Pocazsjat

Исследование процесса сжатия

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА СЖАТИЯ

Цель работы - по результатам индицирования рабочего процесса

дизеля определить средний показатель политропы сжатия. Необходимые теоретические сведения Действительный процесс сжатия в цилиндрах двигателя протекает в

условиях знакопеременного теплообмена и при наличии утечек рабочего тела. Поэтому, со строгих позиций термодинамики, этот процесс нельзя считать политропным. Однако, при приближенных расчетах, принято считать действительный процесс политропным, а значит, изменение параметров рабочего тела (давления p и температуры T) в этом процессе подчиняется уравнениям:

const=npV , const1 =−nTV , (1)

где V- объем цилиндра, n – показатель политропного процесса или просто показатель политропы.

Именно простотой расчета по (1) и обусловлен такой подход. Конечно, простота достигается при условии, что n известно и постоянно, т.е. n=const. Тогда давление pc и температуру Тc в конце сжатия можно найти как

na

n

c

aac p

VVpp ε=

= , 1−= n

ac TT ε , (1’)

где Va, pa , Ta – соответственно объём, давление и температура в начале сжатия, ε – степень сжатия - отношение полного объёма Va к объёму камеры сгорания Vc.

В любой промежуточной (j-ой) точке процесса сжатия давление pj и температура Tj рассчитываются соответственно:

n

j

aaj V

Vpp

= ,

1−

=

n

j

aaj V

VTT , (1”)

В чем же приближенность этого подхода? Вспомним, что величина показателя политропы сжатия определяет направление и интенсивность теплообмена в рассматриваемом термодинамическом процессе (рис.1). Во всех процессах сжатия справедливо следующее: если показатель политропы больше показателя адиабаты k, то рабочее тело в процессе сжатия получает теплоту и чем больше разница (n–k), тем интенсивнее

Коньков А.Ю. Лабораторный практикум по ЛЭУ

протекает этот теплообмен; при n<k – напротив, рабочее тело отдаёт теплоту в окружающую среду. Для сжатия воздуха в цилиндре дизеля учтём, что в начале этого процесса (сразу после закрытия газораспределительных органов) воздух холоднее стенок цилиндра, т.е. он будет нагреваться от них (n>k). В какой-то момент времени из-за повышения внутренней энергии воздуха при сжатии его температура сравняется с температурой стенок (n=k), а затем окажется большей, и воздух станет отдавать теплоту к стенкам (n<k). Т.е. при более строгом подходе к расчету (1) n следует считать переменной в процессе сжатия n=var.

Кроме того, уравнения (1) записаны для неизменного количества газа в процессе сжатия. В действительности, уплотнение цилиндра с помощью компрессионных колец не работает идеально – газ в процессе сжатия частично вытекает в картер и тем больше расход этих утечек, чем выше давление в рабочей камере. Учесть это в расчетах по (1) не представляется возможным.

Рис. 1. Область возможных политропных процессов сжатия: 1-2p – изобара; 1-2q – адиабата; 1-2v – изохора

Таким образом, при расчетах по (1) с допущением постоянства n

принципиально важным становится выбор среднего значения этого показателя n1. Правило здесь такое: среднее значение показателя политропы n1 надо выбрать так, чтобы расчет работы, выполненной над газами в действительном процессе сжатия, совпал с расчетом работы по политропному процессу. Графически (рис.2) это означает, что площадь в координатах pV, располагающаяся под линией действительного процесса и под линией процесса, рассчитанного по уравнениям (1) должны совпадать.

Из рисунка видно, что давления в конце сжатия при таком подходе в действительном и расчетном процессах не совпадают.

p

V

2v

2p

2q

1-dq

+dq

n=k


Рис. 2. Сопоставление действительного процесса сжатия (а-сд) в поршневом ДВС с расчетным политропным процессом (а-сn) при среднем постоянном значении n1

Как следует из вышесказанного, величина среднего показателя политропы процесса сжатия должна определяться особенностями протекания теплообмена между рабочим телом и стенками рабочей камеры в этом процессе. На это в свою очередь оказывают влияние степень сжатия, конструктивные особенности цилиндропоршневой группы двигателя, системы охлаждения, степень форсирования двигателя, скоростной и нагрузочный режим его работы. При упрощенном расчете рабочего процесса номинального режима работы двигателя показатель политропы сжатия выбирается в соответствие с данными таблицы 1.

Табл. 1 Показатели процесса сжатия различных поршневых ДВС

Показатель Дизель без

наддува Дизель с

наддувом Бензиновый

двигатель Степень сжатия, ε

Средний показатель политропы сжатия n1

Давление в конце сжатия pc, МПа

Температура в конце сжатия Тc, К

15…23

1,35…1,38

2,9…6,0

700…900

12…15

1,32…1,37

до 800

до 1000

6,5…12

1,35…1,38

1,2…2,2

600…900

Анализ действительного процесса сжатия будем выполнять по

индикаторной диаграмме. Индикаторная диаграмма показывает, как изменяется давление в цилиндре двигателя за цикл. В качестве параметра фазы цикла может быть выбран объём цилиндра V (рис.3а) или угол поворота коленчатого вала ϕ (рис. 3б). Такие индикаторные диаграммы называют, соответственно, свёрнутой индикаторной диаграммой и развернутой индикаторной диаграммой.

а

сдсnсn сд

а а

заштрихованныеплощади равны!

p

VVaVc


Рис.3 Индикаторные диаграммы дизеля 4Ч9/12,5: свёрнутая (а) и развернутая (б)

Современные устройства для экспериментального определения индикаторной диаграммы (индикаторы) измеряют давление в функции угла поворота коленчатого вала. Поэтому при анализе процессов нам предстоит пересчитать развернутую индикаторную диаграмму в свернутую. Иначе говоря, каждому значению угла поворота коленчатого вала ϕ предстоит рассчитать соответствующий ему объём рабочей камеры V. Для этого будем использовать следующие тригонометрические уравнения:

ch VfVV +⋅= )(

2ϕ , (2)

где Vc – объём камеры сгорания; f(ϕ) – вспомогательная функция угла поворота вала вида

)cos(1)cos(11)( βλ

ϕλ

ϕ −−+=f , (3)

где λ=r/l – постоянная КШМ (отношение радиуса кривошипа к длине шатуна); β – угол наклона шатуна .

( )[ ]ϕλβ sinarcsin ⋅= . (4)

Объем камеры сгорания Vc (если не задан явно), рассчитывается на основании степени сжатия ε. Учитывая, что полный объем Va равен сумме объёмов камеры сгорания Vc и рабочего Vh, имеем

1−=

εh

cVV . (5)

В свою очередь рабочий объём можно найти как объём цилиндра, который описывает поршень с диаметром D за один полный ход S.

0 0,2 0,4 0,6 0,80

2

4

6

p, МПа

1

3

7

5

V, л 0 120 240 360 480 6000

2

4

6

p, МПа

1

3

7

5

j, град

а) б)


SDVh 4

2π= . (6)

Если размеры D и S подставлять в дециметрах, то результат вычисления объёма по уравнению (6) будет в литрах.

Современные электронные индикаторы позволяют получать зависимость давления в цилиндре от угла поворота коленчатого вала с достаточно большим разрешением (∆ϕ не более 1 град). Это делает возможным для расчета индикаторной работы воспользоваться известным в термодинамике аналитическим выражением

,2

1

2

1

сж ∫∫ ==V

V

L

L

pdVdLL (7)

которое будем интегрировать численно, находя приращение работы на каждом (j-м) шаге интегрирования по формуле трапеций

( )11

2 −− −

+=∆= jj

jjjj VV

ppLdL . (8)

Индексы при давлениях и объёмах поясняются на рис. 4. Если давление подставлять в МПа, а объем в л, то результат вычисления приращения работы по (8) будет в кДж.

Рис. 4. К расчёту работы сжатия

Важным является правильный выбор начала и конца анализируемого участка индикаторной диаграмме. За начальную точку (т. 1) принимается точка, соответствующая закрытию органов газораспределения (впускного клапана в 4-тактном ДВС), а конечная точка – т. k должна предшествовать началу видимого сгорания – отрыву кривой давления от воображаемой линии процесса сжатия – расширения. Как правило, эта точка

p

ϕ

ВМТ

ϕkϕ1

1

k

∆ϕ

pj, Vj

pj-1, Vj-1

"чистое" сжатие


располагается за несколько градусов до ВМТ (см. рис. 4). С учетом введенных обозначений работа в процессе сжатия найдется как

∑=

∆=k

jjLL

1сж . (9)

Измерение индикаторной диаграммы В лабораторной установке используется электронный индикатор,

входящий в состав диагностического комплекса «Магистраль» производства «Техтранс-Д» (С-Петербург). Величина давления при работе комплекса непрерывно преобразуется в электрический сигнал в тензоэлектрических датчиках ДД (рис. 5), которые сообщены индикаторным каналом с камерами сгорания двигателя. Усилитель датчика имеет температурный компенсатор, что позволяет с высокой точностью определять давление на разных режимах работы двигателя. Привязка данных к углу поворота коленчатого вала осуществляется с помощью индуктивного датчика ИД, реагирующего на зубья шестерни стартера двигателя. Вращение вала от зуба к зубу считается равномерным и программно делится на 4 периода. В зависимости от числа зубьев шестерни достигается та или иная дискретизация измерений по углу поворота вала. Так, например, при 129 зубьях шестерни (как в лабораторной установке) измерение давления происходит с шагом = 360/(129*4)≈0,698 град.

Рис. 5. Структурная схема аппаратурной части комплекса «Магистраль»: ДД1 … ДД16 датчики давления; ДВ1 … ДВ16 – датчики вибрации; ДТ – датчик тока; ДН – датчик напряжения; ИД – индуктивный датчик, ЛСБИ – локальная станция быстротекущих

измерений; МОМ – модуль определения мощности; БСУ – блок согласования и управления; ПК – персональный компьютер

ЛСБИ БСУ ПКRS232

МОМ

RS485

ДД1

ДД16

ДВ1

ДВ16

ИД

ДТ

ДН


Представленная схема рассчитана на использование комплекса на 16-цилиндровом тепловозном дизеле и, поэтому, предполагает использование 16-и датчиков давления. Для целей настоящей работы достаточным является результат индицирования рабочего процесса в одном цилиндре.

Объект исследования и оборудование Объектом лабораторного исследования является процесс сжатия в

дизеле 4Ч9/12,5 на номинальном режиме его работы. При выполнении лабораторной работы используется следующее

оборудование: - лабораторный стенд на базе вспомогательного дизель-генератора

рефрижераторного подвижного состава; - электронный индикатор в составе аппаратурной части

диагностического комплекса «Магистраль»; - персональный компьютер со специальным программным

обеспечением. Дизель-генератор (рис.6) и комплекс «Магистраль» (рис.7)

расположены в лаборатории «Тепловые двигатели» кафедры «ТТД» ДВГУПС.

Рис. 6. Дизель-генератор 4Ч9/12,5 с оснащением для индицирования: ДУП – датчик угла поворота; ДД – датчик давления

ДД

ДУП


Рис. 7. Диагностический комплекс «Магистраль»: БПС –блок питания и сопряжения с компьютером; ЛСБИ – локальная станция

быстротекущих измерений

Ниже приводятся основные характеристики дизеля 4NVD-12,5 (заводское обозначение):

- обозначение по ГОСТ - 4Ч9/12,5; - номинальная мощность – 20,2 кВт; - номинальная частота вращения коленчатого вала – 1500 мин-1; - степень сжатия – 18; - камера сгорания – вихревая; - охлаждение – воздушное, вентилятором с ременным приводом от

коленчатого вала; - постоянная кривошипно-шатунного механизма λ=1/4,5. Для создания нагрузки дизелю используется штатный 3-фазный

генератор установки. Ток каждой фазы выпрямляется с помощью диодного моста VD (рис. 8), после чего подаётся на водяной реостат, где все 100% электрической энергии генератора преобразуются в тепловую (нагрев воды и, в конечном итоге, окружающей среды). Датчик давления ДД установлен в вихревой камере двигателя через отверстие, предназначенное для свечи накаливания системы облегчения пуска двигателя. Магнитный датчик угла поворота коленчатого вала ДУП закреплен вблизи зубчатого венца, закрепленного на валу двигателя. Остальные датчики комплекса «Магистраль» в настоящей работе не используются. Синхронизация сигнала давления с углом поворота


коленчатого вала осуществляется автоматически программным оснащением комплекса.

Рис.8. Схема установки: ДД – датчик давления в камере сгорания; ДУП – датчик угла поворота коленчатого вала; ЛСБИ – локальная станция быстротекущих измерений; БПС – блок питания и

сопряжения; ПК – персональный компьютер

Содержание отчета и порядок выполнения работы Отчет должен содержать: цель работы; сведения об объекте

исследования и измерительном оборудовании; схему установки с краткими пояснениями; расчетные формулы; алгоритм вычислений среднего показателя политропы сжатия; участок индикаторной диаграммы, соответствующий процессу сжатия в координатах pV с двумя линиями – действительного процесса и расчетного политропного процесса.

Рекомендуемый порядок расчетного анализа: - расчет постоянных (не зависящих от угла поворота величин) Vh (6),

Vc (5); - расчет изменяющегося в цикле приращения индикаторной

работы ∆Lj. Расчет следует выполнять в программе MS-Excel, располагая результаты расчета в колонках рабочего листа в следующем порядке (табл. 2). Нужные в расчетах функции Excel приведены в приложении А. При использовании тригонометрических функций следует учесть, что

БПС

ДУП

ДД

ЛСБИ

к ПК (RS-232)

4Ч9/12,5

VD

DGBC30-4/3ηг = 0,8

ТНВД

к нагрузке(реостат)


аргументом этих функций в Excel в большинстве случаев является угол в радианах.

Табл.2

Рекомендуемая форма расчёта

ϕ, град

p, МПа

ϕ, рад

β, рад

f(ϕ) V, л ∆Li , кДж

Lсж , кДж

pр, МПа

∆L’i , кДж

L’сж , кДж

Данные измерений

Расчет по приведенным выше уравнениям: (4), (3), (2), (8)

Сум

ма

знач

ений

ст

олбц

а ∆

L i

Расч

ет п

о ур

авне

нию

(1

”)

Расч

ет п

о ур

авне

нию

(8

)

Сум

ма

знач

ений

ст

олбц

а ∆

L’i

- расчёт давления в начале сжатия pa как среднее арифметическое

значение по отсчетам давления индикаторной диаграммы на участке -180о … ϕ1;

- предварительный выбор значения среднего показателя политропы сжатия;

- расчет давления pр в политропном процессе (1”); - вычисление приращения работы ∆L’j на участке «чистого» сжатия по

расчетным давлениям pр (8); - расчет работы сжатия в политропном процессе (аналогично и в том

же интервале, как ∆Lj); - сопоставление результатов расчета работы сжатия действительного и

расчетного (политропного) процессов. Если расхождение более 1%, то изменить значение n1 и повторить вычисления.

Изложенный выше алгоритм определения представлен блок-схемой (рис. 9).

После определения величины n1 необходимо построить графики действительного и расчетного процессов сжатия, совместив их в общих координатах pV (рис. 10).

В заключении студент подводит краткий итог выполненной работы.


Рис. 9. Блок-схема определения среднего показателя политропы сжатия

Рис. 10. Графики расчетного и действительного процессов сжатия двигателя 4Ч9/12,5

Выделить на индикаторной диаграмме участок "чистого"

сжатия ϕ1 - ϕk

Рассчитать работу сжатия действительного процесса Lсж

на участке ϕ1 - ϕk

Задать значение n1

Рассчитать давление по уравнению политропного процесса на участке ϕ1 - ϕk

Рассчитать работу сжатия политропного процесса L'сж на

участке ϕ1 - ϕk

Lсж =L'сж ?

Найдено n1

Измениь n1

1

2

3

5

4

6

8

7

нет

да

0

1

2

3

4

5

6

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8

p,МПа

V, л

данные измерений

расчет при n=1,33


Дополнительная литература По вопросам термодинамики процесса сжатия в тепловозном

дизеле: 1. Володин, А.И. Локомотивные энергетические установки [Текст]:

учеб. для вузов ж.-д. транспорта / А.И. Володин, В.З. Зюбанов, В.Д. Кузьмич и др.; под ред. А.И. Володина. – М.: ИПК «Желдориздат», 2002. – 718 с.

Уточненный расчет процесса сжатия: 2. Симсон, А.Э. Двигатели внутреннего сгорания (тепловозные дизели и

газотурбинные установки) [Текст]: учеб. для вузов / А.Э. Симсон, А.З. Хомич, А.А. Куриц и др. – М.: Транспорт, 1987. – 536 с.

Определение индикаторной диаграммы в условиях эксплуатации: 3. Коньков, А.Ю. Средства и метод диагностирования дизелей по

индикаторной диаграмме рабочего процесса: моногр. [Текст]/ А.Ю. Коньков, В.А. Лашко. – Хабаровск: Изд-во ДВГУПС, 2007. – 147 с.


Приложение А (информационное)

Функции Excel, рекомендуемые для использования в расчетах ПИ() – возвращает число π, т.е. 3,141592654… с максимальной для

компьютера разрядностью; РАДИАНЫ(угол) – переводит угол, заданный в градусах в радианы; ASIN(число) – возвращает арксинус указанного числа. Число должно

быть в пределах от -1 до 1; COS(угол) – вычисляет косинус заданного угла. Угол указывается в

радианах; SIN(угол) – вычисляет синус заданного угла. Угол указывается в

радианах; CУММ(ячейка1: ячейка2) – подсчитывает сумму значений ячеек

таблицы указанного диапазона. Более подробную информацию об использовании функции смотрите в

справке к программе “MS Excel”.

Documents

Pocazsjat