Процессы сгорания и тепловыделения в дизеле.

17.1. Дайте общую характеристику процесса сгорания в дизеле. Назовите преобладающую разновид­ность горения и ее взаимосвязь со смесеобразованием.

В дизеле воспламеняется гетерогенная смесь с разделенными компонентами в пространстве фронтом горения и диффузией в эту зону компонентов с обеих сторон. В этом случае процесс сгорания лимитируется более медленным по сравнению с химическим реагированием – диффузией, идущими последовательно. При сгорании турбулизация увеличивает встречный перенос компонентов в зону горения диффузионного пламени. Процесс смешения продолжается и после выгорания образовавшейся к этому моменту смеси и перехода в диффузионный режим. При воспламенении струи топлива одновременно имеет место подвод теплоты от горячего источника, которым является окружающий заряд, к наружной оболочке струи, где химические реакции протекают наиболее быстро, и отвод теплоты из этой зоны в холодную центральную часть топливной струи. По мере прогрева топливной струи скорость отвода теплоты снижается до критического значения, при котором происходит воспламенение наружной оболочки струи.

17.2. Рассмотрите три фазы тепловыделения и четыре фазы сгорания, определяемые по индикаторной диаграмме дизеля. Дайте характеристику каждой из них.

Процесс тепловыделения можно разделить на три фазы. В первой из них длительностью q_TI выделение теплоты идет одновременно с интенсивным прогревом, испарением топлива и перегревом его паров. До определенного момента (т. а) затраты теплоты преобладают над выделением. За конец первой фазы принимается точка, в которой выделение теплоты компенсирует затраты на подогрев. В течении второй фазы значимая часть этой ТВС сгорает, также как и часть топлива, подаваемого в цилиндр уже после завершения первой фазы. Начиная с т. в, т.е. с конца второй фазы а начала третьей сгорание идей по диффузионному процессу. Фазы сгорания – на рис. 11.5. Первая фаза сгорания, или период задержки воспламенения, определяется как интервал от начала впрыскивания до момента, когда давление в результате выделения теплоты становится выше, чем оного. Вторая фаза сгорания, или фаза быстрого сгорания, продолжается до достижения максимума давления. Эта фаза делится на две части: от начала сгорания и до момента, в котором сгорает все топливо, приготовленное в первой фазе; и от этого момента до начала диффузионного горения. Третья фаза, быстрого диффузионного сгорания, идет от максимума давления до максимума температуры, который достигается позже из-за того, что изменение температуры менее чувствительно к изменению объема. При третьей фазе имеет место диффузионное горение со смешением, топливо подается в пламя. Четвертая фаза, догорание, продолжается с максимума температуры до окончания тепловыделения. Происходит медленное диффузионное догорание, т.к. почти все реагенты уже израсходованы.

17.3. Какие основные факторы и как влияют на период задержки воспламенения?

Первая фаза сгорания, или период задержки воспламенения, определяется как интервал от начала впрыскивания до момента, когда давление в результате выделения теплоты становится выше, чем оного. На длительность этого периода влияют: 1) Воспламеняемость топлива. Чем больше цетановое число, тем лучше воспламеняемость, а следовательно и короче t_i. 2) Давление и температура заряда в начале впрыскивания топлива. Увеличение давления и особенно температуры сокращает t_i. Поэтому применение наддува (особенно без промежуточного охлаждения), повышение e, уменьшение f_оз до определенного значения способствуют уменьшению t_i. 3) Тип КС. Оказывает влияние вследствие различий распределения топлива по объему. 4) Интенсивность движения заряда. Ее увеличение несколько сокращает t_i. 5) Характеристики впрыскивания и распыливания. Интенсификация впрыскивания способствует небольшому сокращению t_i. 5) Изменение нагрузки. Если при уменьшении нагрузки начало впрыскивания запаздывает (из-за конструкции), то возможно сокращение t_i из-за увеличения р и Т в момент начала впрыскивания. 6) Увеличение n. Приводит к возрастанию скорости сжатия заряда, улучшению распыливания и повышению р и Т в момент начала впрыскивания топлива.

17.4. Какие основные факторы и как влияют на фазу «видимого» сгорания? Какой величиной харак­теризуется обычно «жесткость» процесса горения?

Вторая фаза сгорания, или фаза быстрого сгорания, продолжается до достижения максимума давления. Эта фаза делится а две части: от начала сгорания и до т. б, в которой сгорает все топливо, приготовленное в первой фазе; и от б до в – начало диффузионного горения. На ее развитие влияют: 1) Количество и состояние топлива, поданного в цилиндр за t_i и подаваемого в течении второй фазы. Чем мельче распыливание и большая охватываемость заряда пламенем, тем интенсивнее происходит горение. 2) Скорость движения заряда. До некоторого значения ее увеличение способствует интенсификации тепловыделения. При перезавихривании уменьшается количество теплоты за вторую фазу (диффузионного горения). 3) Тип КС. От него существенно зависит характер развития второй фазы в связи с влиянием его на длительность t_i и на количество ТВС, приготовляемой к воспламенению за t_i. Чем больше подача топлива в пристеночную зону, тем ниже скорость тепловыделения. 4) Нагрузка. При ее уменьшении сокращается продолжительность второй фазы за счет второй части, что связано с уменьшением впрыскиваемой порции топлива. 5) Частота вращения. При повышении n t_II сокращается в такой степени, что продолжительность q_II в ПКВ почти не возрастает. Что связано с улучшением распыливания, уменьшением продолжительности впрыска, повышением р и Т заряда.

17.5. Какие основные факторы и как влияют на фазу быстрого диффузионного сгорания?

Третья фаза, быстрого диффузионного сгорания, идет от максимума давления до максимума температуры. При третьей фазе имеет место диффузионное горение со смешением, топливо подается в пламя. Не ее развитие влияют: 1) Качество распыливания и количество топлива, впрыскиваемого после начала сгорания. Если впрыскивание завершается до начала третьей фазы, то количество теплоты не велико. 2) Скорость движения воздушного заряда. До некоторого значение увеличение улучшает тепловыделение, при перезавихривании заряда тепловыделение снижается. 3) Наддув. Введение наддува увеличивает тепловыделение. С повышением степени наддува длительность третьей фазы и тепловыделение возрастают. 4) Увеличение n. Подача и распыливание топлива интенсифицируются, а скорость движения заряда повышается. Продолжительность по времени сокращается, а в ПКВ может и возрасти.

17.6. Какие основные факторы и как влияют на фазу медленного диффузионного сгорания?

Четвертая фаза, догорание, продолжается с максимума температуры до окончания тепловыделения. Происходит медленное диффузионное догорание, т.к. почти все реагенты уже израсходованы. На развитие четвертой фазы влияют: 1) Турбулентные пульсации заряда. Они увеличивают вероятность своевременного контакта между частицами топлива и окислителя. 2) Качество распыливания порций топлива, подаваемых в конце впрыскивания. Чем больше диаметр капель, тем дольше будет идти процесс догорания топлива. 3) Попадание топлива на холодные поверхности внутрицилиндрового пространства. Это явление также вызывает затянутое догорание. 4) Наддув. Приводит к некоторому затягиванию процесса догорания вследствие увеличения продолжительности впрыскивания.

17.7. Как влияет режим работы дизеля на эффективность горения? Какие способы применяются для оптимизации момента воспламенения при изменении режима работы дизеля?

 

Процесс расширения.

18.1. Какие явления происходят в процессе расширения?

Расширение происходит при переменных величинах поверхности теплообмена, а также давления в надпоршневом пространстве. В начале процесса расширения еще продолжается сгорание топлива. Его теплота идет в основном на повышение внутренней энергии РТ, а часть отводится в систему охлаждения. Несмотря на увеличение объема, по мере вращения коленвала, давление в цилиндре в начале хода поршня от ВМТ повышается из-за сгорания топлива с выделением бОльшей теплоты, чем затраты на теплообмен и работу. Дальнейшее перемещение сопровождается уменьшением теплоты, результатом чего является снижение давления. Максимальное значение температуры достигается после давления. Начиная с момента, когда теплота от догорания будет равна затратам на работу с потерями температура падает. Теплота, потерянная в начале такта в результате диссоциации и выделяемая потом при рекомбинации молекул, используется менее эффективно, чем могла бы использоваться при отсутствии диссоциации.

18.2. Почему на начальной части такта расширения происходит повышение давления и температуры, несмотря на увеличение объема заряда?

Расширение происходит при переменных величинах поверхности теплообмена, а также давления в надпоршневом пространстве. В начале процесса расширения еще продолжается сгорание топлива. Его теплота идет в основном на повышение внутренней энергии РТ, а часть отводится в систему охлаждения. Несмотря на увеличение объема, по мере вращения коленвала, давление в цилиндре в начале хода поршня от ВМТ повышается из-за сгорания топлива с выделением бОльшей теплоты, чем затраты на теплообмен и работу.

18.3. Почему максимум температуры достигается позднее максимума давления?

В начале процесса расширения еще продолжается сгорание топлива. Его теплота идет в основном на повышение внутренней энергии РТ, а часть отводится в систему охлаждения. Несмотря на увеличение объема, по мере вращения коленвала, давление и температура в цилиндре в начале хода поршня от ВМТ повышается из-за сгорания топлива с выделением бОльшей теплоты, чем затраты на теплообмен и работу. Параметры РТ могут быть определены в конце процесса расширения по формулам политропного процесса: p_b=p_z(1/d)ⁿ²; T_b=T_z(1/d)^n2-1, где d=V_b/V_z – степень последующего расширения для дизелей, а для ДсИЗ d=e. Отсюда видно, что температура в меньшей степени зависит от изменения объема, как давления.

 

Расчетные циклы.

19.1. Какие дополнительные к термодинамическим циклам факторы рассматриваются в расчетных циклах?

Если отказаться от некоторых допущений, используемых в термодинамическом цикле, то получается расчетный цикл. Расчетных циклов предложено множества, рассмотрим два из них. В этих циклах, осуществляемых за два хода поршня, в каждый момент времени в цилиндре находится однородная смесь. Ее состав изменяется в соответствии с количеством сгоревшего топлива, причем характер сгорания считается известным. Предложение об однородности означает, что продукты сгорания мгновенно перемешиваются с остальным зарядом. В первом цикле учитывается теплообмен между зарядом и окружающими деталями. Второй цикл отличается тем, что теплообмен между зарядом и окружающими деталями отсутствует. Такой цикл реализовать невозможно, зато он позволяет установить предельно возможные улучшения показателей ДВС.

19.2. Как влияют на экономичность расчетного цикла уровень потерь теплоты в среду охлаждения, зависимость теплоемкости заряда от температуры и коэффициент избытка воздуха?

Потери теплоты в среду охлаждения негативно сказываются на экономичности цикла вследствие того, что меньшее количество теплоты идет на совершение работы. Зависимость теплоемкости заряда от температуры играет отрицательную роль, т.к. при нагреве теплоемкость заряда увеличивается и большая часть теплоты уходит с продуктами сгорания. А влияние коэффициента избытка воздуха посмотри в журнале.

19.3. Как влияют на показатели расчетного цикла диссоциация, параметры окружающей среды, повышенные утечки заряда через неплотности, засорение воздушного фильтра, увеличение в процессе эксплуатации сопротивления выпускной системы?

При высоких температурах продукты сгорания разлагаются на более простые составные части. Этот процесс и называется термической диссоциацией, он идет с поглощением теплоты. Диссоциация зависит от состава ТВС (т.е. от a и g_ост), от температуры и давления, т.е степени сжатия. Она приводит к потере теплоты, т.е. к снижению h_tp. При увеличении давления наддува p_к возрастает и Т_к, что приводит к возрастанию средних и максимальных температур цикла. Увеличиваются также температуры деталей. Повышенные утечки приводят к уменьшению количества РТ, т.е. теплоты цикла, т.о. уменьшая h_tp. Об остальных сами подумайте.

Индикаторные показатели.

20.1. Что называется индикаторным КПД и удельным индикаторным расходом топлива? Что они ха­рактеризуют? Какая существует связь между ними?

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. 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.Связаны они следующим соотношением: g_i=3600/(h_iH_u).

20.2. Что называется средним индикаторным давлением? В чем важность этого параметра?

В качестве показателя работоспособности цикла используется среднее индикаторное давление: p_i=L_i/V_h – индикаторная работа, снимаемая с единицы рабочего объема. Важность этого параметра в том, что с его помощью можно сравнивать двигатели с разным объемом.

20.3. Приведите вывод и анализ выражений для определения индикаторной мощности и индикатор­ного момента.

Работа газов в цилиндрах двигателя за 1 минуту: L_i=p_iV_h(2n/t)i. Тогда работа за 1 с, или индикаторная мощность (кВт): N_i=p_iV_hni/30t, где p_i – в МПа, V_h – в л, n – в мин^-1. Так как момент связан с мощностью как M_i=N_i/w, а w=pn/30, то индикаторный момент (Нм): M_i=1000p_iV_hi/(pt). Влияние параметров: 1) Количество тактов. В 2-тактных ДВС p_i ниже из-за менее совершенная очистка цилиндров от продуктов сгорания, т.к. ОГ ухудшают теплоиспользование. При прочих равных использование 2-тактного цикла вместо 4- способствует повышению N_i и M_i лишь на 60…70%. При прочих равных условиях для двигателей с наддувом мощность 4-тактного ДВС может превышать мощность 2-тактного, из-за того, что меньше удельные затраты мощности на привод нагнетателя, т.к. меньше подача воздуха на единицу расходуемого топлива. 2) Количество цилиндров. N_i и M_i при неизменных основных размерах цилиндров пропорционально количеству цилиндров.3) Размеры цилиндра и номинальные частоты вращения. Размеры D и S зависят для заданной мощности от частоты n_ном. Из выражения средней скорости поршня c_п=Sn/30 следует, что при увеличении n, чтобы избежать роста c_п, от которой зависят механические потери, следует уменьшить S. При неизменном V_h уменьшение S должно сопровождаться увеличением D, но это возможно до некоторых пределов. С увеличением S/D при неизменном n_ном КПД цикла повышается.

20.4. Приведите вывод уравнения, используемого для анализа влияния различных факторов (Н_u, l_ο, a, h_i, h_v, р_ок) на величину среднего индикаторного давления?

Для вывода установим связь между h_i и p_i: h_i=L_i/Q₁= p_iV_h/(G_тцH_u). Из уравнения состояния p_0(к)V_hh_V=mRM₁G_тцT_0(к) рабочий объем V_h=mRM₁G_тцT_0(к)/(p_0(к)h_V). Если принять M₁=al_O/m_b и учесть, что T_0(к)/p_0(к)=1/(R_br_0(к)), то V_h=al_OG_тц/(h_Vr_0(к)) и h_i=p_i(l_O/H_u)(ah_V)(1/r_0(к)), откуда p_i=(H_u/l_O)(h_i/a)h_Vr_0(к). Для двигателей с внешним смесеобразованием p_i=[(H_u/(1+al_O)]h_ih_Vr_0(к), причем h_V и r_0(к) определяются по количеству ТВС.

20.5. Приведите причины, по которым индикаторный КПД меньше термического КПД термодинами­ческого цикла.

h_i=h_th₀, где h₀ – относительный КПД, который меньше 1 потому что: 1) Теплоемкость РТ зависит от температуры и состава тела, в то время как при рассмотрении термодинамических циклов она принимается постоянной. 2) В действительном цикле происходит диссоциация продуктов сгорания, сопровождающаяся поглощением теплоты, которое имеет место вблизи ВМТ. 3) В действительном цикле имеют место потери теплоты в среду охлаждения. 4) Процесс сгорания имеет определенную длительность, и использование теплоты, выделяющейся в такте расширения менее эффективно, чем подводимой вблизи ВМТ. 5) Неполнота сгорания топлива, в результате которой часть теплоты не выделяется.

20.6. Рассмотрите влияние на величину индикаторного КПД дизеля коэффициента избытка воздуха, угла опережения впрыскивания топлива, интенсивности движения заряда, качества процессов впры­скивания, распыливания, смесеобразования, сгорания топлива, скоростного и нагрузочного режимов работы.

Индикаторные показатели зависят от полноты и своевременности сгорания, от тепловых потерь в систему охлаждения и с ОГ. На них оказывают влияние: 1) Состав смеси (нагрузка дизеля). Для дизеля h_imax имеет место при сильно обедненной смеси, что объясняется использованием неоднородной смеси. Причины роста h_i с a до a_himax являются уменьшение потерь, связанных неполнотой и несвоевременностью сгорания и увеличением доли двухатомных газов). 2) Угол опережения впрыскивания. С повышением f_о.вп. увеличивается h_i. Существует определенный f_{о.вп.опт}, при котором достигаются их максимумы. 3) Интенсивность движения заряда. Если распыливающих отверстий пять, то увеличение угловой скорости вращения заряда w вызывает рост h_i. Если i_c=7…11, то увеличение только до определенного предела вызывает их рост. Дальнейшее увеличение w приводит к перезавихриванию, особенно при больших i_c, при котором увеличивается неполнота сгорания топлива и повышается дымление дизеля. 4) Качество процессов впры­скивания и распыливания. Для достижения высокого h_i характеристики впрыскивания и распыливания должны быть подобраны так, чтобы тепловыделение завершалось через 35…40 градусов после ВМТ. 5) Наполнение цилиндров. При неизменной цикловой подаче топлива увеличение h_V и r_0(к) ведет к пропорциональному росту a, что ведет к росту h_i. Если избежать существенного удлинения впрыскивания и нарушения оптимальных условий смесеобразования, то h_i ухудшается незначительно. Для дизелей с одной полостью и большим i_c роста h_i можно добиться, если использовать два впускных клапана и уменьшить S/D. 6) Частота вращения. Если при росте частоты a не изменяется, то h_i несколько увеличивается с ростом n в связи с уменьшением неполноты сгорания и снижением потерь теплоты в среду.

20.7. Рассмотрите влияние на величину индикаторного КПД бензинового двигателя степени сжатия, коэффициента избытка воздуха, диаметра цилиндра, угла опережения зажигания, интенсивности движения заряда и горения, режима работы.

Индикаторные показатели зависят от полноты и своевременности сгорания, от тепловых потерь в систему охлаждения и с ОГ. На них оказывают влияние: 1) Степень сжатия. У ДсИЗ e=6…11. Увеличение e заметно повышает h_i из-за улучшения условий воспламенения и уменьшения КС. 2) Коэффициент избытка воздуха. Он сильно влияет на протекание процесса. Наибольшей величине h_i соответствует такой состав смеси, при котором имеет место оптимальное сочетание полноты и скорости сгорания с теплоотводом в стенки. 3) Диаметр цилиндра. Чем больше размер цилиндра, тем меньше при данном ОЧ топлива должна быть e. При неизменном e увеличение D сопровождается ростом h_i из-за снижения доли теплоты, отдаваемой в стенки. 4) Угол опережения зажигания. Каждому сочетанию открытия дросселя, a и n соответствует свое f_{о.вп.опт}, при котором h_i достигает максимума. 5) Интенсивность движения заряда. На каждом скоростном и нагрузочном режимах двигателя существует некая своя оптимальная интенсивность движения, обеспечивающая работу с h_imax. При высокой интенсивности сильно возрастает теплоотдача в стенки. 6) Частота вращения. С ростом n сокращается время теплопередачи от газов в систему охлаждения, но растущая турбулизация усиливает этот процесс, также уменьшаются утечки газов через кольца. В результате с ростом n величина h_i мало меняется, имея тенденцию к возрастанию. 7) Нагрузка двигателя. С уменьшением нагрузки условия воспламенения и сгорания в ДсИЗ ухудшаются, при этом потери в систему охлаждения и с отработавшими газами возрастают, что приводит к падению h_i.

20.8. Рассмотрите влияние степени сжатия, коэффициента избытка воздуха, диаметра цилиндра, угла опережения зажигания, интенсивности движения заряда и горения, режима работы на pi и Ν_i бензинового двигателя.

N_i=p_iV_hin/(30t), а p_i=(H_u/l_O)(h_i/a)h_Vr_0(к). На показатели дизеля влияют: 1) Состав смеси. (h_i/a)_max имеет место при некотором обеднении смеси. 2) Угол опережения впрыска. Существует оптимальный угол, при котором p_i максимально вследствие полноты смесеобразования и сгорания (выше h_i и h_V). 3) Интенсивность движения заряда. Увеличение количества распыливающих отверстий и увеличение угловой скорости вращения заряда w вызывает рост р_i (оказывает влияние h_V). 4) Применение наддува приводит к повышения h_V, а также росту r_0(к), что ведет к росту p_i. 5) Повышение объема цилиндра приводит к некоторому росту N_i, но при этом может снизиться p_i из-за ухудшения качества наполнения (падения h_V). 6) Увеличение количества цилиндров ведет к пропорциональному росту N_i. 7) Повышение частоты вращения увеличивает N_i, но может сказаться на ухудшении качества наполнения h_V. 8) Применение 2-тактного цикла ведет к повышению N_i, но отрицательно сказывается на наполнении цилиндров.

20.9. Сравните между собой индикаторные показатели дизеля и бензинового двигателя.

См. стр. 15. h_i бензиновых двигателей ниже дизельных, т.к. ДсИЗ работают в районе стехиометрической смеси, у которой больше доля 3-атомных газов в ОГ, что приводит к падению термического КПД. P_i бензиновых двигателей, больше чем безнаддувных дизелей, т.к. те работают при значительно более бедных смесях. Если на дизеле применить наддув, то p_i в дизеле может быть больше.

 

⇐ Предыдущая234567891011Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: