Вывод уравнения сгорания топлива в ДВС

Рис. 1 Схема процесса подвода тепла на диаграмме P-V

Уравнение сгорания — это зависимость, позволяющая рассчитать максимальную температуру T_z цикла. При выводе этой зависимости сделаем допущения:

1. Истинная кривая подвода тепла (кривая 1-2-3 на рис.) заменяется термодинамическими процессами подвода тепла при V = const (cz₁) и P = const (z₁z);

2. Процесс сгорания топлива характеризуется коэффициентом использования тепла ξ.

С количественной точки зрения сделанные допущения дают приемлемые результаты. Коэффициент использования тепла ξ, учитывает ту часть тепла, которая в процессе сгорания воспринимается рабочим телом, а также идет на совершение полезной работы. Соответственно величина (1-ξ) учитывает недожог, отвод тепла в охлаждающую среду и тепло, которое еще не выделилось от сгорания топлива.

Уравнение баланса тепла в точке z запишется в виде:

QH ξz = Mz C’ ‘_v Tz — Ma C_v‘ ‘ ‘ Tc + Lz1z

· Qн — низшая теплотворная способность топлива;

· ξ_z — коэффициент использования тепла в точке z;

· M_z C»_vT_z = Uz — внутренняя энергия продуктов сгорания в точке z;

· M_a С_v»’T_c = Uc — внутренняя энергия рабочего тела в точке С;

· L_z1z = Pz (Vz — Vz₁) — полезная работа при расширении газов от точки z₁ до точки z;

· C_v»’ — средняя мольная изохорная теплоемкость свежего заряда и остаточных газов.

На основании уравнения состояния можно записать:

Pz Vz = Mz μR Tz

Pz Vz₁ = λ Pc Vc = λ Ma μR Tc

Откуда:

L_z1z = μR ( Mz Tz — λ Ma T c)

Подставим это значение работы в формулу (17). Получим:

ξz QH = Mz C’ ‘_v Tz — Ma C_v‘ ‘ ‘ Tc + μR ( Mz Tz — λ Ma T c)

Или:

ξz QH = Mz Tz (C_v‘ ‘ + μR) — MaTc =(C_v‘ ‘ ‘ + μRλ)

Разделив правую и левую части этого уравнения на Ma и выделив в левую часть слагаемое, содержащее Tz, получим:

Mz(Ma)^-1 = Tz(C_v‘ ‘ + μR) — ξz QH (Ma)^-1 + Tc (C_v‘ ‘ ‘ + μRλ)

Так как:

Mz / Ma = βz

C_v‘ ‘ + μR = C_p‘ ‘

То окончательно запишем:

βz Tz C_p‘ ‘= ξz Qh (Ma)^-1 + Tc (C_v‘ ‘ ‘ + μRλ)

Недостаток уравнения (19) — необходимость оперирования с теплоемкостью C_v‘ ‘ ‘ смеси L молей свежего заряда и M_R молей остаточных газов. Выделим из общего состава молей газов величину M_R с тем, чтобы исключить из расчетов C_v‘ ‘ ‘. Можно записать на основании общих закономерностей сметания газов:

MaTc (C_v‘ ‘ ‘ + μRλ) = (L + Mr) (C_v‘ ‘ ‘ + μRλ) Tc = L (C_v‘ ‘ ‘ + μRλ) Tc +Mr (C_v‘ ‘ ‘ + μRλ) Tc = L (C_v‘ ‘ ‘ + μRλ) Tc + γr L (C_v‘ ‘ ‘ + μRλ) Tc

 

 

· Где C_v‘ — средняя мольная теплоемкость сухого воздуха;

· C_v» — средняя мольная теплоемкость продуктов сгорания.

Подставим полученное равенство в формулу (18) и разделим правую и левую части на L. Получим:

Mz Tz L^-1 (C_v‘ ‘ + μR) = ξz QH L^-1 + (C_v‘ + μRλ) Tc + γr (C_v‘ ‘ ‘ + μRλ) Tc

Так как:

Mz/L = (βz Ma)/L = βz ((Mr + L)/L) = βz (1 + γr)

То расчетная формула для определения максимальной температуры цикла Tz примет окончательный вид:

βz (1 + γr) C_v‘ ‘Tz = ξz Qh L^-1 + (C_v‘ + μRλ) Tc + γr (C_v‘ ‘ + μRλ) Tc

При подстановке в уравнение (20) численных величин и значений С_p», C_v», выраженных через температуру, уравнение приводится к виду:

AT² _z + BT_z — C = 0

Или:

T_z = C/(AT_z + B)

Это уравнение решается обычно методом последовательных приближений. Определение других параметров цикла в точке z производится по формулам:

Pz = λPc

_Vz = _Vc ρ

Степень предварительного расширения ρ находится на основании уравнений состояния в точках Z и С. Взяв отношение параметров, найдем:

Pz V_z / (Pc V_c) = λP = Mz Tz /(M_aT_c) = βz (Tz / Tc)

Откуда:

 

ρ = (βz / λ) (Tz / Tc)

V_z=V_c (βz / λ) (Tz / Tc)

Целью расчетов процесса сгорания яляется определение температуры (Т_z, К) и давления (р_z МПа) в конце видимого сгорания. Для дизельных двигателей дополнительно определяется параметр V_z.

Теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг топлива, в зависимости от его элементарного состава:

- в массовом соотношении

, (10)

- в мольном соотношении

, (11)

где ℓ₀ – количество воздуха в кг.воздуха/ кг. топлива;

L₀ – количество воздуха в кг.воздуха/ кг. топлива;

C, H₂,O₂ – компоненты элементарного состава топлива (а) для бензина С=0,855; Н₂=0,145; О₂ =0; б) для дизельного топлива С=0,870; Н₂ =0,126; О₂ =0,004).

Действительное количество воздуха (ℓ или L), необходимого для сжигания 1кг топлива в цилиндре двигателя, зависит от принятого коэффициента избытка воздуха α:

, (12)

где α – коэффициент избытка воздуха.

Коэффициент α принимается при номинальной мощности:

- для карбюраторных двигателей: α=0,85-0,96;

- для дизельных двигателей с разделенными камерами сгорания: α=1,30-1,45;

- для дизельных двигателей с неразделенными камерами сгорания: α=1,50-1,7;

- для дизельных двигателей с наддувом: α =1,5-2,0.

Количество остаточных газов в цилиндре к моменту начала сгорания (M_r, кмоль) определяется в зависимости от коэффициента остаточных газов в соответствии с формулой

. (13)

Количество продуктов сгорания (M_z, кмоль) определяется в зависимости от принятого коэффициента избытка воздуха a следующим образом:

- при α >1,0

, (14)

- при α<1,0

. (15)

Определяется действительный коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси:

(16)

Низшая теплотворная способность топлива (Q_н, кДж/кг) определяется по формуле Д.И. Менделеева:

(17)

Средняя мольная теплоемкость (m_vc, кДж/кмоль∙^оС) свежего заряда к концу процесса сжатия определяется по эмпирической формуле:

(18)

Средняя мольная теплоемкость (m_vz, кДж/кмоль∙^оС) продуктов сгорания при постоянном объеме определяется из выражений:

- для карбюраторных двигателей при α<1,0:

, (19)

- для дизельных двигателей при α>1,0:

. (20)

Средняя мольная теплоемкость (m_pz, кДж/кмоль∙^оС) продуктов сгорания при постоянном давлении рассчитывается по формуле:

(21)

Температура газов в конце сгорания (Т_z, К) определяется из уравнений сгорания:

- для карбюраторных двигателей:

, (22)

- для дизельных двигателей:

(23)

где λ - степень повышения давления, представляющая собой соотношение p_z/p_c (принимается а) для дизельных двигателей с разделенными камерами сгорания λ=1,4-1,8; б) для дизельных двигателей непосредственном впрыске топлива в неразделенную камеру λ = 1,8-2,2);

 

 

x - коэффициент активного тепловыделения (принимается а) для дизельных двигателей x=0,75-0,85; б) для карбюраторных двигателей ξ=0,85…0,92).

После подстановки средних мольных теплоемкостей m_vc, m_vz и m_pz в уравнения сгорания (22) и (23) получаем квадратное уравнение вида

, (24)

где A, B и C – числовые значения известных величин

Корень уравнения (24) определяется по формуле:

(25)

Давление газов в конце сгорания (p_z, МПа) определяется по формуле:

- для карбюраторных двигателей

(26)

где m - коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси (формула (16)):

- для дизельных двигателей

(27)

Значения давления (р_z, МПа) и температуры (Т_z, К) газов в конце процесса сгорания изменяются в пределах

- для карбюраторных двигателей: р_z=3,5-7,5МПа и Т_z=2400-3100К;

- для дизельных двигателей: р_z=5,0-12,0МПа и Т_z=1800-2300К.

Степень предварительного расширения (r) для дизельных двигателей:

Расчетная индикаторная диаграмма рабочего цикла строится в координатах p–V на миллиметровой бумаге формата А1.

На оси абсцисс (рисунок 1) откладываем произвольный отрезок ОА длиной l_ОА =10-12мм, изображающий в масштабе m_v объем камеры сгорания V_c. Далее, на оси абсцисс от точки «О» откладываем объемы V_z (для дизелей) и V_a определяемые по формулам:

, (37)

(38)

В результате отмеченных построений получается точка «В».

На оси ординат откладываем произвольный отрезок ОД, длиной не менее l_од=250 мм, соответствующий отрезку в масштабе m_р максимальному давлению сгорания р_z. Масштаб m_р высчитываем по формуле

(39)

На оси ординат откладываются в масштабе m_р давления p_a, p_c, p_в, р_r и на вертикалях, проведенных через точки «А» и «В», получаются точки а, с, в, r, z^/. Точка z для дизелей получается при пересечении изобары, проведенной через точку Д, с вертикалью, соответствующей V_z.

После проведения указанных построений проводится линия атмосферного давления (или давления в нагнетателе при газотурбонаддуве), отстоящая от оси абсцисс на расстояние p₀/m_p (или при газотурбонаддуве p_k/m_p). Затем проводятся горизонтали через точки а и r.

Точки а и с соединяются политропой сжатия, а точки z и b по политропе расширения. Промежуточные точки политроп определяются из условия, что каждому произвольному значению объема цилиндра V_x на оси абсцисс соответствуют значения давлений:

- для политропы сжатия

(40)

- для политропы расширения

(41)

где р_х – значение давления в цилиндре в промежуточных точках политропы, МПа;

V_x – значение объема цилиндра в промежуточных точках политропы, м³.

Расчеты необходимо вести не менее чем для 8 промежуточных точек. Результаты расчетов сводим в таблицу 2.

Таблица 2 – Значение промежуточных точек политроп

№ точки	Vx=ОХ, мм	Политропа сжатия,	Расширение, px, мм
px, МПа	px / mр, МПа/мм	px, МПа	px /mр, МПа /мм

Рисунок 1 – Индикаторная диаграмма четырехтактного дизеля

При построении диаграммы для карбюраторного двигателя на оси ординат откладывается в масштабе давление 0,85p_z и через полученную точку проводится горизонталь до пересечения с политропой расширения. В результате получается условная точка Z, которая прямой соединяется с точкой с.

 

 

Для учета фаз газораспределения и опережения впрыска (зажигания) производится скругление индикаторной диаграммы у точек с, z^/, z, r и b (для дизеля) и у точек с, r, b (для карбюраторного двигателя) так, чтобы площадь скругления диаграммы составляла 94…95% от расчетной.

По построенной скруглённой индикаторной диаграмме определяется среднее индикаторное давление (p_i, МПа):

, (42)

где А – площадь скругленной заштрихованной части диаграммы, мм²;

l_AB - длина диаграммы по оси абсцисс, мм;

m_p - масштаб давления.

Для проверки полученного значения p_i находим теоретическое среднее индикаторное давление цикла (p_i^т, МПа) по зависимостям:

- для карбюраторных двигателей

, (43)

- для дизельных двигателей

(44)

Среднее индикаторное давление цикла с учетом фаз газораспределения (p_i^расч, МПа):

(45)

где φ – коэффициент, учитывающий фазы газораспределения.

Коэффициент φ принимается:

- для карбюраторных двигателей φ = 0,94-0,97;

- для дизельных двигателей φ=0,92-0,94.

Точность построения индикаторной диаграммы оценивается погрешностью – К, определяемой по формуле:

(46)

При расчетах погрешность не должна превышать 3-4%.

Билет №4.

Технологическая планировка зон и участков

Технологическая планировка зон и участков - план расстановки постов, автомобиле – мест ожидания и хранения, технологического оборудования, подъемно – транспортного оборудования и является технической документацией проекта, по которой расставляется и монтируется оборудование.

Производственная зона начинается с зоны приемки – выдачи автомобилей, которая относится как к административной и коммерческой, так и к производственной части станции. К ней примыкает зона диагностирования.

контрольно – измерительное и диагностическое оборудование следует располагать таким образом, чтобы им было удобно пользоваться как при приемке – выдаче автомобиля, так и при выполнении ТО и ремонта.

Планировочное решение зон ТО и ТР разрабатывается с учетом требований ОНТП и Ведомственных строительных норм предприятий по обслуживанию автомобилей (ВСН)

Таблица 4.1. Категории автомобилей по габаритным размерам

С учетом противопожарной опасности и санитарных требований следует предусматривать отдельные помещения для следующих групп работ:

а) моечных, уборочных и других работ комплекса ЕО, кроме заправки автомобилей топливом;

б) постов ТО – 1, ТО – 2, Д – 1, разборочно – сборочных и регулировочных работ ТР;

в) постов Д – 2.

в одном помещении с постами ТО и ТР допускается размещать следующие участки: агрегатный, слесарно – механический, электротехнический, по изготовлению технологического оборудования, приспособлений и производственного инвентаря.

Посты мойки, уборки и других работ, комплекса ЕО при температуре наружного воздуха 0 °С и выше допускается предусматривать на открытых площадках или под навесом. Посты (линии) уборочно – моечных работ обычно располагаются в отдельных помещениях, что связано с характером выполняемых операций (шум, брызги, испарения).

Линии (посты) общего диагностирования (Д – 1) тормозов, углов установки управляемых колес, приборов освещения и сигнализации допускается размещать в одном помещении с постами ТО и ТР. Посты углубленного диагностирования (Д – 2), связанные с проверкой тягово – экономических качеств автомобилей, из – за повышенного шума при работе стенда следует располагать в отдельных изолированных помещениях.

Посты ТО – 1 могут располагаться в общем помещении с постами ТО – 2 и ТР. При поточной организации ТО – 1 линии располагают в обособленных помещениях.

Посты ТО – 2 можно располагать в общем помещении с постами ТО – 1 и ТР. При поточной организации ТО – 2 линии следует располагать или в обособленном помещении, или в общем помещении с линиями ТО – 1. В последнем случае ТО – 1 и ТО – 2 желательно выполнять на одной линии.

Посты ТР можно располагать в общем помещении с постами ТО – 1 и ТО – 2.

Площадь этой зоны составляет примерно 40 % общей производственной площади, а площадь склада запасных частей – 10 – 15 % общей площади. Специфика работ требует, чтобы 1 / 3 постов была оснащена подъемниками, 1 / 3 – ямами и 1 / 3 постов была напольной.

При размещении постов ТО и ТР необходимо руководствоваться нормируемыми расстояниями между автомобилями, а также между автомобилями и элементами здания (табл. 4.2), которые установлены в зависимости от категории автомобилей:

1. Продольная сторона автомобиля и стена

2. Продольная сторона автомобиля и технологическое оборудование

3. Торцевая сторона автомобиля и стена

4. Торцевая сторона автомобиля и технологическое оборудование

5. Автомобиль и колонна

6. Автомобиль и наружные ворота

7. Продольные стороны автомобилей

8. Торцевые стороны автомобилей

По взаимному расположению посты могут быть прямоточными и тупиковыми. Прямоточное расположение нескольких постов (рис. 6.2) используется для ЕО, ТО – 1 и ТО – 2 при поточном методе обслуживания автомобилей, а прямоточные одиночные (проездные и тупиковые) посты – для ТО и ТР при выполнении работ на отдельных постах.

Рис. 6.2. Схемы планировки зоны ТО при прямоточном расположении постов

При тупиковом расположении постов в зонах ТО и ТР расстановка постов может быть прямоугольной однорядной (рис. 6.3, а) и двухрядной (5), косоугольной (в), а также комбинированной однорядной (г) и двухрядной (д).

Рис. 6.3. Схемы планировки зоны ТО и ТР при тупиковом расположении постов: S – ширина проезда; а – угол установки относительно проезда

Следует предусматривать отдельные помещения для следующих групп работ:

1) агрегатных, слесарно – механических, электротехнических;

2) испытания двигателей;

3) ремонта приборов системы питания бензиновых и дизельных двигателей;

4) ремонта аккумуляторных батарей;

5) шиномонтажных и вулканизационных работ;

6) кузнечно – рессорных, медницких, сварочных, жестяницких и арматурных работ;

7) деревообрабатывающих и обойных работ;

8) окрасочных работ.

Расстановка оборудования на участках (рис. 6.10) должна выполняться с учетом условий техники безопасности, удобства обслуживания и монтажа оборудования при соблюдении нормативных расстояний между оборудованием, между оборудованием и элементами зданий.

Рис. 6.10. Планировка зоны производственного участка

Учитываются следующие расстояния для размещения оборудования

1. Между боковыми и тыльными сторонами оборудования

2. Между оборудованием при расположении попарно

3. От стены, колонны до тыльной или боковой стороны оборудования

4. От стены, колонны до фронтальной стороны оборудования

Таблица 4.3. Нормируемые расстояния для размещения слесарного оборудования, мм

На технологической планировке участков и рабочих постов необходимо указать:

• строительные оси здания и расстояния между ними в соответствии с общей планировкой;
• привязку оборудования и оргоснастки к строительным осям или элементам конструкции здания, чтобы по данной планировке можно было произвести расстановку и монтаж стационарного оборудования;
• рабочие места, потребители воды, электроэнергии, сжатого воздуха и т. д. в соответствии с принятыми условными обозначениями;
• спецификацию технологического оборудования и оргоснастки.