Теоретически необходимое количество воздуха
Процесс сгорания
Процесс сгорания является основным процессом рабочего цикла двигателя, в течение которого теплота, выделяющаяся вследствие сгорания топлива, идет на повышение внутренней энергии рабочего тела и на совершение механической работы.
Действительное изменение давления в цилиндрах двигателя характеризуется кривой c/fc//zd.
Карбюраторный двигатель Дизельный двигатель
Характерные точки:
С/ - начало подачи искры (впрыска);
С/f – I фаза, период задержки воспламенения;
C – теоретическое значение давления в конце сжатия;
fC// - II фаза – период быстрого сгорания;
C//Zd – III фаза – период продолжения горения;
Zd – действительное значение давления в конце сгорания.
Для упрощения термодинамических расчетов принимают, что процесс сгорания в двигателе происходит для:
– карбюраторный двигатель по прямой СС//Z/ (при V = const);
– дизельный двигатель по прямой СС//Z/Z (при V = const и P =const);
Целью расчета процесса сгорания является определение температуры Tz и давления Pz в конце видимого горения, расчет ведется для количества газов (в кмолях), полученных при сгорании 1 кг жидкого топлива.
Температуру газа Tz в еонце сгорания определяют на основе первого закона термодинамики, согласно которому
dQ =dU + dL или Q = ∆U + L
(Тепло Q расходуется на изменение внутренней энергии и совершение работы).
Применительно к двигателям это уравнение можно представить в следующем виде
|
|
|
ξ Qн = Uz – Uc + Lcz – (при сгорании с 
)
ξ (Qн– ∆Qн) = Uz – Uc + Lcz – (при сгорании с 
)
где Qн – удельная низшая теплота сгорания топлива, кДж/кг;
Qн = 44 
– бензин
Qн = 42,5 – дизельное топливо
[Низшая теплота сгорания топлива – количество теплоты, полученной при сгорании единицы топлива, за вычетом теплоты, выделившейся при конденсации водяного пара]
ξ – коэффициент использования теплоты на участке видимого сгорания.
здесь ∆Qн – потеря части теплоты из-за химической неполноты сгорания топлива
при ; ∆Qн = 119950 (1-α)L0 
.
Qп – потеря теплоты на участке cz вследствие теплоотдачи, догорании топлива на такте расширения.
L0 – теоретически необходимое количество воздуха, 
Коэффициент ξ характеризует ту часть низшей теплоты сгорания топлива, которая используется на повышение внутренней энергии и на совершение работы.
ξ = 0,85…0,95 – карбюраторный двигатель.
ξ = 0,75…0,85 – дизель с неразделенной камерой сгорания.
ξ = 0,70…0,80 – дизель с разделенной камерой сгорания.
Внутренняя энергия газов в конце видимого сгорания, кДж
где M2 + Mr – число молей газов в точке Z (смесь продуктов сгорания топлива Mr от предыдущего цикла);
|
|
|
– средняя мольная теплоемкость газов после сгорания (точка Z) при V = const, 
.
Внутренняя энергия рабочей смеси в конце сжатия, кДж
, Ма = Мс
где M1 + Mr = Мс – число молей газов в точке С (смесь свежего заряда М1 с остаточными газами Мr от предыдущего цикла)
– средняя мольная теплоемкость рабочей смеси (св. заряд + отработ. газы) в конце процесса сжатия (точка С) при V= const,
Подставляя Uz и Uc в уравнение, получим уравнение сгорания:
а) – для карбюраторного двигателя ( 
) при 
или
– уравнение сгорания
б) – для карбюраторного двигателя ( 
) 
– уравнение сгорания
в) для дизельного двигателя 
– работа изобарного процесса расширения
; 
; 
Тогда 
Характеристическое уравнение для смесей в точке z и c
pzvz=8.315MzTz ; pcvc=8.315McTc
Тогда
После подстановки в баланс для дизельного двигателя
– уравнение сгорания.
Чтобы определить составные этого уравнения, необходимо найти количественный состав участвующих в реакции газов.
Разделив все части трех уравнений на Мс и учитывая, что 
– коэффициент молярного изменения рабочей смеси, а количество рабочей смеси в начале и в конце сжатия постоянно, т.е.
– коэффициент остаточных газов.
Получим в окончательном виде уравнение сгорания для двигателей (разделив на Мс)
|
|
|
а) карбюраторного
б) карбюраторного
в) дизельного 
т.к. 
, то имеем
Рабочая смесь + остаточные газы
Определение теплоемкостей газов
– средняя молярная теплоемкость газов рабочей смеси в конце процесса сжатия (точка С) и 
– средняя мольная теплоемкость продуктов сгорания (точка Z) – переменные величины. Они зависят от Тс и Тz т. е. 
; 
и от элементарного состава топлива и от состава смеси (т. е. α)
В расчетах с некоторым допущением принимают как средневзвешенную величину теплоемкостей: воздуха 
т.е. без учета влияния паров топлива в двигателях и остаточных газов
, вынесем М1
где: 
– теплоемкость воздуха берется для данных Тс по справочным данным [ 
]
– ср. мольная теплоемкость остаточных газов, может быть определена:
а) непосредственно по справочной литературе (в зависимости от α) [1, табл. 7,8 с. 18].
б) по элементарному составу топлива.
может быть определена (как средневзвешенная величина составляющих продуктов сгорания
где: 
– средняя мольная теплоемкость отдельных компонентов сгорания определяется: по справочным таблицам [1, табл.5] или
б) по эмпирическим формулам 
[1, табл.6] в интервале температур 1…15000С., т.е. общий вид зависимостей
|
|
|
например: для СО
Мi – число молей газов, составляющих продукты сгорания;
– средняя мольная теплоемкость продуктов сгорания определяется по формуле *** (как средневзвшенная теплоемкость продуктов сгорания):
эти зависимости берутся из тех же таблиц [1,табл.6], но в интервале
t = 1501 … 28000С
например: для СО; 
Тогда величина 
будет функцией Тz , т.е.
