Лекция 6. Процессы расширения и выпуска. Тепловой баланс

Процесс расширения

Процес сгорания поданного в цилиндр топлива завершается в начале такта расширения, когда поршень перемещается в НМТ. В связи с этим, несмотря на увеличение объема при перемещении поршня, для любых ПДВС за начало собственно процесса расширения принято принимать не ВМТ, а точку z расчетной диаграммы. Расширение, протекающее в течение рабочего хода поршня, является в безнаддувных двигателях единственным процессом, в котором совершается полезная работа, обеспечивающая на валу двигателя положительный крутящий момент. В общем случае от величины производимой в течение такта расширения работы зависит мощность, развиваемая двигателем.

В теоретических циклах карбюраторного и дизельного двигателей расширение газов протекает по адиабате (К=1, 41). В действительных циклах имеет место догорание топлива, утечка газов через неплотности и отвод тепла в охлаждающую воду. В связи с этим, процесс расширения протекает по политропе с переменным показателем . В начале процесса расширения происходит догорание и за счет этого газы получают тепло, а в дальнейшем по мере увеличения хода поршня газы отдают тепло в стенки цилиндра.

В начале такта расширения теплота от сгорания топлива идет в основном на повышение внутренней энергии РТ, поскольку перемещение поршня невелико и совершаемая газами положительная работа незначительна. Другая часть выделившейся при сгорании теплоты отводится через поверхности КС в систему охлаждения. Несмотря на увеличение надпоршневого объема, по мере вращения коленчатого вала давление в цилиндре в начале хода поршня от ВМТ повышается из-за сгорания топлива с выделением больших количеств теплоты, чем суммарные ее затраты на теплобмен и совершаемую работу. В связи с более длительным и замедленным тепловыделением в дизелях увеличение давления после прохождения поршнем ВМТ продолжается дольше, чем в двигателях с искровым зажиганием. Следствием выделения теплоты при сгорании, вызывающим увеличение давления заряда, являются отрицательные текущие значения показателя политропы n₂ в начале такта расширения.

Дальнейшее перемещение поршня в сторону НМТ сопровождается уменьшением тепловыделения, а также увеличением ее затрат на совершение работы и теплообмен. Результатом этого является замедление нарастания давления и достижение им своего максимума, полсе чего начинается резкое его понижение. В момент достижения давлением величины p_max мгновеное значение показателя политропы n₂ равно нулю и при дальнейшем расширении рабочего тела становится положительным.

По причине продолжающегося тепловыделения максимальное значение температуры Т_max в цилиндре достигается позже, нежели p_max. Очевидно, что при достижении T_max теплота, выделяющаяся при догорании топлива, численно равна (за вычетом потерь в стенки) совершаемой газами работе, т.е. в момент достижения T_max расширение становится квазиизотермическим и n₂=1.

Далее, в некоторый момент количество выделяющейся теплоты становится равным теплопотерям в стенки и текущий показатель политропы n₂ станет равным показателю адиабаты k₂ (dq=0, ds=0); в дальнейшем работа производится за счет внутренней энергии РТ. При дальнейшем расширении значения показателя политропы будут превышать величину показателя адиабаты и энторпия продуктов сгорания начнет уменьшаться.

При увеличении числа оборотов двигателя показатель политропы уменьшается.

В тепловых расчетах принимают среднюю величину показатели политропы расширения .

Средним показателем политропы расширения называют такой постоянный показатель, при котором расширяющиеся газы совершают ту же работу, что и при переменном показателе.

Средняя величина показателя политропы расширения определяется аналитически или графически аналогично определению n₁.

Аналитически величина для карбюраторных двигателей определяется по формуле проф. В. А. Петрова

= 1, 22+ , (47)

где n_N – число оборотов двигателя, мин^-1; 130 – коэффициент, учитывающий обороты и имеющий размерность .

Для автотракторных дизелей, учитывая более сильное догорание, реко-мендуется величину , полученную по формуле (47), уменьшить на 0, 01-0, 02.

Давление в конце расширения определяется из уравнения политропы

= ,

откуда

= . (48)

В карбюраторных двигателях давление в конце расширения будет

[МПа]

В дизельных двигателях , следовательно давление в конце расширения будет

= . [МПа] (49)

Температура газа в конце расширения определяется из следующих характеристических уравнений

= ;

= .

Разделив первое уравнение на второе, получим

= ,

но из формулы (48) следует, что

,

следовательно

= = . (50)

Для карбюраторных и газовых двигателей ρ =1, следовательно

. (51)

6.2 Процесс выпуска (выхлопа)

 

Выпускной клапан открывается со значительным опережением, с целью уменьшения работы, затрачиваемой на процесс выталкивания газов, и сокращения времени воздействия высокой температуры газов на стенки цилиндра. При выталкивающем ходе поршня (от н.м.т. к в.м.т.) цилиндр очищается от отработанных газов.

Закрывается выпускной клапан с некоторым опозданием (после перехода поршня через в. м. т.).

При открытии выпускного клапана давление в цилиндре составляет 0, 3-0, 5 МПа.

Отношение величины давления в цилиндре к давлению наружной среды должно быть больше двух, т. е. больше критического отношения.

В начале открытия выпускного клапана при давлении 0, 3-0, 5 МПа, что выше критического давления, истечение газов протекает с критической скоростью, равной скорости звука в этой среде, и не зависит от разности давлений. В этот момент газы выходят из цилиндра со скоростью 400 м/сек. При снижении давления до 0, 2 МПа, что бывает при приближении поршня к н. м. т. в конце рабочего хода, скорость истечения резко снизится и будет зависеть от разности давлений. Скорость выходящих газов под головкой клапана достигает 60-80 м/сек и выше.

При выталкивающем ходе поршня непрерывно изменяется скорость поршня и проходное сечение клапана, поэтому давление газов в цилиндре изменяется (колеблется).

Колебание давления зависит от нагрузки, частоты вращения, сопротивления газовыпускной системы, фаз распределения и других факторов. В связи с этим, система выпуска (и впуска) должна иметь наименьшее аэродинамическое сопротивление, т. е. поверхность каналов должна быть гладкой, а повороты плавными. Постановка глушителя увеличивает сопротивление и снижает мощность двигателя.

Давление в конце выпуска p_r зависит от частоты вращения n двигателя, которое можно подсчитать по эмпирической формуле, предложенной профессором В. А. Петровым:

. [МПа], (52)

где p₀ - атмосферное давление, МПа;

0, 55∙ - коэффициент, учитывающий частоту вращения двигателя и имеет размерность мин∙ МПа.

Температура конца выпуска (точка r на индикаторной диаграмме) может быть принята:

для карбюраторных двигателей Т_r = 800 -1000º К;

для двигателей с внутренним смесеобразованием (высокого сжатия) Т_r = 700 -900º К.

Тепловой баланс двигателя

 

Тепловой баланс двигателя получают на основании исследований его в различных условиях.

Уравнение теплового баланса имеет следующий вид:

(53)

где Q₀ - общее количество теплоты, израсходованной при работе двигателя на заданном режиме; Q_е - теплота, эквивалентная эффективной работе двига­теля; Q_охл - теплота, отданная в охлаждающую среду; Q_г - теплота, унесенная из двигателя с отработавшими газами; Q_н.с. - не использованная часть теплоты топлива из-за неполноты сгорания; Q_ocm - остаточный член баланса, определяющий потери, не учтенные приведенными выше членами уравнения баланса теплоты.

Каждую составляющую баланса можно определять в процентах от всего количества введенной теплоты. Тогда

%,

(54)

 

Очевидно, что общее количество теплоты, израсходованной в течение 1 ч,

(55)

где G_T – часовой расход топлива в кг/ч.

Теплота, эквивалентная эффективной работе,

Дж/с или (56)

В единицах, основанных на калории, Q_e = 632 N_е ккал/ч.

Теплоту, передаваемую охлаждающей среде через стенки ци­линдров, головку цилиндров, поршень и поршневые кольца, мож­но при водяном охлаждении определить по уравнению:

для карбюраторных двигателей

Дж/с; (57)

для дизелей

Дж/с, (57^/)

где с – коэффициент пропорциональности (для четырехтактных двигателей с=0, 45÷ 0, 53); i – число цилиндров; D – диаметр цилиндра, см; m – показатель степени (для четырехтактных двигателей m=0, 6÷ 0, 7); n_N – частота вращения коленчатого вала двигателя, мин^-1; α – коэффициент избытка воздуха; Δ H_u – количество теплоты, потерянное вследствие химической неполноты сгорания топлива, кДж/кг; H_u – низшая теплота сгорания топлива. кДж/кг.

Теплота, унесенная с отработавшими газами Q_г, может быть определена как разность между теплосодержанием отработанных газов G_TM₂ и теплосодержанием свежего заряда G_T M₁ из уравнения

, Дж/с, (58)

где - cредняя мольная теплоемкость остаточных газов; - средняя мольная теплоемкость свежего заряда; М₁ (кмоль гор.см./кг топл)и М₂ (кмоль гор.см./кг топл) – количество соответственно свежего заряда и продуктов сгорания топлива; t_r и t_k – температура отработанных газов и свежего заряда на впуске в цилиндр в º С; G_Т – часовой расход топлива, кг/ч.

Величину Q_н.с. при α ≥ 1 обычно отдельно не подсчитывают, а включают в Q_ocm, который можно определить следующим обра­зом:

(59)

Если испытания проводятся при α < 1, то теплота, не исполь­зованная из-за химической неполноты сгорания,

(60)

где ∆ Н_и — неиспользованная теплота сгорания.

Рассмотрение отдельных процессов в двигателях и их расчет позволяют установить предполагаемые показатели цикла, а также мощность и экономич­ность двигателя и зависимость давления газов от угла поворота коленчатого вала. По данным расчета можно определить основные размеры двигателя (диаметр цилиндра и ход поршня) и проверить на прочность основные детали двигателя.

При проведении теплового расчета необходимо правильно выбрать исход­ные данные и опытные коэффициенты, входящие в отдельные формулы.

 

Рекомендуемая литература: 3 [79-82]; 4 [22-25, 177-182]; 14 [64-112].

Контрольные вопросы

1. Почему треий такт называют процессом расширения?

2. По закону какого термодинамического процесса протекает процесс расширения?

3. По какой причине в реальных двигателях процесс расширения заканчивается не доходя поршнем нижней мертвой точки?

4. Как определяется давление и температура в конце процесса расширения?

5. Почему давление газа в начале процесса выпуска больше атмосферного?

6. По какой причине в реальных двигателях процесс выпуска начинается не доходя поршнем нижней мертвой точки?

7. Как определяется давление и температура в конце процесса выпуска?

8. Какие меры применяются для того, чтобы уменьшить количество остаточных газов в цилиндре двигателя?

9. Что называется тепловым балансом двигателя?

10. Укажите формулу для определения общего тепла, выдеяющегося при сгорании топлива?

⇐ Предыдущая123456789Следующая ⇒

Поделиться: