). Pz указано в задании. 2 определяем на диаграмме объем камеры сжатия: Vc= 250\ = мм и откладываем Vc на диаграмме. Из точки объема камеры сжатия проводим пунктирную прямую вверх ( ордината давлений) и согласно масштаба Мд находим точки Рс*Мд и Pz*Мд. 3 определяем и проводим линию атмосферного давления: Р0 * Мд= мм, параллельно линии объемов. 4 аналогичным способом ( с учетом масштаба Мд) находим точки Рв начала выпуска и Ра- давление конца наполнения(начало сжатия) и давление выпуска 5 построение политроп сжатия и расширения: точки на диаграмме находим из условия , Т.е. в любой точке политропы произведение давления на объем остается постоянным. Вычисления лучше проводить в миллиметрах,т.е объем и давление через соответствующие масштабы преобразованы в миллиметры на координатах диаграммы. Пример: по расчетам Рz( Pz1)= = 8 МПа,что равно на диаграмме 200мм. Масштаб давлений : Мд= 200\8= 25мм на 1Мпа. Проводим атмосферную линию P0 * 25= мм. Проводим линию давления впуска Pa * 25= мм. Проводим линию давления выпуска Pb1 * 25= мм. Степень сжатия = 14. Рс= 6 Мпа. (Pc)-т.С -25 * 6 = 150 мм. Определяем т.b- Pb * 25= мм Показатель политропы сжатия и расширения: n1 = 1.36 n2 = 1.28 Объем камеры сжатия : Vc= 250мм\14= 17.85 мм. Для расчета используем уравнение термодинамики PVn1 =const Согласно уравнению в точке Рс-- PVn1= 150*17,851.36= 150 * 50.37=7556=const Это произведение будет постоянным для любой точки политропы сжатия Найдем давление в миллиметрах для объема т.111, --(Vz) объема предварительного расширения в т.Z Vz= Vc * = 17.5 * 1.95 = 34 мм Р в т.11 на политропе сжатия в мм 7556\ 341.36 =7556\121.= 62 мм. Следующий расчет давления в мм в т.21 ведем для объема в точке 211 – 34+15= 49 мм и так далее. Аналогично строят политропу расширения с соответствующим расчету показателя n2,предварительно взяв за произведение PVn2 =const точку объема конца предварительного расширения Z: Pz* Vn2 = 200 * 341.28 = 18252 расчет точек политроп необходимо проводить через каждые 20мм объема после чего соединить их с помощью лекала. Таблица расчета политроп сжатия и расширения
Среднее индикаторное давление. Для удобства вычисления мощности двигателя обычно вводится условное понятие среднего индикаторного давления. Средним индикаторным давлением pi называется условное среднее постоянное давление в рабочем цилиндре, которое, действуя на поршень в течение одного его хода, совершает ту же работу, что и переменное давление за весь цикл. Среднее теоретическое индикаторное давление расчетного цикла p'iможет быть определено графически по построенной теоретической диаграмме или вычислено по параметрам, характеризующим работу двигателя и полученным в расчете. Графически среднее индикаторное давление представляет в некотором масштабе высоту прямоугольника, площадь которого равна площади индикаторной диаграммы, а основание — длине диаграммы Для определения p'iпо диаграмме следует сначала найти ее площадь с помощью планиметра. Поделив затем площадь диаграммы на длину и масштаб давлений, получим значение среднего индикаторного давления. Таким образом проводят вычисления в судовых условиях для дизелей, оборудованных индикаторными приводами для снятия индикаторных диаграмм. При отсутствии планиметра p'iприближенно определяют следующим способом. разделим площадь индикаторной диаграммы на вертикальные отрезки на равном расстоянии ( через 10мм ),сложим их длины и разделим на их количество, общую длину отрезков на разделим на масштаб давлений и найдем Pi гр.= Второй вариант- определить площадь индикаторной диаграммы и разделить на объем (все в мм ). Полученное значение с учетом масштаба давлений дает Piгр. В реальной диаграмме процесс сгорания, начала выпуска имеет скругления. учитываем это коэффициентом полноты диаграммы ,который принимаем 0.95-0.98 тогда Piгр1 =0.9* Piгр аналитически среднее индикаторное давление расчитывается по формуле: p'i = pс/(ε-1)[λ/n2-1(1-1/ε n2-1)-1/ n1-1(1-1/ε n1-1) По опытным данным, среднее индикаторное давление равно: у судовых дизелей без наддува (0,54-0,93) Мн/м2= (5,4-9,3) кгс/см2 у судовых дизелей с наддувом (0,64-0,96) Мн/м2=(6,44-19,6)кгс/см2 ВИДЫ МОЩНОСТЕЙ. Площадь индикаторной диаграммы выражает работу цикла Li = рiVs. Как известно , работа в единицу времени есть мощность. ИНДИКАТОРНАЯ И ЭФФЕКТИВНАЯ МОЩНОСТИ Видов (абсолютной и относительной) мощности в двигателях внутреннего сгорания различают несколько.
Если коленчатый вал одноцилиндрового четырехтактного дви¬гателя делает n об/сек, то за 1 сек в его цилиндре совершается n/2 цикл/сек. В цилиндре двухтактного дизеля при п об/сек его коленчатого вала совершится п цикл/сек. Зная работу газа за один цикл Lі дж и количество циклов в секунду, определяют работу, совершаемую газом внутри цилиндра за секунду, т. е. мощность, называемую внутренней или индикаторной. Для четырехтактного двигателя Ni = Li n/2 , Для двухтактного двигателя Ni = Li n. Общую формулу для четырехтактных и двухтактных двигате¬лей получают, введя коэффициент тактности k, равный 0,5 для четырехтактных и единице для двухтактных простого действия. Следовательно, индикаторная мощность в одном цилиндре так как 2Sn = Cm(где Ст— средняя скорость поршня), то Ni=0,393D2pi∙ Cm ∙i При измерении pi в кгс/см2и выражении мощности в л. с. ход вывода формулы не изменится, и в окончательном, виде получим: Ni=52,3D2pi∙ Cm ∙i (л.с.)где pi— в кгс/см2; D— в м; i=Z/2 для четырехтактных двигателей i=Z для двухтактных двигателей Z число цилиндров
Ne= Ni nm , где nm – коэффициент механическиъх потерь в ДВС ( механический КПД) Вычисление Nе по формуле, конечно, будет неточным, так как правильно оценить вредные сопротивления не представляется возможным, а теоретическому подсчету они не поддаются. Поэтому на практике эффективную мощность обычно определяют опытным путем на стенде и величину ее указывают в паспорте двигателя. Гидравлический тормоз Юнкерса для замера эффективной мощности. Стенд испытания ДВС ( обкатки, определения параметров) с помощью нагрузочного генератора
4. мощность максимальная- на 10 % больше эффективной .По этой мощности устанавливается ограничение рейки ТНВД с пломбой. Ответить на вопросы:
3.3-1 основы теории ДВС 2012 Удельный расход топлива Количество топлива, расходуемого в двигателе за единицу времени на единицу мощности, называется удельным расходом топлива. - В зависимости от того, к какой мощности отнесен расход топлива, Различают: 1. удельный индикаторный расход 2. удельный эффективный расход топлива. Слово «удельный» часто опускается. Эффективный расход топлива является важным параметром ДВС, всегда указан в заводском паспорте двигателя и является показателем экономичности двигателя по расходу топлива. Единица измерения giкилограмм на джоуль (кг/дж) показывает количество топлива (в кг), которое затрачивается на получение 1 дж индикаторной работы в цилиндре. Учитывая, что 1 вт=1 дж, получим 1 дж=1 вт∙1 сек. Значит, единицей измерения расхода топлива является кг/ (вт ∙ сек).* В практике эксплуатации двигателей мощность принято измерять в киловаттах (квт), а расход топлива указывать на час, gi = G \ Ni , где gi- индикаторный удельный расход топлива кг\( кВт час) G-часовой расход топлива кг\час Ni- индикаторная мощность кВт При измерении мощности в лошадиных силах (л. с.) индикаторный расход топлива определяют по соотношению 1 кВт = 1.36 л.с или 1л.с. = 0.775 кВт. Удельный эффективный расход топлива находят следующим образом: ηе= ηi ηм или1/geQH= ηм ∙1/giQH откуда ge= gi\. ηм то есть эффективный расход топлива больше индикаторного расхода на величину механических потерь в двигателе Индикаторный и эффективный расходы топлива для судовых дизелей равны: Индикаторный gi:Главные Вспомогательные в кг/квт∙ч0,165—0,185 0,175—0,200 в кг/л. с. ч0,120—0,135 - 0,130—0,145 эффективный ge в кг/квт∙ч0,200—0,225 0,220—0,250 в кг/л. с. ч0,145—0,165 0,160—0,180 На данный момент достигнут самый низкий удельный эффективный расход топлива на двигателе Wartsila - Sulzer RTA FLEX 96 мощностью 108000 л.с с электронной системой управления подачи топлива в цилиндры(COMMON RAIL). Удельный же расход топлива на всех режимах колеблется в районе 118-126 граммов на лошадиную силу в час; что в 1,5-2,5 раза ниже, чем у автомобильных дизелей. на графиках представлена зависимость удельного эффективного расхода топлива для ДВС с наддувом и без наддува. Очевидно, что у двигателя без наддува расход топлива больше, незначительное отличие только на 75% нагрузки. В судовых условиях расход топлива замеряют при помощи мерных баков. Объем среднего бачка известен, на мерном стекле в график зависимости Ne от ge районе узких переходов между верхним и нижним бачками сделаны отметки. При переключении расхода топлива на мерный бачок, фиксируют время расхода известного объема и затем вычисляют часовой расход топлива. Если при этом была известна мощность двс во время снятия расхода топлива график зависимости Ne от ge, об.