(Tz = tz+273)
После подстановки в уравнение горения значения теплоемкостей и будем иметь уравнение второго порядка вида
Где А, В, С – главные значения известных величин.
Оттуда решив квадратное уравнение, получим:
При определении максимальной температуры цикла Tz на основе уравнений сгорания задаются значениями ξ (коэффициент использования теплоты), а для смешанного цикла и λ (степень повышения давления).
λ=3…4 – для карбюраторного двигателя.
λ=1,6…2,5 – дизельного с неразделенными камерами сгорания и объемн. смесеоб.
λ=1,2…1,8 – дизельного с разделенными камерами сгорания и пленочным смесеоб.
λ=1,2…2,5 – определяют допустимыми значениями, температур и давления в конце сгорания.
Определение величины PZ в конце сгорания зависит от характера цикла:
а) для двигателей, работающих с подводом теплоты при V = const, давление МПа
степень повышения давления λ определяется 
где µ – коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси,
б) для двигателей, работающих по циклу со смешанным подводом теплоты при V=const и P= const
, λ – задаются, тогда
степень предварительного расширения ( 
)
, или 
(для дизеля)
из характеристического уравнения:
pv=RT
pv=8.315MT
ρ – для дизелей ρ=1,2…1,7
Объем, освобождаемый поршнем в процессе предварительного расширения:
Vz-Vc=Vc (ρ-1)
Действительное давление Определение действительных точек:
а) для дизельного двигателя (подвод тепла V=const);
б) для дизельного двигателя (подвод тепла V=const ;P=const)
Карбюраторный Дизельный
ТZ = 2400…29000 K TZ = 1800…23000K
PZ = 3.5…7.0 MПа PZд = PZ = 5…12 МПа
Более низкие значения TZ для дизелей является следствием большого λ (большие потери на нагрев воздуха), меньшим ξдиз, частичного использования теплоты на совершение работы в процессе предварительного расширения.
Термохимические соотношения
Теоретически необходимое количество воздуха
Состав топлива задается массовым или объемным содержанием основных элементов: С – углерод; Н – водород; ОТ – кислород топлива (кг)
В топливе присутствует также S – сера, N– азот и элементы химических соединений в виде антидетонационных, противодымных и др.
Теоретически необходимое количество кислорода для сгорания 1 кг топлива и полученное при этом количество продуктов сгорания можно рассчитать на основе химических реакций сгорания С и Н
Для одного кг жидкого топлива массовые доли отдельных составляющих химических элементов
С + Н + О = 1
| Жидкое топливо | С | Н | ОТ |
| Бензин | 0,855 | 0,145 | - |
| Дизельное топливо | 0,870 | 0,126 | 0,004 |
Химические реакции С с кислородом О в случае полного сгорания
а) в массовом выражении:
С+О2 = СО2 (если только масса m = 12; m0 = 16 ), то
12 кг (С) + 32 кг (О2) = 44 (СО2)
а для 1 кг углерода (разделим на 12)
1 кг (С) + 8/3 кг(О2) = 11/3 кг (О2)
Для С кг углерода С кг(С) + (8/3)С кг (О2) = (11/3) С кг (СО2)
Если б) в молях: 1кмоль С + 1 кмоль О2 =1кмоль СО2
или: 12 кмоль С + 1кмоль = 1кмоль СО2
для 1 кг: 1кгС +1/12кмольО2 = 1кмоль СО2
для С кг углерода: Cкг С + (С/12)кмоль О2 = (С/12) кмольСО2
Реакция сгорания водорода:
2Н2 + О2 = 2Н2О.
Весовое 4 кг Н2 + 32 кг О2 = 36 кг Н2О.
Н кг (Н) + 8Н кг (О2) = 9Нкг Н2О.
Мольное: (в молях) 2 кмоль Н2 + 1 кмоль О2 = 2 кмоль Н2О.
4 кмоль Н2 + 1 кмоль О2 = 2 кмоль Н2О
для 1 кг Н: 1 кг Н2 +1/4 кмоль О2 = 1/2 кмоль Н2О
Для Нкг Н: Н кг Н2 + (Н/4) О2 =(Н/2) кмоль Н2О
Поэтому для сгорания 1 кг топлива потребуется 8/3 С + 8 Н кг кислорода; или С/12 + Н/4 – кмоль кислорода
и если учесть От , и массовое содержание О2 в воздухе, то: в массовом выражении
или в молях (учитывая объемное содержание О в воздухе)
в мольном выражении
где l0 – теоретически необходимое количество воздуха в кг для сгорания 1 кг топлива,
L0 – теоретически необходимое количество воздуха в кмоль для сгорания 1 кг топлива,
0,23 – массовое содержание кислорода в 1 кг воздуха;
0,21 
0,208 – объемное содержание кислорода в 1 кмоль воздуха
Причем 
где µв = 28,96 
– масса 1 кмоль воздуха
Количество воздуха, участвующего в процессе сгорания может быть больше (>) или (<) теоретического.
Коэффициент избытка воздуха
– отношение действительного количества воздуха (l1 или L1) к теоретически необходимому количеству воздуха (l0 или L0) для полного сгорания топлива
Ориентировочное значение α:
α = 0,75…0,95 – карбюраторные двигатели;
α = 1,5…1,8 – дизельные с нераздельными камерами сгорания;
α = 1,45…1,55 дизельные с пленочными смесеобразователями;
α = 1,25… 1,45 дизельные с наддувом.
Дата добавления: 2021-04-05; просмотров: 91; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!