Анализ эффективности работы двигателя внутреннего сгорания

В предкамере топливо сгорает частично из-за недостатка кислорода. Остальная часть топлива в связи с резким повышением давления при сгорании выбрасывается с большой скоростью через соединительные каналы в главную камеру. При этом основная часть топлива также распыливается, перемешивается с воздухом, находящимся в главной камере, и догорает.

Неразделенные камеры (рис. 6) ограничены днищем поршня 1 и поверхностями стенок и головки 5 цилиндра 2. В этот объем форсункой 4 впрыскивается топливо, чаще всего в виде нескольких струй, через отверстия достаточно малого диаметра (0,2--0,4 мм). Форму камеры приспосабливают в известной мере к форме струи топлива, чтобы лучше использовать воздушный заряд в цилиндре.

В большинстве дизелей с неразделенными камерами сгорания конструкция впускной системы обеспечивает создание вращательного движения воздуха в цилиндре, которое в некоторой степени сохраняется до конца сжатия, способствуя качественному смесеобразованию и сгоранию. В рассматриваемых дизелях скорость движения воздуха у стенки камеры не превышает 30--35 м/с.

Рис. 6. Неразделенная камера сгорания дизеля:

1 -- поршень, 2 -- цилиндр, 3 -- камера сгорания, 4 -- форсунка, 5 -- головка цилиндра

Недостаток дизелей с неразделенными камерами -- необходимость в высоком давлении впрыска -- до 20 МПа, что предъявляет повышенные требования к топливной аппаратуре. Кроме того, дизель весьма чувствителен к сорту топлива: использование тяжелого топлива оказывается невозможным. Качество смесеобразования ухудшается при понижении нагрузок и частоты вращения коленчатого вала двигателя.

Разделенные камеры сгорания состоят из двух частей: основной камеры, расположенной над поршнем, и дополнительной, помещенной чаще всего в головке цилиндра. Основная и дополнительная камеры соединены между собой одним или несколькими каналами. Наибольшее распространение получили следующие два типа разделенных камер сгорания: вихревые камеры и предкамеры.

При форкамерном процессе топливо впрыскивается в специальную предварительную камеру, связанную с цилиндром несколькими небольшими каналами или отверстиями, ударяется об ее стенки и перемешивается с воздухом. Воспламенившись, смесь поступает в основную камеру сгорания, где и сгорает полностью. Сечение каналов подбирается так, чтобы при ходе поршня вверх (сжатие) и вниз (расширение) между цилиндром и форкамерой возникал большой перепад давления, вызывающий течение газов через отверстия с большой скоростью.

Во время вихрекамерного процесса сгорание также начинается в специальной отдельной камере, только выполненной в виде полого шара. В период такта сжатия воздух по соединительному каналу поступает в предкамеру и интенсивно закручивается (образует вихрь) в ней. Впрыснутое в определенный момент топливо хорошо перемешивается с воздухом.

Таким образом, при разделенной камере сгорания происходит как бы двухступенчатое сгорание топлива. Это снижает нагрузку на поршневую группу, а также делает звук работы двигателя более мягким. Недостатком дизельных двигателей с разделенной камерой сгорания являются: увеличение расхода топлива вследствие потерь из-за увеличенной поверхности камеры сгорания, больших потерь на перетекание воздушного заряда в дополнительную камеру и горящей смеси обратно в цилиндр. Кроме того, ухудшаются пусковые качества.

Дизельные двигатели с неразделенной камерой называют также дизелями с непосредственным впрыском. Топливо впрыскивается непосредственно в цилиндр, камера сгорания выполнена в днище поршня. До недавнего времени непосредственный впрыск использовался на низкооборотистых дизелях большого объема (проще говоря, на грузовиках). Хотя такие двигатели экономичнее моторов с разделенными камерами сгорания, их применение на небольших дизелях сдерживалось трудностями организации процесса сгорания, а также повышенными шумом и вибрацией, особенно в режиме разгона.

Сейчас благодаря повсеместному внедрению электронного управления процессом дозирования топлива удалось оптимизировать процесс сгорания топливной смеси в дизеле с неразделенной камерой сгорания и существенно снизить шумность. Новые дизельные двигатели разрабатываются только с непосредственным впрыском.

4.3 Топливные системы

Система питания дизелей топливом включает топливный бак, фильтры, топливоподкачивающий насос, насос высокого давления, форсунки, трубопроводы и соединительную арматуру.

Топливные фильтры являются ответственным элементом системы питания дизелей, так как качество очистки топлива оказывает большое влияние на надежность работы топливного насоса и форсунок. Зазоры в прецизионных парах топливной аппаратуры находятся в пределах 15--25-1СН. Поэтому и размеры механических примесей в топливе после очистки не должны превышать указанных значений. Очистку топлива производят в фильтрах грубой и тонкой очистки. В двигателе А-01Л применяют трехступенчатую очистку, являющуюся контрольной очисткой в фильтре ТФ-3.

Топливоподкачивающий насос может быть поршневым, шестеренчатым и коловратным. Поршневые насосы получили наибольшее распространение, так как могут создавать разрежение, обеспечивающее подсос топлива из емкости, расположенной на 1,5--2 м ниже насоса. Поршень движется вверх под действием роликового толкателя, приводимого в движение от кулачка, вниз --под действием сжатых пружин. Топливоподкачивающий насос создает давление в топливопроводе низкого давления в пределах 0,15--0,2 МПа и должен иметь производительность, примерно в 5 раз превышающую максимальную потребность двигателя в топливе. Объясняется такой большой резерв производительности тем, что для выделения пузырьков воздуха из топлива оно должно непрерывно циркулировать во впускной полости насоса высокого давления.

Топливный насос высокого давления подает топливо через трубопровод и форсунки в камеры сгорания двигателя. На автотракторных дизелях применяются насосы плунжерного типа, в которых имеются секции для каждого цилиндра. Плунжер (рис. 8, а) получает движение от кулачкового вала через роликовый толкатель. Гильза имеет впускное окно. Подъем плунжера под действием кулачка сопровождается сжатием пружины 8, под действием которой плунжер опускается.

Характерные положения плунжера показаны на рис. 8, б.

Верхняя часть плунжера имеет продольную канавку (см. рис. 8, б), кольцевую выточку с винтовой (отсечной) кромкой. Такое устройство плунжера необходимо для регулирования количества подаваемого топлива за один цикл работы насоса поворотом плунжера. С этой целью на его хвостовик насажен зубчатый сектор (см. рис. 7, а), находящийся в постоянном зацеплении с зубчатой рейкой, которая системой тяг и рычагов связана с центробежным регулятором двигателя и с ручным управлением. При повороте плунжера, вызываемом движением зубчатой рейки, изменяется расстояние по вертикали h (см. рис. 7, б) между винтовой кромкой плунжера и нижней кромкой впускного отверстия.

Рис. 8. Принципиальная схема топливного насоса высокого давления: а -- схема устройства: 1 -- кулачковый вал; 2 -- роликовый толкатель; 3 -- плунжер; 4 -- гильза; 5 -- впускное окно; 6 -- нагнетательный клапан; 7 --пружина; 8 -- пружина обратного хода плунжера; б -- характерные положения плунжера: /-- ход плунжера без подачи топлива; // --начало подачи; /// -- конец подачи (отсечка); 1 -- плунжер; 2 -- гильза; 3 -- седло обратного клапана; 4 -- обратный клапан; 5 --пружина клапана; 6 -- цилиндрический (разгрузочный) поясок клапана; 7-- впускное отверстие

Размер h показывает величину рабочего (не полного!) хода плунжера, который определяет количество подаваемого топлива.

Форсунки осуществляют впрыск топлива в камеру сгорания, подводимого к ним под высоким давлением.

Качество впрыска определяется: тонкостью и однородностью распыливания топлива; равномерным распределением частиц распыленного топлива, в камере сгорания; своевременным началом и окончанием впрыска; поддержанием требуемого давления впрыска при различных режимах работы двигателя.

Форсунки бывают двух типов -- открытые, не разобщающие камеру сгорания с форсункой после впрыска, и закрытые, имеющие запорную иглу, открывающую сопловое отверстие форсунки на период впрыска топлива. Закрытые форсунки конструктивно сложнее, по они обеспечивают впрыск топлива на всех режимах работы двигателя под постоянным давлением и поэтому более распространены.

4.4 Подвод воздуха и отвод выпускных газов

Для нормальной работы дизеля необходимо обеспечивать подачу воздуха в его цилиндры и выпуск из них отработавших газов. Наполнение цилиндров воздухом может осуществляться как за счет разрежения, создаваемого движущимися в цилиндрах поршнями, так и за счет подачи воздуха в цилиндры под давлением, превышающим атмосферное. Во втором случае, т. е. с применением наддува, масса воздуха, заполняющего цилиндр, значительно больше, что позволяет сжигать больше топлива за каждый цикл и повышать мощность дизеля при сохранении его габаритов.

Для нагнетания воздуха в цилиндры дизеля используется специальное оборудование, различающееся между собой по приводу и принципу действия. Сжатие воздуха всегда сопровождается повышением температуры, что приводит к снижению его плотности. Это нежелательно, так как одновременно уменьшается масса воздуха в цилиндрах дизеля (воздушный заряд). Охлаждение сжатого воздуха можно производить в промежуточных теплообменниках, расположенных между нагнетателем и воздушным коллектором..

Отработавшие в цилиндрах газы выбрасываются в атмосферу, но перед выбросом они отдают часть своей энергии на привод ротора турбонагнетателя. Отвод газов от цилиндров дизеля осуществляется через цилиндровые крышки и два выпускных коллектора, имеющих надежную теплоизоляцию.

Турбонагнетатель (рис. 9, а) предназначен для подачи воздуха под давлением в цилиндры дизеля. На номинальном режиме работы давление наддувочного воздуха достигает 0,06 МПа (0,6 кгс/см2), а подача -- 6550 м /ч (при частоте вращения ротора турбонагнетателя 18 800 об/мин).

Неподвижная часть турбонагнетателя (статор) состоит из трех корпусов: входного 6, турбинного 9 и воздушного 16, соединенных цилиндрическими фланцами.

Входной корпус 6 соединен с двумя выпускными коллекторами и имеет каналы для прохода выпускных газов к турбине, расположенной в среднем (турбинном) корпусе 9.

Входной 6 и турбинный 9 корпусы, соприкасающиеся с горячими выпускными газами, отлиты из чугуна и имеют водяные полости для охлаждения водой, циркулирующей в основном контуре. Подвод воды из напорного коллектора осуществляется через нижние, а отвод -- через верхние штуцера корпусов, причем из турбинного корпуса вода выходит через два верхних штуцера. Охладившая турбонагнетатель вода отводится по трубопроводу в коллектор горячей воды.

К торцу входного корпуса, обращенному к турбинному, крепят тремя болтами 7 с лепестковыми шайбами сопловой аппарат 8, представляющий собой стальное лопастное колесо. Газы, проходящие через сопловой аппарат, перед тем как попасть на лопатки турбинного колеса приобретают нужное направление и большую скорость за счет специальной формы неподвижных лопастей аппарата.

Из турбинного корпуса 9 газы отводятся через глушитель в выпускную трубу. В верхней части корпуса имеется прямоугольное отверстие, заканчивающееся обработанным фланцем для крепления глушителя. Снизу к турбинному корпусу крепят болтами 28 две лапы 27 для установки турбонагнетателя на кронштейн, прикрепленный восемью шпильками к заднему торцу блока цилиндров. Турбонагнетатель закрепляют на кронштейне восемью болтами.

Чтобы ограничить передачу тепла от выпускных газов к нагнетаемому воздуху, между турбинным 9 и воздушным 16 корпусами имеется теплоизоляция. Она состоит из стекловаты 26, заключенной в металлический кожух 12, который прикреплен болтами к воздушному корпусу. Кожух 12 одновременно охватывает вал ротора, уменьшая возможность его нагрева и передачи тепла по валу к рабочему колесу нагнетателя.

Лопаточный диффузор 24 служит для направления воздуха, отбрасываемого лопастями рабочего колеса, в расширяющийся канал улиткообразного корпуса. За счет формы лопаток диффузора уменьшается скорость нагнетаемого воздуха и одновременно увеличивается его давление.

Ротор турбонагнетателя (рис. 9, б) состоит из вала 11 и двух колес: турбинного 10 и рабочего 14. Диск турбины приварен к валу, причем плавный переход (галтель) от вала к диску обеспечивает достаточную прочность турбины. В диске сделано 45 елочных пазов для крепления лопаток, изготовленных из жаропрочной стали и имеющих елочные хвостовики. Все лопатки для прочности скреплены бандажной проволокой.

Рабочее колесо нагнетателя состоит из двух частей, отлитых из алюминиевого сплава. Одна часть колеса -- заборник 23 -- имеет спиральные лопасти, а другая (рабочая) -- прямые радиальные, причем переход от спиральных лопастей к радиальным выполнен плавным. Колесо с помощью шпонки 13 напрессовано на вал до упора в выступ и закреплено кольцом 22, которое насаживается на вал в горячем состоянии.

Смазывание подшипников осуществляется дизельным маслом, заливаемым в камеры через специальные горловины, которые закрыты пробками 4. Для контроля за уровнем масла в камерах крышки 2 оснащены круглыми стеклами 3. При неработающем дизеле уровень масла должен быть выше центра стекла на 4 мм. Для смазывания подшипников применены центробежные диски 5, укрепленные на валу ротора. Вращающиеся диски захватывают масло и забрасывают его в корпуса подшипников, после чего масло вновь стекает в камеру.

4.5 Устройство двухтактных и четырехтактных двигателей

Четырехтактные дизели (Рис.10). 1 такт - впуск. При движении поршня от ВМТ к НМТ вследствие образующегося разряжения из воздухоочистителя в полость цилиндра через открытый впускной клапан поступает атмосферный воздух. Давление воздуха в цилиндре составляет 0.08 - 0.095 МПа, а температура 40 - 60 С.

2 такт - сжатие. Поршень движется от НМТ к ВМТ; впускной и выпускной клапаны закрыты, вследствие этого перемещающийся вверх поршень сжимает поступивший воздух. Для воспламенения топлива необходимо, чтобы температура сжатого воздуха была выше температуры самовоспламенения топлива. При ходе поршня к ВМТ цилиндр через форсунку впрыскивается дизельное топливо, подаваемое топливным насосом.

3 такт - расширение или рабочий ход. Впрыснутое в конце такта сжатия топливо, перемешиваясь с нагретым воздухом, воспламеняется, и начинается процесс сгорания, характеризующийся быстрым повышением температуры и давления. При этом максимальное давление газов достигает 6-9МПа, а температура 1800-2000С. Под действием давления газов поршень 2 перемещается от ВМТ в НМТ - происходит рабочий ход. Около НМТ давление снижается до 0.3-0.5МПа, а температура до700-900С.

а) 1 такт б) 2 такт в) 3 такт г) 4 такт

(впуск воздуха) (сжатие воздуха) (рабочий ход) (выпуск)

Ри2с.10. Схема работы четырехтактного дизеля:

1 -- топливный насос, 2 -- поршень, 3 -- форсунка, 4, 5 -- впускной и выпускной клапаны, 6 -- цилиндр 4 такт - выпуск.

Поршень перемещается от НМТ в ВМТ и через открытый выпускной клапан 6отработавшие газы выталкиваются из цилиндра. Давление газов снижается до 0.11-0.12МПа, а температура до 500-700С. После окончания такта выпуска при дальнейшем вращении коленчатого вала рабочий цикл повторяется в той же последовательности.

Двигатель внутреннего сгорания, в котором рабочий цикл совершается за один оборот коленчатого вала, т. е. наполнение цилиндра горючей смесью (или воздухом), сжатие и сгорание, а также расширение и выпуск газов происходят за два хода поршня (рис. 10).

Часть свежего заряда, поступившего в цилиндр, неизбежно теряется через выпускные органы во время процесса продувки, что снижает экономичность двух2тактного двигателя. Недостатками Д. д. являются высокая термическая нагруженность поршневой группы, снижающая надёжность двигателя, и сложность осуществления продувки.

5. РАСЧЕТ ГОРЕНИЯ ТОПЛИВА

5.1 Состав топлива и его характеристики

Топливо -- это горючие вещества, основной составной частью которых является углерод, применяемые с целью получения при их сжигании тепловой энергии.

Топливо состоит из сложных химических соединений, углерода (C), водорода (Н), кислорода (О), азота (N) и серы (S). Также топливо включает в себя минеральные примеси А, воду W.

Элементарный состав топлива может задаваться органической, рабочей, горючей или сухой массами. Эти массы могут быть представлены следующими равенствами:

Органическая

Со +Но +Оо +Nо= 100%

Рабочая масса

Ср +Нр +Ор +Nр +Sр +Aр +Wр = 100%;

Сухая

Сс +Нс +Ос +Nс +Sсл+Aс = 100%;

Горючая

Сг +Нг +Ог +Nг +Sгл= 100%;

Где Со, Ср, Сс, Сс - содержание углерода, входящего в состав соответственно рабочей, сухой, горючей и органической массе топлива; Hр, Hс, Hr, Hо - содержание водорода; Оо, Ор, Ос, Ог -- содержание кислорода; Nо, Nр, Nс, Nг -- содержание азота; Sр, Scл, Sгл -- содержание серы; Аp, Аc ,Wp -- содержание золы и влаги.

При этом

,

где Sр, Sрл, Sрм -- это суммарное содержание в топливе соответственно серы, летучей серы, минеральной серы.

Химический состав газообразного топлива можно хадать в процентах по объему. Все расчеты, связанные с определением состава газообразного топлива, производятся для сухого газа при нормальных условиях. Содержание водяных паров и других примесей (пыли и смол) задается в сухого газа.

Одной из важных составляющих частей является углерод. При полном сгорании углерода выделяется 34 100 кДж тепла. Чем выше содержание углерода в топливе, тем больше тепла выделится при его сжигании. При химической переработке топлива углерод входит в состав образующихся при этом органических соединений. Другой основной составной частью топлива является водород. Кислород и азот относятся к негорючей массе топлива (к балласту). Сера содержится в топливе в виде колчедановой серы (и сернистых органических соединений) и в виде сульфатов (сернокислых соединений кальция, магния и натрия). Количество горючей серы определяется как разность между общим содержанием серы в топливе и количеством сульфатной серы. Твердый негорючий продукт полного окисления и разложения всех минеральных примесей топлива называют золой. Качество золы в продуктах сгорания и ее количество учитываются при использовании топлива. Зола после разложения и плавления превращается в сплавленную массу, которая называется шлаком.

Важным показателем качества топлива является выход летучих веществ и характеристика кокса. В состав летучих веществ, которые выделяются из топлива при нагревании, входят газы -- окись углерода, водород, углеводороды, азот, кислород, углекислый газ и др.

Выход летучих веществ определяют в процентах к безводной и беззольной (горючей) массам топлива:

Где -- соответственно выход летучих веществ, содержание золы и влаги в топливе на аналитическую пробу в процентах.

Чем больше выход летучих веществ, тем легче загорается топливо. Выход летучих веществ положен в основу классификации твердого топлива.

5.2 Процессы горения топлива

Горение топлива - химический процесс соединения горючих веществ топлива с кислородом воздуха, который сопровождается интенсивным выделением теплоты.

Процессы горения могут быть гомогенными и гетерогенными. Если топливо и окислитель (кислород) находятся в газообразном состоянии и образуют гомогенную смесь, то горение протекает в объеме и называется гомогенным. При гетерогенном горении топливо и окислитель находятся в различных агрегатных состояниях, реакции протекают на поверхности раздела фаз: твердой, жидкой и газообразной. Процесс горения топлива условно можно разделить на две стадии: воспламенение и последующее горение. При нагревании топлива происходит повышение температуры. При достижении определенной для каждого топлива температуры (температуры воспламенения) топливо воспламеняется, после чего начинается процесс устойчивого горения.

Расход воздуха. Теоретическое количество воздуха, необходимое для сгорания топлива, определяется по формулам горения составных элементов топлива. Так, для сгорания 1 кг углерода необходимо 32/12 = 8/3 = 2,67 кг кислорода, так как реакция горения углерода протекает следующим образом:

Для сгорания 1 кг водорода требуется 8 кг кислорода:

;

для сгорания 1 кг серы -- 1 кг кислорода:

.

Если учесть, что массовая доля содержания кислорода в воздухе равна 0,232, то теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг твердого и жидкого топлива при нормальных условиях (в кг воздуха на кг топлива)

.

Так как при нормальных условиях плотность воздуха , то объемный расход воздуха для сгорания 1 кг топлива

или

где -- элементарный состав топлива на рабочую массу, %.

В выражении коэффициенты m и n принимаются равными значениям индексов тех газов, перед которыми стоят эти коэффициенты.

Практически при горении часть кислорода воздуха не участвует в химических реакциях, поэтому для полного сгорания топлива подводят воздуха больше, чем необходимо теоретически. Отношение действительного количества воздуха (), подводимого в процессе горения, к теоретически необходимому (), называется коэффициентом избытка воздуха

Состав продуктов сгорания. Условно считают, что продукты сгорания топлива (в м3/кг)

где -- сухие газы; -- водяные пары.

Объем сухих газов

где .

При = 1 объем сухих газов минимальный, т.е. . Если > 1, то

где 0,79 -- объем азота в теоретически необходимом количестве воздуха; 0,0187 -- объем трехатомных газов

.

Объем продуктов сгорания газообразного топлива определяется по той же формуле, что и для твердого или жидкого. При этом

.

При = 1

где -- влагосодержание газообразного топлива. При > 1

Объем сухих газов при > 1

.

При атмосферном давлении с учетом температуры газов объем продуктов сгорания

.

Состав продуктов сгорания определяется с помощью газоанализаторов.

Энтальпия продуктов сгорания. Энтальпия (теплосодержание) продуктов сгорания топлива определяется суммированием теплосодержаний отдельных составляющих дымовых газов и зависит от вида топлива (твердое, жидкое или газообразное). Энтальпия имеет размерность кДж/кг или кДж/м3 и равна

Энтальпия теоретического объема газов (= 1) при температуре

Энтальпия продуктов сгорания при > 1 больше чем (т. е. при = 1)

Где -- энтальпия теоретически необходимого воздуха

кДж/кг или кДж/м3;-- энтальпия дополнительного объема водяных паров

кДж/кг или кДж/м3;

-- энтальпия золы

кДж/кг,

где -- доля золы топлива, уносимая газами из топки; -- соответственно теплоемкости при постоянном давлении трехатомных газов, азота, водяных паров, воздуха и золы при температуре.

Расчет состава природно-доменной смеси.

Рабочий состав доменного газа, %:

;

;

;

;

.

Таблица 1. Состав рабочего доменного газа.

Страницы: 1, 2, 3, 4