мин ( например ДГ- по току и напряжению),то возможно рассчитать удельный эффективный расход топлива. Для главных двигателей на речных судах по часовому расходу топлива определяют эффективную мощность по специальной монограмме зависимости расхода топлива от мощности. На современных судах судовые силовые установки снабжаются электронными системами диагностики, которые позволяют с центрального поста управления контролировать все важные параметры СЭУ, в том числе удельный расход топлива. Ответить на следующие вопросы:
3.3-2 основы теории ДВС 2012 Коэффициенты полезного действия и их зависимость от нагрузки. Индикаторный к. п. д. Отношение количества теплоты, превращенной в работу в цилиндре, к расчетной теплоте сгорания топлива, затраченного на получение этой работы называется индикаторным К.П.Д.-- ηi Расчетная теплота сгорания топлива — это произведение количества топлива ,введённого за цикл, на его низшую теплотворность. Индикаторный ηi характеризует ту часть теплоты, которая превращается в индикаторную работу. Он учитывает все тепловые потери рабочего цикла: потерю теплоты с охлаждающей водой, с отходящими газами от неполноты сгорания, лучеиспусканием. График зависимости индикаторного КПД ηiот частоты вращения вала Для получения в цилиндре работы в 1 джк рабочему телу подводится теплота в количестве giQH дж/дж, где gi— удельный индикаторный расход топлива в кг на 1 дж и QH — низшая теплотворность топлива в дж/кг. Следовательно, в соответствии с определением индикаторный к. п. д. выразится ηi=1/ giQH Из формулы видно, что величина ηiобратно пропорциональна индикаторному расходу топлива gi,на который влияют:
. С ростом нагрузки на двигатель ηi уменьшается, так как увеличивается догорание топлива на линии расширения, повышается температура отходящих газов и тепловые потери. Если исследовать зависимость ηi от частоты вращения, то окажется, что как уменьшение, так и увеличение п (оборотов) приводит к снижению индикаторного к. п. д. При уменьшении частоты вращения это объясняется ухудшением качества распыливания, а при увеличении — усилением догорания на линии расширения. По практическим данным, ηi для современных дизелей равен 0,45—0,55. В условиях эксплуатации необходимо следить за правильной затяжкой пружин форсунок и состоянием выходных отверстий распылителей, углом опережения подачи топлива, чистотой воздушных фильтров и каналов впускного коллектора. Механический к. п. д. ηм. Он представляет собой отношение эффективной мощности к индикаторной или среднего эффективного давления к среднему индикаторному давлению: ηм.=Nе/Ni=pе/ pi Механический к. п. д. показывает, какая часть индикаторной мощности передается на вал двигателя и превращается в полезную работу. Он характеризует относительную работу трения механизма двигателя потери мощности на выпуск отработавших газов и наполнение цилиндра свежим зарядом, определяет рациональность конструкции, качество обработки и сборки. В условиях эксплуатации двигателя на ηм. влияют режим работы, зазоры в подшипниках и качество масла. С уменьшением нагрузки ηм. также уменьшается и при холостом ходе становится равным нулю (n=const), так как в этом случае вся развиваемая в цилиндре мощность расходуется на преодоление механических потерь Nм. При поддержании в процессе эксплуатации нормальных зазоров и при обеспечении качественной смазки ηм. увеличивается. Поскольку наибольшая часть потерь на трение приходится на преодоление трения поршней и уплотнительных колец, необходимо особое внимание уделять смазке цилиндров. Образование нагара на поршневых кольцах приводит к уменьшению ηм. и усиленному износу колец и рабочей втулки. Наибольшее влияние на мощность трения оказывает средняя скорость поршня, и, следовательно, ηм. зависит главным образом от быстроходности двигателя. Отечественные стандарты предусматривают различные методы определения механических потерь двигателя: 1) прокручивание коленчатого вала двигателя от постороннего источника; 2) отключение цилиндров двигателя по порядку их работы; Аналитической зависимости между мощностью механических потерь NMnчастотой вращения не существует. Как указывалось, величина NMможет быть определена опытным путем или по приближенным эмпирическим формулам. Если поделить обе части уравнения на Ni ,-, то получим Ne/ Ni=1- NM/ Ni ηм.= 1- NM/ Ni Для дизелей значение ηм при полной нагрузке колеблется в пределах 0,7-0,9 Эффективный к. п. д. ηе Эффективный кпд показывает какая часть подведенной теплоты превращена в полезную работу. Отношение количества теплоты, превращенной в полезную работу на валу_к_расчетной теплоте сгорания топлива, затраченного на получение, этой работы, называется эффективным к. п. д. Он учитывает как механические, так и тепловые потери, т. е. ту часть теплоты, которая превращается в полезную работу на валу двигателя. Также на эффективный КПД влияет степень сжатия, с увеличением которой он возрастает. Для получения работы в 1 джна валу двигателя фактически подводится теплоты geQH дж/дж, где ge — эффективный расход топлива на 1 дж произведенной эффективной работы в кг/дж. Следовательно, эффективный к. п. д. ηе =1/ geQH Из формул ηi=1/giQHи ηе=1/geQH Находим gi∙ ηi=1/QH и ge∙ ηе=1/QH Приравнивая левые части уравнений, получим gi∙ ηi=ge∙ ηе откуда gi/ge= ηе/ ηi Из выражения для часового расхода топлива Gч=giNi=geNe находим: gi/ ge= Ne/ Ni= ηм. Сопоставлением двух последних выражений, написанных для gi/ge , устанавливаем,что gi/ ge= Ne/ Ni= ηе / ηi = ηм. откуда ηе= ηi ηм Таким образом, эффективный к. п. д. является произведением индикаторного и механического к. п. д., которые характеризуют степень совершенства рабочего цикла, рациональность конструкции и качество изготовления двигателя. Ввиду того что между ηе , ηi и ηм существует прямая пропорциональность, факторы, влияющие на , ηi и ηм оказывают такое же влияние на ηеКак было указано, эффектйвный к. п. д. дизелей колеблется в пределах 0,35-0,50 Ответить на следующие вопросы:
3.4 основы теории ДВС 2012 расчет температуры и давления наддува. Увеличение количества воздуха, подаваемого в цилиндр двигателя внутреннего сгорания, путем предварительного повышения его плотности. Н. позволяет сжечь больше топлива и, следовательно, обеспечить большую мощность двигателя. Характеризуется давлением воздуха, поступающего в цилиндры. В настоящее время освоены давления до 0,25-0,3 Мпа По степени наддува - pn / p0 , где p0- атмосферное давление : 1.низкого наддува- до 1.9 2. среднего наддува- 1.9-2.5 3. высокого наддува – свыше 2.5 При наддуве более 3.5 резко снижается его эффективность. Более ,чем 3.5 наддув не встречается. Чтобы получить давление Н. 0,4-0,5 МПа, требуется при вышеуказанной системе Н. использовать практически всю мощность двигателя. В настоящее время наибольшее распространение в системе Н. ДВС получили центробежные компрессоры, которые, как правило, приводятся в действие газовыми турбинами. При газотурбинном наддуве получается комбинированный двигатель, состоящий нз поршневой части, газовой турбины н компрессора. двигателях применяют турбокомпрессоры с постоянным давлением а) газов перед турбиной иимпульсные б) , которые имеют более высокий КПД. Однако из-за конструктивных сложностей импульсный наддув применяется только на ДВС малой и средней мощности. При сжатии в ТК воздух нагревается, в результате чего его плотность уменьшается. Это приводит к тому, что в рабочем объеме цилиндра воздуха, а, следовательно, и кислорода, по массе помещается меньше, чем могло бы поместиться при отсутствии нагревания. Поэтому сжимаемый в нагнетателе воздух перед подачей его в цилиндры двигателя предварительно охлаждается в холодильнике (интеркуллере), который стал неотъемлемой частью большинства двигателей с наддувом. Понижение температуры наддувочного воздуха на 10 градусов позволяет увеличить его плотность примерно на 3%. Это, в свою очередь, позволяет увеличить мощность двигателя примерно на такой же процент Температура наддува во всасывающем коллекторе указана в паспорте двигателя. Расчет давления наддува Для судовых ГТН показатель политропы сжатия в компрессоре принимают 0.7-0.8. температура за компрессором . Потери давления в охладителе: Следовательно, давление за компрессором ,МПА: Где Рк- расчетное давление наддува за компрессором. Степень повышения давления в компрессоре: Расчет температуры наддува Температура воздуха на входе в двигатель: где σ = 0,5 - 0,8 - степень тепловой эффективности охладителя. Теоретически, если σ = 0, то ,
. Пpи сжатии воздуха в компрессоре происходит повышение его температуры, которая определяется по формуле:
Ответить на вопросы:
|