2. книга по теории ДВС 09. 2012. 2. книга по теории ДВС 09. Первый и второй законы термодинамики
 Скачать 18.02 Mb.
|
3.5 основы теории ДВС 2012Тепловой баланс и теплонапряженность двигателяТепловой баланс двигателя Тепло, выделяющееся при сгорании топлива, не может быть полностью превращено в полезную работу, так как в соответствии со вторым законом термодинамики часть этого тепла должна быть передана холодному источнику. В реально выполненных двигателях, работающих по действительному циклу, имеют место дополнительные потери тепла в охлаждающую воду, с отработавшими газами и др. Количественное распределение тепловой энергии топлива на полезную работу и потери при превращении тепла в механическую работу в цилиндрах двигателя носят название теплового баланса.Все подведенное тепло, полученное от сгорания топлива ---100% разделяется примерно на составные части согласно таблице.
Тепловой баланс двигателя определяется не аналитически, а на основании экспериментальных данных при испытании двигателя. Однако и в этом случае часть тепловых потерь не поддается учету. В общем виде уравнение теплового баланса имеет следующий вид: Q = Qe + Qω + Qg + Qx + Qs. ( 1) Где Q —100 % подведенного тепла к двигателю при сгорании всего топлива 1. Qs учитывает : 1.1) потери от неполноты сгорания вследствие плохого перемешивания топлива с воздухом; 1.2) потери, эквивалентные части работы трения в подшипниках и прочих механизмах (потери тепла на трение между поршнем и цилиндром поглощаются охлаждающей водой); 1.3) потери от лучеиспускания 1.4) потери, эквивалентные кинетической энергии отработавших газов. Кроме того, в остаточный член входит неизбежно получающаяся при экспериментировании неувязка теплового баланса. Суммарно остаточный член Qs теплового баланса составляет 5—10% от общего количества тепла, введенного в цилиндр двигателя. Практически Qs определяют как разность между количеством затраченного тепла в единицу времени QT и следующими составляющими теплового баланса: 2. Тепло Qe, превращенное в полезную работу : Qe=Ne дж/сек (Qe=632Ne кал/ч) для дизелей составляет 45-55 % 3. Тепло Qω потерянное с охлаждающей водой: Qω=Gв (tвых- tвх) Со, для дизелей составляет 15-28 % где tвх и t вых — температура входящей и выходящей воды; GB — количество воды, кг/ч; Со — теплоемкость воды. 4. Тепло Qg, теряемое с отработавшими газами: Qg= (М п.с mcp’ Tr—M1 mcpTa)Gr ------- для дизелей составляет 25-42 % где М п.с и M1— число молей продуктов сгорания и свежего заряда на 1 кг топлива; mс’ р и mср— молярные теплоемкости продуктов сгорания и свежего заряда при р=const; Tr и Та — температура отработавших газов и свежего заряда; GT — количество топлива. По тепловому балансу можно оценить долю потерь каждой из составляющих баланса и при доводке двигателя определить возможность снижения принципиально устранимых потерь тепла, имеющих место в двигателе сверх неизбежных потерь. Принципиально устранимые потери включены в следующие составляющие баланса: Qg, Qw, Qx, Qs вместе с неизбежными потерями, согласно второму закону термодинамики. Как видно из формулы теплового баланса ( 1) наибольшие потери тепла составляют с выхлопными газами. Для повышения КПД всей силовой установки это тепло используется вторично( утилизируется) ,например для подогрева воды в утиль котлах, бойлерах и т.д. Теплонапряженность Тепловое состояние ЦПГ, определяющее работоспособность и надежность ее деталей в эксплуатации, называется теплонапряженностью цилиндра. Температура нагрева деталей в районе камеры сгорания ( втулка цилиндра, дно крышки цилиндра, дно поршня, район 1-го поршневого кольца, тарелки клапанов газораспределения) имеют различную температуру по причине различных термических сопротивлений, подвода и отвода тепла. Неодинаково эти детали прогреваются в осевом и радиальном направлении, ч   то приводит к высоким тепловым напряжениям и может привести к трещинам и полному разрушению.Особенно актуально это для современных двигателей, которые характеризуются значительным увеличением форсировки рабочего процесса за счет наддува. Рост среднего эффективного давления в два раза привел к повышению тепловой напряженности. Для снижения теплонапряженности деталей применяют меры для интенсивного охлаждения ( сверление в опорном поясе втулок цилиндров дополнительных каналов охлаждения, то же самое в донышке поршня). Также увеличивают угол предварительного выпуска газов, что приводит к увеличению доли тепла ,отводимого с выпускными газами, а это позволяет повысить мощность турбокомпрессора. Сохранение масляной пленки на стенках втулки цилиндров, в зоне первого поршневого кольца обеспечивается температурой не выше 200-220 С. Это значение обеспечивается контролем по косвенным показателям- температурой выхлопных газов и температурой охлаждения, средним эффективным давлением. Ограничение этих показателей в эксплуатации исключает тепловую перегрузку деталей и обеспечивает надежную работу двигателя . Ответить на следующие вопросы: 1. дать определение теплового баланса двигателя. 2. объяснить почему невозможно получить 100% полезной работы от подведенного топлива. 3. понятие теплонапряженности ДВС 4. какие конструктивные меры принимают для снижения теплонапряженности деталей. 5. какие эксплуатационные меры ограничивают теплонапряженность ДВС. 3.6 основы теории ДВС 2012 Определение пути,скорости и ускорения поршня. В  поршневых ДВС кривошипно-шатунный механизм преобразует поступательное движениерабочих поршней во вращательное движение коленчатого вала. В практике дизелестроения используют разные варианты конструкций КШМ, среди которых имеются и очень сложные.В зависимости от особенностей требований к судовым дизелям применяют три типа КШМ: центральный, или КШМ (рис. 88, а), в котором оси цилиндра коленчатого вала пересекаются, наиболее распространен в судовых ДВС. Обычно судовые дизели представлены однорядными вертикальными, двухрядными вертикальными и V-образными с центральным типом КШМ. У V-образного дизеля оси цилиндров одного ряда смещены относительно осей цилиндров другого ряда на ширину кривошипной головки шатуна, так как на одну шейку вала работают две кривошипные головки шатунов. В дезаксиальном КШМ (рис. 88, б) оси цилиндра и коленчатого вала не пересекаются. Между этими осями имеется смещение а (дезаксаж) от оси цилиндра в направлении вращения вала. Обычно размер дезаксажа не превышает 10% хода поршня S. На рисунке красной стрелкой вверху указан кулачок впускного клапана более широкий,позволяющий увеличить угол открытия всасывающего клапана. Дезаксаж способствует уменьшению давления поршня на стенку цилиндра во время рабочего хода и увеличению его во время хода сжатия. Это приводит к наиболее равномерному изнашиванию рабочей втулки цилиндра. Кроме того, у дизеля с дезаксиальным КШМ в районе ВМТ замедляется скорость поршня, что благоприятствует процессу сгорания топлива. Эту схему КШМ широко применяют у высокооборотных дизелей. У КШМ с прицепным шатуном (рис. 88 в) два (или несколько) шатуна смонтированы на одной шейке коленчатого вала. Шатун, соединенный с шатунной шейкой, и соответствующий этому шатуну цилиндр называют главными. Шатун другого цилиндра, шарнирно соединенный с главным шатуном, называют прицепным, а соответствующий ему цилиндр - боковым. Такой тип КШМ применяют в некоторых конструкциях V-образных дизелей. Движущиеся части КШМ имеют ускорения, возникают силы инерции, которые необходимо учитывать при расчетах деталей двигателя на прочность. Задачей кинематики двигателей является определение пути, скорости и ускорения поршня, а также их графическое изображение, что в конечном счете позволит определить силы , действующие в КШМ в любой момент времени и при любом угле поворота кривошипа. 1. Определение пути ,пройденного поршнем,поправка Брикса  На рис. 244 OB = R— радиус кривошипа и AB=L— длина шатуна. Обозначим отношение L0 =L/R- называется относительной длиной шатуна, для судовых дизелейнаходится в пределах 3.5-4.5.однако в теорииКШМ ИСПОЛЬЗУЮТ ОБРАТНУЮ ВЕЛИЧИНУ λ=R / L Расстояние между осью поршневого пальца и осью вала при повороте его на угол а АО = AD +DО=LcosB + Rcosa Когда поршень находится в в. м. т., то это расстояние равно L+R. Следовательно, путь, пройденный поршнем при повороте кривошипа на угол а, будет равен x=L+R-AO. Путем математических вычислений получим формулу пути поршня Х = R { 1- cosa +1/ λ(1-cosB) } (1) Угол наклона шатуна является функцией угла поворота кривошипа и после преобразований получим: Х=R { 1- cosa +1/2 * λ sin2a } ( 2)  При помощи геометрических выкладок можно доказать, что при повороте кривошипа на какой-то угол от В.М.Т. поршень проходит путь больший, чем путь, проходимый поршнем при повороте кривошипа на такой же угол от Н.М.Т. при построении графического пути ,пройденного поршнем это учитывается с помощью поправки Брикса. Для определения пути поршня, соответствующего повороту кривошипа на угол а, по способу Брикса откладывают из центра О (рис. 246) в сторону, противоположную в. м. т., отрезок 00'=R2/2L=1/2λR , называемый поправкой Брикса. Параллельно линии ОВ из точки О' проводят линию О'В'. Приближенно можно считать ﮟ ВВ≈ОО/ sina=1/2λRsina Из рис.246 имеем МД≈ВВ/sina=1/2λRsin2a ВоМ=ОВо-ОD+МD или ВоМ=R-Rcosa+1/2λR sin2a=R(1-cosa) 1/2λR sin2a Следовательно, отрезок ВоМ=х, т. е. пути поршня.Таким образом, для получения пути поршня с учетом косвенного влияния шатуна нужно поправку Брикса отложить в сторону н. м. т. и провести из точки О' линию О' В' параллельную положению кривошипа. СКОРОСТЬ И УСКОРЕНИЕ ПОРШНЯ Средняя скорость поршня Vm наряду с частотой вращения является показателем скоростного режима двигателя. Она определяется по формуле Vm = Sn/30, где S — ход поршня, м; п — частота вращения, мин-1. Считают, что для МОД vm = 4-6 м/с, для СОД vm = 6s-9 м/с и для ВОД vm > 9 м/с. Чем выше vm, тем больше динамические напряжения в деталях двигателя и тем больше вероятность их изнашивания — в первую очередь цилиндропоршневой группы (ЦПГ). В настоящее время параметр vm достиг определенного предела (15—18,5 м/с), обусловленного прочностью материалов, применяемых в двигателестроении, тем более, что динамическая напряженность ЦПГ пропорциональна квадрату значения vm. Так, при увеличении vm в 3 раза напряжения в деталях возрастут в 9 раз, что потребует соответствующего усиления прочностных характеристик материалов, применяемых для изготовления деталей ЦПГ. Средняя скорость поршня всегда указывается в заводском паспорте ( сертификате) двигателя. Истинная скорость поршня, т. е. скорость его в данный момент (в м/сек), определяется как первая производная пути по времени. Подставим в формулу (2) a= ωt, где ω- частота вращения вала в рад/сек , t- время в сек. После математических преобразований получим формулу скорости поршня: C=Rω(sina+0.5 λ sin2a) (3) где R— радиус кривошипа в м\ ω — угловая частота вращения коленчатого вала в рад/сек; а — угол поворота коленчатого вала в град; λ=R /L- отношение радиуса кривошипа к длине шатуна; Со — окружная скорость центра, кривошипной шейки в м/сек; L — длина шатуна в м. При бесконечной длине шатуна (L=∞ и λ =0) скорость поршня равна С ∞=Rω sin a. Продифференцировав аналогичным образом формулу ( 1) получим С= Rω sin (a +B) / cosB (4) Значения функции sin (a +B) берут из таблиц приводимых в справочниках и пособиях взависимости от a и λ. Очевидно, что максимальное значение скорости поршня при L=∞ будет при а=90° и а=270°: Cмакс=Rωsina.. Так как Со = πRn/30 и Cm=Sn/30=2Rn/30=Rn/15 то C  o/Cm= πRn15/Rn30=π/2=1,57 откуда Co=1,57 CmСледовательно, и максимальная скорость поршня будет равна . Смакс = 1,57 Ст. Представим уравнение скорости в виде С = Rωsin a +1/2λ Rωsin2a. Графически оба члена правой части этого уравнения будут изображаться синусоидами. Первый член Rωsina, представляющий скорость поршня при бесконечной длине шатуна, изобразится синусоидой первого порядка, а второй член 1/2λ Rωsin2a —поправка на влияние конечной длины шатуна — синусоидой второго порядка. построив указанные синусоиды и сложив их алгебраически, получим график скорости с учетом косвенного влияния шатуна. На рис. 247 изображены: 1 — кривая Rωsina, 2 — кривая 1/2λ Rωsin2a 3 — кривая С . Из графика видно, что СМакс при учете влияния конечной длины шатуна будет больше Со и что скорость достигнет максимума при нисходящем ходе поршня несколько раньше середины его хода, а при движении вверх — несколько , а при движении вверх — несколько позже. определение ускорения поршня. И  звестно из физики Fи= ma, т.е силы инерции зависят от массы и ускорения. Для уравновешивания сил поступательно и вращательно движущихся частей КШМ необходимо знать эти показатели. и  звестно, что ускорение есть производная скорости повремени. Продифференцировав уравнение C=Rω(sina+1/2λ sin2a) и произведя преобразования, получим ускорения поршня (в м/сек2)- а = Rω2(cоsа + R/L cos 2а), ( 5 ) В в. м. т. а=00 и ускорение ао=Rω2(1+R/L) В н. м. т. а=180°:Следовательно, а 180=-Rω2(1-R/L) В. в. м. т. ускорение направлено вниз, в сторону движения поршня, а в н. м. т. — вверх. Ускорение в в. м. т. по абсолютной величине будет больше ускорения в н. м. т. Представим выражение а = Rω2(cоsа + R/Lcos 2а), в следующем виде: а =Rω2cоsа +λ Rω2cоs2а Приняв для построения λ=1/4 и Rω2=1 получим λRω2=1/4 В произвольном масштабе по оси абсцисс откладывают углы поворота кривошипа от 0° через каждые 15° до 360°, а по оси ординат — соответствующие им значения Rω2cоsа и λ Rω2cоs2а . Соединив концы ординат, получим две косинусоиды (рис. 248) Косинусоида 1 первого порядка является кривой ускорения поршня при L =∞, т. е. графически изображает первое слагаемое Rω2cоsа , а косинусоида 2 второго порядка — поправку на косвенное влияние шатуна, равную λ Rω2cоs2а a. График действительного ускорения 3 получают путем алгебраического сложения ординат косинусоиды при L =∞ и косинусоиды, учитывающие поправку Брикса. Из графика видно, что если учесть влияние конечной длины шатуна, то для нисходящего хода поршня а=0, когда поршень немного не дошел до середины хода, а для восходящего хода поршня а=0, когда поршень немного перешел за середину хода. Ответить на вопросы:
3.7 основы теории двс 2012 | ||||||||||