Определение параметров рабочего тела в конце процесса сгорания

Процесс сгорания - основной процесс рабочего цикла двигателя, в течение которого теплота, выделяющаяся вследствие сгорания топлива, идет на повышение внутренней энергии рабочего тела и на совершение механической работы.

Изменение давления в процессе сгорания топлива в двигателе, с воспламенением от искры показано на Рисунок 7.14., а в дизеле - на Рисунок 7.15. Кривые с’fс”z_Д схематически показывают действительное изменение давления в цилиндрах двигателей в процессе сгорания. В реальных двигателях процесс сгорания, точнее — догорания топлива, продолжается и за точкой z_Д на линии расширения.

На характер протекания процесса сгорания оказывает влияние большое число различных факторов: параметры процессов впуска и сжатия, качество распыливания топлива, частота вращения коленчатого вала двигателя и т. д. Зависимость параметров процесса сгорания от целого ряда факторов, а также физико-химическая сущность процесса сгорания моторных топлив пока что изучены недостаточно полно.

С целью упрощения термодинамических расчетов автомобильных и тракторных двигателей принимают, что процесс сгорания в двигателях с воспламенением от искры происходит при V=соnst, т. е. по изохоре (Рисунок 7.14., прямая сс”z), а в двигателях с воспламенением от сжатия - при V=соnst и Р=соnst, т. е. по циклу со смешанным подводом теплоты (Рисунок 7.15., 7.24 ). Целью расчета процесса сгорания является определение температуры и давления в конце видимого сгорания (точки z и z_Д), а для дизеля - и объема V_z.

Рисунок 7.14. Изменение давления в процессе сгорания в двигателе с воспламенением от искры.

 

Температура газа Т_z в конце видимого сгорания определяется на основании первого закона термодинамики, согласно которому dQ=DU+dL. Применительно к автомобильным и тракторным двигателям:

 

H_u-Q_пот=(U_z-U_c)+L_cx – сгорание при а 1,                                           (7.29)

 

(H_u–  H_u) – Q_пот = (U_z – U_c)+ L_cx – сгорание при а <1                                 (7.30)

 

Рисунок 7.15 Изменение давления в процессе сгорания в дизеле.

 

где H_u – низшая теплота сгорания топлива, кДж;

Q_пот –потери теплоты вследствие теплоотдачи, догорания топлива на линии расширения и диссоциации., кДж; 

Uz –внутренняя энергия газов в конце видимого сгорания, кДж;

  Uc – внутренняя энергия рабочей смеси в конце сжатая, кДж;

Lcx –теплота, идущая на работу расширении газов от точки с до точки z (для двигателей с воспламенением от искры Lcx   =0), кДж.

Тепловой баланс на участках сz можно записать в более
краткой форме:

ζ_z Н_u=(U_z-U_c)+L_cx,                                                                (7.31)

ζ_z (Н_u—   Н_u)=(U_z-U_c)+L_cx,                                                      (7.32)

где ζ_z = [(H_u-   H_u)-Q_пот]/(H_u-   H_u) – коэффициент использования теплоты на участке видимого сгорания сz.

Коэффициент ζ_z выражает долю низшей теплоты сгорания топлива, используемую на повышение внутренней энергии газа (U_z— U_c) и на совершение работы L_cx.

Величина коэффициента использования теплоты принимается на основе экспериментальных данных в зависимости от конструкции двигателя, режима его работы, системы охлаждения, формы камеры сгорания, способа смесеобразования, коэффициента избытка воздуха и частоты вращения коленчатого вала.

По опытным данным величина ζ_z при работе двигателей с полной нагрузкой изменяется в пределах:

Для двигателей с электронным впрыском………………………… 0,90 — 0,96
Для карбюраторных двигателей…………………………………….0,80 — 0,95
Для быстроходных дизелей с неразделенными камерами сгорания………………………………………………………………0,70 — 0,88
Для дизелей с разделенными камерами сгорания…………………0,65— 0,80
Для газовых двигателей……………………………………………..0,80 — 0,85

Меньшие значения коэффициента использования теплоты характерны для двигателей с несовершенным смесеобразованием. Величина ζ_z повышается за счет сокращения потерь теплоты от газов в стенки, выбора рациональной формы камеры сгорания, уменьшения догорания в процессе расширения и выбора коэффициента избытка воздуха, обеспечивающего увеличение скорости сгорания рабочей смеси. Величина коэффициента использования теплоты ζ_z зависит также от скоростного и нагрузочного режимов работы двигателя и, как правило, уменьшается при снижении нагрузки и частоты вращения.

Расчетные уравнения сгорания для автомобильных и тракторных двигателей получаются путем преобразований уравнений теплового баланса (7.33)и (7.34) (см. Рисунок 7.4 и 7.5, участки сz).

H_раб.см =H_u/(M₁+M_r)=H_u/[M₁(1+ Y _r)], при а 1                                             (7.33)

H_раб.см = (H_u - H_u) [M₁/(1+ Y _r)], при а <1                                                    (7.34)

Для двигателей, работающих по циклу с подводом теплоты приV=const, уравнение сгорания имеет вид:                                                                              

ζ_z H_раб.см+(mc ) =μ (mc )  t_z                                                            (7.35) 

где Н_раб.см — теплота сгорания рабочей смеси, определяемая по (7.31) или (7.32);(mc )   — средняя мольная теплоемкость рабочей смеси в конце процесса сжатия, определяемая по H_гор.см=H_u/M₁ или H_гор.см=H_u/m₁;(mc )  t_z— средняя мольная теплоемкость продуктов сгорания.
Для двигателей, работающих по циклу со смешанным подводом теплоты при V=соnst и Р= соnst, уравнение сгорания имеет вид

ζ_z H_раб.см+((mc ) +8,315 λ) t_c+ 2270(λ - μ) = μ(mc )  t_z,                                          (7.36)

где λ=p_z/p_c— степень повышения давления;  2270=8,315*273.

 Величина степени повышения давления для дизелей устанавливается по опытным данным в основном в зависимости от количества топлива, подаваемого в цилиндр, формы камеры сгорания и способа смесеобразования. Кроме того, на величину λ оказывает влияние период задержки воспламенения топлива, с увеличением которого степень повышения давления растет:
для дизелей с неразделенными камерами сгорания и объемным смесеобразованием λ =1,6 2,5;
для вихрекамерных и предкамерных дизелей, а также для дизелей с неразделенными камерами и пленочным смесеобразованием
λ =1,2 1,8;

для дизелей с наддувом величинаопределяется допустимыми значениями температуры и давленая в конце видимого процесса сгорания.

В уравнения сгорания (7.35) и (7.36)входят две неизвестные величины: температура в конце видимого сгорания t_z и теплоемкость продуктов сгорания при постоянном объеме (mc )  t_zили постоянном давлении (mc ) при этой же температуре t_z. Используя для определения (mc )  t_zили   (mc ) табличные значения, уравнения сгорания решаются относительно t_z методом последовательных приближений (подбором значений t_z) или решением квадратного уравнения