ОСНОВЫ ТЕОРИИ РАБОЧИХ ПРОЦЕССОВ В ЦИЛИНДРЕ ДИЗЕЛЯ § 1.1. Идеальный цикл дизеля 3 страница
Влажность атмосферного воздуха. Атмосферный воздух всегда содержит некоторое количество водяного пара. Относительной влажностью (<р,%) называют отношение парциального
давления водяного пара в атмосферном воздухе рп при параметрах рш и tat к парциальному давлению насыщенного пара
Рнас ПРИ этих же параметрах - <р = (рп /рнас)100%. Другой
характеристикой влажного атмосферного воздуха является его влагосодержание (d), представляющее собой отношение
а ^СУХ |
где Gn и Gcyx - соответственно массы водяного пара и сухого
воздуха во влажном.
Влагосодержание воздуха зависит от атмосферного давления, температуры и относительной влажности и определяется по специальным таблицам. Графически эта зависимость представлена в левой части рис. 1.11 (при рш - 760 мм рт.ст.).
В зависимости от района плавания судна атмосферные показатели влажности воздуха изменяются в широких пределах. Влагосодержание воздуха в умеренных широтах редко превышает 0,01, тогда как в тропиках при относительной влажности
Рис. 1.11. К определению минимальной температуры надувочного воздуха в зависимости от атмосферных параметров и давления наддува, для предотвращения конденсации водяного пара в воздухоохладителе. |
80-100% оно достигает 0,03-0,04 (т. е. до 40 г водяного пара на 1 кг сухого воздуха). Наличие влаги уменьшает заряд сухого воздуха, необходимый для сгорания топлива, поэтому является отрицательным фактором для процесса наполнения.
При охлаждении воздуха в воздухоохладителе в дизелях с умеренным наддувом (ps /ро < 2) конденсации водяных паров не происходит, и вся влага поступает в цилиндры. В современных высокофорсированных дизелях часть влаги конденсируется в воздухоохладителе и собирается в специальный сборник, расположенный в его нижней части (см. рис. 1.10). Сборник конденсата снабжен датчиком уровня 1, который подает управляющий сигнал на клапан удаления конденсата 2. Конструкция воздухоохладителя исключает попадание конденсата с воздухом в цилиндры, так как это крайне нежелательно в связи с нарушением смазки цилиндров и коррозии элементов цилиндропоршневой группы (ЦПГ).
Зависимость минимально допустимой температуры от параметров атмосферного воздуха и давления наддува представлена на рис. 1.11. Из рисунка видно, что с увеличением влагосо- держания атмосферного воздуха и давления наддува /min увеличивается. Так например, при параметрах tat = 32°С, (р - 60% и ps / ро = 2,0 /щin = 36°С (см. пример, отмеченный на рисунке сплошными линиями). К определенной из графика температуре добавляем 10°С для исключения конденсации при увеличении вла- госодержания воздуха или случайном отклонении температуры охлаждающей воды. Таким образом, для рассмотренного примера ts в эксплуатации должна поддерживаться не ниже 45°С.
При более высоком наддуве для исключения конденсации пришлось бы поддерживать температуру в ресивере более 60°С (пример, отмеченный штриховыми линиями на рис. 1.11). Это привело бы к нежелательным последствиям: уменьшению свежего заряда воздуха и повышению температур деталей ЦПГ, поэтому в форсированных дизелях уровень ts не повышают сверх 50°С и предусматривают удаление конденсата.
На рисунке 1.12 приведены экспериментальные данные по расходу конденсата (GKOh , кг/ч) из сборников для главного двигателя 6RTA-58 «Зульцер» (6ДКРН 58/170) в зависимости от давления воздуха в продувочном ресивере при работе на винт
Рис. 1.12. Конденсация влаги в воздухоохладителях дизеля 6RTA-58 «Зульцер» при работе в тропиках:
1 - режим малого хода судна;
2 - режим полного хода при мощности 100%.
регулируемого шага (п = const). Судно находилось в тропиках, атмосферные параметры: tat = 29°С, <р = 90%; при этом d = 0,02. Температура воды на входе в воздухоохладитель /н.у = 31°С, на выходе - tW2 = 36°С; ts = 48°С.
С учетом влагосодержания и расчетного расхода влажного воздуха через центробежный компрессор был рассчитан расход водяного пара G/jap, кг/ч.
При работе на малых нагрузках конденсации влаги вообще не происходит, она начинается при степени повышения давления р5/р0> 1,6 (точка 1 на рис. 1.12). При 100% нагрузке дизеля (точка 2) расход конденсата составляет 720 кг/ч. В воздухоохладитель с влажным воздухом при этом поступает 970 кг/ч водяного пара.
Таким образом, экспериментальные данные показывают, что в воздухоохладителе не весь пар конденсируется из-за ограниченного времени нахождения влажного воздуха в воздухоохладителе. На малых нагрузках в тропиках в цилиндры поступает 100% атмосферной влаги, на режимах полного хода (75-100% нагрузка двигателя) - от 50 до 70%. При плавании судна в умеренных и северных районах конденсация влаги прекращается, вся влага поступает в цилиндры на всех эксплуатационных режимах работы двигателя.
При отсутствии конденсации пара в воздухоохладителях свежий заряд воздуха уменьшается, так как часть объема цилиндра занимает атмосферный пар. Обозначим через р1 и rfH- соот
ветственно плотность воздуха и коэффициент наполнения при полном отсутствии атмосферной влаги в нем. При наполнении цилиндра влажным воздухом при тех же значениях параметров в ресивере и влагосодержании d плотность воздуха и коэффициент наполнения цилиндра воздухом будут меньше
1 1 4- d
А-ЛТН6Ы- ,1,7>
1 1 У г
(1-18)
14- у г + d
С учетом формул (1.17 и 1.18) свежий заряд при наполнении цилиндра влажным воздухом
GB=G\--------- (1 + с/К1 + ^)---------- (] ]9)
в в (1 + 1,6ld)(\ + yr+d)
где GXB - свежий заряд воздуха при отсутствии влаги в воздухе,
поступающем в ресивер из воздухоохладителя.
Все перечисленные факторы действуют одновременно и при неблагоприятном их сочетании (как правило - при плавании в тропиках) могут привести к снижению свежего заряда воздуха до 20%. Это приводит к снижению мощности двигателя, его экономичности и надежности работы.
К эксплуатационным факторам, влияющим на процесс наполнения, относится также техническое состояние выпускного и воздушного трактов двигателя, турбины и компрессора. Эти факторы рассматриваются в заключительной части курса.
§ 1.5. Процесс сжатия
Процесс сжатия происходит при перемещении поршня от начала закрытия выпускных органов (точка а) до ВМТ поршня (точка сУ В дизелях можно допустить, что в процессе сжатия не происходит изменения состава и массы рабочего тела. Объем и масса впрыскиваемого в конце хода сжатия топлива составляют незначительную величину, утечки рабочего тела через уплотнительные кольца в исправном судовом дизеле практически отсутствуют.
Задачей расчета сжатия является определение давления и температуры рабочего тела (смесь свежего заряда воздуха и остаточных газов) в конце сжатия рс и Тс.
Сжатие представляет собой сложный процесс, который сопровождается в начальной стадии подогревом рабочего тела от нагретых деталей цилиндра. По мере сжатия давление и температура рабочего тела возрастают и в заключительной стадии направление теплового потока изменяется - тепло отводится от рабочего тела в стенки цилиндра.
Рис. 1.14. Схема изменения показателей процесса сжатия
Рис. 1.14 иллюстрирует качественную картину сжатия. Теоретическая кривая сжатия показана штриховой линией a-ct. Так как в ходе сжатия температура возрастает, то показатель адиабаты сжатия kj несколько снижается (показано штриховой линией). Действительная кривая сжатия на рисунке показана сплошной линией а-с.
Сопоставление кривых сжатия показывает, что в начальной стадии сжатия в связи с подогревом рабочего тела действительная кривая расположена выше теоретической. В некоторый момент (точка 1 на рисунке) она пересекает теоретическую кривую. В этот момент температура рабочего тела и стенок цилиндра равны и теплообмен отсутствует (квазиадиабатная точка), в дальнейшем линия сжатия проходит ниже теоретической из-за отвода тепла. В связи с отводом тепла давление и температура рабочего тела в конце сжатия в действительном цикле ниже, чем в теоретическом.
Для расчета параметров в конце сжатия используются уравнения политропного процесса
pVn = const и TVnA = const. (1.30)
Для точного описания действительного процесса сжатия показатель политропы п в уравнениях (1.30) должен быть переменным по ходу сжатия, как показано на рис. 1.14 (здесь
П = п[). По опытным данным для судовых дизелей диапазон
изменения п[- от 1,5 в начале сжатия, до 1,1 у ВМТ.
Расчет процесса сжатия с переменным показателем был бы чрезмерно сложным, поэтому в теории ДВС принято, что сжатие происходит по политропе с условным средним постоянным
показателем политропы пх. Для минимизации погрешности в
определении параметров рс и Тс величину Пх выбирают таким
образом, чтобы при расчете с выбранным значением постоянного показателя получалась та же работа сжатия, что и при истинном переменном показателе.
Наиболее простой метод определения среднего показателя политропы сжатия ^состоит в следующем. При наличии экспериментальной индикаторной диаграммы по ней определяют давления в начале и конце сжатия - раэ и рсэ. Запишем уравнения политропного процесса для начала и конца сжатия
РаУа^РсУс' Прологарифмировав и преобразовав это уравнение, получим расчетную формулу в виде
( \
In ^
м \ Р оэ J / 1 О 1 \
П\ =—: • (1-31)
In G
Для двухтактных дизелей в уравнение (1.31) подставляется значение действительной степени сжатия. В расчетах при проектировании дизелей используют более сложную методику определения среднего показателя политропы сжатия.
По опытным данным в судовых малооборотных и среднеоборотных дизелях «/=1,34ч-1,37, в высокооборотных - п\ - 1,38 -г- 1,39. Значение среднего показателя политропы за
висит от соотношения между количеством тепла, подведенного к рабочему телу в начале сжатия и отведенного в конце (см. рис. 1.14). В судовых дизелях с наддувом используется интенсивное охлаждение поршней, поэтому у них теплоотвод преобладает, и Пх< к\ср, где kfcptt 1.39 - среднее значение показателя адиабаты сжатия (с учетом его уменьшения с ростом температуры, подробнее см. раздел 1.5). В высокооборотных дизелях с неохлаждаемыми поршнями вследствие преобладания подогрева рабочего тела при сжатии значения rij могут превышать к]ср, а в дизелях с воздушным охлаждением цилиндров даже достигать значения 1,42.
Давление и температура рабочего тела в конце сжатия могут быть получены из уравнений политропных процессов, записанных в виде
PcKnl = РаКх; ТсК'~' = W'1 • (1-32)
Решим уравнения политроп относительно р и Т
В формулах (1.33 и 1.34) для двухтактных двигателей записывается действительная степень сжатия.
Из полученных формул следует, что параметры рабочего тела в конце сжатия пропорциональны их значениям в начале сжатия и зависят от степени сжатия. В современных высокофорсированных дизелях рс на полной нагрузке достигает 120-140 бар при степени сжатия 12-14. Это обусловлено тем, что давления рс, ра и р5 связаны между собой примерно пропорциональной зависимостью. По этой же причине при уменьшении нагрузки дизеля рс снижается, достигая значений 35-37 бар на режиме малого хода (или холостого хода при работе с постоянной частотой вращения).
В отличие от давления, Тс изменяется незначительно и для разных дизелей составляет 850-950 К ( при изменении нагрузки дизеля Тс также существенно не изменяется). Постоянство Тс объясняется тем, что температура в начале сжатия не изменяется вследствие поддержания температуры надувочного воздуха в продувочном ресивере в узких пределах, так как Та связана примерно пропорциональна Ts.
При пуске холодного двигателя из-за усиленного теплоотвода в стенки цилиндра nj снижается до 1,2-1,25, поэтому температура в конце сжатия будет низкой. В связи с этим степень сжатия при проектировании дизелей выбирают достаточной для обеспечения устойчивого самовоспламенения топлива на пусковых режимах. Нижний ее предел для судовых дизелей составляет Ђmin =11, что обеспечивает Тс не менее 800° К и гарантирует их надежный пуск при температуре воздуха в машинном отделении +7°С (это требование к судовым дизелям выдвигается классификационными обществами, в частности Российским Морским Регистром Судоходства). В высокооборотных дизелях с полуразделенными и разделенными камерами сгорания, имеющими относительно большую суммарную поверхность теплоотвода для обеспечения пуска степень сжатия может составлять 18-23.
Верхний предел для е обусловлен необходимостью ограничения максимального давления сгорания, которое связано с величиной давления надува pz = Л • рс = Л- раеп}.
В современных судовых дизелях с наддувом р2 = 140-180 бар и более, поэтому для его ограничения степень сжатия составляет 14-15. По мере совершенствования конструкции, будет обеспечиваться прочность и надежность двигателя при больших значениях pz,, поэтому верхний предел е может изменяться в сторону увеличения.
Отмеченное касается дизелей с обычной организацией рабочего процесса, когда топливо подается в цилиндр до ВМТ поршня и действительный цикл имеет своим аналогом идеальный термодинамический цикл со смешанным подводом тепла. Некоторые дизелестроительные концерны (например, финский концерн «Вяртсиля») оптимизировали рабочие циклы судовых
среднеоборотных дизелей с целью снижения образования в цилиндрах экологически вредных оксидов азота. Для этого применяется позднее начало подачи топлива в цилиндр, а для сохранения КПД существенно повышается степень сжатия (см. раздел 1.1). Величина степени сжатия подбирается с таким расчетом, чтобы рс достигло уровня pz (180-190 бар). Вследствие поздней подачи топлива его сгорание происходит после ВМТ и рг лишь незначительно превышает рс. Рабочий цикл в этом случае похож на идеальный цикл Дизеля.
§ 1.6. Процесс сгорания
В процессе сгорания топлива происходит выделение теплоты, преобразуемой в двигателе в полезную механическую работу. Самовоспламенение и сгорание топлива в дизеле отличаются чрезвычайно сложными физико-химическими процессами, точное математическое описание которых не получено до настоящего времени. Даже при современных методах расчета с помощью ЭВМ сгорание описывается полуэмпирическими уравнениями.
В начале XX века профессор МВТУ В.И. Гриневецкий предложил метод расчета сгорания, который был впоследствии развит его учеником Е.К. Мазингом и с некоторыми усовершенствованиями используется до настоящего времени. Это объясняется исключительной простотой метода при вполне приемлемой точности определения показателей двигателя.
Максимальное давление сгорания достигается в точке т после ВМТ поршня и является функцией процесса сгорания. Завершается процесс сгорания в начале процесса расширения в точке у. Предложенная схематизация соответствует идеальному термодинамическому циклу со смешанным подводом тепла, однако в предложенном методе, в отличие от идеального цикла, учитывается изменение массы рабочего тела вследствие сгорания топлива, изменение его термодинамических параметров в зависимости от температуры и состава, теплообмен со стенками цилиндра.
В начале процесса сгорания (точка с) известны давление, температура, масса и объем рабочего тела, соответственно - рс, ТС9 Мс и Vc. Напомним, что при отсутствии утечек рабочего тела в процессе сжатия Мс = Ма. Задачей расчета процесса сгорания является определение этих же параметров в точках z' и z . Промежуточные состояния рабочего тела в рассматриваемом методе не рассчитываются.
В точке zr известен только объем, так как Vz — Vc . В точке z при допущении о завершении химических реакций окисления топлива может быть определена масса рабочего тела
Мz — Мс + AM, где AM , кмоль - приращение массы рабочего тела вследствие сгорания топлива. В данной постановке задача не разрешима из-за слишком большого числа неизвестных параметров. В.И. Гриневецкий предложил считать известной величину максимального давления сгорания, принимая его при проектировании нового двигателя на основании данных двигателя - прототипа. Это позволяет определить координаты точки z на p-V диаграмме и уменьшить число неизвестных термодинамических параметров в точке z до двух - Т2 и Vz.
Процесс сгорания рассчитывается исходя из 1 кг сжигаемого топлива, массы компонентов рабочего тела выражены в киломолях. Температура рабочего тела в точке z определяется из уравнения первого закона термодинамики, которое применительно к процессу сгорания может быть выражено в конечных разностях в виде
АО - AU + AL , , (1.35)
^ CZ CZ Z Z
где Д(7 - U -U - приращение внутренней энергии рабоче-
CZ Z с
го тела на участке сгорания; AL^,^~ внешняя работа, совершаемая рабочим телом на изобарном участке процесса сгорания; AQ - количество теплоты, расходуемое при сгорании 1 кг то-
CZ
плива на повышение внутренней энергии рабочего тела и совершение механической работы на участке с — z - z.
При полном сгорании 1 кг топлива выделится количество тепла, равное QH. В рассматриваемом методе расчета сгорания
принимается, что AQCZ = QH- QZ - QZ, где QZ - тепло, не выделившееся в точке z вследствие того, что не все топливо успело сгореть к этому моменту; Q^ - тепло, отведенное от рабочего тела в стенки камеры сгорания на участке сгорания c-z. В отличие от QC*M, QCHZC не является окончательно потерянным
теплом, оно будет сообщено рабочему телу в начале процесса расширения в процессе догорания топлива. Таким образом, в методе расчета Гриневецкого-Мазинга частично учитываются
условия реального рабочего процесса. Отношение AQcz к QH называют коэффициентом использования тепла в точке z
? aq°
Q.
Физический смысл этого коэффициента заключается в том, что его величина (всегда <1) отражает потери тепла вследствие неполноты сгорания топлива и теплообмена. Согласно опытным данным его значения для малооборотных и среднеоборотных дизелей составляют 0,75-0,9; для высокооборотных - 0,7-0,85.
С учетом отмеченного выше AQCZ=^ZQH. Дальнейшие
преобразования уравнения (1.35) сводятся к подстановке в него развернутых выражений для внутренней энергии и работы применительно к начальной и конечной точкам процесса (с и z). Выражения для расчета внутренних энергий приведены в таблице 1.2.
Таблица 1.2
К расчету внутренних энергий рабочего тела
|
Формула (1.35) может быть записана в виде £ О = U -U + р V — р V . После подстановки в нее
7Z И Z С Z 2 Z С
формул для внутренних энергий и масс рабочего тела в начальной и конечной точках процесса сгорания и несложных алгебраических преобразований получим уравнение сгорания топлива в окончательном виде
—Мн----------- Ч + (сж + 8,314-Л)-Тс =/?• (с„ + 8,314)- Tz, (1.36)
a-V(1 + r,)
где Л = pzlрс.
В результате подстановки в левую часть уравнения (1.36) уже известных из расчетов процессов наполнения и сжатия и принятых из рекомендованных пределов значений параметров, в каждом конкретном случае расчета будет получено некоторое числовое значение С. В правой части уравнения теплоемкость смеси газов является функцией искомой температуры Tz, поэто-
му в итоге уравнение сгорания приводится к виду ATZ +BTZ — С = 0, где А, В и С - числа. Уравнение можно привести к виду
г.—£-
В* АТ,
и решать его методом последовательных приближений, задавая в качестве первого приближения значение температуры в знаменателе формулы из диапазона 1700-1900 К.
Из формулы (1.36) очевидно, что с увеличением Л,£г,Тс и
уменьшением а температура в конце сгорания увеличивается и наоборот. В зависимости от значений этих величин для судовых
дизелей характерен диапазон Tz = 1700 ч-1900 К. Как уже отмечалось ранее, значение максимального давления сгорания должно быть принято по данным двигателя-прототипа.
Для определения объема в точке z запишем уравнения состояния рабочего для начальной и конечной точек процесса сгорания pzVz=RMzTz и pcVc=RMcTc. Разделив почленно первое на второе, получим
с
Определив из этого уравнения значение степени предварительного расширения рабочего тела р, получим искомое значение Vz = Vcp. Таким образом, все термодинамические параметры состояния рабочего тела в точке z определены.
§ 1.7. Процесс расширения
Расчетная схема процесса расширения должна учитывать продолжающееся после точки z тепловыделение в цилиндре вследствие догорания топлива. Если пренебречь неполнотой сгорания топлива (в дизелях менее 1 % от цикловой подачи), то количество теплоты, выделяющееся в начальной фазе процесса расширения будет равно теплоте, не выделившейся в процессе
процесса расширения в теоретическом и действительном циклах
баты расширения кг вследствие снижения темпера-
туры рабочего тела в процессе расширения. При температуре в начале расширения для топлива среднего состава и коэффициента избытка воздуха а = 2 к2 ~ 1,27; в конце процесса расширения кг ~ 1,32. Среднее значение показателя адиабаты расширения примерно равно 1,295.
Подвод тепла к рабочему телу в начале процесса расширения обусловливает повышение давления относительно линии адиабатного расширения (на рисунке 1.16 действительная кривая расширения показана сплошной жирной линией). Поскольку в течение всего процесса расширения происходит отвод тепла, то в точке 2 теплоотвод и теплоподвод становятся равными, действительная линия расширения пересекает теоретическую кривую.
Если описывать действительную кривую сжатия уравнением политропы с переменным значением показателя гг2, то он должен изменяться по ходу расширения так, как показано на рисунке 1.16. Расчеты показывают, что п!г изменяется от 1,1 в
начале расширения до 1,5 в конце процесса. Теплоотвод, преобладающий в процессе расширения, обусловливает меньшее зна
чение давления в конце расширения рь по сравнению с его значением при адиабатном процессе расширения рь,.
По аналогии с процессом сжатия, для определения параметров рабочего тела в процессе расширения используют политропу с усредненным показателем п2, постоянным для всего процесса и дающим такую же работу, как и при действительном
расширении с переменным показателем политропы п\.
В расчетах при проектировании дизелей среднее значение показателя политропы расширения определяют из уравнения первого закона термодинамики. В упрощенных расчетах его принимают из рекомендованных диапазонов: 1,2 1,3 для судовых средне и малооборотных дизелей с охлаждаемыми поршнями; 1,1 ч- 1,25 для высокооборотных дизелей.
Из рассмотренной выше схемы процесса расширения очевидно, что величина п2 зависит от баланса подведенного и отведенного тепла в течение процесса. Увеличение подвода тепла приводит к уменьшению п2, преобладание отвода - к его увеличению. Поскольку подвод тепла в процессе расширения определяется неполнотой сгорания топлива в точке z, то очевидна связь между £ и п2: чем меньше тем больше тепла будет выделяться в процессе расширения и тем меньше будет п2 и наоборот.
В связи с отмеченным, выбор величины п2 при расчетах должен координироваться с величиной £, т. е., принимая меньшее значение коэффициента использования тепла из рекомендуемого диапазона, надо принимать также меньшее значение показателя политропы расширения и наоборот.
Отмеченное обстоятельство, наряду с необходимостью принимать значение максимального давления сгорания по данным двигателя-прототипа, является «слабым» местом в методике теплового расчета ДВС по методу «Гриневецкого-Мазинга».
Из четырех термодинамических параметров рабочего тела в точке b известны масса рабочего тела (Mb =М2) и объем Vb~Va. Для определения неизвестных давления и температуры в конце процесса расширения запишем уравнения политропных процессов в виде
Параметры рабочего тела в конце процесса расширения определятся как |
п2 5 |
(1.37) |
Как следует из уравнения (1.37), величина рь пропорционально связана с максимальным давлением сгорания. Для современных высокофорсированных дизелей рь - 9-12 бар. Температура рабочего тела в конце расширения составляет 900-1100 К.
Тепловой расчет двигателя завершается определением его показателей и построением расчетной индикаторной диаграммы.
Глава 2
ПОКАЗАТЕЛИ РАБОЧЕГО ЦИКЛА ДИЗЕЛЕЙ § 2.1. Энергетические индикаторные показатели
Индикаторная работа и среднее индикаторное давление. Действительный рабочий цикл ДВС отображается индикаторной диаграммой, снятой при его работе. На рисунке 2.1 показана индикаторная диаграмма судового среднеоборотного четырехтактного дизеля, снятая с помощью электронного индикатора.
Рис. 2.1. Индикаторная диаграмма судового среднеоборотного дизеля |
По оси ординат отложено давление в цилиндре в барах, по оси абсцисс - нормализованное значение объема цилиндра (изменение в диапазоне 0-100% F/,, объем камеры сжатия не показан).
Дата добавления: 2016-05-16; просмотров: 1318;