Методы расчета основных параметров процесса сгорания

 

Процесс сгорания сопровождается чрезвычайно сложными физико-химическими явлениями, которые развиваются в зависимости от большого числа трудно учитываемых факторов. Это обстоятельство очень усложняет математическое описание процесса, поэтому в настоящее время нет практически приемлемого метода точного расчета не только текущих, но и конечных его параметров. Необходимые при расчете рабочего цикла параметры конца сгорания обычно получают в результате простого термодинамического расчета, выполняемого по идеализированной схеме и дающего только общее приближение к действительным условиям. Основной недостаток этого метода состоит в том, что он не учитывает действительного закона тепловыделения, подменяя его подводом теплоты при простых термодинамических процессах (изохорном и изобарном) с введением эмпирических поправочных коэффициентов.

Расчет процесса сгорания состоит из двух разделов - термохимического и термодинамического.

 

Термохимические соотношения при сгорании

 

Количество воздуха, необходимое для сгорания топлива, можно установить из стехиометрических уравнений химических реакций.

В итоге, сгорание углеводородного топлива описывается следующими уравнениями:

С + О₂ = СО₂ ,                                               (2.2.1)

2С + О₂ = 2СО ,                                              (2.2.2)

2Н₂ + О₂ = 2Н₂О.                                            (2.2.3)

Принимая во внимание атомные и молекулярные веса элементов и выражая газообразные компоненты в молях, можно получить соответственно

12 кг С + 1 моль О₂ = 1 моль СО₂;                             (2.2.4)

24 кг С+ 1 моль О₂ = 2 моль СО,                               (2.2.5)

4 кг Н₂+ 1 моль О₂ = 2 моля Н₂О.                             (2.2.6)

Из уравнений (2.2.4…2.2.6) определяется количество молей воздуха М_о, теоретически необходимое для полного сгорания 1 кг топлива:

, моль/кг топлива                    (2.2.7)

где 0,21 — объемное содержание кислорода в воздухе;

С, Н, О — весовая доля углерода, водорода и кислорода в элементарном составе топлива.

Элементарный состав топлива можно принять для бензина – С  = 0,855 и  Н = 0,145.

Действительное количество воздуха М, участвующее в сгорании, обычно не равно теоретическому М_о и составляет

M = αM_o, (моль/кг топлива)                               (2,2,8)

где α – коэффициент избытка воздуха при сгорании.

Для карбюраторных двигателей α = 0,8-1,15 в зависимости от режима работы. При расчете рабочего процесса обычно принимается α = 0,85…0,9.

Число молей свежего заряда, поступившего в цилиндр за время впуска в двигателях с внешним смесеобразованием

,(моль/кг топлива)                           (2,2,9)

где μ_Т – молекулярный вес паров топлива (μ_Т = 114 кг/моль);

в двигателях с внутренним смесеобразованием

М₃ = М = α М₀ (моль/кг топлива)………………..(2.2.10)

Число молей продуктов сгорания, образующихся при сгорании 1 кг топлива, также определяется из уравнений (2.2.4…2.2.6).

Если сгорание происходит при α > 1, то число молей продуктов сгорания равно

_МГ = М_СОг + М_Нг0 + М_N2 + М_Ог (моль/кг топлива).           (2.2.11)

 Из уравнений (2.2.4) и (2.2.6) следует, что

Число молей азота при сгорании не изменяется, поэтому

M_N2=0,79M = 0,79α M₀ .

Число молей избыточного кислорода равно

М_Ог=0,21 (M - М_o) = O,21 М_о (a- 1).

Подставляя найденные количества компонентов продуктов сгорания в уравнение (2.2.11), получим

М_г =                        (2.2.12)

или, учитывая уравнение (2.2.7), получим окончательно число молей продуктов сгорания при α > 1

М_г =  (моль/кг топлива).                     (2.2.13)

В случае сгорания с недостатком воздуха (α < 1) часть углерода и водорода окисляется не полностью и в продуктах сгорания присутствуют окись углерода и свободный водород:

М_Г = М_СО2 + М_CO + М_Н20 + М_Н2+ М_N2 (моль/кг топлива). (2.2.14)

Предполагая, что неполному окислению подвергаются доли углерода и водорода, оцениваемые коэффициентами φ и φ₁ можно записать

 и .

Тогда число молей продуктов полного окисления будет равно

 и

Число молей азота остается равным

M_N2 = 0,79αM₀.

Общее количество продуктов сгорания в этом случае будет равно

              (2.2.15)

или после преобразования

 (моль/кг топлива)            (2.2.16)

Как видно из уравнений (2.2.2) и (2.2.3), в реакциях неполного окисления углерода и частичного сгорания водорода происходит удвоение числа молей газов. Поэтому число молей продуктов сгорания в этом случае оказывается больше числа молей свежего заряда. Это увеличение тем больше, чем больше продуктов неполного окисления углерода, т.е. чем меньше коэффициент избытка воздуха α.

Отношение числа молей М_Г к М₃ называется коэффициентом молекулярного изменения горючей смеси

                                                (2.2.17)

Действительное изменение числа молей будет несколько меньшим из-за наличия в цилиндре остаточных газов, определяемых величиной γ_г.

Поэтому коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси равен

                                          (2.2.18)

Учитывая, что   получим

                                              (2.2.19)

Увеличение числа молей, а следовательно, и объема продуктов сгорания способствует дополнительному повышению давления при выделении теплоты и увеличивает работу расширения газов.

Обычно для двигателей с принудительным воспламенением β = 1,07 – 1,1.

 

---

Дата добавления: 2018-05-13; просмотров: 391; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!