Давление остаточных газов в цилиндре двигателя увеличивается при уменьшении
Рассматривая выражение (14), видно, что на коэффициент наполнения влияют давление и температура в конце впуска, температура подогрева заряда , коэффициент остаточных газов , температура и давление , степень сжатия. В свою очередь, указанные величины зависят от ряда факторов и, кроме того, взаимосвязаны между собой. Поэтому наряду с анализом воздействия отдельных факторов на коэффициент целесообразно рассматривать совокупность их влияния на него и в зависимости от режима работы двигателя.
Степень сжатия
Так как изменение степени сжатия вызывает изменение других факторов, то степень сжатия практически не влияет на коэффициент наполнения. Это подтверждается экспериментальными исследованиями.
Давление в конце впуска
Давление оказывает наибольшее влияние на коэффициент . Уменьшение давления зависит от сопротивлений во впускной системе и пропорционально квадрату средней скорости движения заряда в наименьшем сечении впускной системы. На величину влияет также конструкция впускного тракта (расположение клапанов, наличие поворотов, местных сопротивлений и др.), качество обработки внутренней поверхности стенок впускной системы, положение дроссельной заслонки (у двигателей с внешним смесеобразованием) и скоростной режим.
Давление и температура на впуске
Некоторое влияние на величину оказывает давление заряда на впуске. При повышении , когда давление на выпуске не меняется, отношение увеличивается, что приводит к росту . В области значений , применяемых в автотракторных четырехтактных двигателях (0,1–0,18 МПа), это увеличение составляет 1,5–3 %.
Давление остаточных газов
Давление влияет на . Более высокое давление при неизменной температуре соответствует наличию в цилиндре большего количества остаточных газов. В этом случае при движении поршня от в.м.т. на расстояние остаточных газов затрачивается большая часть хода поршня и впуск начинается позже, вследствие чего коэффициент уменьшается. Давление оказывает в раз меньшее влияние на , чем давление конца впуска . Оно зависит от условий организации выпуска и сопротивления выпускного тракта. Как и в системе впуска, сопротивление выпускной системы пропорционально квадрату скорости истечения газа в наименьшем проходном сечении и, следовательно, пропорционально квадрату частоты вращения коленчатого вала двигателя. Учитывая меньшее влияние на в некоторых конструкциях двигателей, несколько уменьшают проходные сечения выпускных клапанов и соответственно увеличивают проходные сечения впускных клапанов, повышая тем самым .
Степень сжатия. С увеличением степени сжатия увеличивается степень расширения рабочего тела, уменьшается температура стенок и подогрев свежего заряда. Кроме того, из-за уменьшения объема камеры сгорания уменьшается количество остаточных газов, но несколько увеличиваются потери на впуске. В результате коэффициент наполнения практически можно считать не зависящим от степени сжатия.
Параметры остаточных газов.
В четырехтактном двигателе в процессе впуска остаточные газы, занимавшие объем камеры сгорания и имевшие давление , расширяются, вследствие чего уменьшается наполнение цилиндра свежим зарядом. Чем больше давление , (рис. 3.5), тем большая часть такта наполнения теряется на расширение остаточных газов.
Количество остаточных газов , зависит от их параметров и объема камеры сгорания :
Рис. 3.5. Влияние давления остаточных газов на процесс наполнения
Основное влияние на процесс наполнения оказывает давление остаточных газов pr. С ростом pr увеличивается плотность остаточных газов и их количество, что приводит к уменьшению индикаторного весового заряда воздуха цилиндра и коэффициента наполнения.
Давление остаточных газов pr в свою очередь зависит от гидравлических сопротивлений системы выпуска и давления среды (противодавления рT), в которую производится выпуск отработавших газов. На рис. 3.6 представлена зависимость , от изменения противодавления ( в мегапаскалях).
Температура остаточных газов Тr практически на процесс наполнения не оказывает влияния, так как при малом различии теплоемкостей остаточных газов и воздуха относительное увеличение объема свежего заряда за счет нагрева остаточными газами соизмеримо с уменьшением объема остаточных газов за счет отдачи тепла воздуху.
Давление в конце наполнения pa, оказывает наибольшее влияние на . В свою очередь давление в конце наполнения зависит от гидравлических сопротивлений системы впуска, величина которых пропорциональна квадрату скорости течения воздуха (или квадрату частоты вращения коленчатого вала, так как скорость воздуха пропорциональна скорости поршня). Чем ниже pa, тем меньше коэффициент наполнения и меньше весовой заряд свежего воздуха. Из уравнения (3.23) следует, что давление в конце наполнения pa в раз сильнее влияет на , чем давление остаточных газов pr . Поэтому при проектировании системы впуска и эксплуатации двигателя необходимо проявлять особую заботу об уменьшении гидравлических сопротивлений впускной системы.
Подогрев свежего заряда влияет на индикаторный весовой заряд и на коэффициент наполнения.
рис. 3.6 Влияние противодавления рТ на коэффициент наполнения
Из уравнений (3.17) и (3.23) видно, что с увеличением коэффициент наполнения уменьшается. Объясняется это тем, что увеличение подогрева заряда в процессе наполнения приводит к уменьшению плотности воздуха, поступившего в цилиндры, и следовательно, к уменьшению действительного весового заряда воздуха. На то количество воздуха, которое могло бы поместиться в рабочем объеме при параметрах pк и Тк, т. е. на теоретический весовой заряд изменение влияния не оказывает. Поэтому в соответствии с изменением индикаторного весового заряда 'изменяется и коэффициент наполнения (рис.3.7).
Рис. 3.7. Влияние подогрева заряда на коэффициент наполнения
Нагрузка. С изменением нагрузки, т.е. крутящего момента на валу двигателя, изменяется цикловая подача топлива при почти неизменном количестве поступающего воздуха. Поэтому скорость движения воздуха и, следовательно, гидравлические сопротивления впускной системы, а значит, и отношение нагрузки не зависят. На коэффициент наполнения будет влиять только изменение подогрева заряда .
С увеличением нагрузки увеличивается цикловая подача топлива, возрастает количество выделяющегося в цилиндре тепла, повышается температура стенок и подогрев заряда увеличивается. Поэтому коэффициент наполнения с увеличением нагрузки от холостого хода до номинального уменьшается на 4—5%.
Частота вращения коленчатого вала и фазы газораспределения. Пользуясь уравнением Бернулли и уравнением неразрывности, можно показать, что величина потерь давления , пропорционально квадрату частоты вращения коленчатого вала и обратно пропорциональна квадрату площади проходного сечения клапана:
(3.29)
Поэтому с увеличением частоты вращения отношение уменьшаётся, а отношение увеличивается, что в соответствии с уравнением (3.23) приводит к уменьшению . Для быстроходных двигателей закон изменения от частоты аппроксимируется уравнением
(3.30)
где k — эмпирический коэффициент (для дизелей без наддува , с наддувом ).
Уравнение (3.29) дает хорошее совпадение с опытными данными при отклонении частоты вращения на 50% от номинальных, которым соответствуют
С увеличением частоты вращения в известных пределах улучшаются условия для дозарядки и очистки цилиндров. Причиной этого является повышение скорости газа в выпускном и впускном трубопроводах. При этом большое значение имеют фазы газораспределения, т.е. моменты начала открытия и закрытия клапанов.
Оптимальные фазы газораспределения можно подобрать только для узкого диапазона частоты вращения. Как при уменьшении, так и при увеличении частоты вращения наполнение цилиндра свежим зарядом ухудшается, что приводит к уменьшению коэффициента наполнения (рис. 3.9). На рис. 3.9 кривая а характерна для двигателей транспортного назначения, работающих в широком диапазоне частот вращения. Двигатели, предназначенные для работы с постоянной скоростью вращения (например, приводы генераторов переменного тока) имеют оптимальную регулировку для номинальной частоты вращения (кривая б).
Рис. 3.9. Влияние частоты вращения коленчатого вала на коэффициент наполнения
Если для каждой частоты вращения коленчатого вала двигателя подбирать оптимальные фазы газораспределения (конструктивно это очень сложно и на практике редко применяется), то с увеличением частоты вращения коэффициент наполнения будет уменьшаться вследствие уменьшения ра и увеличения pr, обусловленных возрастанием гидравлических сопротивлений в системе впуска и выпуска из-за увеличения скорости воздуха и газов в этих системах. Зависимость оптимальных значений коэффициента наполнения от частоты вращения представлена на рис. 3.9 штриховой линией.
3.2.1.Давление и температура окружающей среды принимаются в соответствии со стандартом Ро=0,1МПа; То =300K.
3.2.2.Так как процесс сжатия четырехтактных дизелей условно начинается в НМТ, то доля хода поршня, потерянная в начале процесса сжатия, yа=0 [5, стр.42].
3.2.3. В судовых дизелях степень сжатия e зависит от типа двигателя, его быстроходности, способа смесеобразования, наличия наддува, конструктивных особенностей и других факторов. Для четырехтактных дизелей средней оборотности степень сжатия находится в пределах от 13 до 14,5 [3,стр.56]. В соответствии с технической документацией дизеля 8ЧРН32/48, e=13,25.
3.2.4. Показатель политропы сжатия в компрессоре nк выбирается в зависимости от типа нагнетателя и находится в пределах от 1,5 до 2,0. Высокие значения показателя политропы объясняются подводом тепла от горячих стенок нагнетателя к рабочему телу. Верхний предел относится к центробежным нагнетателям, приводимым в движение турбинами выхлопных газов. Для поршневых нагнетателей nК находится в пределах от 1,5 до 1,6, а для ротативных от 1,7 до 1,8 [3, стр.45]. Так как двигатель 8ЧРН32/48 имеет центробежный нагнетатель, то выбираем nк = 1,75
3.2.5. Давление наддува является одним из основных параметров дизеля, определяющим степень форсирования рабочего процесса. Для увеличения массы заряда свежего воздуха в цилиндре двигателя необходимо увеличить давление наддува. В соответствии с паспортными данными дизель 8ЧРН32/48 имеет импульсный газотурбинный наддув с одним турбокомпрессором, создающим давление наддува PS=0,13МПа .
3.2.6. Коэффициент остаточных газов зависит от тактности двигателя, типа системы газообмена, частоты вращения двигателя, размеров цилиндра, степени сжатия и других факторов. Значение gГ выбираем из опытных данных. Для четырехтактных СОД с наддувом gГ находится в пределах от 0,02 до 0,04 [4, стр.139]. Принимаем gГ=0,02.
3.2.7. Температуру остаточных газов выбираем по опытным данным и оцениваем приближенно. Она находится в пределах от 750 до 900 К. С ее повышением уменьшается плотность, количество, а, следовательно, и г остаточных газов [3, стр.44]; принимаем Тг = 750 К. Давление остаточных газов Рг зависит от сопротивления в выпускном тракте. С повышением Рг увеличивается плотность газов и gг повышается. В предварительных расчетах для СОД принимается Рг от 0,102 до 0,106 МПа [3, стр.49].
3.2.8. Степень подогрева заряда воздуха в двигателе Тs зависит от конструктивных особенностей двигателя, схемы газообмена в цилиндре, и других факторов. Для двухтактных дизелей DТs находится в пределах от 5 до 10К; для четырехтактных от 10 до 20 К [3, стр.44]. Для дизеля 8ЧРН 32/48 принимаем DТs = 10 К.
3.2.9. Степень охлаждения воздуха в воздухоохладителе Тв.о. выбираем из условия: DTв.о. = Тк -TS³310К, где TS-температура воздуха в ресивере в соответствии с паспортными данными дизеля равна 322K. Tк-температура воздуха за компрессором должна быть несколько больше 310K, так как в противном случае в системе двигателя нецелесообразно предусматривать холодильник воздуха из-за малого температурного напора и увеличенных поверхностей охлаждения. Вычисляем Tк по формуле:
где Pк-давление воздуха за компрессором, равное сумме давления наддувочного воздуха РS и сопротивления холодильника воздуха DP=0,004МПа [3,стр.45]. Tк=300(0,133/0,1) 0,75/1,75 =335К.
3.2.10. Коэффициент избытка воздуха a это отношение действительного количества воздуха в цилиндре перед началом сгорания к теоретически необходимому для сгорания цикловой подачи топлива. Он выбирается с учетом степени быстроходности дизеля, наличия наддува, способа смесеобразования, конструкции камеры сгорания. Согласно опытным данным у среднеоборотных двигателей (СОД) на номинальном режиме работы a находится в пределах от 1,6 до 2 [2, стр.37]. Выбираем a =1,8.
3.2.11.Показатель политропы сжатия n1 зависит от типа двигателя, его быстроходности, частоты вращения, условий охлаждения. С увеличением частоты вращения двигателя, показатель политропы сжатия n1 растет, так как уменьшается продолжительность теплообмена, а при снижении частоты вращения, n1 падает. С увеличением нагрузки средняя температура стенки повышается, и, следовательно, к заряду за первый период процесса сжатия подводится больше теплоты. Во второй период сжатия теплоотдача в стенки сокращается, в результате за весь цикл n1 повышается. Значительное влияние на снижение n1 оказывают конструктивные мероприятия, например: повышение скорости циркуляции охлаждающей цилиндр воды, введение охлаждения поршня. Значения среднего показателя политропы сжатия составляют для СОД от 1,34 до 1,42 [2, стр.35]. Выбираем n1 = 1,37.
3.2.12 Максимальное давление цикла РZ принимаем по паспортным данным двигателя Рz = 6,7 МПа.
3.2.13.Значения коэффициентов использования теплоты при максимальном давлении и температуре газов в цилиндре-xZ и в конце расширения -xb зависят от совершенства процесса сгорания топлива, а так же потерь теплоты в период сгорания. Согласно опытным данным для малооборотных двигателей (МОД) и СОД значения этих коэффициентов лежат в пределах: xZ от 0,75 до 0,90; xb от 0,86 до 0,98. Принимаем xz=0,8 и xb=0,9 [4; стр.154].
3.2.14. Показатель политропы расширения n2 принимаем по опытным данным. С увеличением частоты вращения он уменьшается. Для СОД с охлаждаемыми поршнями значения n2 лежит в пределах от 1,2 до 1,3 [3, стр.65]. Принимаем n2 = 1,2.
3.2.15 Механический КПД дизеля hм оценивается в зависимости от типа, частоты вращения, конструктивных особенностей дизеля, способа осуществления наддува. Для CОД с наддувом hм находится в пределах от 0,89 до 0,91. Принимаем hм = 0,9 [5, стр.71].
3.2.16.В расчетах рабочих процессов дизеля принимаем низшую теплоту сгорания топлива Qн, так как при относительно высокой температуре отработавших газов пары воды, образующиеся при сгорании водорода, не конденсируются, и скрытая теплота парообразования в рабочем процессе не используется. В соответствии со стандартом принимаем Qн =41868 кДж/кг.
Выбранные данные сводим в таблицу 3.1.
Таблица 3.1 – Исходные данные для расчета рабочих процессов
Наименование исходного параметра | Обозначение, размерность | Численное значение |
Давление окружающей среды | PO , МПа | 0,1 |
Температура окружающей среды | TO ,МПа | |
Доля потерянного хода поршня | Yа | |
Степень сжатия | e | 13,25 |
Показатель политропы сжатия воздуха в компрессоре | nK | 1,75 |
Коэффициент остаточных газов | gГ | 0,02 |
Температура остаточных газов | TГ , K | |
Давление остаточных газов | PГ,MПа | 0,104 |
Степень подогрева заряда воздуха в цилиндре | DTS, K | |
Коэффициент избытка воздуха | a | 1,8 |
Показатель политропы сжатия | n1 | 1,37 |
Показатель политропы расширения | n2 | 1,2 |
Максимальное давление цикла | PZ,МПа | 6,7 |
Механический КПД | hм | 0,9 |
Коэффициент использования теплоты: -при максимальном давлении | xZ | 0,8 |
-в конце расширения | xb | 0,9 |
Давление наддувочного воздуха | PS | 0,13 |
3.3 Расчет рабочих процессов в цилиндре
3.3.1 Процесс наполнения
3.3.1.1 Давление в конце процесса наполнения вычисляем по формуле: Ра=xа×PS, где коэффициент снижения давления во впускных каналах xа для четырехтактных дизелей с наддувом находится в пределах от 0,9 до 0,96. Принимаем xа=0,96 [5, стр.44].
3.3.1.2 Температуру в конце процесса наполнения вычисляем по формуле:
Та=(Тs + DTs +gг Тг)/(1 + gг),где
Тs=Tк-DТв.о.=335-13=322К - температура воздуха перед цилиндром.
3.3.1.3 Коэффициент наполнения равен
3.3.2 Процесс сжатия
3.3.2.1 Давление газов в конце сжатия вычислим по формуле
Рс = Ра×e n1 =0,1248×13,25 1,379 = 4,4МПа.
3.3.2.2 Температура газов в конце сжатия определяем по формуле
Тс = Та e n1 - 1 =340,2×13,25 0,379 = 906 К
3.3.3 Процесс сгорания
3.3.3.1 Степень повышения давления определим по формуле
l= Рz / Рс =6,7/4,4=1,52
3.3.3.2 Рассчитаем максимальную температуру сгорания ТZ, предварительно определив :
-среднюю мольную теплоемкость сухого воздуха :
Cv ’ = 19,26 + 0,0025Тс =19,26+0,0025×906=21,525кДж /к моль К;
-среднюю мольную теплоемкость продуктов сгорания :
Сv ’’ = 20,47 +0,0036Тс = 20,47+0,0036×906=23,732кДж /к моль К;
-долю топлива сгоревшего при максимальном давлении газов в цилиндре:
-теоретический коэффициент молекулярного изменения :
bo = 1+0,0639 / a =1 +0,0639/1,8= 1,0355;
-действительный коэффициент молекулярного изменения :
Уравнение приводим к виду :
Lo=0,495кмоль/кг- теоретически необходимое количество воздуха для сгорания1кг топлива [1, стр.148];R=8,314кДж/(кмоль К)-универсальная газовая постоянная; Сp ’’ =28,22+0,00307Tz-cредняя мольная изобарная теплоемкость продуктов сгорания.
Решая квадратное уравнение, получим TZ =1922 К
3.3.3.3 Степень предварительного расширения определяем по формуле:
3.3.4 Процесс расширения.
3.3.4.1 Степень последующего расширения определяем по формуле:
d = e/b = 13,25/1,44=9,2
3.3.4.2 Давление газов в цилиндре в конце расширения определяем по формуле:
1. Давление и температура окружающей среды.Двигатель будет работать без наддува (с наддувам) согласно исходных данных, поэтому давление окружающей среды выбираем ро = 0,1Мн/м2 (кг/см2), а температуру — Т0 = 288°…300° К.
При работе двигателей с наддувом воздух поступает в цилиндр не из атмосферы, а из компрессора (нагнетателя), где он предварительно сжимается. В соответствии с этим давление и температура окружающей среды при расчете рабочего процесса двигателя с наддувом принимается равной давлению рк и температуре Тк воздуха на выходе из компрессора. В зависимости от степени наддува давление наддувочного воздуха принимается:
Температура воздуха после компрессора
где пк — показатель политропы сжатия воздуха в компрессоре (нагнетателе).
Из выражения следует, что температура воздуха после компрессора зависит от степени повышения давления в нагнетателе и показателя политропы сжатия.
Величину пк принимают по опытным данным в зависимости от типа наддувочного агрегата и степени охлаждения:
2. Давление остаточных газов.В цилиндре двигателя перед началом процесса наполнения всегда содержится некоторое количество остаточных газов, находящихся в объеме Vc камеры сгорания. Величина давления остаточных газов рrустанавливается в зависимости от числа и расположения клапанов, сопротивлений впускного и выпускного трактов, фаз газораспределения, характера наддува, быстроходности двигателя, нагрузки, систем охлаждения и других факторов.
Для автомобильных двигателей без наддува, а также с наддувом и выпуском в атмосферу
Большие значения рrпринимаются для высокооборотных двигателей. Для двигателей с наддувом и наличием газовой турбины на выпуске
3. Температура остаточных газов. В зависимости от типа двигателя, степени сжатия, числа оборотов, нагрузки и коэффициента избытка воздуха принимают значение температуры остаточных газов, которая для бензиновых двигателей при работе на номинальном режиме изменяется в пределах Тr=900-1100° К, для дизелей - Тr=700-900° К.
ПРОЦЕСС ВПУСКА
1. Температура подогрева свежего заряда.Учитывая высокое число оборотов и желание получить хорошее наполнение двигателя, принимается для бензинового и дизеля ∆Т=5º-7º
Плотность заряда на впуске
где В — удельная газовая постоянная. Для воздуха
где R = 8315 дж/кмоль град — универсальная газовая постоянная.
Потери давления на впуске.
