Давление и температура газов в двигателе

Авто-двигатели

Главная > Реферат >Промышленность, производство

2.1Первоначальные условия состояния

Давление и температура свежего заряда на входе в двигатель, в случае работы без наддува, являются давление и температура окружающей среды и ,которые для стандартизированных условий имеют следующие значения: .

Для двигателей с наддувом ,давление и температура на входе в двигатель являются давление температура ,на выходе из компрессора. В случае присутствия промежуточного холодильника, воздух из нагнетателя поступает в него, а затем в цилиндр двигателя. В этом случае давление и температура на входе в двигатель являются давление за холодильником.

2.2 Давление остаточных газов .

Давление остаточных газов устанавливается в зависимости от числа и расположение клапанов, газодинамических сопротивлений во впускном и выпускном коллекторах, в том том числе и сопротивления глушителя, фаз газораспределения, характера наддува, быстроходности двигателя, нагрузки, системы охлаждения и других факторов.

На номинальном режиме без наддува давление остаточных газов определяется выражением:

2.2.2 Температура остаточных газов .

Температура остаточных газов зависит от типа двигателя, степени сжатия, коэффициента избытка воздуха и частоты вращения.

2.3.Температура подогрева свежего заряда .

Подогрев свежего заряда происходит при его контакте со стенками впускного тракта и цилиндра, а также из-за остаточных газов. Величина зависит от расположения и конструкции впускного коллектора, системы охлаждения, быстроходности двигателя и вида наддува. Повышение температуры улучшает процесс испарения топлива, но снижает плотность заряда, что отрицательно влияет на наполнение.

Таблица подогрева свежего заряда .

2.4. Давление свежего заряда в конце впуска .

Давление свежего заряда в конце впуска является основным фактором, определяющий количество рабочего тела, поступающего в цилиндр двигателя.

2.4.1. Коэффициент газодинамических сопротивлений на впуске и средняя скорость движения заряда в наименьшем сечении впускной системы .

2.4.2.Плотность свежего заряда .

Плотность свежего заряда определяется выражением для двигателей без наддува:

Где: R= 287 Дж/кг K

2.4.3. Потери давления .

Потери давления вследствие газодинамического сопротивления на впуске определяется выражением для двигателей без наддува:

Где : — коэффициент затухания скорости движения заряда в минимальном сечении впускной системы;

— коэффициент газодинамического сопротивления впускной системы, отнесенный к наиболее узкому сечению.

2.4.4. Давление свежего заряда в конце пуска .

Давление свежего заряда в конце впуска определяется выражением для двигателей без наддува:

2.5.Коэффициент остаточных газов .

Коэффициент остаточных газов характеризует качество отчистки цилиндра от продуктов сгорания. С увеличением уменьшается количество свежего заряда, поступающего в цилиндр двигателя в процессе впуска. Коэффициент остаточных газов определяется для двигателей без наддува выражением:

Где: коэффициент дозарядки;

Таблица коэффициента остаточных газов.

С жидким топливом

2.6. Температура свежего заряда в конце впуска .

Температура свежего заряда в конце впуска определяется для двигателей без наддува выражением:

Величина зависит от температуры рабочего тела, коэффициента остаточных газов, степени подогрева заряда и в меньшей степени от температуры остаточных газов.

Таблица температуры свежего заряда в конце впуска .

С жидким топливом

2.7. Коэффициент наполнения .

Коэффициент наполнения или КПД наполнения определяется отношением действительного количества свежего заряда, поступившего в цилиндр, к тому количеству, которое могло бы поместиться в рабочем объеме цилиндра при условии, что температура и давление в нем равны температуре и давлению среды, из которой поступает свежий заряд.

Коэффициент наполнения определяется для двигателей без наддува выражением:

Давление и температура окружающей среды

При работе двигателя без наддува в цилиндр поступает воздух
из атмосферы. В этом случае при расчете рабочего цикла двигателя давление окружающей среды p₀ принимается равным 0,1 МПа, а тем-пература T₀ = 293 К.

