Диск СГЭО (Лекции_СГЭО_ВЗО_2012) / Глава_5_Сжатие в дизеле

Глава 5. ПРОЦЕСС СЖАТИЯ В ДИЗЕЛЕ (с. 74)

§ 5.1. Назначение и общая характеристика процесса сжатия в дизеле (с. 74)

Назначение процесса сжатия в дизеле:

повышение температуры в цилиндре для обеспечения самовос- пламенения топлива;

получение высокого термического КПД цикла за счет высокого уровня температур подвода теплоты в цикл при последующем сгорании топлива.

Процесс сжатия сопровождается следующими явлениями:

-изменением площади поверхности контакта между воздушным зарядом цилиндра и его стенками по ходу поршня;

-переменным по направлению и интенсивности теплообменом между зарядом и стенками цилиндра;

-утечками заряда через « неплотности» полости цилиндра;

-испарением части топлива, впрыснутого в цилиндр до ВМТ; испарение сопровождается отбором от воздушного заряда теплоты парообразования.

Таким образом, сжатие в дизеле можно рассматривать как политропный процесс с переменным показателем политропы.

1

.

§ 5.2. Изменение показателя политропы в процессе сжатия, средний показатель политропы сжатия (с. 75)

…. приведем на рис. 5.1 диаграмму взаимного расположения различных политропных процессов.

Затраченная на сжатие

работа −l	и подведенная
извне теплота +q расходу-
ются на повышение вну-
тренней энергии +ΔU (+ΔT )
Затраченная на сжатие
работа −l	расходуется на

повышение внутр. энергии раб. тела +ΔU (+ΔT ) и

отвод теплоты от раб. тела −q .

Отвод теплоты −q от раб. тела столь интенсивен, что при этом отводится не только энергия, затраченная на сжатие−l , но и часть внутр. энергии

раб. тела

− U (− T )

n > k		p
+q						u + l
			n=±È	q=
+ u	-l	n=k
1 < n < k		n=1	+ T	+q
-q
		n=0	+ u			n=0
+ u	-l		- T
					n=1
		-q
			- u
n < 1				n=k
-q		-l	n=±È	+l
- u	-l					v
		Рис. 5.1. Взаимное
		расположение различных
		политропных процессов

Различные области политропных процессов на рис. 5.1 интерпретированы с точки зрения « взаимодействия» членов уравнения первого закона термодинамики: q = U + l – теплота, подведенная к рабочему телу q в каком-либо процессе, расходуется на изменение его внутренней энергии U и совершение механической работы l .

2

Процесс сжатия в координатах p − V изображен на рис. 5.2.
		(с. 76)
В начале сжатия температура заряда					-q				+q
цилиндра T		ниже температуры
стенок цилиндра T . В результате					+ u		-l		+ u	-l
теплота подводитсястк заряду от стенок			p	c	,	T > Tст			T < Tст
(+q ). Поэтому в указанной части
процесса « мгновенный» показатель				c			-q		+q
							n1м< k1		n1м> k1
политропы n1м		> k1(больше показателя
адиабаты).									- - адиабата
									m Ð политропа
									a
В ходе сжатия температура заряда							T = Tст			V
цилиндра повышается, и в некото-			k				q = 0
					k		n м= k
рый момент времени наступает			1				1	1
равенство T = Tст. В это мгновение			n1м		1
							nм		n
теплота не подводится к заряду и не
отводится от него ( q =0).							1		1
										V
Это означает, что в данный момент
				Рис. 5.2. Процесс сжатия в
имеет место « мгновенный» адиа-
батный процесс, то есть n1м = k1 .							дизеле
При дальнейшем сжатии температура заряда превышает
температуру стенок ( T >T ), теплота отводится от заряда в стенки
		ст					.
(−q ) и « мгновенный» показатель политропы nм <
					1		k1
Итак,	м	.
	n1 = var
Для упрощения расчетов принимают условный постоянный
показатель n1		= const, значение которого обеспечивает работу
сжатия, равную работе при переменном показателе nм								= var .
					n1		1
В расчетах циклов большинства судовых ДВС							определяется на
уровне 1,37–1,38. Заметим, что эти значения близки к значению
показателя адиабаты для воздуха ( k1=1,4), т.к. обмен теплотой
между рабочим телом и стенками цилиндра по количеству
передаваемой теплоты не существенен.

3

§ 5.3. Влияние различных факторов на показатель
		политропы сжатия (с. 77)
На рис. 5.3 (фрагмент рисунка 5.1)				p		n=±È
представлена, в частности, область с
показателями политропы 1,0 < n1 < k .					n1	n =k=1,4
Показатель адиабаты принят k			=1,4		n =1
(для воздуха).
С учетом того, что показатель
политропы	n	определяется на уровне			n = 0
1,37–1,38,	1
	линия указанной
политропы проведена вблизи к линии						V
адиабаты.
					Рис. 5.3. Положение
Анализ сводится к рассуждениям о
				политропы сжатия в двигателе
« приближении» линии процесса				(	n1) относительно других
сжатия либо к адиабате ( n1 = k			), либо			политроп
к изотерме (n1		=1,0) под влиянием
того или иного фактора.

Если фактор способствует уменьшению потери теплоты из цикла в ходе сжатия, то это увеличивает n1 , то есть приближает процесс к адиабате. При увеличении потери теплоты n1 уменьшается, что означает перемещение линии процесса в сторону изотермы.

1) ВЛИЯНИЕ ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ: n1 − при − n

Это объясняется тем, что сокращается продолжительность сжатия. Поэтому уменьшается потеря теплоты из цилиндра двигателя, то есть сжатие приближается к адиабатному.

2) ВЛИЯНИЕ РАЗМЕРОВ ЦИЛИНДРА: n1 − при − D и S

При этом уменьшается контактирующая с воздухом площадь поверхности стенок, приходящаяся на единицу объема цилиндра. Поэтому тепловой поток от рабочего тела в стенки сокращается и, соответственно, увеличивается n1 .

4

3) ВЛИЯНИЕ КОНСТРУКЦИИ КАМЕРЫ СГОРАНИЯ:

n1 − при неразделенных КС по сравнению разделеными КС.

При этом, как и в предыдущем случае, имеет место уменьшенная контактирующая с воздухом площадь поверхности стенок, которая приходится на единицу объема цилиндра, уменьшенный тепловой поток и, соответственно, повышенный n1 .

4) ВЛИЯНИЕ ОХЛАЖДЕНИЯ ПОРШНЯ: n1 − при отсутствии охлаждения.

Ввиду малости тепловых потоков, сжатие происходит по политропе с повышенным n1 .

5) ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ОХЛАЖДАЮЩЕЙ ВОДЫ:

n1 − при − Тохл

При этом уменьшается перепад температур на стенках цилиндра, соответственно, сокращается тепловой поток через стенки и, как результат, увеличивается n1 .

6) ВЛИЯНИЕ ГЕРМЕТИЧНОСТИ ПОЛОСТИ ЦИЛИНДРА: n1 − при − улучшениигерметичности.

Уменьшаются утечки рабочего тела из цилиндра. Утечки в можно рассматривать как эквивалент потерь теплоты. Поэтому при повышении уровня герметичности цилиндра увеличивается.

7) ВЛИЯНИЕ РЕЖИМА РАБОТЫ ДВИГАТЕЛЯ: n1 ↓ при переходе к малонагруженным режимам.

Стенки цилиндра имеют пониженную температуру, доля теплоты, теряемой через стенки цилиндра, по отношению к теплоте, преобразовываемой в полезную механическую работу, велика.

В данном случае получению сниженного также способствует малая частота вращения коленчатого вала n .

5

§ 5.4. Уравнение среднего показателя политропы сжатия

(с. 80)

Ввиду рассмотренной выше близости политропы сжатия к адиабате можно принять n1 ≈ k1 . Считается, что в итоге в теплообмене заряда со стенкой имеет место нулевое количество переданной теплоты ( q =0).

ВЫВОД УРАВНЕНИЯ ПОКАЗАТЕЛЯ ПОЛИТРОПЫ СЖАТИЯ

Уравнение первого закона термодинамики

q = U + l

запишем применительно к процессу сжатия в дизеле:

q = Ua − Uc + lac .

Так как принято, что q =0, то

Uc − Ua = lac .

(5.1)

Разность внутренних энергий в точках « c » и «a »:

Tc

Ta

′

′,

Uc − Ua = Uc

0 − Ua

0 = cv cTc − cv aTa

′

′

где cv c

, cv a – средние изохорные мольные теплоемкости заряда

цилиндра в диапазонах температур от 0 (К) до Tc

и Ta .

Теплоемкость можно представить в виде линейной зависимости

от температуры по уравнению

cv = av + bT ,

(где av

и b – константы).

Ввиду неизменности состава рабочего тела, можно допустить равенство коэффициентов av c = av a = av ; ba = bc = b . Тогда разность внутренних энергий в уравнении (5.1), можно записать:

Uc

−

Ua

=

(Tc

−

+

b (Tc

+

.

(5.2)

Ta ) av

Ta )

Работа в уравнении (5.1) может быть выражена (см. лекции по

термодинамике):

p V − p V

Rμ (Tc

− Ta )

lac =

=

c

c

a a

,

(5.3)

n1 − 1

n1 − 1

где R = 8,314 кДж/(кг·К) –

универсальная газовая постоянная.

μ

6

Подставим (5.2) и (5.3) в (5.1):

n1 − 1 =

Rμ

или

n1

− 1 =

8, 314

.

(5.4)

+ b (Tc + Ta )

av

+ b (Tc + Ta )

av

С учетом уравнения политропы

T

= T

εn1 −1

выражение (5.4)

запишем:

c

a

n1 − 1 =

8, 314

av + bTa

(εn1 −1 + 1).

(5.5)

Показатель n1 содержится в обеих частях уравнения (5.5). Обычно это уравнение решают методом последовательных приближений, задав первоначально n1 =1,37.

§ 5.5. Геометрическая и действительная степени сжатия

(с. 82)

Геометрическая степень сжатия:

ε =

Va

=

Vs

+ Vc

=

Vs

+ 1

,

(5.6)

Vc

Vc

Vc

Vs

Va

откуда объем пространства сжатия V =

. Но V =

, поэтому

ε −

c

1

c

ε

объем, описываемый поршнем (рабочий объем),

V

=

ε − 1V

(5.7)

s

ε

a .

В двухтактных двигателях действительная степень сжатия (с

учетом доли хода поршня

ψ , потерянной на окна)

V

′

(

− ψV

)

+ V

V (1

− ψ

)

V

s

s

.

(5.8)

ε

=

a

=

s

c

=

+ 1

д

V

V

V

c

c

c

Подставив (5.7) в (5.8), получим формулу связи между геометрической и действительной степенями сжатия:

ε = εд − ψ .

1 − ψ

7

§ 5.6. Параметры заряда цилиндра в конце процесса сжатия (с. 83)

Давление pc и Tc температура в конце сжатия определяются по

уравнениям политропы p V n1	= p V n1	и	T V n1 −1	= T V n1 −1	:
a a	c c		a a	c c

								n1			(5.10)
p		= p			Va				= p	εn1 ;
	c		a		V				a
				c
T	= T			Va			n1 −1		= T	εn1 −1 .	(5.11)
c		a		V					a
				c

Для двухтактных двигателей в формулы (5.10) и (5.11) вместо геометрической степени сжатия εподставляют действительную степень сжатия εд .

§ 5.7. Выбор степени сжатия (с. 83)

Нижний предел степени сжатия ε (или εд ) определяется из условия обеспечения надежного самовоспламенения топлива. За счёт

сжатия должна быть достигнута как минимум температура T		.
c min
Для дизельного топлива среднего состава
Tc min > Tсам + T ≈ 550 + (100…150) К = 650…700 К,	(5.12)

где T – запас для надежного самовоспламенения.

При увеличении ε улучшаются пусковые свойства дизеля. С другой стороны, растёт уровень напряженности двигателя.

СОВРЕМЕННАЯ ТЕНДЕНЦИЯ РОСТА ε В ДИЗЕЛЯХ, ДВЕ ПРИЧИНЫ

Во-первых, при увеличении ε растет термический КПД ηt цикла двигателя (см. главу 2).

Во-вторых, с целью снижения выброса окислов азота NOx часто за счет поздней подачи топлива относительно ВМТ поршня переносят сгорание топлива на линию расширения заряда цилиндра. Это даёт возможность повысить ε для поддержания высокого уровня ηt .

8

§ 5.8. Среднее давление сжатия. Уравнение работы сжатия (с. 84)

Среднее давление сжатия p1 – условное постоянное давление, которое, действуя на поршень в течение одного хода, совершает работу, равную работе сжатия при реальном переменном давлении.

Принцип определения p1 иллюстрирован рисунком 5.4.

p	c
			p1
			a
	Vc	Vs	V
		Va

С учетом сказанного работа сжатия

Рис. 5.4. К определению

L = V

p .

(5.12)

работы и среднего

1

s

1

давления сжатия

ВЫВОД УРАВНЕНИЯ РАБОТЫ

Выразим Vs через полный объем цилиндра Va

и степень сжатия ε :

Vs

=

Va −Vc

= ε − 1 ;

Va

= ε ,

Vc

Vc

Vc

откуда

Vs

= ε − 1

или

V =

ε −1V .

Va

ε

s

ε

a

Тогда (5.12) можно записать:

ε − 1V p .

L =

(5.13)

1

ε

a

1

Из уравнения состояния

Ta

= Rμ L(1 + γr )

Ta

Va = Rμ Ma

.

(5.14)

p

p

a

a

Отметим, что в выражении (5.14) – L количество киломолей

поступившего в цилиндр свежего воздуха, а не работа L1 .

Тогда работа в формуле (5.13):

ε − 1

Ta

L1 =

ε

Rμ L(1 + γr )

p1 .

(5.15)

pa

9

В выражении (5.15) указаны величины

ε − 1 ; (1 + γr ) и

Ta

,

ε

pa

содержащиеся в формуле коэффициента наполнения ηн (см. формулу

(4.5):

ηн

=

ε pa Tк

1

ε − 1 pк Tа 1

+ γr .

Подставим формулу (4.5) в выражение (5.15) и получим уравнение

работы сжатия:

L1 = Rμ

LTк

p1

.

(5.16)

η

p

н

к

Размерность работы

L1 зависит от размерности количества

свежего воздуха L :

если

L , [кмоль возд./цикл], то L

, [кДж/цикл];

1

L1 , [кДж /кг топлива].

если

L , [кмоль возд./ кг топлива], то

10