Потери давления Δра за счет сопротивления впускной системы и затухания скорости движения заряда в цилиндре при некотором допущении можно определить из уравнения Бернулли:
где β — коэффициент затухания скорости движения заряда в рассматриваемом сечении цилиндра; ξ вп — коэффициент сопротивления впускной системы, отнесенный к наиболее узкому ее
ωВП — средняя скорость движения заряда в наименьшем сечении впускной системы (как правило, в клапане или в продувочных окнах);
ρк и ρо — плотность заряда на впуске соответственно при наддуве и без него (при рк = ро и ρк = ρо).
По опытным данным в современных автомобильных двигателях на номинальном режиме (β2 + ξВП)
= 2,5÷4,0 и ωВП = 50-130 м/сек.
Величина Δра у четырехтактных двигателей без наддува на номинальном режиме колеблется в пределах: для бензиновых двигателей Δра= (0,06÷0,20) р0 Мн/м2, для дизелей Δра = (0,04÷0,18) р0 Мн/м2.
При работе двигателя с наддувом значение ра приближается к рк, однако абсолютные значения сопротивлений во впускных органах возрастают.
Для четырехтактных двигателей с наддувом
4. Давление в конце впуска.Для двигателей с наддувом и без наддува.
или
5. Коэффициент остаточных газов.Величина коэффициента остаточных газов уrопределяет качество очистки цилиндров от продуктов сгорания. С увеличением уrуменьшается количество свежего заряда, которое может поступить в цилиндр двигателя в процессе впуска.
Коэффициент остаточных газов для четырехтактных двигателей:
где ε — степень сжатия, Тк = Т0 – температура после компрессора или температура окружающей среды.
В четырехтактных двигателях величина γrзависит от степени сжатия, параметров рабочего тела в конце впуска и выпуска, числа оборотов и других факторов.
С увеличением степени сжатия ε и температуры остаточных газов Тrвеличина γrуменьшается, а при увеличении давления остаточных газов и числа оборотов — возрастает:
При применении наддува величина коэффициента остаточных газов снижается.
12. Температура в конце впуска.Эту температуру Та с достаточной степенью точности определяют на основании уравнения баланса теплоты, составленного по линии впуска от точки r до точки а:
где — количество теплоты, внесенное свежим зарядом, с учетом подогрева заряда от стенок;
— количество теплоты, заключающееся в остаточных газах;
— количество теплоты, заключающееся в рабочей смеси.
Принимая в уравнении mcp— mcp" = mcp׳ получим
Величина Та в основном зависит от температуры рабочего тела, коэффициента остаточных газов, степени подогрева заряда и в меньшей степени — от температуры остаточных газов.
У современных четырехтактных двигателей без наддува температура в конце впуска будет:
Коэффициент наполнения.
Для четырехтактных двигателей с учетом продувки и дозарядки цилиндра
для четырехтактных двигателей без учета продувки и дозарядки φп=φд=1;
Величина коэффициента наполнения в основном зависит от тактности двигателя, степени его быстроходности и совершенства системы газораспределения.
Значение коэффициента наполнения для сравнения:
Для бензиновых двигателей Для дизельных двигателей |
ηv =0.70÷0.85 ηv = 0.80÷0.90 |
ПРОЦЕСС СЖАТИЯ
1.Средний показатель адиабаты сжатия k1 при заданном (ε) и (Та) определяют по графику
Рис. 7. Номограмма для определения показателя адиабаты сжатия k1
2. Средний показатель политропы сжатия.Величина n1 устанавливается по опытным данным в зависимости от числа оборотов двигателя, степени сжатия, размеров цилиндра, материала поршня и цилиндра, теплообмена и других факторов. Однако, учитывая, что процесс сжатия протекает достаточно быстро (0,015-0,005 сек на номинальном режиме), суммарный теплообмен между рабочим телом и стенками цилиндра за процесс сжатия получается незначительным и величина п1 может быть оценена по среднему показателю адиабаты сжатия k1.
Учитывая быстроходность рассчитываемого двигателя, принимают
3. Давление и температура в конце процесса сжатияопределяются из уравнения политропы с постоянным показателем п1:
Для современных автомобильных и тракторных двигателей давление и температура в конце сжатия изменяются в пределах (для сравнения):
Читайте также: