0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Давление и температура газов в двигателе

Давление и температура газов в двигателе

2. ПОТЕРИ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ ГАЗОВ
Теперь рассмотрим потери второго вида энергии, используемой в двигателе — тепловой энергии газов.
Начнем с потерь, вызванных окислением и горением топлива в фазе СЖАТИЕ
Как уже упоминалось, модель идеального двигателя может быть представлена в виде поршня с пружиной. В фазе СЖАТИЕ (это фаза потерь) поршень принудительно сжимает относительно слабую пружину. Ее сила противодействия определяется механическим сжатием газа, т.е. растет пропорционально текущей степени сжатия.
При достижении поршнем ВМТ начинается фаза РАСШИРЕНИЕ.
Но, во-первых, «поведение» воздушно-топливной смеси при сжатии отличается от “поведения” инертного газа. При сжатии воздушно-топливной смеси по сравнению с чистым воздухом давление и температура заметно повышаются. Это объясняется тем, что при нагреве воздушно-топливной смеси до нескольких сотен градусов начинается «холодная» (без горения) реакция окисления топлива, которая сопровождается выделением тепловой энергии. Таким образом, топливо в фазе СЖАТИЕ теряет свою калорийность. Этому способствует наличие в двигателе раскаленных поверхностей (свеча зажигания, выпускной клапан). Счастье, что эти потери не превышают нескольких процентов.
Во-вторых, горение воздушно-топливной смеси не происходит мгновенно (опять же к счастью), а требует значительного времени. Финиш горения достаточно строго задан — это примерно 15° после ВМТ. Поэтому старт горения (зажигание) определяется частотой вращения коленвала двигателя. Чем выше частота вращения коленвала, тем больше угол опережения зажигания. Это означает, что тепловая энергия газов все больше выделяется в фазе СЖАТИЕ и все сильнее убывает в фазе РАСШИРЕНИЕ. То есть сила пружины, которая противодействует поршню, становится все больше, а сила пружины, которая совершает полезную работу, становится все меньше. Таким образом, потери нарастают с двойной скоростью. Наступает момент, когда двигатель «визжит» на высоких оборотах, а крутящего момента нет. Тепловая энергия газов никуда не исчезла, ее вдоволь, но она выделилась слишком рано. «Дорога ложка к обеду». Первопричиной этих огромных потерь является неоправданно долгое горение воздушно-топливной смеси, а понятие «потери» носит условный характер.
Потери из-за декомпрессии физически абсолютно прозрачны. Как народная мудрость не рекомендует воду в решете носить, так не рекомендуется эксплуатировать двигатель с низкой компрессией. Декомпрессия может иметь несколько причин: износ поршневой группы, особенно колец; плохое прилегание клапанов к гнездам; дефекты свечи зажигания, резьбового соединения и др.
В результате из-за неплотностей в камере сгорания и цилиндре происходит стравливание газа высокого давления, т. е. возникают прямые потери тепловой энергии вместе с самим газом. Кроме этого, могут быть и другие негативные последствия, например, экологические.
Однако в отличие от потерь тепловой энергии потери из-за декомпрессии растут с уменьшением частоты вращения коленвала двигателя. Это объясняется прямой зависимостью потерь от времени воздействия разности давлений (закон Ома в пневматехнике).
Природа потерь в стенки камеры сгорания и цилиндра также очевидна. Горение происходит циклично, максимальная температура достигает 2500 °С, а температура стенок двигателя примерно 95 °С. Чем больше разность температур, тем больше потери тепла (закон Ома в теплотехнике). Поэтому самые большие потери там, где самая высокая температура. В соответствии с Махе-эффектом это область начала горения, где располагаются свеча зажигания и начальная часть спиральной траектории горения.
Следует отметить, что расчет тепловых потерь в стенки двигателя весьма затруднен. Объясняется это сложной формой и динамичностью объемного градиента температур, влиянием эффекта «газовой рубашки» (см. «Двигатель» № 4 — 2003), турбулентностью, различной температурой внутренней поверхности стенок камеры сгорания, различной теплопроводностью отдельных фрагментов камеры сгорания и т.д.
Используя эмпирические данные, можно оценить потери тепловой энергии газов в стенки двигателя значением порядка 20 %.
Наконец, мы подошли к самым известным и, по мнению специалистов, самым большим потерям тепловой энергии в выхлопную трубу. Минимальная величина потерь соответствует холостому ходу. Максимальные потери характерны для режима максимальной нагрузки и частоты вращения вала.
В случае с газовым топливом потери еще больше, так как выше температура выхлопных газов. Напомним, что паровоз работал при температуре пара 150 °С.
Чем объясняется высокая температура выхлопных газов в двигателях, работающих на легком топливе? Дело в том, что в камере сгорания топливо сгорает не полностью, а только на 70…80 %. Далее, когда поршень движется вниз, продолжается его догорание. Это позволяет двигателю поддерживать высокое давление в цилиндре, а следовательно, и температуру выхлопных газов. С повышением частоты вращения вала время на догорание сокращается, а температура выхлопных газов повышается. Наступает момент, когда топливо догорает уже в выхлопной трубе. Например, на спортивных машинах выхлопные трубы, находящиеся непосредственно у двигателя, раскаляются докрасна («полный гудок»).
С газовым топливом проблем еще больше. Октановое число газа выше, чем у бензина, поэтому загорается оно хуже, горит медленнее, догорает позднее.

Классификация и циклы двигателей

На современных автомобилях устанавливают поршневые двигатели внутреннего сгорания, в которых топливо сжигается внутри рабочего цилиндра. По способу смесеобразования и воспламенения топлива поршневые двигатели внутреннего сгорания разделяются на две группы:

  1. с внешним смесеобразованием и принудительным зажиганием от электрической искры (карбюраторные и газовые);
  2. с внутренним смесеобразованием и воспламенением от соприкосновения с воздухом, сильно нагретым в цилиндре путем высокого сжатия (двигатели с воспламенением от сжатия или дизельные).

Рис. 1. Индикаторная диаграмма четырехтактного карбюраторного двигателя: 1 — начало такта сжатия; 2 — момент зажигания смеси; 3 — конец такта сжатия; 4 — точка максимального давления газов; 5 — начало открытия выпускного клапана; 6 — конец расширения газов; 7 — конец такта выпуска; Va — полный объем цилиндра; Vh — рабочий объем цилиндра; Vc — объем камеры сгорания; S — ход поршня

Читать еще:  Двигатель j20a стук на холодном двигателе

Рабочим циклом называется ряд последовательных процессов, периодически повторяющихся в каждом цилиндре двигателя во время его работы. Изображение рабочего цикла в виде замкнутой кривой, показывающей изменение давления газов в течение цикла в зависимости от положения поршня в цилиндре, называется индикаторной диаграммой. Такую диаграмму снимают во время работы двигателя, используя прибор, называемый индикатором.

На индикаторной диаграмме четырехтактного карбюраторного двигателя (рис. 1) по горизонтальной оси отложен объем цилиндра V в кубических сантиметрах (или ход поршня S в миллиметрах), а по вертикальной оси — давление газов в цилиндре p в килограммах на квадратный сантиметр. Изменение давления газов в цилиндре при разных тактах цикла можно проследить по положению основных точек индикаторной диаграммы.

При такте впуска (линия 7—1) цилиндр наполняется горючей смесью. Чем лучше наполнение цилиндра, тем выше мощность двигателя.

Давление в цилиндре при впуске ниже атмосферного (0,7—0,9 кг/см2) вследствие сопротивления воздушного фильтра, карбюратора, впускного трубопровода и клапанов. Температура смеси в конце впуска 75—125° C.

Такт сжатия (линия 1—2—3). При сжатии рабочей смеси 1 температура и давление в цилиндре повышаются. Давление в конце такта сжатия (точка 3) тем больше, чем выше степень сжатия. При степени сжатия в карбюраторных автомобильных двигателях, равной 6—9, давление в конце такта сжатия равно 7—12 кг/см2, а температура газов — 350—400° C.

Линия 3—4—5—6 на индикаторной диаграмме соответствует такту сгорания — расширения.

Чем выше скорость горения (в допустимых пределах), тем больше мощность двигателя. Скорость горения зависит от качества топлива, состава и степени завихрения рабочей смеси и ее температуры, степени сжатия, опережения зажигания и количества остаточных газов, оставшихся в цилиндре от предыдущего цикла.

В конце сгорания (точка 4) давление газов повышается до 30—40 кг/см2, а температура — до 2200—2500° C.

Расширение начинается после достижения газами максимального давления (точка 4): газы при этом оказывают давление на поршень и совершают полезную работу. К концу расширения (точка 6) давление газов в цилиндре уменьшается до 3—5 кг/см2, температура снижается до 1000—1200° C.

Линия 6—7 соответствует такту выпуска. Для лучшей очистки цилиндра выпускной клапан открывается до н.м.т. (точка 5). Процесс выпуска протекает при давлении выше атмосферного, которое к концу такта снижается до 1,1—1,2 кг/см2, температура к этому моменту уменьшается до 700—800° C.

Рис. 2. Индикаторная диаграмма четырехтактного дизельного двигателя ЯМЗ-236, ЯМЗ-238, ЯМЗ-240

В четырехтактном дизельном двигателе (рис.2) при такте впуска (линия 7—1) в цилиндр поступает воздух. В связи с меньшим сопротивлением впускной системы (отсутствие карбюраторов) давление при впуске несколько выше (0,85—0,95 кг/см2), чем в карбюраторном двигателе, а температура ниже (40—60° C).

Такт сжатия (линия 1—2—3). Так как степень сжатия в дизельном двигателе составляет 16,5, давление в конце сжатия (точка 3) повышается до 38—43 кг/см2, а температура воздуха — до 620—680° C.

Такт сгорания — расширения (линия 3—4—5—6). Форсунка начинает впрыскивать топливо до в.м.т. (точка 2), поэтому большая часть топлива сгорает до прихода поршня в в.м.т. Угол опережения впрыска имеет наибольшее значение (31—32°) при максимальном числе оборотов коленчатого вала.

Давление газов в конце сгорания (точка 4) достигает 73—79 кг/см2, температура 1700—1800° C. Давление к концу расширения (точка 6) снижается до 3—4 кг/см2, а температура — до 600—650° C.

Так как воздух в дизельном двигателе предварительно не подогревается и часть тепла топлива расходуется на подогрев подаваемого в цилиндр избыточного воздуха, то температура при сгорании — расширении в дизельном двигателе ниже, чем в карбюраторном.

Такт выпуска (линия 6—7). Выпускной клапан открывается за 56° до н.м.т. (точка 5). После н.м.т. (точка 6) давление газов быстро снижается до 1,1—1,2 кг/см2 и до конца выпуска (точка 7) остается постоянным.

1 Рабочей смесью называют смесь, образующуюся в цилиндре двигателя при смешивании поступающей в него при такте впуска горючей смеси с остаточными газами (сгоревшими газами, оставшимися от предыдущего цикла).

Статья из книги «Устройство грузового автомобиля». Читайте также другие статьи из

Давление и температура газов в двигателе

Процесс расширения (линия z—b, см. рис. 79 ). Он осуществляется при движении поршня от ВМТ к НМТ, и начинается он в момент конца подачи топлива (конец видимого процесса сгорания, точка z). Заканчивается процесс расширения (точка b), как это принимают в идеальных и расчетных циклах, в момент достижения поршнем НМТ. В действительности в рабочих циклах процесс расширения заканчивается в момент открытия выпускного органа, т. е. раньше НМТ.

Вначале процесс расширения, по причине догорания топлива, проис­ходит с подводом и с отводом тепла. Вследствие значительного догорания топлива в начальной стадии процесса расширения подвод тепла превалирует над отводом в стенки цилиндра, а потому на этом участке процесс расшире­ния приближается к изотермическому расширению. Температура газов на участке процесса сгорания снижается незначительно. В дальнейшем, по мере уменьшения догорания топлива, наступает момент, когда количество тепла, выделяемого догораемым топливом, будет равно количеству тепла, отдаваемому стенкам цилиндра, т. е. когда точка процесса расширения будет совпадать с адиабатным процессом. Вслед за этим, а особенно когда догорание топлива закончится, процесс расширения будет проте­кать с интенсивным отводом тепла в стенки цилиндра, а потому со зна­чительным понижением температуры и давления газов.

Читать еще:  Электрическая схема маз с двигателем рено

Таким образом, процесс расширения в течение всего времени протекает с переменным теплообменом, что в значительной степени усложняет опре­деление баланса тепла за этот процесс. Для определения параметров газа в конце процесса расширения принимают процесс расширения, так же как и процесс сжатия, политропным процессом с постоянным значением показа­теля п 2 , равным среднему значению. При такой замене действительного процесса расширения определение давления и температуры газов в конце расширения р b и Т b значительно упрощается, а точность зависит от того, насколько правильно и обоснованно определено значение п 2 .

Среднее значение показателя политропы расширения п 2 главным обра­зом зависит от того, какое количество топлива догорает на линии расши­рения. Количественная оценка догорания топлива в процессе расширения производится величиной коэффициента использования тепла в момент конца видимого процесса сгорания (точка z) ? z . Величина этого коэффициента предопределяет и значение показателя п 2 . Чем меньше коэффициент использования тепла ? z , тем больше догорание топлива в процессе расши­рения и тем меньше среднее значение показателя политропы расширения п 2 .

Наряду с этим на величину п 2 влияют значение числа оборотов, вели­чина относительной поверхности цилиндра и состояние изношенности дета­лей цилиндро-поршневой группы. С увеличением числа оборотов вала двига­теля, как это было показано ранее, коэффициент ? z уменьшается, а потому будет уменьшаться и п 2 .

С увеличением относительной поверхности цилиндра, а также изно­шенности деталей цилиндро-поршневой группы теплоотвод от газов в про­цессе расширения возрастает и п 2 возрастает.

Ниже приведены значения п 2 для различных типов двигателей:

Таким образом, рассматривая процесс расширения как политропный с постоянным показателем п 2 и принимая, что в процессе расширения не происходит изменения числа молей газовой смеси, (т. е. ? 2 = ?), давление и температура в конце расширения определяются следующим образом: для цикла смешанного подвода тепла

Давление и температура в конце расширения для цикла с изохорным подводом тепла:

Полученные выражения показывают, что с увеличением степени сжатия и показателя политропы расширения п 2 , а также с уменьшением степени предварительного расширения давление и температура газов в конце расши­рения уменьшаются. А так как значения ?; п 2 и ? главным образом опре­деляются быстроходностью двигателя, то давление ? b и температура Т b также зависят от этого и примерно составляют:

Высокие давление и температура газов в конце расширения позволяют эффективно использовать энергию отработавших газов в газовыпускной турбине и тем самым повысить теплоиспользование в двигателе. Однако при значительном повышении температуры происходит обгорание выпускных клапанов и донышка поршня, а также пригорание поршневых колец двига­теля.

Поднатужился и смог. Илон Маск заявил о том, что побил рекорд российского ракетного двигателя РД-180

Об успешных испытаниях, в ходе которых давление в камере сгорания достигло почти 269 атмосфер, сообщил основатель и владелец SpaceX Илон Маск. На выложенном им графике проведена линия на уровне 267 атмосфер: она, по заявлению Маска, соответствует рабочему давлению в камере сгорания РД-180. И хотя НПО «Энергомаш» у себя на сайте указывает иное значение (261 атмосферу), принципиально картину это не меняет — у российского двигателя, который сам Маск называет «превосходным», похоже, скоро появится серьезный конкурент.

Raptor reached 268.9 bar today, exceeding prior record held by the awesome Russian RD-180. Great work by @SpaceX engine/test team! pic.twitter.com/yPrvO0JhyY

Raptor reached 268.9 bar today, exceeding prior record held by the awesome Russian RD-180. Great work by @SpaceX engine/test team! pic.twitter.com/yPrvO0JhyY

Давление в камере сгорания — это не единственный, но довольно важный показатель эффективности двигателя. «Чердак» предлагает разобраться, к чему стремятся конструкторы ракетных двигателей.

Зачем повышают давление?

Принцип работы ракетного двигателя сравнительно прост: некая горючая смесь при сгорании дает много раскаленных газов, которые вырываются из камеры сгорания в нужном направлении. При этом чем больше в камере давление, тем выше скорость струи газов, а это напрямую задает тягу. Здесь в дело вступает закон сохранения импульса, и ракета получает такой же импульс, какой имеют выброшенные продукты сгорания. Импульс ракеты равен массе газов, помноженной на скорость струи, поэтому в идеале нужно одновременно сжигать как можно больше и выбрасывать продукты сгорания с максимально возможной скоростью — тяга в этом случае окажется максимальной.

Недостаток давления и меньшую скорость истечения газов можно компенсировать повышением расхода топлива и окислителя, но тогда их надо будет брать изначально с большим запасом. А больший запас означает большую стартовую массу, которая, в свою очередь, требует еще большей тяги — получается замкнутый круг, разорвать который иногда просто невозможно. В космос невозможно улететь с двигателями, которые дают слишком малую скорость истечения, да и используемые сейчас не слишком эффективны в силу фундаментальных причин: при сгорании практически чего угодно получить струю со скоростью свыше 3,5 км/с не дают законы физики. Энергия на разгон ракетной струи берется из энергии химических связей в молекулах топлива и окислителя, а ее не может быть больше определенного порога просто в силу того, что так устроены атомы.

Вывод тонны груза на орбиту обходится в десятки тонн сожженного керосина с жидким кислородом, то есть в миллионы рублей, еще до учета себестоимости одноразовой ракеты, стоимости работ на космодроме и многого другого.

Читать еще:  Большие обороты на прогретом двигателе 1nz

Высокое давление в камере сгорания РД-180 стало одной из причин, по которой эти двигатели оказались одними из лучших в истории. В 1990-е годы НПО «Энергомаш» выиграло конкурс на поставку двигателей для американских ракет Atlas, и с тех пор в США поставлено более 80 серийных образцов, использованных для 69 запусков без единой аварии ракеты-носителя. РД-180 разработали специально под американский проект ракеты Atlas, взяв за основу РД-170, который, в свою очередь, делали под так и не реализованный в полной мере проект ракеты-носителя «Энергия». «Энергия» совершила всего два запуска, а еще более мощная ее модификация, «Вулкан», вкупе с уменьшенной «Энергией-М» вовсе остались на бумаге.

Успех российской разработки после 2014 года повлек волну предложений о запрете экспорта РД-180 в США. Причем с двух сторон: российские политики хотели оставить американцев без хороших двигателей, а тот же Илон Маск желал избавится от конкурентов. В итоге новые контракты не заключают, но поставки по старым еще продолжаются.

Почему это сложно?

Простая идея повысить рабочее давление, чтобы получить струю помощнее, сталкивается со сложностями реализации. Чтобы увеличить давление, надо повышать и температуру в камере сгорания, а это автоматически влечет за собой потребность в особо прочных материалах. Даже если не брать РД-180, а рассмотреть старенький РД-107 (сделанный для самой первой межконтинентальной ракеты еще в 1950-х), давление в его камере сгорания достигнет шестидесяти атмосфер (то есть как под грузом в шестьсот тонн на квадратный метр) при температуре внутри в 3250 ℃. Стенки камер сгорания в ракетных двигателях делают из жаропрочной стали, но этого недостаточно — камеру сгорания и сопло дополнительно охлаждают циркулирующим за стенками топливом, а конфигурацию пламени внутри специально рассчитывают так, чтобы оно не касалось поверхности. В том же РД-107 стенки грелись «всего» до 380 ℃, поэтому металл сохранял свою прочность и мог противостоять давлению изнутри.

Сделать прочную камеру сгорания еще полдела. Чтобы в эту камеру поступало горючее и окислитель, их надо подавать под тем же давлением. Для этого требуются, во-первых, специальные насосы, во-вторых, турбина, которая эти насосы раскручивает, и ее лопатки уже должны работать непосредственно в пламени с очень высокой температурой. Разрушение турбонасосного агрегата привело к гибели не одного десятка ракет в истории, этот узел до сих пор относится к числу тех изделий, которые в состоянии изготовить лишь немногие предприятия мира. Ракетная отрасль консервативна: модификация упомянутого выше РД-107 используется в боковых ступенях «Союзов-2» до сих пор. Ничего радикально лучше и надежнее создано не было.

Не давлением единым

Давление — важная, но не единственная характеристика двигателя. Самая тяжелая ракета из когда-либо успешно летавших, Saturn V, имела двигатели F1 с давлением всего 70 атмосфер. Merlin, стоящие в Falcon 9, не дотягивают до сотни, а российские «Союзы» довольствуются снова 70 — и дело не в готовности оператора тратить лишнее топливо с окислителем. Напротив, Falcon 9 оказалась одной из самых дешевых ракет на сегодняшнем рынке, и ключевую роль тут сыграла многоразовость.

Двигатели Merlin не столь мощны, как РД-180, но зато связкой из девяти таких двигателей проще управлять при снижении ракеты. Это позволило возвращать первые ступени на Землю в целом виде и после ремонта использовать повторно, так что в итоге вышло дешевле и практичнее. Не столь экстремальный двигатель проще в изготовлении и обслуживании, а еще может иметь меньшую массу, так что недостаток тяги иногда не столь уж страшен. Как уже было отмечено, двигатель сжигает топлива и окислителя на миллионы рублей, однако стоимость того же РД-180 составляет несколько миллионов долларов, а в ракете кроме двигателей есть масса иных недешевых компонентов.

Идеальный двигатель имел бы малую массу, высокое давление в камере сгорания, надежные детали и низкую стоимость. Но на практике это столь же несочетаемо, как попытка соединить тягу тепловоза с динамикой спорткара и расходом топлива мопеда.

Что делает Маск

Места для роста ракетным двигателям осталось немного. Законы термодинамики гласят, что получить скорость истечения газов больше трех с половиной километров в секунду уже не получится — разве что перейти на смеси, которые в приличном конструкторском обществе употреблять не принято. Жидкий фтор с водородом и жидким же литием (температурой 180 градусов, заливать в подогретые баки) может, конечно, выдать целых 5320 м/с, но иметь дело с этим химическим кошмаром американские ракетчики в пятидесятые годы отказались. Советские инженеры, правда, смогли разработать РД-301, работавший на паре фтор+аммиак, но в семидесятые годы закрыли и этот проект.

Маск рассчитывает создать двигатель, который соединит управляемость Merlin с давлением РД-180, сохранив надежность и того и другого. Работать Raptor будет на метане и кислороде, что необычно, но не слишком: метан почти не использовался в космонавтике, однако горит в кухонных плитах, так что никаких из ряда вон выходящих мер безопасности не требуется. Тяга Raptor должна составить 170 тонно-сил, и этот показатель уже достигнут в испытаниях, так что шансы проекта на успех довольно высоки.

Алексей Тимошенко

Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector