Файл: А. Ю. Коньков тепловозные дизели устройство и основы рабочих процессов рекомендовано методическим советом по качеству образовательной деятельности двгупс в качестве учебного пособия Хабаровск Издательство двгупс.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 10.01.2024
Просмотров: 154
Скачиваний: 1
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
112 Для расчета количества теплоты, подводимой к рабочему телу в процессе, используется введенное выше понятие коэффициента использования теплоты ξ. Его изменение на участке (4–5) цикла позволяет вычислить теплоту, полученную рабочим телом, состав которого, в соответствии с принятыми допущениями, считается для простоты расчетов неизменным. Базовым для вывода уравнением является первый закон термодинамики, который для участка расширения 4–5 записывается следующим образом
Q
4–5
= U
4–5
+ L
4–5
. (8.19) С учетом сказанного выше количество теплоты, отнесенное к одному кг сгоревшего топлива можно определить как
4 5 5
4
р
н
Q
Q
(8.20) Изменение внутренней энергии в процессе расширения рассчитывается как изменение внутренней энергии продуктов сгорания, количество которых из расчета сгорания одного кг топлива составляет М
4 5 2
5 5
4 4
г
г
vm
vm
U
M
c
t
c
t
, (8.21) где г, г – средние мольные изохорные теплоемкости продуктов сгорания в интервалах температур (от 0 С дои (от 0 С до t
5
) соответственно. Работа газа в политропном процессе 4–5 находится по формуле
2 2
4 5 5
4 5
4 2
2 1
1
M
R
M
R
L
T
T
t
t
n
n
(8.22) Подставляя (8.22), (8.21) ив исходное уравнение (8.19) после преобразований с учетом (8.15), определительного уравнения для коэффициента молекулярного изменения
= ММ и численного значения универсальной газовой постоянной, получаем окончательную запись уравнения расширения
5 4
5 5
4 4
5 4
0 2
8 314 1
1
р
н
г
г
vm
vm
r
Q
,
c
t
c
t
t
t
L
n
(При тепловом расчете уравнение расширения (8.23) решается относительно температуры в конце расширения, те. в точке 5 расчетного цикла. Зависимость теплоемкости г от неизвестной температуры t
5
затрудняет явное решение уравнения, поэтому, как и для уравнения сгорания, применяют приближенные методы графического и численного решения.
113
1 ... 4 5 6 7 8 9 10 11 12
8.4. Камеры сгорания дизелей
8.4.1. Виды камер сгорания Конструкция камеры сгорания дизелей определяется принятым способом смесеобразования. Различают объемное и пленочное смесеобразование. При объемном смесеобразовании испарение топлива происходит в свободном объеме камеры, а при пленочном – с поверхности пленки, образующейся при впрыскивании топлива так, чтобы струя топлива попадала на горячую поверхность поршня и, растекаясь по ней пленкой, испарялась, заодно охлаждая поршень. Это достаточно необычный процесс, называемый также процесс, находит применение в малооборотных дизелях. При пленочном смесеобразовании удается уменьшить скорости испарения топлива и соответственно тепловыделения и приблизить сгорание к изобарному термодинамическому процессу. В тепловозных дизелях, относящихся к двигателям средней быстроходности, и, тем более, в автотракторных быстроходных дизелях применяется исключительно объемное смесеобразование. При этом возможны различные подходы к интенсификации смесеобразования и соответственно различные конструкции камер сгорания.
8.4.2. Открытые (неразделенные) камеры сгорания Открытые или неразделенные камеры сгорания образуются в пространстве между огневой поверхностью поршня, крышкой цилиндра. Стенками такой камеры является также часть поверхности цилиндровой втулки. Опыт создания дизелей показал, что при попадании капель распыленного топлива на охлаждаемую втулку цилиндра ухудшает, а в некоторых случаях, исключает их испарение, поэтому камеру сгорания, как правило, выполняют в поршне двигателя, придавая его верхней части особую форму (рис. 8.11, б, в. Качественное смесеобразование возможно в открытых камерах сгорания при условии в первую очередь мелкодисперсного распыливания топлива и во вторую – при образовании воздушного вихря в цилиндре дизеля. Первое условие достигается применением многодырчатых распылителей форсунок и высокого давления топлива перед распылителем. Воздушный вихрь в цилиндре образуется особым профилированием впускного канала в крышке цилиндра, установкой специальных завихрителей перед впускным клапаном в 4-тактных дизелях и тангенциальным наклоном стенок продувочных окон в двухтактных двигателях. Наиболее рациональное использование объема камеры сгорания для смесеобразования получается, когда форма камеры максимально приближена к форме топливного факела (рис. 8.11, в. Наиболее высокий КПД
114 среднеоборотных и высокооборотных двигателей достигается при применении подобных открытых камер сгорания. В тепловозных дизелях применяются исключительно открытые камеры сгорания. Рис. 8.11. Открытые камеры сгорания а – плоская б – цилиндрическая в – тороидальная (камера Гессельмана); г – размещенная между поршнями
8.4.3. Разделенные камеры сгорания Камеры сгорания таких конструкций имеют два объема один по-преж- нему расположен над поршнем (основная камера сгорания, а второй выполнен в крышке цилиндра (реже в блоке цилиндров) водном из двух вариантов предкамеры или вихревой камеры.
Предкамера. Этот конструктивный вариант (рис. 8.12) предполагает распыливание топлива в ограниченный объем предварительной камеры, соединенной с основной камерой одним или несколькими отверстиями малого проходного сечения. Сгорание начинается в предкамере в условиях недостатка воздуха и низкого качества распыливания топлива. Образующиеся при этом продукты сгорания устремляются в основную камеру, проталкивая при этом через соединительные отверстия смесь топлива с промежуточными продуктами его сгорания в основную камеру. Благодаря малому проходному сечению отверстий, эта смесь приобретает большую г в б а Рис. 8.12. Предкамера двигателя 12ЧН17,5/20,5
115 скорость, что и приводит к дроблению крупных капель топлива на мелкие при встрече с воздушным вихрем в основной камере. Такой способ смесеобразования имеет два преимущества. Во-первых, возможность использования простейших штифтовых форсунок, обладающих высокой надежностью, благодаря отсутствию склонности к закоксовыванию.
Во-вторых, уровень шума таких дизелей оказывается ниже, чему аналогичных с открытой камерой сгорания. Это происходит потому, что высокое давление и, главное, высокие скорости нарастания давления (рис. 8.13) испытывают поверхности предкаме- ры, а не втулки цилиндра. Поэтому шум, во-многом определяемый вибрацией цилиндровой втулки, существенно снижается. Вместе стем, так как часть энергии сгораемого топлива идет на смесеобразование, а не на выполнение полезной работы, то и КПД таких двигателей уступает КПД дизелей с открытыми камерами. Применение подобных двигателей оправдано в условиях эксплуатации в населенных пунктах, где показатели шумности являются критическими автомобильные двигатели, двигатели автономных источников электроэнергии и т.п. Вихревая камера Стенки вихревой камеры и соединительный канал выполняют таким образом, чтобы на такте сжатия воздух в камере приобретал вихревой характер движения. Струя топлива, вылетающая из распылителя форсунки, подхватывается этим вихрем и разбивается им намел- кие капли (рис. 8.14). Канал, соединяющий вихревую камеру с основной, выполнен достаточно широким (в отличие от варианта с предкамерой). Преимущества и недостатки вихревой камеры в сравнении с открытой такие же, как и у предкамеры. Для облегчения пуска двигателя (особенно при отрицательных температурах окружающей среды) в вихревой камере сгорания устанавливают свечи накаливания, подогревающие в течение нескольких секунд воздух перед включением стартера двигателя. Подобные свечи накаливания системы облегчения пуска могут быть установлены во впускном коллекторе двигателя. Рис. 8.13. Индикаторные диаграммы процессов, протекающих в основной (1) и предварительной (2) камерах
116 Рис. 8.14. Вихревая камера в крышке (аи в блоке (б) цилиндров
1 – штифтовая форсунка 2 – свеча накаливания 3 – вихревая камера КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Назовите четыре фазы сгорания топлива в дизелях, определите их границы.
