Коэффициент молекулярного изменения

Продукты полного сгорания топлива состоят из: углекислого газа CO₂, водяного пара H₂O, избыточного кислорода и азота, поступившего с воздухом. Количество молей продуктов сгорания всегда больше количества молей свежего заряда и остаточных газов.

Отношение общего количества молей смеси газов после сгорания топлива к общему количеству молей до сгорания называется коэффициентом молекулярного изменения. M₂ M + Mr

β = —— = ———— значение β ≈1.03-1.04.

M₁ L + Mr

Разделив на L, получим β = (β_o + γ_г)/(1 + γ_г), произведя некоторые преобразования, получим

λ = β/ρ∙Tz/Tc или ρ = β/λ∙Tz/Tc, где

λ - степень повышения давления;

ρ - степень предварительного расширения.

Температура конца сгорания:

для быстроходных двигателей Tz = 1800-2200 K

для малооборотных двигателей Tz = 1700-1900 K

Pz определяют, зная λ т.е. Pz= λPc, значения Pz= 50-80 кг/см² λ =1.2-2.2

ПРОЦЕСС РАСШИРЕНИЯ

Процесс расширения является основным в рабочем цикле ДВС, т.к. он совершает полезную работу, и в конечном счёте вращает коленчатый вал, генератор и т.д., а кроме того приводит в движение другие поршни двигателя.

Расширение начинается при движении поршня вниз, в момент окончания процесса сгорания топлива и заканчивается для 4-х тактных двигателей около НМТ, а для 2-х тактных - в момент открытия выпускных окон.

В течение всего процесса тепло идёт от газа к стенкам цилиндровой втулки, причём в начале, при догорании топлива, этот поток больше. Параметры изменяются от начальных (Vz,Pz,Tz) до конечных (V_b,P_b,T_b). Расширение протекает по политропе т.е. с теплообменом. В начале процесса газ подогревается теплом догорающего топлива, а на всём протяжении процесса газ отдаёт тепло более холодным стенкам цилиндра. Значит показатель политропы (n₂) величина переменная. Для расчёта берут среднюю величину показателя политропы с таким расчётом, чтобы (.)z и (.)b действительного процесса и расчётного на диаграмме совпадали, т.е.

- для тихоходных дизелей n₂ = 1.24-1.30;

- для быстроходных ДВС n₂ = 1.20-1.25.

Чем больше период догорания, тем ниже n₂. Интенсивный отвод тепла увеличивает n₂ - поэтому высоких значений n₂ надо ожидать у небольших двигателей и при охлаждении поршней.

В процессе расширения происходит резкое снижение давления и температуры.

Параметры конца расширения определяются:

P_b = Pz(ρ/ε)ⁿ² =Pz∙δˉ ⁿ²

T_b = Tz(ρ/ε)ⁿ²^-1 =Tz∙δ¹ˉ ⁿ²

Их значения:

- тихоходные двигатели P_b=2,5-3,5 кГ/см², T_b= 900-1100 K

- быстроходные двигатели P_b=3 - 6 кГ/см², T_b=1000-1200 K

ПРОЦЕСС ВЫПУСКА.

Происходит очистка цилиндров от отработавших газов и завершается рабочий цикл двигателя. В процессе выпуска газы должны преодолеть сопротивления выпускных клапанов, окон, коллекторов, трубопроводов, глушителей. Поэтому давление в цилиндре в конце процесса выпуска должно быть больше атмосферного.

Pг = 1,05-1,25 кг/см²

Меньшие значения относятся к МОД, большие – к ВОД.

Температура газов также не остается постоянной. Средняя температура газов за выпускным коллектором находится в пределах

У 4-х тактных тихоходных дизелей 350-450˚С;

У 4-х тактных быстроходных, включая двигатели с наддувом, 450-600˚С;

У 2-х тактных тихоходных дизелей 250-350˚С;

У 2-х тактных быстроходных 350-500˚С.

Остаточное тепло может быть использовано для привода турбонагнетателей, в утилизационных котлах и в других целях.

ТЕПЛОВАЯ НАПРЯЖЁННОСТЬ ДВИГАТЕЛЕЙ.

Кроме механических нагрузок, детали ЦПГ (крышка, клапана, втулка, поршень, кольца), соприкасающиеся с продуктами сгорания, испытывают значительные тепловые нагрузки. В результате в них возникают температурные напряжения, деформации, условия ухудшающие смазку, способствующие износу, отложению нагара и накипи.

Определяющими параметрами теплонапряжённости служат температуры стенок камеры сгорания и температурные перепады. Тепловые напряжения возрастают с увеличением толщины стенок т.к. согласно законам теплопередачи, чем больше толщина стенки, тем больше разность температур (∆T) на её внутренней и наружной поверхностях. Из-за разных условий охлаждения и нагрева участков камеры сгорания приводит к тому, что температура на поверхности стенок камеры оказывается неодинаковой.

Большая разница в распределении температурных полей наблюдается у втулки цилиндра. Здесь температура металла резко падает в направлении путей отвода тепла. На рабочей поверхности, в районе верхнего пояса температура достигает значения 250°C, а на стороне охлаждения температура падает до 100°C. Не случайно появление трещин втулок в районе камеры сгорания - частое явление.

Температура внешней, огневой стороны поршня увеличивается от середины к закраинам, достигая величины ў 600°C. Неодинаково прогревается металл стенок и по толщине. Температура внутренней поверхности донышка поршня не превышает 150°C.

К росту тепловой напряжённости приводят причины эксплуатационного характера, такие как: плохое сгорание топлива, рост давления и температуры на выпуске, ухудшение продувки и наполнения цилиндров свежим зарядом воздуха, загрязнение полостей охлаждения, колебания температуры охлаждающей воды. Но, кроме того, повышение тепловой напряжённости происходит из-за резкого изменения режимов работы двигателя, частые пуски и остановки.

Наиболее распространённый способ оценки теплонапряженности - по температурам выпускных газов в цилиндрах. Чем больше температура газов, тем выше тепловая напряжённость.

ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС

Большое значение для ДВС имеет характеристика теплоиспользования в двигателе, определяющая количество тепла, получаемого при сгорании топлива в цилиндрах и используемого для создания полезной работы. Характеристику теплоиспользования определяют по тепловому балансу.

Распределение значений теплоты на полезную работу и различные потери называется тепловым балансом двигателя.

Если обозначить теоретическое количество теплоты, выделенной при полном сгорании 1кг топлива через Q_т , то тепловой баланс может быть записан в виде уравнения:

Q_т = Q_e + Q_вг + Q_охл + Q_х + Q_m, где

Q_т=Q_р^н ∙Gт

Q_р^н - низшая теплотворная способность топлива (Q_р^н=10000 ккал/кг);

Gт - часовой расход топлива [кг/ч].

Qe=632∙Ne тепло эквивалентное эффективной (полезной) работе двигателя

632 - тепловой эквивалент (1л.с.∙час);

Ne - эффективная мощность двигателя [л.с.]

Q_вг=G_вг.∙c_p∙T_вг -G_см ∙c′_p ∙T_o - теплота, уносимая выхлопными газами

где G_вг , G_см - часовой расход выпускных газов и свежего заряда воздуха [кг/ч];

c_p , c′_p - теплоёмкость выпускных газов и свежей смеси [ккал/кг∙град];

T_вг , T_o - температура выпускных газов и свежей смеси [K].

Q_охл=W∙с(t_отх-t_вх)+Gм ∙с′(t′_отх-t′_вх) - тепло, уносимое охлаждающей жидкостью

где - W - часовой расход охлаждающей воды [кг/ч];

Gм - часовой расход охлаждающего масла [кг/ч];

c, c′ - теплоёмкость воды и масла [ккал/кг.град];

t_отх , t′_отх - температура отходящей воды и масла [°C];

t_вх , t′_вх - температура входящей воды и масла [°C].

Qост - потери тепла от лучеиспускания стенок двигателя, от неполноты сгорания топлива и погрешности при определении составляющих теплового баланса.

ПРИМЕРНЫЙ РАСЧЕТ ТЕПЛОВОГО БАЛАНСА

Если принять всю теплоту, выделившуюся при сгорании топлива в цилиндрах двигателя за 100%, то в процентном отношении составляющие теплового баланса будут выглядеть следующим образом:

Q_e = 30-45% - тепло, превращённое в эффективную работу;

Q_вг = 25-40% - тепло, унесённое выхлопными газами;

Q_ов = 20-30% - тепло, унесённое охлаждающей водой;

Q_х = 1- 8% - потери теплоты от неполноты сгорания топлива;

Q_m = 5-10% - теплота, потерянная на преодоление трения.

При снижении нагрузки двигателя уменьшается Q_e и возрастают остальные члены теплового баланса.

На потерю тепла с выхлопными газами оказывают качество распыла, качество перемешивания топлива с воздухом и очистка цилиндров от продуктов сгорания. Причинами плохого распыла могут быть неисправность в работе ТНВД, форсунок от излишней вязкости топлива при недостаточном его подогреве. Ухудшение перемешивания топлива с воздухом и очистки цилиндров от остаточных газов может быть вызвано отложениями на продувочных и выхлопных окнах. В случае неблагоприятного сочетания перечисленных причин, из-за затруднений в подводе кислорода к молекулам горючих веществ, процесс сгорания замедляется, а температура газов и потери тепла увеличиваются. Потери от лучеиспускания уменьшают за счёт лучшей изоляции двигателя.

Однако, при наддуве уменьшается доля тепла уходящего с охлаждающей жидкостью и увеличивается доля тепла уносимого выхлопными газами. При повышении числа оборотов двигателя наблюдается та же картина. При наличии газотурбинного наддува, это хорошо - увеличивается мощность турбины. Повышение степени сжатия и увеличение размеров цилиндра даёт тот же эффект.

Для повышения общего КПД дизельной установки, пытаются получить работу в дополнительных агрегатах путём утилизации. Улучшение теплового баланса достигается за счёт теплоты уходящих газов в утилизационных котлах, а также использования теплоты, уносимой охлаждающей водой для отопления помещений, подогрева топлива, балласта и других целей.

МОЩНОСТЬ И ЭКОНОМИЧНОСТЬ ДВИГАТЕЛЕЙ.

Работа, совершаемая в единицу времени называется мощностью. Мощность двигателя может быть индикаторной (Ni) и эффективной (Ne).