1.1.4 Расчет 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.

На характер протекания процесса сгорания оказывает влияние большое число различных факторов: параметры процессов впуска и сжатия, качество распыления топлива и так далее.

Целью расчета процесса сгорания являются определение температуры(T_z) и давления(p_z) в конце сгорания.

Относительное изменение объема при сгорании характеризуется величиной химического коэффициента молекулярного изменения горючей смеси(µ₀), который представляет собой отношение количества молей продуктов сгорания (М₂) к количеству молей горючей смеси (М₁):

µ₀ = M₂/M₁; (21)

Так коэффициента молекулярного изменения горючей смеси(µ₀):

для карбюраторного двигателя при n _N =5600 мин^-1

µ₀ = 0,5367/0,5049 = 1,0631;

для двигателя с впрыском топлива при n _N =4800 мин ^-1

µ₀ = 0,5619/0,5343 = 1,0516.

В цилиндре реального двигателя внутреннего сгорания в сгорании участвует не горючая смесь, а так называемая рабочая смесь, которая состоит из свежего заряда (горючей смеси) и остаточных газов (М_г), то есть части продуктов сгорания, не удаленной из цилиндра в процессе выпуска. Поэтому необходимо определить величину коэффициента молекулярного изменения именно рабочей смеси, учитывающего изменение объема при сгорании рабочей смеси.

Коэффициента молекулярного изменения рабочей смеси (µ)представляет собой отношение общего количества молей газов в цилиндре после сгорания(M₂ + М_г) к числу молей до сгорания (M₁ + М_г):

µ = (M₂ + М_г)/(M₁ + М_г) = (µ₀ +γ_г)/(1+ γ_г), (22)

где М_г – количество остаточных газов.

Так коэффициента молекулярного изменения рабочей смеси(µ):

для карбюраторного двигателя при n _N =5600 мин^-1

µ =( 1,0631+ 0,0424)/(1+ 0,0424) = 1,0605;

для двигателя с впрыском топлива при n_N =4800 мин ^-1

µ =(1,0516 +0,0393)/(1+0,0393) = 1,0496.

В двигателях, работающих при α < 1, имеет место химическая неполнота сгорания топлива из-за недостатка кислорода. Количество теплоты(ΔH_u), потерянное вследствие химической неполноты сгорания определяется по формуле:

ΔH_u = 119950·(1-α)·L_o; (23)

Для карбюраторного двигателя на всех расчетных режимах работы, характерно α < 1, поэтому во всех этих режимах имеет место химическая неполнота сгорания топлива, а для двигателя с впрыском топлива данное явление имеет место лишь на режиме минимальной частоты вращения коленчатого вала, при котором α = 0,967.

Количество теплоты(ΔH_u), потерянное вследствие химической неполноты сгорания для карбюраторного двигателя при n_N =5600 мин^-1и α = 0,96:

ΔH_u = 119950·(1 - 0,96)· 0,5168 = 2479,7503 кДж/кг.

Теплота сгорания рабочей смеси (кДж/ кмоль раб. см.):

при α < 1

Н_раб.см. = (H_u - ΔH_u)/[M₁·(1 + γ_г)], (24)

при α 1

Н_раб.см. = H_u/[M₁·(1 + γ_г)], (25)

Для карбюраторного двигателя при n_N =5600 мин^-1

Н_раб.см.=(43929,5-2479,7503)/[0,5049·(1+ 0,0424)] =78765,5763кДж/кмоль раб.см.;

Для двигателя с впрыском топлива при n_N =4800 мин ^-1

Н_раб.см.= 43929,5/ [0,5343·(1 + 0,0393)] = 79109,7767 кДж/кмоль раб.см.;

Средняя мольная теплоемкость продуктов сгорания (mc_v´´)^tz_to определяется как теплоемкость смеси газов.

При неполном сгорании топлива (α<1) продукты сгорания состоят из смеси углекислого газа, оксида углерода, водяного пара, свободного водорода и азота. При этом

(mc_v´´) = (1/ M₂)·[M + M +M +

+ M + М ]; (26)

При полном сгорании топлива (α 1) продукты сгорания состоят из смеси углекислого газа, водяного пара, азота, а при α >1 и кислорода. При этом

(mc_v´´) = (1/ M₂)·[M + M +

+ М +M ], (27)

где (mc_vi´´) - средняя мольная теплоемкость каждого газа, входящего в смесь, для интервала температур от 1501 до 2800ºС [2;59].

Средняя мольная теплоемкость продуктов сгорания (mc_v´´)^tz_to:

для карбюраторного двигателя

(mc_v´´) = (1/0,5367)·[ 0,0655·(39,123+0,003349t_z) + 0,0057·(22,49+0,00143t_z) +

+ 0,0696·(26,67 + 0,004438t_z) + 0,0029·(19,678 + 0,001758t_z) + 0,3930·(21,951+

+ 0,001457t_z)] = 24,6521 + 0,002076t_z кДж/(кмоль·град.);

для двигателя с впрыском топлива

(mc_v´´) = (1/0,5619)·[ 0,0713·(39,123+0,003349t_z) +0,0725·(26,67+ 0,004438t_z)+

+ 0,4163·(21,951+ 0,001457t_z) + 0,0018·(23,723 + 0,001550t_z)] = 24,7445 +

+ 0,002082t_z кДж/(кмоль·град.);

Коэффициент использования теплоты (ξ_z). Коэффициент использования теплоты (ξ_z) выражает долю низшей теплоты сгорания топлива, используемую на повышение внутренней энергии газа и на совершение работы.

Величина коэффициента (ξ_z) принимается на основе экспериментальных данных в зависимости от режима работы двигателя [2;106,107]. Так для карбюраторного двигателя при n_N =5600 мин^-1 величина коэффициента ξ_z=

= 0,9062, а для двигателя с впрыском топлива при n_N = 4800 мин ^-1 величина коэффициента ξ_z = 0,9917.

Температура в конце видимого процесса сгорания (T_z). Температуру в конце видимого процесса сгорания (T_z) можно определить, решив следующее уравнение:

ξ_z·Н_раб.см + (mc_v´) t_с = µ(mc_v´´) ·t_z . (28)

Подставляя в данное уравнение числовые значения всех известных параметров, и сделав преобразования, получим уравнение второго порядка:

для карбюраторного двигателя при n_N =5600 мин^-1

0,9062·78765,5763 + 22,0323·510 = 1,0605·(24,6521 + 0,002076t_z)·t_z ,

или 0,002202t²_z + 26,14355t_z – 82609 = 0,

откуда t_z = 2593ºС; T_z = t_z + 273 = 2866 К;

для двигателя с впрыском топлива при n_N =4800 мин ^-1

0,9917·79109,7767 + 21,9966·498 =1,0496·(24,7445 + 0,002082t_z)· t_z ,

или 0,002185t²_z + 25,9718t_z– 89407,4645 = 0,

откуда t_z = 2788ºС; T_z = t_z + 273 = 3061 К.

Максимальное давление(p_z, МПа) в конце сгорания и степень повышения давления (λ) определяются по следующим формулам:

p_z= p_c·µ· T_z /Т_c; (29)

λ = p_z / p_c; (30)

для карбюраторного двигателя p_z= 1,9649·1,0605·2866/783 = 7,6295 МПа; λ =

= 7,6295/1,9649 = 3,8829;

для двигателя с впрыском топлива p_z= 2,0065·1,0496·3061/771= 8,3613 МПа; λ = =8,3613/2,0065 = 4,1671.

Максимальное действительное давление(p_zд, МПа) в конце сгорания можно определить по формуле:

p_zд = 0,85·p_z; (31)

для карбюраторного двигателя p_zд = 0,85·7,6295 = 6,4851МПа;

для двигателя с впрыском топлива p_zд = 0,85·8,3613 = 7,1071МПа.

Значения всех рассчитанных параметров процесса сгорания для принятых четырех расчетных режимов работы двигателей приводятся в таблице 4.

Параметры процесса сгорания. Таблица 4.

Параметр	Единицы измерения	Карбюраторный двигатель
n	об/мин	950	3400	5600	6000
µ0		1,1162	1,0631	1,0631	1,0631
µ		1,1110	1,0607	1,0605	1,0605
ΔHu	кДж/кг	12398,7517	2479,7503	2479,7503	2479,7503
Нраб.см	кДж/кмоль раб.см.	71324,243	78998,854	78765,576	78670,574
(mcv´´)	кДж/кмоль·град	24,0544+ +0,002004tz	24,6421 + 0,002076tz
ξz		0,80	0,9270	0,9062	0,890
tz	ºС	2165	2643	2593	2557
Tz	К	2438	2916	2866	2830
pz	МПа	7,8463	8,5977	7,6295	7,3372
pzд	МПа	6,6694	7,3081	6,4851	6,2367
λ		3,4559	3,9401	3,8829	3,8328
Параметры	Единицы измерения	Двигатель с впрыском топлива
n	об/мин	850	3000	4800	5800
µ0		1,0612	1,0520	1,0516	1,0516
µ		1,0587	1,0501	1,0496	1,0495
ΔHu	кДж/кг	2045,794	0	0	0
Нраб.см	кДж/кмоль раб.см.	79006,318	79856,243	79109,777	78940,9

Продолжение таблицы 4.

Параметр	Единицы измерения	Двигатель с впрыском топлива
n	об/мин	850	3000	4800	5800
(mcv´´)	кДж/кмольград	24,6708 + +0,00208tz	24,7642 + +0,00209tz	24,7445+0,002082tz
ξz		0,870	0,973	0,9917	0,9917
tz	ºС	2514	2766	2788	2785
Tz	К	2787	3039	3061	3058
pz	МПа	8,7498	9,0638	8,3613	7,7325
pzд	МПа	7,4374	7,7042	7,1071	6,5726
λ		3,8518	4,1284	4,1671	4,1519