Топлива, рабочие тела и их свойства.

Классификация автомобильных ДВС. Действительные циклы поршневых ДВС.

1.1. Дайте классификацию автомобильных ДВС по основным признакам. Охарактеризуйте отличия разных типов двигателей по признакам классификации.

По способу воспламенения смеси различают ДВС с принудительным зажиганием и дизели, работающие от сжатия. В ДсИЗ используют два вида топлива: жидкость (бензин) и газ. ДсИЗ могут быть карбюраторные и газовые, в которых ТВС приготовляется вне цилиндров (в карбюраторе) – с внешним смесеобразованием; также есть двигатели с впрыском топлива непосредственно в цилиндр или во впускной трубопровод (на впускной клапан). Дизель относится к двигателям с внутренним смесеобразованием. Также по способу регулирования мощности: ДсИЗ относятся к двигателям с количественным регулированием (изменяется количество подаваемой ТВС), а дизели – с качественным регулированием (изменяется только количество подаваемого топлива). По способу осуществления цикла различают 2- и 4-тактные ДВС; такт есть процесс, протекающий в цилиндре при перемещении между ВМТ и НМТ, т.о. в 4-тактном ДВС рабочие процессы совершаются за 2 оборота коленвала, а в 2-тактном – за один.

1.2. Изобразите в координатах р-V действительный цикл 4-тактного дизеля и двигателя с принуди­тельным зажиганием. Укажите начало и окончание каждого рабочего процесса; почему они не совпа­дают с началом и окончанием тактов?

Действительный цикл – рис. 1.1. Такт впуска r-a, такт сжатия a-c, расширения с-b и выпуска b-r. В т. 3 происходит воспламенение заряда, а в т. z достигается максимум давления. В действительном процессе такт и процесс не совпадают. Для лучшей организации процессов газообмена клапаны открываются до начала соответствующего такта и закрываются по его окончании: тт. 1 и 2 – открытие и закрытие впускных клапанов; тт. 4 и 5 – открытие и закрытие выпускных клапанов. Также в действительном цикле за счёт начала процесса сгорания точка c’ находится выше точки с.

1.3. Перечислите основные отличия действительного цикла от термодинамического.

Расчётный термодинамический цикл отличается от действительного следующими допущениями: все процессы обратимы; газообмена нет; количество рабочего тела неизменно; вместо процесса горения – подвод теплоты от источника; выпуск заменён на отвод теплоты; сжатие и расширение адиабатны.

Принципы, показатели и условия работы двигателей.

2.1. В чем заключаются основные отличия рабочих процессов двигателей с искровым зажиганием и дизелей?

С целью обеспечения достаточной температуры для самовоспламенения степень сжатия в дизелях назначается намного большей, чем в ДсИЗ (e=14…23). Процесс наполнения цилиндров свежим зарядом (в дизеле – воздух) и значения параметров РТ в конце такта впуска определяются: гидравлические потери во впускной системе дизеля значительно меньше (нет карбюратора и дросселя); во впускной системе нет отвода теплоты от свежего заряда при испарении топлива ввиду отсутствия последнего в заряде дизеля. Поэтому давление в конце впуска (т. а) в дизеле больше. Температура в т. а ниже из-за того, что при больших степенях сжатия к свежему заряду подмешивается меньше ОГ. Особенностью такта сжатия в дизеле являются более высокие термодинамические параметры рабочего тела в точке с, что объясняется большей величиной степени сжатия. Если в карбюраторном двигателе сгорание происходит при уже подготовленной смеси, то в дизеле приготовление происходит за очень короткий промежуток и при этом значительная часть топлива впрыскивается во время процесса сгорания. Это приводит к тому, что вблизи ВМТ в дизеле сгорает меньшая часть топлива, а догорает оно при увеличившемся объёме. Результатом этого является то, что степень повышения давления l=1,4…2,2 меньше, чем в карбюраторном двигателе. Более низкие температуры в дизеле в конце сгорания являются следствием более высокого a. Давление и температура в конце такта расширения ниже, чем в карбюраторном двигателе из-за большей степени сжатия. Такт выпуска каких-либо разительных отличий не имеет.

2.2. Опишите различия в протекании процессов газообмена 2- и 4-тактного ДВС.

Процессы сжатия, сгорания и расширения в 2- и 4-тактных двигателях принципиальных различий не имеют, и особенности заключаются в различных способах газообмена. Первый такт состоит из части процесса сгорания и процесса расширения. В конце такта открывается выпускное окно, после чего начинается свободное истечение ОГ. При дальнейшем движении поршня в сторону НМТ он открывает продувочное окно. После чего вплоть до НМТ через оба окна осуществляется продувка цилиндра свежим зарядом. Она заканчивается в начале следующего такта с закрытием продувочного окна. После этого вплоть до закрытия выпускного окна осуществляется вытеснение части заряда. Далее следует сжатие, в конце которого происходит воспламенение. Отличительной особенностью является то, что часть рабочего объёма называется потерянным и используется для организации процесса газообмена.

2.3. Дайте определения основных показателей цикла и двигателя. В чем состоит их важность?

Индикаторная работа L_i представляет собой избыточную работу, полученную за такты сжатия и расширения: L_i=L_p-|L_сж|, но на практике в качестве показателя работоспособности цикла используется среднее индикаторное давление: p_i=L_i/V_h – индикаторная работа, снимаемая с единицы рабочего объема. Экономичность действительного цикла оценивается индикаторным КПД, показывающим, какая доля теплоты, введенной в цикл с топливом Q₁, преобразуется в индикаторную работу: h_i=L_i/Q₁. Индикаторная работа, получаемая за 1 с, называется индикаторной мощностью: N_i=L_i/t_ц. Для оценки экономичности двигателя используется удельный индикаторный расход топлива g_i, показывающий какое количества топлива расходуется на производство единицы индикаторной работы: g_i=q_ц/L_i=10³G_T/N_i. Уровень механических потерь в двигателе оценивается механическим КПД, показывающим какая доля индикаторной работы преобразуется в эффективную: h_м=L_e/L_i. Совокупные потери в двигателе оцениваются эффективным КПД, показывающим, какая доля теплоты, введенной с топливом, преобразуется в эффективную работу: h_e=L_e/Q₁=h_ih_м. Для оценки экономичности двигателя в основном используется удельный эффективный расход топлива: g_e=10³G_T/N_e. Все индикаторные и эффективные показатели связаны между собой механическим КПД: h_м=L_e/L_i=N_e/N_i=p_e/p_i=g_e/g_i.

 

Топлива, рабочие тела и их свойства.

3.1. Охарактеризуйте групповой состав и основные моторные свойства жидких топлив. Что называет­ся элементным составом топлива?

Основными топливами являются бензины и дизельные топлива, получаемые путем переработки нефти и представляющие собой смеси различных углеводородов. Это насыщенные парафиновые углеводороды или алканы C_nH_2n+2; олефины или алкены C_nH_2n; нафтены или циклоалканы C_nH_2n с другими связями; ароматические углеводороды C_nH_2n-6. Для эффективного использования в двигателях, т.е. максимальным выделением теплоты и минимальным образованием токсичных продуктов ОГ, топлива должны: 1) Иметь оптимальные значения плотности, вязкости, сжимаемости, прокачиваемости и другие свойства, обеспечивающие надежную подаче топлива и высококачественное смесеобразование на всех режимах. 2) Обладать высокими экологическими свойствами. 3) Обеспечивать надежный пуск и полноту сгорания; иметь минимальную склонность к образованию нагара и коррозионных продуктов сгорания; иметь высокую термическую стабильность и хорошие моющие свойства; 4) Сохранять свои свойства при хранении и транспортировке; не содержать механических примесей и воды, быть недорогими. Элементный состав (массовые доли отдельных элементов g) для 1 кг топлива C_xH_yO_z находятся по отношениям: g_C=12x/(12x+y+16z)=12x/m_T; g_H=y/(12x+y+16z)=y/m_T; g_OT=16z/(12x+y+16z)=16z/m_T.

3.2. Напишите химические реакции полного окисления углерода и водорода топлива.

Полное окисление (сгорание) молекулы C_xH_y до конечных продуктов (CO₂ и H₂O) описывается уравнением (в кмолях): C_xH_y+(x+y/4)O₂=xCO₂+y/2H₂O. В пересчете на 1 кг топлива M_CO2=x/m_T=x/(12x+y), M_H2O=(y/2)/m_T=(y/2)/(12x+y) и через элементарный состав (g_C=12x/(12x+y+16z)=12x/m_T; g_H=y/(12x+y+16z)=y/m_T; g_OT=16z/(12x+y+16z)=16z/m_T) будет: M_CO2=g_C/12, M_H2O=g_H/2 (кмоль/кг топлива). В реакции участвует x+y/4 кмоль O₂, М_О2=x+y/4 (кмоль/кмоль топлива). Если в состав молекулы топлива входит кислород C_xH_yO₂, то необходимое для сгорания количество кмолей кислорода воздуха уменьшится на z/2, M_O2=x+y/4-z/2 (кмоль/кмоль топлива).

3.3. Как определить минимальное количество воздуха, теоретически необходимое для полного сгора­ния 1 кг топлива?

Минимальное количество кмолей кислорода L_O’, необходимое для полного сгорания топлива и определяемого на основании уравнения C_xH_y+(x+y/4)O₂=xCO₂+y/2H₂O, называют стехиометрическим. Стехиометрическое количество М_О2 равно: в кмолях О₂ на 1 кмоль топлива M_O2=x+y/4-z/2, в кмолях О₂ на 1 кг топлива L_O’=M_O2/m_T=(x+y/4-z/2)/(12x+y+16z), в кг О₂ на 1 кг топлива l_O=L_O’m_O2=(32x+8y-16z)/(12x+y+16z). Принимая объемную долю кислорода в воздухе 21%, а массовую 23%, найдем стехиометрическое количество воздуха: в кмолях воздуха на 1 кг топлива L_O=L_O’/0,21=(x+y/4-z/2)/(12x+y+16z)/0,21), в кг воздуха на 1 кг топлива l_O=l_O’/0,23=(32x+8y-16z)/(12x+y+16z)/0,23. Через элементарный состав топлива L_O=(g_C/12+g_H/4-g_OT/32)/0,21 (кмоль воздуха/кг топлива), l_O=(8/3g_C+g_H-g_OT)/0,23 (кг воздуха/кг топлива).

3.4. Что называется коэффициентом избытка воздуха? Как его можно определить расчетом или по экспериментальным данным? Какая смесь называется стехиометрической (нормальной), бедной и бо­гатой? В каком диапазоне изменяется α в дизелях и двигателях с искровым зажиганием?

Коэффициентом избытка воздуха a называется отношение количества воздуха G_в, содержащегося в ТВС, к тому его минимальному количеству, которое практически требуется для полного сгорания всего находящегося в ней топлива G_Т, т.е.: a=G_в/(G_Тl_O)=L/L_O=l/l_O, где G_Т – часовой расход топлива, кг/ч; G_Тl_O – минимальное теоретически необходимое для полного сгорания G_Т количество воздуха, кг/ч. Двигатели с искровым зажиганием работают при a=0,7…1,4, а дизели работают на ТВС с a>1 (до 4). Стехиометрическая смесь – такая смесь, в которой содержится количество воздуха, необходимое для полного окисления топлива; богатая смесь – при a<1, в результате сгорания которой топливо окисляется не полностью и образуется помимо СО₂ и Н₂О содержат СО, Н₂ и О₂; а бедная – смесь с a>1 с полным сгоранием и содержанием в продуктах сгорания помимо СО₂ и Н₂О - N₂ и О₂.

 

12345678910Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: