ПРОЦЕСС РАСШИРЕНИЯ
PAGE 9
На прошлой лекции вы должны были самостоятельно вывести формулу теплового баланса смешанного цикла для расчета температуры в конце сгорания. Напоминаю составляющие теплового баланса. . Внутренняя энергия в точках «z» и «c» и работа равны соответственно:
; ;
Лекция 9
ПРОЦЕСС РАСШИРЕНИЯ
В процессе расширения происходит преобразование тепловой энергии в механическую работу. Началом процесса расширения условно считают момент, когда давление в цикле достигает своего максимального значения и заканчивается процесс активного сгорания. В отличие от теоретического цикла расширение сопровождается теплообменом и потерей тепла с утечкой газов, поэтому процесс протекает политропно с переменным показателем политропы n2=1—1,5. Повышение температуры сгорания увеличивает теплоемкость газов, показатель политропы при этом снижается. При интенсивном охлаждении – увеличивается. Определение температуры и давления конца процесса расширения для цикла при V=const и для смешанного цикла производится одинаково. Рассмотрим процесс расширения для смешанного цикла. Составим уравнение политропного процесса для точек (b) и (z).
Для цикла при V=const , тогда последнее уравнение примет вид:
Составим характеристическое уравнение для тех же точек и выразим температуру и давление в точке (b) через температуру и давление в точке (z).
Для цикла при V=const , тогда последнее уравнение примет вид:
Таблица Параметры процесса расширения
|
Тип двигателя
|
Давление Pb, Мпа
|
Температура Tb, ОК
|
|
Карбюраторный
|
0,4 – 0,6
|
1300 – 1700
|
|
Дизельный
|
0,3 – 0,5
|
1000 – 1200
|
Температура в конце выпуска у дизельных двигателей значительно ниже т.к. температура сгорания ниже и больше степень расширения газов.
ПРОЦЕСС ВЫПУСКА
Процесс выпуска должен происходить с наименьшими затратами механической работы на выталкивание отработавших газов. Для снижения давления остаточных газов в современных двигателях выпускной клапан открывается во время процесса расширения до прихода поршня в НМТ. Выпуск начинается с момента открытия выпускного клапана за счет давления в конце расширения, происходит снижение давления газов и последующий процесс выталкивания газов из цилиндра двигателя происходит при малом остаточном давлении. Давление газов при выпуске пульсирует, что теоретически трудно учесть. Поэтому величина давления газов при выпуске принимается постоянной, равному некоторому среднему значению за весь период выпуска. Величина давления остаточных газов зависит от числа оборотов коленчатого вала, конструкции и размеров системы выпуска.
Температура отработавших газов зависит от тех же факторов, что и температура в конце расширения. Наибольшая температура будет при обедненной смеси . Дальнейшее обеднение смеси приведет к понижению температуры, т.к. произойдет снижение максимальной температуры цикла.
Для карбюраторных двигателей – .
Для дизельных –
Энергию отработанного газа можно использовать в газовой турбине для привода нагнетателя наддува. Наддув увеличивает топливную экономичность, мощность, но возрастает тепловая напряженность деталей. Отработавшие газы содержат токсические вещества, отрицательно влияющие на окружающую среду, т.к. содержат вредные компоненты, такие как угарный газ, окислы азота, сажа, альдегиды. Повышение температуры сгорания, степени сжатия в карбюраторном двигателе увеличивает количество окислов азота. Использование более легких топлив для дизельного двигателя уменьшает токсичность отработавших газов. Работа двигателя на газообразном топливе значительно снижают токсичность отработавших газов, но это топливо обладает меньшей теплотворной способностью.
Лекция 10
ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ И КПД ДВИГАТЕЛЯ
1 Общие сведения
Площадь индикаторной диаграммы, ограниченная кривой «a-a’-f-c”-zд-b’-b1» эквивалентна индикаторной работе цикла. Индикаторная работа цикла без наддува с учетом затраты работы на газообмен равна
Индикаторная работа не может быть полностью передана от коленчатого вала двигателя потребителю, т.к. часть ее затрачивается на преодоление трения в сопряженных деталях и привод вспомогательных механизмов. Эффективная работа цикла равна:
Работу на совершение газообмена включают обычно в механические потери. Индикаторные показатели характеризуют совершенство осуществляемого цикла по теплоиспользованию и связаны с качеством организации процессов. Эффективные показатели дополнительно учитывают степень механического совершенства двигателя.
2 Среднее индикаторное давление
Индикаторная диаграмма, полученная при исследовании двигателя не имеет четких границ, определяющих переход от одного процесса к другому. Характер этого перехода зависит от ряда причин и не поддается аналитическому расчету. При проведении теплового расчета двигателя и определении его показателей строят расчетную индикаторную диаграмму за два хода поршня (сжатие и расширение), а затраты на насосные потери относят к механическим потерям или учитываются отдельно. Скругление диаграммы на местах, определяющих переход от одного процесса к другому, производят по данным исследований аналогичных двигателей. В расчетной схеме это учитывается специальным коэффициентом.
На протяжении всего процесса в двигателе происходит изменение давления от отрицательных величин на впуске и значительных по величине давлений при сгорании и расширении. Для характеристики процесса вводится условная величина среднего давления, представляющая собой избыточное постоянное давление, при котором работа газов, совершенная за один ход поршня, равна индикаторной работе за цикл. Индикаторная работа пропорциональна площади диаграммы, заключенной между точками (a), (c), (z’, z), (b). Работа совершается при изменении рабочего объема. В общем виде индикаторная работа равна
где P’i – среднее индикаторное давление цикла в Паскалях. В соответствии с графиком это есть высота прямоугольника с основание Vh и площадью, равной площади индикаторной диаграммы. Р1 – среднее давление сжатия; Р2 – среднее давление расширения.
Работа газов за смешанный цикл равна разности между полезной работой в процессе сгорания и расширения и работой, затраченной на сжатие.
, джоулей
На основании основных законов термодинамики определим каждую составляющую индикаторной работы. На участке «ас» происходит политропное сжатие. Работа политропного сжатия равна:
Работа политропного расширения определяется аналогично и равна:
Работа на участке z’z при P=const равна:
Подставив полученные выражения в первое уравнение, получим значение индикаторной работы для не скругленной диаграммы:
Определим среднее индикаторное давление цикла при и :
Для двигателя с циклом при V=const и тогда среднее индикаторное давление:
Учитывая, что или , можно получить значение среднего индикаторного давления, вычисленного через температурные показатели. Среднее индикаторное давление действительного цикла:
У карбюраторных двигателей значение коэффициента ближе к верхнему пределу, у дизелей – к нижнему.
Среднее индикаторное давление газообмена 4-тактного двигателя равно:
По экспериментальным данным величина насосных потерь для быстроходных двигателей без наддува принимается равной Рi = 0,025 – 0,04 Мпа. Насосные потери относят к механическим потерям и при определении их на стенде определяют мощность, которая может быть затрачена на осуществление впуска и выпуска, т.е. мощность насосных потерь. Наименьшее значение Рi достигаются при работе двигателя без нагрузки (холостой ход). В этом случае вся индикаторная работа затрачивается на трение, газообмен и приведение в действие вспомогательных механизмов, Рi = Pm. Если имеется индикаторная диаграмма цикла, снятая при помощи специального устройства, то среднее индикаторное давление определяется по формуле:
3 Индикаторные показатели работы двигателя
Индикаторная мощность, это работа, совершенная в единицу времени – 1 секунду. Обычно при испытании замеряют число оборотов коленчатого вала в минуту. Рассчитаем число рабочих циклов за 1 секунду:
Тогда индикаторная мощность одноцилиндрового двигателя составит:
Индикаторная мощность многоцилиндрового двигателя равна:
Если давление выразить в Мпа, объем – в литрах, n – в об/мин, то значение мощности получится в кВт.
Экономичность действительного цикла характеризуется индикаторным КПД и удельным индикаторным расходом топлива. Индикаторный КПД представляет собой отношение теплоты, преобразованной в полезную работу ко всей затраченной теплоте. Рабочий объем определяется через характеристическое уравнение:
, откуда . Подставим полученные значения:
Если в процессе испытания определены часовой расход топлива и индикаторная мощность, рассчитывается показатель, характеризующий топливную экономичность двигателя – индикаторный расход топлива.
Таблица Индикаторные показатели работы двигателя
|
Тип двигателя
|
Pi, Мпа
|
i
|
gi, г/квт*ч
|
|
Карбюраторные
|
0,80—1,20
|
0,28—0,35
|
235—320
|
|
Дизельные
|
0,7—1,05
|
0,38—0,50
|
170—230
|
|
Дизельные с наддувом
|
0,80—2,20
|
|
|
|
2-тактные карб.
|
0,25—0,45
|
|
|
4 Эффективные показатели работы двигателя
Эффективная мощность двигателя, снимаемая с коленчатого вала меньше индикаторной на величину мощности механических потерь.
Мощность механических потерь можно определить по аналогии:
Давление механических потерь определяется эмпирически:
|
Коэффициенты для карбюраторных двигателей
|
S/D > 1
|
S/D =< 1
|
|
|
iц <= 6
|
iц > 6
|
iц <= 6
|
iц > 6
|
|
а
|
0,049
|
|
0,034
|
0,039
|
|
b
|
0,0152
|
|
0,0113
|
0,0132
|
|
для 4-тактных дизелей с неразделенными камерами
|
|
а
|
0,089
|
|
|
|
|
b
|
0,0118
|
|
|
|
|
для предкамерных дизелей
|
для дизелей с вихревыми камерами
|
|
a
|
0,103
|
a
|
0,089
|
|
b
|
0,0153
|
b
|
0,0135
|
Среднее давление механических потерь подсчитывается без учета качества применяемых масел, теплового состояния двигателя, качества поверхностного трения, и наддува. Прежде чем воспользоваться полученными значениями, их следует критически оценить. При использовании наддува увеличивается доля затрат на привод вспомогательных механизмов.
Среднее эффективное давление:
Эффективная мощность двигателя:
Механический КПД двигателя:
Эффективный КПД двигателя:
Относительный КПД двигателя:
Эффективный расход топлива:
Таблица Основные эффективные параметры двигателя
|
Тип двигателя
|
Ре, Мпа
|
м
|
е
|
ge, г/кВт*ч
|
|
Карбюраторный / форсир.
|
(0,6—1,1) / до 1,3
|
0,7—0,9
|
0,25—0,30
|
250—325
|
|
Дизельный БН / с наддувом
|
0,55—0,85 / до 2
|
0,7—0,82 / 0,8—0,9
|
0,35—0,40
|
210—245
|
5 Литровая, поршневая и налоговая мощность двигателя
Для оценки работы двигателя по использованию его объема вводится понятие литровой мощности (кВт/см3): (20-50 / 15-30)
Поршневая мощность (кВт/см2): (25-40 / 15-40)
Налоговая мощность (кВт):
6 Основные размеры двигателя
Основными конструктивными параметрами двигателей являются диаметр цилиндра, ход поршня, отношение хода поршня к диаметру. D и S можно определить из рабочего объема цилиндра, задавая один из параметров, чаще всего D. Рабочий объем определяем из формулы эффективной мощности:
, (см3)
Если предварительно принять значение S (мм), то .
Если задать отношение S / D, то
Отношение S / D оказывает влияние на протекание процессов, на габаритные размеры и вес двигателя. Увеличение показателя ведет к повышению средней скорости поршня, возрастанию инерционных сил. При этом механический КПД снижается, увеличивается износ деталей, габаритные размеры и вес двигателя, ухудшается наполнение цилиндров. Но при уменьшении диаметра вероятность детонации уменьшается, поэтому в длинно–ходовых двигателях можно применять бензин с низким октановым числом.
7 Тепловой баланс двигателя
Теплота, выделившаяся при сгорании топлива распределяется на составляющие. Уравнение теплового баланса для бензинового двигателя:
или ; где
Уравнение теплового баланса для дизельного двигателя:
или
; ; ;
; ;
.
Таблица Рекомендуемые составляющие теплового баланса
|
Тип двигателя
|
qe
|
qохл
|
qг
|
qнс
|
qост
|
|
Карбюраторный
|
21–28
|
12–27
|
30–55
|
0–45
|
3–10
|
|
Дизельный
|
29–42
|
15–35
|
25–45
|
0
|
2–5
|
8 Факторы, влияющие на экономичность и мощность двигателя
Дать анализ полученных формул по влиянию входящих величин на конечный показатель.
ПРОЦЕСС РАСШИРЕНИЯ