книги из ГПНТБ / Артамонов, М. Д. Основы теории и конструкции автомобиля учебник

Из формулы (1) следует, что термический к. п. д. данного тео­ ретического цикла зависит от степени сжатия е и показателя адиа­ баты к. С увеличением значений е й к термический к. п. д. цикла повышается (рис. 2), причем более интенсивно в области небольших значений степени сжатия.

С увеличением степени сжатия в результате повышения тер­ мического к. п. д. увеличивается и полезная работа цикла, что показано на рис. 3 и вытекает из формулы

Из этой формулы следует, что полезная работа цикла за­ висит также от количества под­ веденной, теплоты (?!•

Как видно на рис. 3, с увеличением значения е уменьшается давление газа в точках Ъг и Ь3, что вызвано понижением его тем­ пературы. Понижение температуры газа, в свою очередь, при­ водит к уменьшению количества теплоты <?2>отводимой в холодный источник, т. е. к снижению тепловых потерь при выпуске отрабо­ тавших газов.

Таким образом, увеличение степени сжатия двигателя явля­ ется выгодным. Однако повышать степень сжатия двигателей с при­ нудительным воспламенением смеси, работающих по рассматривае­ мому циклу, более 11—12 единиц не представляется возможным, так как в противном случае в результате увеличения давления при сжатии и расширении значительно возрастают нагрузки, а также вызванные ими потери на трение в кривошипно-шатунном механизме. Кроме того, степень сжатия указанных двигателей

ю

ограничивают возникающие при этом самовоспламенение и детона­ ционное сгорание рабочей смеси. Поэтому значения степени сжатия двигателей с принудительным воснламепеиием смеси находятся в пределах 4—5 для карбюраторных керосиновых, 6—12 — для карбюраторных бензиновых и 8—11 — для газовых двигателей.

§ 2. ЦИКЛ СО СМЕШАННЫМ ПОДВОДОМ ТЕПЛОТЫ

В смешанном цикле теплоту к рабочему телу подводят частично при V — const и частично прир = const (рис. 4). Этот цикл лежит в основе работы двигателей с воспламенением от сжатия (бескомпрессорных дизелей).

Выражая значения температуры в отдельных точках цикла через температуры Та и Ть-и проделав некоторые преобразования, получим формулу для определения термического к. п. д. смешан­ ного цикла

где Я = — — степень повышения давления;

V,

р = т г — степень предварительного расширения.

Из формулы (3) следует, что термический к. п. д. смешанного цикла повышается с увеличением значений степени сжатия е и сте­ пени повышения давления Я, а также с уменьшением степени пред­ варительного расширения р.

Циклы с подводом теплоты при постоянном объеме и при посто­ янном давлении можно рассматривать как частные случаи смешан­ ного цикла.

11

Глава II

СГОРАНИЕ ТОПЛИВА

В качестве автомобильного топлива используют бензин для кар­ бюраторных двигателей, дизельное топливо — для дизелей и го­ рючие газы, находящиеся в сжатом или сжиженном состоянии или получаемые в результате газификации твердых топлив, — для газовых двигателей.

§ 1. РЕАКЦИЯ ГОРЕНИЯ

Как известно, жидкое топливо по своему химическому составу представляет собой соедппепие ■трех основпых элементов: угле­ рода С, водорода Н и киелорода О.

Обозначая массовые доли отдельных составляющих символами соответствующих элементов, для 1 кг жидкого топлива можно написать, следующее равенство:

С+ Н + 0 = 1 .

Взависимости от количества кислорода, поступающего в ци­ линдр двигателя, сгорание топлива может быть полным или не­ полным. При полном сгорании образуются продукты, состоящие из углекислого газа С02, водяных паров Н20 , избыточного кисло­ рода 0 2 и азота N2, который поступает в цилиндр вместе с воздухом.

Вслучае неполного сгорания из-за недостатка кислорода часть углерода сгорает полностью и образует углекислый газ С02 (С + -}- 0 2 = С02), а часть — неполностью с образованием окиси угле­

рода СО (2С + 0 2 = 2СО). -

При расчете в киломолях (кмоль) 1 количество кислорода, тео­

От где ~ — число киломолеи кислорода, который содержится в топ­

ливе.

1 Расчет в киломолях равносилен расчету в' объемных величинах, но не требует оговорки относительно температуры и давления газа.

13

Ввоздухе по объему содержится 21% кислорода и 79% азота,

ипоэтому количество, воздуха в кмоль, теоретически необходимое для сгорания 1 кг топлива,

Величина L0 (в кмоль/кг) для бензина составляет 0,512, а для дизельного топлива 0,496.

В действительности па каждый килограмм или кубический метр топлива в цилиндр двигателя поступает воздух в количестве, кото­ рое отличается от теоретически необходимого. Отношение действи­ тельного' количества воздуха L к теоретически необходимому L0 на­ зывают коэффициентом избытка воздуха:

Если коэффициент а = 1, то полное сгорание топлива (до ко­ нечных продуктов окисления) возможно только при идеальном смешении топлива с воздухом, когда каждая частица топлива обес­ печена необходимым для ее сгорания количеством кислорода. Поэтому полное сгорание топлива практически возможно только при коэффициенте а > 1.

Для повышения мощности карбюраторных двигателей и дви­ гателей с впрыском топлива и принудительным воспламенением приготовляют смесь с коэффициентом а < 1. При этом часть угле­ рода топлива сгорает с образованием окиси углерода СО, вслед­ ствие чего экономичность двигателя ухудшается.

Значения коэффициента избытка воздуха а для автомобильных двигателей при полной подаче топлива колеблются в пределах 0,85—1,15 для карбюраторных, 1,1—1,3 — для газовых двигате­ лей, 1,3—1,7 — для дизелей (при малых нагрузках коэффициент а равен 4 единицам и более).

§ 2. ГОРЮЧАЯ СМЕСЬ И ПРОДУКТЫ СГОРАНИЯ

Горючая смесь в карбюраторных двигателях состоит из воздуха и испарившегося топлива. Если молекулярную массу топлива обозначить через тТ, то количество киломолей горючей смеси, ко­ торое приходится на 1 кг топлива, можно определить по формуле

Так как молекулярная маЬса автомобильного бензина тТ —

— 110-М20, то в случае проведения ориентировочных расчетов

величиной — можно пренебречь.

14

У газовых двигателей горючая смесь состоит из 1 кмоль газа

У дизелей объем топлива, впрыскиваемого в цилиндр, по срав­ нению с объемом воздуха ничтожно мал (до 0,01% от объема воз­ духа) и поэтому величиной 1/тет можно пренебречь; Следовательно, в этом случае количество киломолей свежего заряда можно опре­ делить по формуле

Общее количество продуктов полного сгорания, как жидкого, так и газообразного топлива можно определить при помощи рас­ смотренных выше выражений.

Состав продуктов сгорания 1 кг жидкого топлива, выраженный в кмоль/кг, определяют по формулам:

MCOi = f2;

М0й —0,21 (a — 1) L0;.

М$г= 0,79аL0.

Общее же количество продуктов полного сгорания жидкого топлива определяют как сумму киломолей отдельных составляю­ щих продуктов сгорания:

M o = М СОа + /1^11=0 + М о , + M n 2

или

М2= р “2—I- 0,21 (а — 1) L0-\-0,19aL0.

После преобразования получим

Масса продуктов сгорания равна сумме масс топлива и воздуха До сгорания, но количество киломолей продуктов сгорания может быть не равно количеству киломолей свежего заряда.

Изменение количества киломолей свежего заряда в результате сгорания определяют как разность:

В результате сгорания жидкого топлива объем продуктов сгорания оказывается больше объема свежего заряда, а после

15

сгорания газообразного топлива объем (количество киломолей) про­ дуктов сгорания может быть меньше, равен или больше объема (количества киломолей) свежего заряда.

Изменение объема (количества киломолей) зависит от природы

иколичества входящих в топливо углеводородов, а также от соот­ ношения между количеством углеводородов и количеством водорода

ио к и с и углерода.

Изменение объема при сгорании характеризует коэффициент молекулярного изменения горючей смеси р0. который представляет собой отношение количества киломолей продуктов сгорания М 2 к количеству киломолей горючей смеси Мх, т. е.

В конце такта сжатия в цилиндре находится рабочая смесь, состоящая из горючей смеси и остаточных газов. Однако коэффи­ циент р0 не учитывает влияния остаточных газов. Поэтому введено понятие о коэффициенте молекулярного изменения рабочей смеси

р, который представляет собой отношение общего количества кило­ молей газов в цилиндре после сгорания (продукты сгорания М 3 п остаточные газы М г от предыдущего цикла) к общему количеству

кпломолеп газов до сгорания (горючая смесь М хи остаточные газы

мгу.

М, + М г

11 ~ Mi + Mr •

Разделим полученное выражение на М и учтя, что

где уг — коэффициент остаточных газов.

Заменив в формуле для коэффициента р отношения количеств газов коэффициентами р„ и уг, получим

Повышение коэффициента р означает увеличение объема газов, образующихся, в результате сгорания, и способствует увеличению полезной работы цикла.

Величина коэффициента р зависит от химического состава топ­ лива, коэффициента остаточных газов у,, и коэффициента избытка воздуха а. Основным фактором, оказывающим влияние иа коэф­ фициенты р0 и р, является коэффициент а, при уменьшении кото­ рого величины р„ и р увеличиваются. Поэтому одной из причин повышения мощности карбюраторного двигателя при работе на обогащенных смесях, т. е. при коэффициенте а <; 1, является уве­ личение значений р0 и р.

16

Ниже приведены значения коэффициента молекулярного нзме нения рабочей смеси р:

§ 3. ТЕПЛОТА СГОРАНИЯ ТОПЛИВА И СМЕСИ

Низшую теплоту сгорания (в кДж/кг) жидких ы твердых топлив определяют по формуле Д. И. Менделеева:

Основным методом определения теплоты сгорания топлива является сжигание его в калориметре.

Мощность двигателей, работающих на различных топливах, зависит от теплоты сгорания смеси топлива и необходимого для сгорания количества воздуха.

Если пренебречь объемом топлива, то теплоту сгорания (в кДж/м?) смеси жидкого топлива с воздухом можно определить по формуле

где L'w— объемное количество воздуха, теоретически необходимое для сгорания 1 кг топлива (м3 воздуха/кг топлива).

Теплоту сгорания смеси газообразного топлива с воздухом определяют по формуле

где LI — объемное количество воздуха, теоретически необходимое для сгорания 1 м3 газообразного топлива (м3 воздух а/м3 газа).

§ 4. ТЕПЛОЕМКОСТЬ ЗАРЯДА И ПРОДУКТОВ СГОРАНИЯ

Для определения температуры сгорания необходимо знать киломольные теплоемкости различных газов, которые, в свою очередь, зависят от температуры.

Различают истинную и среднюю киломольные теплоемкости 1 кмоля газа.

Истинной теплоемкостью называют значение теплоемкости газа в определенный момент при заданной температуре.

Средней теплоемкостью пазывают некоторое среднее значение теплоемкостей^ между двумя заданными чемпёр»^грщ!Гнг-щшчеА1

,17

Г л а в а 111

ДЕЙСТВИТЕЛЬНЫЕ ЦИКЛЫ

ДВИГАТЕЛЕЙ в н у т р е н н е г о с г о р а н и я

Действительные циклы двигателей значительно отличаются от со­ ответствующих рассмотренных выше теоретических циклов. Это объясняется тем, что в реальном двигателе невозможно создать условия, в которых протекает теоретический цикл. Так, например, рассматривая теоретический цикл, считают, что состав и количество

Рис. 5. Иггдпкаторпые диаграммы действительных циклов четырехтактных двигателей:

а — карбюраторного; б — дизеля

идеального газа остаются неизменными, тогда как в действитель­ ности происходит не только изменение количества газов, но и изме­ нение их химического состава. После окончания действительного цикла отработавшие газы не возвращаются к своему первоначаль­ ному состоянию и не остаются в цилипдре, а выпускаются в атмо­ сферу, освобождая объем для свежего заряда. Поэтому действитель­ ный цикл по существу является разомкнутым.

В действительном цикле теплоемкости газов не остаются посто­ янными, так как температура и состав газов значительно изме­ няются. Кроме того, в действительном цикле имеют место тепло­ вые и гидравлические потери.

19