При работе двигателей с наддувом воздух в цилиндр поступает
из компрессора (нагнетателя), где он предварительно сжимается. Давление и температура окружающей среды при расчете рабочего
цикла двигателя с наддувом принимаются равными давлению p_к
и температуре T_к воздуха на выходе из компрессора.

В зависимости от степени наддува принимаются следующие зна-
чения давления p_к надувочного воздуха:

низкий наддув	1,5 · p₀;
средний	(1,5…2,2) · p₀;
высокий	(2,2…2,5) · p₀.

Температура воздуха за компрессором

где n_к – показатель политропы сжатия воздуха в компрессоре; для на-гнетателей:

дпоршневых n_к = 1,4…1,6; добъемных n_к = 1,55…1,75; досевых и центробежных n_к = 1,4…2,0.

Давление остаточных газов

Давление остаточных газов зависит от числа и расположения клапанов и их размеров, сопротивления выпускного тракта, быстро-ходности двигателя, системы охлаждения и других факторов; для авто-мобильных и тракторных двигателей находится в пределах:

где S – ход поршня (м).

Большие значения принимаются для высокооборотных двигателей
с высокой средней скоростью поршня.

Температура остаточных газов

Температура остаточных газов T_r зависит от типа двигателя, степени сжатия, частоты вращения, коэффициента избытка воздуха, степени догора-ния топлива в процессе расширения и нагрузки и может иметь значения:

T_r = 700…900 K, T_r = 900…1 100 K

для дизелей и карбюраторных двигателей соответственно.

С возрастанием степени сжатия температура снижается, а при уве-личении частоты вращения – возрастает. На температуру остаточных газов влияет состав смеси. С увеличением коэффициента избытка воздуха температура остаточных газов снижается.

Температура подогрева свежего заряда

Величина подогрева свежего заряда ΔТ зависит от расположения и кон-струкции выпускного трубопровода, системы охлаждения двигателя и охлаж-дения выпускного трубопровода, быстроходности двигателя, наддува
и других факторов. Повышение температуры улучшает процесс испарения топлива, но снижает плотность заряда и ухудшает наполнение двигателя.

Для разных типов двигателейΔТ (К) находится в пределах:

Читать еще: Что такое распылители на дизельном двигателе

(дизели без наддува);

Как правило, V-образные двигатели по сравнению с рядными имеют меньший подогрев заряда.

Коэффициент избытка воздуха

Применяемое для расчета значение коэффициента избытка воздуха в основном определяется типом двигателя и способом смесеобразования и находится в пределах:

дизели с нераздельными камерами сгорания и объемным смесеобразованием….	………α = 1,5…1,8;
дизели с камерой в поршне и объемно-пленочным смесеобразованием…………….	………α = 1,4…1,6;
дизели с предкамерами………………….	………α = 1,35…1,5;
дизели с вихревыми камерами………….	………α = 1,25…1,4;
карбюраторные двигатели………………	………α = 0,85…0,9;
дизели с наддувом……………………….	………α = 1,35…2,0.

Показатели политроп сжатия и расширения

Средний показатель политропы сжатия n₁ зависит от частоты вращения коленчатого вала двигателя, степени сжатия, формы камеры сгорания, размеров цилиндра, материала поршня и головки цилиндров, теплообмена и других факторов.

Для современных двигателей средний показатель политропы сжа-тия n₁ находится в пределах:

дизели с нераздельными камерами сгорания	n₁ = 1,38…1,4;
дизели с раздельными камерами сгорания	n₁ = 1,35…1,38;
карбюраторные двигатели	n₁ = 1,34…1,39.

При выборе n₁ следует иметь в виду, что с увеличением частоты вращения двигателя показатель политропы сжатия увеличивается. Дизели с камерой в поршне имеют n₁, близкий к 1,4.

Средний показатель политропы расширения n₂ зависит от степени догорания топлива, интенсивности отвода тепла в процессе расширения, утечек через неплотности и находится в пределах:

дизельные двигатели	n₂ = 1,2…1,27;
карбюраторные двигатели	n₂ = 1,24…1,3.

При этом меньшие значения относятся к высокооборотным дизелям с небольшими степенями повышения давления. Показатель возрастает
с увеличением интенсивности охлаждения деталей двигателя и усиле-нием утечек заряда через неплотности.

Для дизельных двигателей серии ЯМЗ средний показатель поли-тропы n₂ = 1,2…1,22.

Дата добавления: 2020-04-25 ; просмотров: 157 ; Мы поможем в написании вашей работы!

Прорывы газов в двигателе

Прорывы газов в двигателе имеют очень большое влияние на работу турбины. В картере двигателя внутреннего сгорания скапливаются газы и масляный туман, так называемые картерные газы — это может происходить из нескольких источников. Наиболее важным источником является прорыв газов камеры сгорания. В большинстве прорыв газов происходит при сгорании, когда давление в камере сгорания достигает максимума во время сжатия и воспламенения. При высоком давлении, утечка газов в картер происходит вокруг поршневых колец, т.к поршневые кольца имеют зазор. Через каналы вентиляции двигателя газы попадают во впускной коллектор. В простонародье говорят что двигатель «сапунит». Прорыв большого количества газов обусловлен износом поршневой группы двигателя, и имеет негативное воздействие на работу турбины.

Турбина установленная на двигателе имеет масло сливной канал, который выходит в поддон двигателя. Прорывы газов которые в первую очередь попадают в поддон двигателя создают давление в поддоне, тем самым усложняют слив масла с турбины. В среднем корпусе турбины есть масло наливная полость, которая при нормальной работе системы вентиляции двигателя практически не заполнена и масло которое подаётся для смазки турбины спокойно, без задержек стекает в картер. Но в случае если посмотреть на давление газа, и прорыв газов в присутствует в значительном количестве, то усложняется масло слив в турбине, тем самым турбина начинает наполнятся маслом и происходит утечка масла через холодную часть турбины.

Способ проверки газов

На многих СТО, этого не знают и когда производят диагностику турбины, делают вывод о том, что турбокомпрессор вышел из строя. Но установив турбину на стенд для проверки, утечек масла нет, турбина полностью сухая и признаков присутствия масла нет.

В инструкциях фирмы G/t есть описание того, что новую турбину запрещается ставить на двигатель если давление картерных газов превышает 10 мм. водяного столба. Это означает, что турбина не будет работать должным образом и возможно будет гнать масло, при не допустимом давлении газа.

Давление картерных газов можно проверить ротаметром, но такой прибор есть не в каждом СТО. Самый простой способ — это проверка давления картерных газов прибором который показан на картинке, и его можно собрать самостоятельно. Перед измерением необходимо пережать трубку сапуна с крышки ГБЦ, которая идёт в патрубок на впускной коллектор. В случае обнаружения превышения давления газов, нужно принять меры к их устранению.

Есть еще несколько способов проверки давления и количества картерных газов, но у каждого мастера как говорят свой подход к этому делу. Мы в обязательном порядке настаиваем на проверке картерных газов в при установке турбины на двигатель, т.к. от этого зависит работа турбины.

Давление и температура газов в двигателе

2.5. ТЕМПЕРАТУРА САМОВОСПЛАМЕНЕНИЯ ГАЗОВ И ЖИДКОСТЕЙ

Температура самовоспламенения сильно зависит от давления. Это связано с тем, что Т_* есть функция скорости реакции окисления, которая зависит от давления. Особенно сильно влияние давления на Т_* проявляется для газообразных и жидких веществ. Чем выше давление горючей смеси, тем ниже Т_* и наоборот. Для подтверждения этого приведем таблицу зависимости Т_* от давления р для некоторых углеводородов.

Зависимость температуры самовоспламенения (Т_* , 0 С) от давления

для некоторых углеводородов

Самовоспламенение газо- и паровоздушных смесей в компрессорах и аппаратах с повышенным давлением всегда происходит при более низких температурах, чем при атмосферном давлении. В табл. 2.3 приведена зависимость температуры самовоспламенения Т_* метано-воздушной смеси от давления.

Зависимость температуры самовоспламенения

метано-воздушной смеси от давления

Читать еще: Характеристика двигателя экобуст 2 литра

Газо- или паровоздушная смесь может иметь различный состав, в зависимости от которого изменяется и его температура самовоспламенения. Это связано с тем, что скорость химической реакции при постоянной температуре зависит от концентрации реагирующих веществ. Наиболее бедная горючая смесь (с недостатком горючего) должна иметь более высокую температуру самовоспламенения, так как скорость реакции в такой смеси мала и, следовательно, малó тепловыделение. Концентрация окислителя (кислорода) в такой смеси значительно больше необходимой для полного сгорания горючего. Поэтому большое количество теплоты расходуется на нагрев газов, не участвующих в реакции. Это ведет к тому, что превышение тепловыделения над теплоотдачей может наступить в такой смеси только при более высокой температуре.

При увеличении горючего в смеси, скорость реакции увеличивается и температура самовоспламенения понижается. Такая зависимость температуры самовоспламенения от концентрации горючего вещества соблюдается только до определенного состава смеси, близкого к стехиометрическому.

При дальнейшем увеличении горючего в смеси, температура самовоспламенения будет повышаться, так как увеличение концентрации горючего теперь ведет к уменьшению доли окислителя и, следовательно, к уменьшению скорости реакции (табл. 2.4).

Зависимость температуры самовоспламенения

метано-воздушной смеси от концентрации метана

Если в качестве окислителя служит не воздух, а кислород, то величина температуры самовоспламенения резко снижается. В табл. 2.5 приведены температуры самовоспламенения для смесей некоторых углеводородов с воздухом и с кислородом. Из приведенных данных следует, что в среде кислорода температура самовоспламенения почти в два раза ниже чем в среде воздуха.

Значения температуры самовоспламенения (Т_*, 0 С) для смесей нефтепродуктов с воздухом и кислородом

Большое влияние на температуру самовоспламенения Т_* оказывают катализаторы. Катализаторами могут являться как стенки сосуда, так и специальные присадки, вводимые непосредственно в горючее. Катализаторы могут как уменьшать, так и увеличивать температуру самовоспламенения. В частности, сильным катализатором, ускоряющим скорость реакции, является платина. Введение платинового катализатора значительно снижает температуру самовоспламенения Т_* углеводородов. Для исключения явления детонации в двигателях внутреннего сгорания в моторное топливо (бензин) вводятся катализаторы – антидетонаторы, повышающие температуру самовоспламенения бензино-воздушной смеси. К таким катализаторам относятся, в частности: тетраэтилсвинец Pb ( C ₂ H ₅)₄ – 0.5 г/л; пентакарбонил железа Fe ( CO )₅ – 3 г/л; тетраэтилолово Sn ( C ₂ H ₅)₄ – 2г/л. Эти катализаторы повышают температуру самовоспламенения на (80–170) 0 С.

Положительный эффект, получаемый при введении тетраэтилсвинца и других катализаторов, сопровождается повышением токсичности продуктов сгорания.

Величина Т_* зависит также и от объема горючей смеси (сосуда). Чем меньше объем сосуда, тем выше Т_* (табл. 2.6).

метано-воздушной смеси (6 % CH ₄)

При уменьшении объема сосуда происходит увеличение поверхности теплоотдачи, приходящейся на единицу объема смеси. Если принять сосуд в виде куба с ребром 1 см, то объем сосуда составит V = 1 см 3 , а поверхность теплоотдачи S = 6 см 2 . Если увеличить ребро куба до 2 см, то его объем будет V = 8 см 3 , а поверхность теплоотдачи S = 24 см 2 . В первом случае на 1 см 3 смеси приходится 6 см 2 поверхности теплоотдачи, а во втором – только 3 см 2 . Согласно тепловой теории самовоспламенения, увеличение поверхности теплоотдачи ведет к повышению Т_* за счет увеличения тепловых потерь. При очень малом объеме сосуда горючие смеси вообще не смогут самовоспламеняться, так как скорость теплоотдачи намного превысит скорость тепловыделения за счет реакции горения.

Отметим, в частности, что этот принцип положен в основу огнепреградителей. При этом пламя разбивается специальными сетками на мелкие ячейки, которые приводят к большим теплопотерям (например, противопожарная лампа Дэви, используемая в шахтах и на рудниках в XIX веке).

Анализ литературных данных показывает, что Т_* для газов и жидкостей из класса углеводородов, спиртов и альдегидов лежит в пределах от 400 до 700 0 С.

Energy
education

сайт для тех, кто хочет изучать энергетику

Термодинамика и тепломассообмен

Основные законы термодинамики

Современная феноменологическая термодинамика является строгой теорией, развиваемой на основе нескольких постулатов. Процессы, происходящие в термодинамических системах, описываются макроскопическими величинами (температура, давление, концентрации компонентов), которые вводятся для описания систем, состоящих из большого числа частиц, и не применимы к отдельным молекулам и атомам, в отличие, например, от величин, вводимых в механике или электродинамике.

Примеры решения задач по теме «Процессы изменения состояния идеальных газов»

1. В закрытом сосуде емкостью $V = 300$ л содержится $3$ кг газа при давлении $p_1 = 8$ ат и температуре $t_1 = 20$ °C. Определить давление (ат) и удельный объем после охлаждения воздуха до $0$ °C.

2. В закрытом сосуде заключен газ при разрежении $p_1 = 6.7$ кПа и температуре $t_1 = 70$ °C. Показания барометра – $742$ мм.рт.ст. До какой температуры нужно охладить газ при том же атмосферном давлении, чтобы разрежение стало $p_2 = 13.3$ кПа?

3. В закрытом сосуде емкостью $V = 0.6$ м 3 содержится азот при давлении (абсолютном) $p_1 = 0.5$ МПа и температуре $t_1 = 20$ °C. В результате охлаждения сосуда азот, содержащийся в нем, теряет $105$ кДж. Определить, какие давление и температура устанавливаются в сосуде после охлаждения.

4. Сосуд емкостью $90$ л содержит углекислый газ при абсолютном давлении $0.8$ МПа и температуре $30$ °C. Определить количество теплоты, которое необходимо сообщить газу при $v = const$, чтобы давление поднялось до $1.6$ МПа.

5. Какое количество теплоты необходимо затратить, чтобы нагреть $2$ м 3 воздуха при постоянном избыточном давлении $p = 2$ ат от $t_1 = 120$ °C до $t_2 = 450$ °C? Какую работу при этом совершит воздух? Атмосферное давление принять равным $750$ мм.рт.ст., учесть зависимость теплоемкости от температуры.

Читать еще: Газель двигатель крайслер какие свечи ставить

6. В установке воздушного отопления внешний воздух при $t_1 = – 15$ °C нагревается в калорифере при $p = const$ до $60$ °C. Какое количество теплоты надо затратить для нагревания $1000$ м 3 наружного воздуха? Давление воздуха считать равным $755$ мм.рт.ст.

7. Уходящие газы котельной установки проходят через воздухоподогреватель. Начальная температура газов $t_ <г1>= 300$ °C, конечная $t_ <г2>= 160$ °C; расход газов равен $900$ кг/ч. Начальная температура воздуха составляет $t_ <в1>= 15$ °C, а расход его равен $800$ кг/ч. Определить температуру нагретого воздуха $t_<в2>$, если потери тепла в воздухоподогревателе составляет $4$ %. Средние теплоемкости для газов и воздуха принять соответственно равными $1.0467$ и $1.0048$ кДж/(кгּ К).

8. При сжигании в топке парового котла каменного угля объем продуктов сгорания составляет $V_н = 11.025$ м 3 /кг (объем при нормальных условиях, приходящийся на 1 кг топлива). Анализ продуктов сгорания показывает следующий их объемный состав: $CO = 10$ %; $O2 = 8$ %; $H2O = 10$ %; $N2 = 72$ %. Определить количество теплоты, теряемой с уходящими газами (в расчете на $1$ кг топлива), если на выходе из котла температура газов равна $180$ °C, а температура окружающей среды $20$ °C. Давление продуктов сгорания принять равным атмосферному. Учесть зависимость теплоемкости от температуры.

9. Воздух в количестве $1$ кг при температуре $t = 30$ °C и начальном давлении $p_1 = 0.1$ МПа изотермически сжимается до конечного давления $p_2 = 1$ МПа. Определить конечный объем, затрачиваемую работу изменения объема и количество теплоты, отводимой от газа.

10. Воздух в количестве $12$ кг при температуре $t = 27$ °C изотермически сжимается до тех пор, пока давление не становится равным $4$ МПа. На сжатие затрачивается работа $L = –6$ МДж. Найти начальные давление и объем, конечный объем и теплоту, отведенную от воздуха.

11. Воздух в количестве $0.5$ кг изотермически расширяется от давления $p_1 = 100$ ат до $p_2$. Определить давление $p_2$ в ат, работу изменения объема $L_<1-2>$ и отведенную теплоту $Q_<1-2>$, если $frac = 5$ и $t_1 = 30$ °C.

12. В идеально охлаждаемом компрессоре происходит изотермическое сжатие углекислого газа. В компрессор поступает $700$ м 3 /ч газа (приведенного к нормальным условиям) при $p_1 = 0.095$ МПа и $t_1 = 47$ °C. Давление за компрессором $p_2 = 0.8$ МПа. Найти теоретическую мощность приводного двигателя $N_0$ (кВт) и теоретический расход $M_в$ охлаждающей компрессор воды (в кг/ч), если она нагревается в системе охлаждения на $Δt = 15$ °C.

13. Воздух при температуре $t_1 = 20$ °C должен быть охлажден посредством адиабатного расширения до температуры $t_2 = –30$ °C. Конечное давление воздуха при этом должно составлять $0.1$ МПа. Определить начальное давление воздуха $p_1$ и работу расширения $1$ кг воздуха.

14. Воздух при температуре $120$ °C изотермически сжимается так, что его объем становится равным $0.25$ начального, а затем расширяется по адиабате до начального давления. Определить температуру воздуха в конце адиабатного расширения. Представить процессы расширения и сжатия в диаграммах pv и Ts.

15. При адиабатном расширении $1$ кг воздуха $K = 1.40 = сonst$ температура его падает на $100$ K. Какова полученная в процессе расширения работа и сколько теплоты следовало бы подвести к воздуху, чтобы ту же работу получить в изотермическом процессе?

16. Воздух в количестве $1$ кг политропно расширяется от $12$ до $2$ ат, причем объем его увеличился в $4$ раза; начальная температура воздуха равна $120$ °C. Определить показатель политропы, начальный и конечный объемы, конечную температуру и работу расширения.

17. При политропном сжатии $1$ кг воздуха до объема $v_2 = 0.1ּ v_1$ температура поднялась с $10$ до $90$ °C. Начальное давление равно $0.8$ бар; $R = 287$ Дж/(кгּ K). Определить показатель политропы, конечные параметры газа, работу сжатия и количество отведенной наружу теплоты.

18. Воздух в компрессоре сжимается по политропе $n = 1.25$ от $1$ до $8$ бар; начальная температура воздуха $5$ °C. После сжатия воздух проходит через холодильник, охлаждаемый холодной водой, начальная температура которой $t_1 = 10$ °C, а конечная равна $t_2 = 18$ °C. Определить часовой расход охлаждающей воды, если производительность компрессора $1000$ мн 3 /ч при нормальных физических условиях, а воздух в холодильнике изобарно охлаждается до $30$ °C.

19. В воздушном двигателе воздух в количестве $1$ кг расширяется от $p_1 = 10$ ат до $p_2 = 1$ ат. Расширение может произойти изотермически, адиабатно и политропно с показателем политропы $n = 1.2$. Сравнить работы расширения и определить конечные параметры воздуха по этим трем процессам; начальная температура воздуха $t_1 = 227$ °C. Представить процессы на диаграмме pv.

20. В процессе политропного расширения воздуху сообщается $70$ кДж теплоты. Найти изменение внутренней энергии воздуха и произведенную работу, если объем воздуха увеличился в $8$ раз, а давление его уменьшилось в $10$ раз.