Тема 3.2-2 основы теории двс 09.2012

ПРОЦЕСС СЖАТИЯ

Процесс сжатия в д.в.с. проводится с целью создания условий для эффективного протекания следующего за ним процесса сгорания.В процессе сжатия имеют место следующие явления. Свежий заряд подогревается, заимствуя тепло от стенок цилиндра и днища поршня в начале хода сжатия; в конце сжатия наблюдается отдача тепла через стенки охлаждающей воде. Свежий заряд подогревается также и за счет работы, затрачиваемой на его сжатие. Благодаря наличию теплообмена процесс сжатия протекает по политропному закону ( с теплообменом), т. е.   

   pV ⁿ¹,=const, гдеn1— показатель политропы сжатия.

Основные параметры состояния газа (смеси воздуха и остаточных газов) в начале сжатия р_а и Т_а были определены в предыдущем разделе ( тема 3.2-1).

Для нахождения параметров состояния газа по окончании процесса сжатия р_с и Т_с, т. е. давления и абсолютной температуры в конце сжатия, рассмотрим подробнее факторы, определяющие ход процесса, и установим зависимость между ними.

В идеальном цикле процесс сжатия должен протекать по адиабате (без теплообмена) с постоянным показателем k. В действительном процессе состояние газа при сжатии изменяется политропно с переменным показателем политропы n.

В первый период сжатия на участке ab температура газа будет ниже температуры стенок цилиндра, поэтому газ нагревается от них. Вследствие подвода к газу тепла показатель политропы сжатия n₁ на участке ab будет больше k и кривая пойдет выше адиабаты. На участке bс температура газа выше температуры стенок, в результате чего от него будет отводиться тепло и линия сжатия окажется ниже адиабаты n₁<k).

Таким образом, политропа сжатия в начале его будет расположена выше адиабаты, а в конце — ниже. На всем протяжении политропы сжатия показатель будет переменным.

На основании исследования снятых индикаторных диаграмм быстроходных двигателей установлено, что n₁ может быть равно 1,15—1,75, причем среднее его значение для большинства быстроходных двигателей составляет 1,37.

Для упрощения расчета цикла полагают, что процесс сжатия протекает по политропе со средним постоянным показателем.

На величину n₁ влияют быстроходность двигателя, материал поршня и охлаждение его.

С увеличением быстроходности время для теплообмена уменьшается и показатель политропы увеличивается, приближаясь к показателю адиабаты. Для тихоходных двигателей n₁ будет ниже, так как время теплообмена увеличивается.

Если материал поршней более теплопроводный, то n₁ будет меньше, так как при этом происходит более интенсивный отвод тепла, и процесс будет приближаться к изотермическому. При охлаждении поршней n₁ также понижается.

В процессе эксплуатации n₁ изменяется в зависимости от нагрузки. С увеличением ее повышается и температура рабочей втулки, вследствие чего на участке ab к свежему заряду будет подведено больше теплоты, а на участке bс теплоотдача несколько уменьшится, что приведет к увеличению среднего значения n₁ за цикл.

Для судовых дизелей n₁= 1,32÷1,42.

Аналитическое определение показателя политропы сжатия весьма сложно, так как на его величину оказывают влияние большое количе­ство различных факторов,

связать которые в единую аналитическую за­висимость трудно. Поэтому обычно рекомендуют пользоваться эмпириче­скими формулами.

Для определения величины показателяn1 для карбюраторных дви­гателей проф. И. М. Ленин рекомендует следующее выражение:

где n max— максимальное число оборотов вала двигателя;

n расч — число оборотов вала двигателя, для которого определяют ве­личину n1

Ранее проф. В. А. Петров рекомендовал определять величину n1 из выражения

Подсчитанная по указанным выражениям величина показателя n1 не учитывает применяемую на двигателе систему охлаждения, принятые диаметр цилиндра, материал поршней и головок и другие факторы, весь­ма существенно влияющие на его величину. Поэтому величина n1 после ее определения по или должна быть скорректирована с учетом того, что увеличение интенсивности охлаждения двигателя снижа­ет величину n1, a увеличение диаметра цилиндра, степени сжатия и числа оборотов повышает этот показатель.

Иными словами, факторы, способ­ствующие охлаждению смеси, снижают n1, а способствующие подогреву смеси — увеличивают.

Определение давления сжатия Рс

Давление газов р_с и температура Т_с в конце сжатия определяются из соотношений параметров политропного процесса сжатия.

Уравнение политропы сжатия в общем виде записывают так:p V ⁿ¹ = const.

Из уравнения политропы p_а V_а ⁿ¹ = p_с V_с ⁿ¹ для начала и конца сжатия получим:

p_с/ p_а = V_а ⁿ¹/ V_с ⁿ¹ откуда p_с = p_а(V_а/ V_с ) ⁿ¹ или :

давление воздуха цилиндре в конце такта сжатия :

p_с = p_а ε ⁿ¹

определение температуры Тс.

Из уравнения политропы сжатия Т_с / Т_а = (V_а/ V_с ) ^n1-1

Находим температуру воздуха в цилиндре в конце такта :

Т_с= Т_а ε ^n1-1

Из формул видно, что с увеличением ε и n₁ значения р_с и Т_с повышаются и, конечно, р_с и Т_с находятся в прямой зависи­мости от давления и температуры в начале сжатия.

При определении р_с и Т_с необходимо выбрать значения ε и n₁. Для дизелей степень сжатия должна обеспечивать надежность самовоспла­менения топлива, а для карбюраторных двигателей — температуру в конце сжатия ниже температуры самовоспламенения рабочей смеси.

Значения ε , р_с и Т_с для существующих судовых дизелей находятся в следующих пределах:

ε = 12÷20, р_с =2,74÷9,4 Мн/м²=27÷94 кгс/см² Т_с =750÷950 ^оК.

Более высокие температуры заряда в конце сжатия у дизелей вызы­ваются необходимостью осуществить надежное самовоспламенение ди­зельного топлива не только при установившемся режиме, но и при пуске. Здесь уместно отметить, что температура самовоспламенения дизельного топлива равна примерно 623°К, (350°С).

Впроцессе эксплуатации давление в конце сжатияр_с необходимо поддерживать в пределах, указанных в формуляре дизеля, иначе могут возникнуть серьезные искажения параметров рабочего цикла, что при­ведет к снижению мощности и экономичности двигателя. При сборке ДВС необходимо установить высоту камеры сжатия по всем цилиндрам одинаковой, в процессе эксплуатации контролировать соответствующими приборами.

Прогар клапана (нижний слева) от высоких температур.

Контроль давлений в цилиндре на работающем двигателе максиметром.

Диагностика ДВС вибросистемой ДЕПАС

Недостаточное давление в конце сжатия не обеспечит нужной темпе­ратуры для самовоспламенения топлива, что приведет к пропуску вспы­шек или к большему запаздыванию воспламенения и смещению процес­са сгорания на линию расширения. Ввиду позднего воспламенения снизится давление в конце сгорания, вследствие чего уменьшится пло­щадь индикаторной диаграммы и мощность двигателя. Догорание на линии расширения повысит температуру уходящих газов и потерю теп­лоты с ними. Отклонение в значениях р_с от рекомендованных заводом-изготовителем допускается до ±2.5 %. Значение р_с может понизиться в результате неплотности поршневых колец и клапанов, загрязнения воз­душных фильтров, неправильно установленной степени сжатия. Чтобы избежать этого, не следует допускать пригорания поршневых колец, образования нагара и разъеданий на рабочих поверхностях клапанов, загрязнения воздушных фильтров и впускного трубопровода.

Ответить на следующие вопросы:

1. Какой термодинамический процесс называется политропным.

2. От каких факторов зависит давление воздуха в цилиндре в конце такта сжатия.

3. От каких факторов зависит температура воздуха в цилиндре в конце такта сжатия.

4. Как влияет на рабочие процессы в двигателе снижение Рс.

5. Какие меры необходимо принимать для обеспечения номинального значения Рс.

3.2.-3 основы теории ДВС 2012

Смесеобразование в дизелях.

Сжигание топлива является одним из самых распространенных ме­тодов получения тепловой энергии, используемой для различных произ­водственных целей и особенно для последующего трансформирования ее в механическую работу с помощью различных типов тепловых двига­телей. Учитывая, что получение механической энергии таким способом со­ставляет примерно 90% от всей вырабатываемой в мире (около 110 млрд. л.с),вопрос правильной организации процесса сгорания приобретает особо важное значение. Применительно к д.в.с. это означает, что процесс сгорания должен иметь небольшую продолжительность. При этом следует иметь в виду, что чрезмерно малая продолжительность процесса сгорания приводит к жесткой работе, а при увеличении длительности процесса сгорания резко возраста­ют тепловые потери двигателя и снижается его мощность.

Для обеспечения качественного смесеобразования в цилиндре ДВС необходимы следующие конструктивные условия :

1. обеспечить время на процесс смесеобразования- топливо подается в цилиндр до прихода поршня в ВМТ в конце такта сжатия на угол опережения подачи топлива.

Угол а₃ - угол опережения подачи топлива – это угол между кривошипом коленвала и вертикальной осью цилиндра в момент начала подачи топлива в цилиндр.

2. поступивший в цилиндр воздух должен иметь мощные завихрения, что обеспечивается формой камеры сгорания.

Формы камер сгорания

а\ с плоским днищем.

б\ полусферическим углублением

в\ с выступом в центре

днища( Гессельман)

г\ с углублением трапецеидальной

формы

д\ сферическим углублением в поршне

е\ сферической формы со

вставной горловиной

3. перед достижением температуры воспламенения топливо должно распылено до туманообразного состояния ( подается в цилиндр под давлением 120-2200 кг\см² через распылитель форсунки) , испариться (в конце такта сжатия Т воздуха достигает 800-1100 К от резкого сжатия).

4. перемешаться с воздухом

Время от начала подачи топлива и до его воспламенения называется периодом задержки самовоспламенения.

Он зависит от угла опережения подачи топлива и температуры деталей двигателя в момент пуска. При пуске холодного двигателя период задержки увеличивается , и по этой причине дизель до момента прогрева работает жестко по причине большой скорости нарастания давления - ( сгорание топлива происходит взрывоподобно).

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.

Самовоспламенение и сгорание топлива — сложный процесс химического соединения его горючих элементов с кислородом воздуха, сопровождаемый выделением теплоты.

При расчете процесса сгорания промежуточные физико-химические изменения, происходящие с топливом внутри рабочего цилиндра, не рассматриваются, а учитываются лишь количественные конечные результаты химических реакций.

Начало горения в расчетном цикле предполагается в в. м. т. В действительном цикле начало горения не совпадает с в м. т. и, кроме того, горение не заканчивается в точке z, а часть топлива догорает на линии расширения zb

Процесс сгорания рассчитывают исходя из 1 кг сжигаемого топлива. Для удобства расчета количество воздуха и образующихся газов измеряется в киломолях.

Определение низшей теплотворной способности топлива.

количество теплоты ,выделяемое при сгорании топлива, называется теплотворной способностью топлива.

Количество тепла, выделяющегося при полном сгорании 1 кг твердого или жидкого топлива или 1 м³газового топлива, при условии, что образующиеся водяные пары в продуктах сгорания конденсируются,называется высшей теплотой сгорания топлива.

Количество тепла, которое выделяется при полном сгорании 1 кг твердого или жидкого или 1 м³газового топлива, за вычетом тепла парообразования водяных паров, образующихся при горении, называетсянизшей теплотой сгорания

Топлива. Высшая теплотворная способность - таблица. (Удельная теплота сгорания).

Топлива, массовая характеристика	Высшая теплотворная способность
	кДж/кг	ккал/кг	БТЕ/фунт, Btu/lb
Бензин, Gasoline, Petrol	47 300	11 250	20 400
Дизтопливо, дизельное топливо, Diesel	44 800	10 700	19 300
Спирт, Alcohol, 96% , Ethanol	30 000	7 150	12 900
Сырая нефть, Petroleum	43 000	10 250	18 500

Тепловой расчет целесообразно начать с определения низшей теплотворной

способности топлива Qн^p ккал/кГ. (Сортом топлива задаемся - дизельное)