§ 4. Процес згоряння

Процеси сумішоутворення та згоряння у ДВЗ будуть ще розглянуті окремими темами, а у цьому пункті розглянемо розрахунок процесу згоряння (c-z на рис. 2).

Ціль розрахунку — визначення температури і тиску наприкінці згоряння, а також об`єму V_z для циклів зі змішаним підведенням теплоти і з підведенням теплоти при постійному тиску.

У загальному випадку відповідно до першого закону термодинаміки можна записати наступне рівняння:

(H_U - ΔH_U) - Q_втр = (U_z - U_c) + L_cz чи ζ_z(H_U - ΔH_U) = (Uz - Uc) + Lcz

де:

Q_втр. — втрати теплоти внаслідок тепловіддачі, догоряння палива на лінії розширення та дисоціації;

ζ_z — частка нижчої теплоти згоряння палива, що використовується на підвищення внутрішньої енергії газу (U_z - U_c) та на здійснення роботи L_cz;

U_z, U_c — внутрішня енергія газу до і після згоряння;

L_cz — теплота, що еквівалентна роботі газу в процесі згоряння (для ДВЗ, що працюють за циклом Отто, L_cz =0).

Чисельне значення ζ_z лежить у межах:

• ζ_z = 0,8–0,95 для карбюраторних бензинових двигунів;

• ζ_z = 0,9–0,96 для бензинових з електронним впорскуванням;

• ζ_z = 0,7–0,88 для дизелів з нерозділеною камерою згоряння;

• ζ_z = 0,65–0,8 для дизелів з розділеною камерою згоряння;

• ζ_z = 0,8–0,85 для газових двигунів;

• ζ_z = 0,75–0,8 для газодизелів.

Після перетворень рівняння згоряння прийме вид:

а) для двигунів з підведенням теплоти при V = const (бензинові і газові):

ζ_z · H_{роб.сум}. + (mcV’)t0tc · t_c = µ · (mcV’’)t0tz · t_z;

б) для двигунів зі змішаним підведенням теплоти (дизелі і газодизелі):

ζ_z · H_{роб.сум}. + [(mcV’)t0tc + 8,314λ] · t_c + 2270(λ - µ) = µ · (mcP’’)t0tz · t_z;

де:

l — ступінь підвищення тиску, l = p_z / p_c. Для розрахунку температури згоряння t_z дизельних двигунів рекомендується приймати попереднє значення в межах l = 1,6–2,5 для дизелів з нерозділеною камерою згоряння й об’ємним сумішоутворенням, l = 1,2–1,8 для дизелів з розділеною камерою згоряння і для дизелів з нерозділеною камерою згоряння і плівковим сумішоутворенням, l = 1,4 для дизелів з наддувом, l = 1,8–2,5 для газодизелів;

(mcV’’)t0tz — середня мольна теплоємність продуктів згоряння при постійному об’ємі, кДж/(кмоль×К);

(mcP’’)t0tz — середня мольна теплоємність продуктів згоряння при постійному тиску, кДж/(кмоль×К).

В обидва з цих рівнянь входять дві невідомі величини — (mcV’’)t0tz чи (mcP’’)t0tz і шукана температура t_z. Вирішити ці рівняння можна двома способами:

1) методом послідовних наближень. При цьому за допомогою табличних значень, орієнтовно задаючи t_z (діапазон значень — таблиця 2) і знаючи α, вибирають (mcV’’)t0tz чи (mcP’’)t0tz і вирішують рівняння згоряння, визначаючи t_z. Потім, використовуючи його отримане значення, уточнюють (mcV’’)t0tz чи (mcP’’)t0tz і знову визначають t_z. Процес ітерації проводиться доти, поки відмінність двох послідовних визначених значень t_z буде менш 25°C. При використанні таблиць варто застосовувати операцію інтерполяції, оскільки таблиці складені з шагом 100°C.

2) визначають (mcV’’)t0tz чи (mcP’’)t0tz у такий спосіб:

- середню мольну теплоємність продуктів згоряння при постійному об’ємі (mcV’’)t0tz, кДж/(кмоль×К), визначають за формулою:

(mcν’’)t0tc=1M2∑Mi(mcνi’’)t0tz

де:

(mcVi’’)t0tz – середні мольні теплоємності компонентів, кДж/(кмоль×К);

- середню мольну теплоємність продуктів згоряння при постійному тиску (mcP’’)t0tz, кДж/(кмоль×К), визначають за формулою:

(mcP’’)t0tc=8,314+1M2∑Mi(mcνi’’)t0tz

При цьому, оскільки величина t_z невідома, у формулах t_z залишається перемінною. Усе вираження підставляється в рівняння згоряння, яке після всіх можливих обчислень і перетворень приймає вид:

At_z² + Bt_z - C = 0;

де:

А, В, С — числові значення відомих величин.

Тоді

tz=-B+B2+4⋅A⋅C2A;

T_z = t_z + 273

Значення l для бензинових і газових двигунів визначається після обчислення температури t_z і звичайно лежить в інтервалі l = 3,2–4,2 для бензинових ДВЗ; l = 3–5 для газових.

Тиск наприкінці процесу згоряння р_z, МПа:

• для бензинових і газових двигунів:

pz=μ·pc·TzTc;

λ=pzPc;

p_z∂ = 0,85p_z

• для дизелів і газодизелів:

p_z = λp_c

ρ=μλ·TzTc

p_z∂ = p_z

де:

р_z∂ — дійсний тиск наприкінці згоряння, МПа;

ρ — ступінь попереднього розширення.

Звичайно для дизельних двигунів r = 1,2–1,7. Якщо в результаті розрахунків отримано r < 1, то необхідно зменшити значення l і заново обчислити температуру t_z.

Орієнтовні значення параметрів суміші наприкінці згоряння зазначені у таблиці 2.

Таблиця 2 Параметри суміші наприкінці згоряння
Тип двигуна	Тиск наприкінці згоряння	Температура наприкінці згоряння
Бензинові	рzд = 3,0–6,5 МПа	Тz = 2400–3100 К
Дизельні	рzд = 5–12 МПа  з наддувом рzд ≤ 15 МПа	Тz = 1800–2300 К
Газові	рzд = 2,5–4,5 МПа	Тz = 2200–2500 К
Газодизелі	рzд = 6–12 МПа	Тz = 2000–2300 К