2. Какие факторы и как сказываются на периоде задержки воспламенения
3. Что определяет характер протекания фаз быстрого и основного сгорания. Что понимается под кинетической и диффузионной фазой сгорания в дизелях Что влияет на степень развития этих фаз
5. Приведите определения для коэффициентов выделения и использования теплоты. Изобразите графики изменения этих величин в процессе сгорания.
6. Поясните порядок решения термодинамических уравнений сгорания и расширения. Назовите все величины, входящие в эти уравнения.
7. Перечислите известные вам виды камер сгорания. Какие основные преимущества вы можете назвать для каждой
9. НАДДУВ В ДИЗЕЛЯХ. Формула главного конструктора Для поршневого ДВС можно записать формулу, связывающую мощность двигателя N
e
сего важнейшими конструктивными и режимными параметрами) Уравнение (9.1) известно среди специалистов как формула главного конструктора. Этим названием подчеркивается то обстоятельство, что на начальном этапе создания нового двигателя именно главный конструктор проекта определяет стратегию достижения заданной мощности двигателя. Действительно, уравнение (9.1) позволяет увидеть всевозможные для этого пути. а б
117 Прежде всего, рост N
e
возможен за счет увеличения рабочего объема цилиндров V
h
(рис. 9.1). Рис. 9.1. Двигатели с рекордными рабочими объемами цилиндров а – 0,0125 лили см б – 1920 лили м
3
На рисунке показаны примеры двух промышленно выпускаемых ДВС, которые могли бы претендовать на роль рекордсменов в своих классах среди самых маленьких и самых больших поршневых ДВС в мире. Привычные единицы измерения рабочего объема двигателя (литр) не подходят ни для миниатюрного двигателя компании С Precision Engines, с рабочим объемом цилиндра 12,5 см, ни для судового двухтактного дизеля с рабочим объемом около 2 м. Пожалуй, особенности такого пути повышения мощности не требуют комментариев. Рабочий объем двигателя можно повысить не только за счет размеров отдельного цилиндра, но и за счет числа цилиндров двигателя z. Примером такого конструктивного решения являются двигатели ПАО Звезда размерности 16/17, выпускавшиеся по лучевой звездообразной схеме в
42- и цилиндровом исполнении (риса б
118 Рис. 9.2. Дизель-редукторный агрегат с двигателем 56ЧН16/17 (z = 56) Вариантом увеличения мощности двигателя, не требующим роста его массогабаритных характеристик, может быть форсирование по числу оборотов коленчатого вала n (9.1). Здесь нужно учитывать следующие ограничения. При повышении n увеличиваются
– механические нагрузки на детали двигателя из-за роста сил инерции
– тепловые нагрузки из-за увеличения теплового потока от источника тепла (растет частота вспышек) и уменьшения времени на теплоотвод (сокращается период времени между вспышками. Кроме того, организация рабочего процесса в цилиндрах дизеля предполагает, что в цилиндре, к нужному моменту положения поршня, должна быть подготовлена рабочая смесь. Этот процесс требует времени и поэтому можно констатировать, что сам рабочий процесс дизеля существенно ограничивает возможность увеличения частоты чередования циклов, те. рост n. Формула (9.1) также показывает, что мощность может быть увеличена в
2 раза, если при прочих равных условиях вместо 4-тактного двигателя
(
= 4) применить двухтактный ( = 2). При этом необходимо понимать, что, строго говоря, обеспечить прочие равные условия не получится. Особенности протекания рабочего процесса двухтактного двигателя еще более требовательны к скоростному режиму. Чтобы, например, получить равные условия по тепловой напряженности 2- и 4-тактного двигателя, нужно чтобы число
119 оборотов вала 2-тактного двигателя было в два раза меньше, чему 4-тактного. Для достижения качественной продувки цилиндра, продолжительность этой фазы цикла у 2-тактного двигателя не должна быть слишком короткой. Можно было бы продолжить приводить аргументы в пользу выбора 4- или, наоборот, 2-тактного двигателя, однако это уведет нас в сторону от цели. Рассмотрим возможность увеличения мощности за счет форсирования по среднему эффективному давлению p
me
. Параметры, влияющие навели- чину p
me
можно выявить, анализируя следующее уравнение
,
i
me
v
м
в
p
A
(9.2) где А – постоянный для данного двигателя коэффициент
i
– индикаторный КПД
– коэффициент избытка воздуха
v
– коэффициент наполнения м – механический КПД двигателя в – плотность воздуха перед впускными органами. Пожалуй, очевиден тот факт, что индикаторный
i
и механический м
КПД двигателя, равно как и коэффициент наполнения
v
, не могут быть существенно увеличены для современных двигателей при достигнутом сегодня уровне техники. Кажущееся увеличение p
me приуменьшении является обманчивым – известно (см. рис. 7.2), что уменьшение от его оптимального значения резко снижает индикаторный КПД. Остается обсудить возможность увеличения плотности воздуха, поступающего в цилиндр двигателя. Плотность газа зависит от параметров его состояния в) где p – давление T – температура R – газовая постоянная для воздуха
R ≈ 287 Дж/(кг
К). Как следует из уравнения состояния (9.3) плотность воздуха может быть увеличена двумя путями за счет повышения давления или за счет снижения температуры. Однако технически проще решается задача повышения давления. Предположим, что стоит задача повысить мощность атмосферного двигателя в два раза. Согласно (9.1)–(9.3) эта задача может быть решена либо повышением давления воздуха на входе от 1 бара (атмосферное давление) до 2 бар, что можно считать тривиальной задачей, либо снижением температуры от уровня 300 К (27 С) до 150 К (–123 С, что при типичных для двигателя расходах воздуха, технически труднореализуемое, слишком энергозатратное и поэтому экономически нецелесообразное мероприятие. Кроме того, такие низкие температуры негативно скажутся на протекании рабочего процесса. Экспериментально установлено, что снижение температуры воздуха, подаваемого в цилиндры двигателя, оправдано до значений не ниже точки росы. Таким образом, обобщая все вышесказанное, можно утверждать, что из всех рассмотренных путей повышения мощности дизеля, единственным, не требующим увеличения его массогабаритных показателей и не оказывающим негативного влияние на рабочий процесс, является применение наддува. Наддувом называется способ увеличения мощности двигателя путем создания избыточного давления воздуха, подаваемого в цилиндры, при одновременном увеличении подачи топлива. Обратите внимание на необходимость увеличения подачи топлива. Действительно, во-первых, согласно (9.2), при увеличении плотности в следует сохранить тот же уровень коэффициента избытка воздуха
, а значит, увеличить (пропорционально количеству подаваемого воздуха) цикловую подачу топлива. Важно, за теоретическими выкладками и формулами, не потерять простую физическую сущность наддува для получения большего количества работы газов в цилиндре нужно сжигать больше топлива, что в свою очередь требует большего количества кислорода, а, следовательно, большего количества воздуха.
9.2. Способы наддува
9.2.1. Механический наддув В зависимости от принципа действия используемых агрегатов наддува различают три основных способа наддува
– механический
– газотурбинный
– динамический,или инерционный. Используются также комбинации перечисленных способов, в первую очередь первых двух. В этом случае наддув называют комбинированным. При механическом наддуве (риса) сжатие атмосферного воздуха происходит в компрессоре К, который приводится в действие от коленчатого вала поршневого двигателя ПД с помощью передачи П. В качестве компрессора в агрегатах наддува ДВС наибольшее распространение получили роторные машины объемного действия (в первую очередь винтовые) и динамического действия (в первую очередь центробежные. На рис. 9.3, б показан конструктивный вариант системы с винтовым компрессором. Роторы 1 такого компрессора вращаются в противоположные стороны, благодаря находящимся в зацеплении приводной 2 шестерни и синхронизирующей шестерни 5. В изображенной конструкции передача крутящего момента от шкива коленчатого вала 3 к шкиву компрессора выполнена с помощью ременной передачи. Сами роторы при
121 вращении друг с другом не соприкасаются. При этом воздух, проталкивается роторами из полости низкого давления (вход в компрессор) в полость высокого давления (выход из компрессора. Рис. 9.3. Схема (аи вариант конструктивного исполнения (б) механического способа наддува 1 – роторы 2 – приводная шестерня 3 – шкив коленчатого вала 4 – шкив компрессора 5 – синхронизирующая шестерня На тепловозных дизелях Д, Д и Д применяются приводные компрессоры центробежного типа, соединенные с коленчатым валом посредством зубчатой передачи. Роторные и центробежные компрессоры обеспечивают умеренные (скорее даже невысокие) степени повышения давления при значительных по величине расходах воздуха. Эти качества отвечают требованиям для применения в качестве агрегатов наддува ДВС, в целом, и дизелей, в частности. Жесткая механическая связь компрессора с коленчатым валом обеспечивает ему как достоинство, таки недостаток в сравнении с другими способами наддува. Достоинство заключается в том, что уже на этапе пуска двигателя, когда стартер проворачивает коленчатый вал, компрессор включается в работу и создает избыточное давление во впускном коллекторе. Это особенно важно для двухтактных двигателей, для обеспечения продувки и нормального протекания рабочего процесса в целом. Для лучшего понимания этого и других достоинства также и недостатков механического наддува продолжим знакомство с другими способами.
9.2.2. Газотурбинный наддув Уходящие из цилиндра газы обладают относительно высокой внутренней энергией, что выражается, в первую очередь, их высокой температурой. Существуют различные пути утилизации этой энергии. Самый распространенный из них – использование энергии для привода компрессора системы воздухоснабжения. Если при механическом наддуве энергия на привод кома б
122 прессора отбирается от коленчатого вала, или, что тоже самое, от работы, выполненной газами в цилиндре, то при газотурбинном наддуве (рис. 9.4) работа выполняется за счет энергии уже отработавших в цилиндре газов. На схеме (риса) линия, соединяющая турбину Т и компрессор К, изображена сплошной – эта связь по-прежнему механическая. Путь газов и воздуха показан пунктирными линиями – эти связи газовые. Видно, что при такой схеме связь агрегатов наддува с поршневым двигателем только газовая. Иногда это обстоятельство дополнительно подчеркивают термином свободный турбокомпрессор или применительно к турбине – свободная турбина. Турбокомпрессором рис. 9.4, б) называют агрегат, объединяющий в себе две тепловые машины турбину и компрессор. Так как турбина является тепловым двигателем, то верным будет утверждение, что в схеме силовой установки, изображенной на риса, присутствуют два двигателя. Поэтому такие установки называются комбинированными двигателями. Все современные тепловозные дизели являются комбинированными двигателями. Рис. 9.4. Схема (аи вариант конструктивного исполнения (б) газотурбинного способа наддува ПД-поршневой двигатель (дизель Т – турбина К – компрессор
1, 5 – рабочие колеса компрессора и турбины 2, 4 – корпуса компрессора и турбины общий вал Первое знакомство с газотурбинным наддувом обычно вызывает впечатление, что энергия, необходимая для привода компрессора, берется исключительно за счет теплоты отработавших газов ив противном случае, была бы просто потеряна. Иными словами, энергия получена, как будто бы даром, без каких-либо дополнительных затрат. Это не так. Несмотря на то, что турбина соединена с поршневым двигателем только газовой связью, она всё же создает дополнительное сопротивление движению газов на выпуске из цилиндра и, следовательно, отбирает часть работы, которую газы в цилиндре могли бы выполнить для вращения вала. Эти сопротивления увеличивают потери насосных ходов двигателя (см. пи относят-
а б