Уравнение сгорания для дизельного двигателя

TRGREAT

Количество воздуха, необходимое для сгорания 1 кг топлива, определяется по формуле

кмоль

где – элементарный состав соответственно углерода, водорода и кислорода в топливе по массе.

Средние значения для дизельного топлива

кмоль

Количество свежего заряда в цилиндре, кмоль, приходящаяся на 1 кг топлива:

Для дизельных двигателей количество свежего заряда в цилиндре определяется по формуле:

М1 = a × Lо, кмоль.

где a – коэффициент избытка воздуха, который можно принять :

a = 1,3–1,7 – для дизельных двигателей.

М1 = 1,5 × 0,5=0,75 кмоль

Общее количество продуктов сгорания на один кг топлива:

кмоль

Химический коэффициент молекулярного изменения рабочего тела:

Действительный коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси с учетом наличия в цилиндре остаточных газов

,

Максимальная температура газов в процессе сгорания определяется из уравнения сгорания.

Уравнение сгорания для дизелей имеет вид

где x – коэффициент использования теплоты, для дизелей x = 0,75;

Нu – низшая теплота сгорания топлива, Нu = 42500 кДж/кг,

mcvc – средняя молярная теплоемкость свежего заряда;

mcvc = 20,16 + 1,74 ×10-3 Тс;

mcvc = 20,16 + 1,74 ×10-3 924,58=21,77;

mcv” – средняя молярная теплоемкость продуктов сгорания.

mcv” =

Для дизельных двигателей по заданному значению Рz определяется степень повышения давления в цилиндре

Подставляя полученные значения величин в уравнения сгорания, получаем уравнение с двумя неизвестными: максимальной температурой сгорания Тz и теплоемкости продуктов сгорания mcv” при этой же температуре.

После подстановки в уравнение сгорания известных параметров в виде числовых значений и последующих преобразований оно превращается в квадратное уравнение

0,00268Тz2 + 31,52Тz – 72211,6 = 0,

Тогда решение уравнения имеет вид

,

Для дизелей теоретическое максимальное давление цикла определяется по формуле

Паровой котёл
Как уже указывалось выше, котёл паровоза имел очень хорошую производительность — до 65 кг пара с 1 м² за 1 час. Его большая площадь топки позволяла применять низкосортные сорта угля (высокосортный уголь в то время требовался для металлургической промышленности). Но общий коэффициент полезного действия котла был относительно низким — .

Характеристика автотранспортного предприятия
Автотранспортное предприятие, из задания на проектирование, располагается в Орловской области. АТП в данном случае является предприятием комплексного типа, так как оказывает сторонним организациям транспортные услуги, связанные с перевозками грузов различного характера и пассажиров, занимается обслуживанием и ремонтом транспорта, а также .

Оборотные фонды предприятия
Оборотные фонды предприятия определяются нормативным запасом расходных материалов и запасных частей, т.е. нормативным числом дней запаса и годовым расходом этих материалов и запасных частей. Нормативный запас топлива Среднее нормативное число дней запаса автомобильного топлива – 9,6 дня. Для предприятия, работающего в городе, транспортны .

Процесс сгорания, параметры процесса сгорания .

Для современных д.в.с. оптимальная продолжительность процесса сгорания составляет примерно 0,02—0,0025 сек. Поршень при этом к кон­цу сгорания успевает переместиться по направлению к н.м.т. на расстоя­ние, соответствующее около π/12 рад (15°) поворота кривошипа после в.м.т. Чтобы управлять продолжительностью процесса сгорания, необхо­димо глубокое знание всех химических и физических явлений, связанных с этим процессом, и всех факторов, оказывающих влияние на его про­текание.

Угол опережения подачи топлива для дизелей в зависимости от их типа находится в пределах 15 0 —33 0 . на развернутой диаграмме это т.k.

В т.m происходит воспламенение топлива. k-m — есть период задержки самовоспламенения. За это время в цилиндр поступает 15-50 % топлива от цикловой дозы, которое успевает испариться и перемешаться с воздухом. Остальное топливо цикловой дозы поступает в камеру сгорания после т. m, т.е. поступает уже в среду охваченную пламенем.

Процесс сгорания топлива на диаграмме условно можно разделить на четыре фазы :

1. период задержки самовоспламенения k-m.

2. фаза быстрого нарастания давления m- z 1 .

3. фаза сгорания основной дозы топлива, во время которой давление существенно не изменяется z 1 -z.

4.. фаза догорания топлива z-n. Доходит до 1\3 хода поршня.

Как установлено из рассмотрения процесса сгорания, момент воспла­менения топлива не совпадает с моментом ввода его в цилиндр двига­теля в среду воздуха, имеющего довольно высокие температуру и давле­ние.

От продолжительности этого отставания зависит интенсивность нарастания давления во время второго периода сгорания. Зависимость ин­тенсивности второго периода от первого вытекает из следующего: если продолжительность первого периода сгорания будет велика, то к моменту воспламенения в цилиндре двигателя сосредоточится значительная часть топлива от всей порции, подаваемой на цикл. Это приведет к резкому нарастанию давления во время второго периода сгорания, т. е. к жесткой работе двигателя, поскольку во время второго периода в сгорании будет участвовать топливо, поданное за первый и подаваемое за второй перио­ды сгорания

развернутая диаграмма изменения

давления и температуры сгорания

Нарастание давления во время процесса сгорания топлива в цилиндре характеризуется скоростью нарастания давления на 1 град.поворота коленвала.

Для нормальной работы дизеля она составляет примерно 4-8 кг\см 2 в зависимости от конструкции дизеля.

Установлено, что для достижения нормальной скорости нара­стания давления во время второго периода сгорания необходимо всеми возможными мерами сокращать продолжительность первого периода, так как регулировать интенсивность второго периода сгорания пока не представляется возможным.

Продолжительность первого периода сгорания и интенсивность сго­рания во втором периоде зависят от:качества топлива, оцениваемого температурой самовоспламенения и цетановым числом; степени сжатия; материала поршней, определяющих температуру днища поршня; качест­ва распыла, оцениваемого тонкостью и однородностью дробления впрыс­киваемого топлива; завихрений сжимаемого воздуха; закона подачи топлива, при изменении которого оказывается возможным изменять ко­личество топлива, подаваемого за первый период сгорания; начала впрыска, характеризуемого углом опережения впрыска; нагрузки, оцени­ваемой количеством топлива, подаваемого на цикл; числа оборотов; ин­тенсивности охлаждения и др.

Перечисленные факторы должны определяться исходя из соображе­ний, обеспечивающих сокращение первого периода сгорания по времени и углу поворота коленчатого вала.

Например , при увеличении угла опережения подачи топлива скорость нарастания давления и Pz вырастут, а температура газов на выпуске снизится, и наоборот.

Уравнение сгорания.В состав смеси газов, находящейся в цилиндре в конце горения, входят N, О, Н₂О, СО₂ и остаточные газы от предыдущего рабочего хода. Ввиду того, что теплоемкости всех компонентов разные, в расчет нужно вводить суммарные теплоемкости.

При сгорании 1 кг топлива должно выделяться Q_H дж теплоты.’ В действительном рабочем цикле ввиду несовершенства смесеобразования часть топлива не сгорает. В силу этой же причины, а также из-за малого периода сгорания, в особенности у быстроходных двигателей, топливо не успевает сгореть на участке mz’z и догорает на линии расширения zn. Таким образом, за расчетный (теоретический) период сгорания (участок mz’z) фактически теплоты выделяется меньше, чем Q_H.

Однако и выделившаяся на участке mz’z теплота не полностью используется для повышения внутренней энергии газов и совершения внешней работы, так как часть ее поглощается стенками цилиндра, а часть теряется на диссоциацию продуктов сгорания.

Для наибольшего приближения расчетного цикла к действительному рабочему циклу вводится понятие о коэффициенте использования теплоты при сгорании

ξ учитывающем все указанные выше потери.

Коэффициентом использования теплоты при сгорании называется доля располагаемой теплотворности топлива Q_H, идущая на увеличение внутренней энергии газа и совершение внешней работы за теоретический период сгорания.

Следовательно, количество теплоты, использованное для повышения внутренней энергии газа и совершения внешней работы за период сгорания (в дж/кг),

Коэффициент использования теплоты зависит от формы камеры сгорания, быстроходности двигателя и других факторов. По опытным данным для дизелей ξ равен 0,70—0,90.

В цикле смешанного сгорания вся полезно используемая теплота Q’_Hскладывается из двух частей: теплоты, выделившейся на участке сгорания при постоянном объеме которая полностью идет на увеличение внутренней энергии газа, и теплоты, выделившейся на участке сгорания при постоянном давлении (линия z’z), часть которой идет также на увеличение внутренней энергии газа, а часть — на совершение внешней работы за период расширения газа на участке z’z.

Если учесть сказанное, уравнение теплового баланса можно запи­сать в следующем виде:

где и_с — внутренняя энергия М₁ кмоль смеси воздуха и остаточных газов в конце сжатия в дж;

u_z — внутренняя энергия М₂ кмоль смеси газов в конце горения в дж;

L_z‘_z — внешняя работа, совершаемая газами на участке z’z, вдж.

После подстановки значений и_с, u_z, L_z‘_z и некоторых преобразований получим уравнение сгорания смешанного цикла

Для цикла быстрого сгорания уравнение будет иметь вид

2.2.3. Процесс сгорания

Процесс сгорания в бензиновом двигателе и дизеле существенно различен из-за особенностей топлива, способа смесеобразования и воспламенения рабочей смеси. Для каждого двигателя принято рассматривать этот процесс по диаграмме с координатами р – φ, на которой этапы процесса сгорания представлены развернуто по углу поворота коленчатого вала. Для бензинового ДВС на развернутой диаграмме процесса сгорания рабочей смеси различают фазы
I — III (рис. 2.6).

Рис. 2.6. Развернутая диаграмма процесса сгорания рабочей смеси в бензиновом ДВС:
1 — момент искрового разряда; 2 — начало фазы интенсивного горения; 3 — окончание фазы интенсивного горения; ВМТ — верхняя мертвая точка положения поршня; I — фаза начала горения, равная углу α₁ (задержка интенсивного горения); II — фаза интенсивного горения, равная углу α₂; III — фаза догорания топлива; р — давление газа; φ — угол поворота коленчатого вала; θ_0.3 — угол опережения зажигания;——– расширение газа без сгорания; — ► — направление хода процесса

Фаза I , равная углу α₁— начало горения. В течение фазы I образуется фронт горения рабочей смеси от момента искрового разряда между электродами свечи в точке 1. Горение рабочей смеси начинается без повышения давления (участок 1—2). Длительность начальной фазы I определяет задержку интенсивного горения и зависит от состояния рабочего тела, угла опережения зажигания θ_0.3, энергии искрового разряда. Увеличение степени сжатия ε и уменьшение угла опережения зажигания приводят к сокращению фазы I (уменьшению угла α₁,). Увеличение частоты вращения коленчатого вала, снижение нагрузки на ДВС, обеднение рабочей смеси, уменьшение мощности источника воспламенения — причины удлинения фазы I (увеличения угла α₁,).

Фаза II, равная углу α₂, — начало интенсивного горения в точке 2 с резким повышением температуры и давления продуктов сгорания до их максимума в точке 3. Для получения большей экономичности двигателя сгорание топлива должно осуществляться вблизи ВМТ при минимальном объеме надпоршневого пространства, когда минимальны потери теплоты через стенки цилиндра.
В этот период времени сгорает основная масса топлива. Скорость распространения фронта горения 20…40 м/с, окончание этой фазы (точка 3) приходится на угол поворота коленчатого вала 12… 18° после ВМТ.

Если рабочая смесь перед воспламенением подвергается воздействию высоких температур и давлений, то нормальное сгорание при определенных условиях может перейти в детонационное.

Детонационное сгорание рабочей смеси возникает при несоответствии сорта бензина степени сжатия, слишком больших углах опережения зажигания, перегрузке двигателя и его перегреве, повышенном нагарообразован и и на стенках камеры сгорания.

Скорость процесса в условиях возможной детонации многократно увеличивается (до 2ООО…2 500 м/с). При этом часть рабочей смеси самовоспламеняется раньше, чем к ней подойдет фронт основного пламени. В камере сгорания возникают и распространяются волны давления, оказывающие влияние на характер изменения давления в цилиндре. Внешним признаком детонационного сгорания является появление звонких металлических стуков. При детонационном сгорании увеличиваются тепловые и механические нагрузки на детали двигателя, снижается мощность, появляется дымный выхлоп и ухудшается экономичность двигателя.

При работе двигателя с полной нагрузкой иногда наблюдается преждевременное воспламенение рабочей смеси, называемое калильным зажиганием, из-за местного перегрева стенок камеры сгорания (в результате отложения нагара на них) или электродов свечи зажигания. Такое явление может возникать при несоответствии тепловой характеристики свечи (калильного числа) степени сжатия е рабочей смеси. Это приводит к тому, что максимум давления газа достигается до прихода поршня в ВМТ, при этом снижается мощность двигателя, возможны значительный перегрев поршня и его прогорание.

Фаза III — догорание продуктов неполного окисления топлива (ниспадающая ветвь диаграммы), когда скорость выделения теплоты равна скорости теплоотвода в стенки цилиндра.

Для дизелей на развернутой диаграмме процесса сгорания рабочей смеси различают фазы I — IV (рис. 2.7).

Рис. 2.7. Развернутая диаграмма процесса сгорания рабочей смеси в дизеле:
1— точка впрыска топлива; 2 — начало фазы быстрого горения; 3 — окончание фазы быстрого горения; 4 — окончание фазы стабильного горения топлива; р — давление газа; ВМТ — верхняя мертвая точка положения поршня; I — фаза
задержки воспламенения; II — фаза быстрого горения топлива; II I — фаза стабильного горения топлива; IV — фаза догорания топлива; φ — угол поворота коленчатого вала; θ_0.3 — угол опережения впрыска;——– расширение газа без
сгорания; — ► — направление хода процесса

Фаза I — от начала впрыска топлива (точка I) до начала резкого повышения давления и температуры (точка 2) — представляет собой временной период задержки воспламенения, когда топливо впрыскивается, перемешивается со сжатым воздухом, нагревается и испаряется, т.е. период подготовки рабочей смеси к воспламенению. Продолжительность фазы I зависит от ЦЧ топлива, степени сжатия рабочей смеси, формы камеры сгорания, качества распыления топлива, момента подачи топлива в цилиндр (угла опережения впрыска θ_0.3), частоты вращения коленчатого вала, нагрузки на двигатель. С увеличением ЦЧ, степени сжатия ε и нагрузки на двигатель продолжительность фазы I сокращается.

Фаза II — участок 2—3 быстрого горения топлива при резком нарастании давления р и температуры Т газа. При увеличении давления со скоростью более 0,5 МПа на 1° поворота коленчатого вала отмечается жесткая работа двигателя. Чем меньше продолжительность фазы II, тем жестче работа ДВС.

Фаза III — участок 3— 4 стабильного горения топлива заканчивается достижением максимальной температуры газа. Впрыск топлива к этому моменту обычно заканчивается. Сгорание топлива происходит при увеличивающемся объеме и практически постоянном давлении, а скорость сгорания уменьшается из-за разбавления рабочей смеси продуктами сгорания, образовавшимися в период фазы II быстрого горения топлива.

Фаза IV — догорание топлива и продуктов неполного окисления (угол тем больше, чем выше нагрузка двигателя и частота вращения коленчатого вала). Температура и давление газа в конце процесса сгорания определяются при допущении смешанного цикла подведения к нему теплоты — последовательные циклы при постоянном объеме и постоянном давлении (см. участки сz’и z’z индикаторной диаграммы на рис. 2.5, б). Для смешанного цикла согласно первому началу термодинамики теплота, полученная при сгорании 1 кг топлива, кДж/кг, реализуется на участке cz следующим образом:

(2.4)

где ξ — коэффициент использования теплоты на участке сz, учитывающий потери теплоты через стенки цилиндра и неполноту сгорания топлива; h_u— низшая удельная теплотворная способность топлива, кДж/кг; ΔU_cz = U_z – U_с — изменение внутренней энергии газа на участке сг процесса сгорания, кДж/кг; L_сz — работа расширения газа при сгорании, кДж/кг. Изменение внутренней энергии рабочего тела на участке сz

где С_vz, С_vc — теплоемкости соответственно продуктов сгорания в точке z и рабочей смеси в точке с, кДж/(кмоль- К); Т_z, Т_с — абсолютная температура продуктов сгорания в точке г и рабочей смеси в точке с, К; V₂, V₁ V_r — количество молекулярного вещества соответственно продуктов сгорания горючей смеси, в исходном состоянии до ее горения и остаточных газов, кмоль.

Работа, кДж, расширения газов на участке cz

В этой зависимости — степень повышения давления

Исключим из уравнения работы параметры р и V, воспользовавшись уравнением Менделеева— Клапейрона для состояния газа в точках z и с цикла дизеля, и получим

где R — универсальная газовая постоянная, равная работе 1 кг газа при нагревании его на1 К, R = 8,314 кДж/(кмоль К).

Разделим обе части уравнения (2.4) на (V₁, + V_r). Тогда с учетом

того, что получим окончательно

Так как теплоемкости С_vz и С_vc являются функциями температур соответственно Т_z и Т_с, последнее выражение представляет собой квадратное уравнение относительно T_z, решением которого является температура Т_z газа в конце процесса сгорания для дизеля.

Так как для бензиновых ДВС V_z = V_с, полученное выражение упрощается и при коэффициенте избытка воздуха α ≥ 1 имеет следующий вид: