Термохимия процесса сгорания дизельного топлива

Элементарный состав 1 кг жидкого нефтяного топлива может быть представлен равенством

1 кг топлива = с_кг С+ h_кгН + s_кгS + o_кгО,

где С, Н, S, О – химические символы углерода, водорода, серы и кислорода; c, h, s, o – массовые доли соответственно углерода, водорода, серы и кислорода в 1 кг топлива.

В расчетах рабочего цикла принимается следующий условный состав дизельного топлива: с = 0,87; h = 0,126; о = 0,004.

Количество кислорода, необходимое для сгорания 1кг топлива:

с/12 + h/4 + s/32 - o/32 кмоль О₂/1кг топл, (16)

где o/32 - количество кмоль кислорода, которое не потребуется для реакции горения, так как содержится в самом топливе.

Если учесть, что в единице объема (или 1 кмоля) сухого воздуха содержится 21% кислорода, то для сжигания 1 кг топлива потребуется следующее количество воздуха:

L_o = 1/0,21 (с/12 + h/4 + s/32 - o/32) = 0.495 кмоль возд/1 кг возд. (17)

То же количество воздуха в килограммах на 1 кг топлива:

L =m_вL_o = 14,331 кг возд / кг топлива, (18)

где m_в=28,97 – молекулярная масса воздуха, кг/кмоль.

Коэффициентом избытка воздуха для сгорания называется отношение действительного количества воздуха L, вводимого в цилиндр двигателя на 1кг топлива, к теоретически необходимому L_о ,

a = , (19)

где G_a- часовое количество воздуха кг/ч, затраченного на горение часового расхода топлива G_m , кг/ч.

При сгорании топлива с a конечные продукты реакции состоят из газообразных СО₂, SO₂ и паров воды, а также из азота и избыточного кислорода воздуха:

М= Мсо₂ + Мн₂о + Мso₂ + M_N2 + Мо₂ . (20)

В расчетах рабочего цикла общее количество кмоль продуктов сгорания М удобно делить на две части: количество кмоль “чистых” продуктов сгорания (на окисление компонентов топлива при этом затрачено теоретически необходимое количество воздуха L_o)

Мсо₂ + Мн₂о + Мso₂ + M_N2 = с/12 + h/2 + s/32 + 0.79L_o, (21)

где 0,79 L_o – количество кмоль азота М_N2 , которое остается в продуктах сгорания при a=1;

количество L_o(a-1) кмоль избыточного воздуха, состоящего из 0,21 L_o(a-1) кмоль кислорода Мо₂ и 0,079L_o(a-1) кмоль азота М_N2. Тогда общее количество кмоль продуктов сгорания будет:

М = с/12 + h/2 + s/32 + L_o(a - 0,21) . (22)

В дизелях количество впрыскиваемого в цилиндры топлива пропорционально нагрузке, а количество поступающего воздуха в меньшей степени зависит от нагрузки. Следовательно, с уменьшением нагрузки a увеличивается, что ведет к резкому падения процентного содержания СО₂ и Н₂О в продуктах сгорания, тогда как объемное содержание азота мало зависит от a.

Известно, что суммарное число молей (объем) продуктов сгорания больше, чем суммарное число молей кислорода, необходимого для сжигания 1 кг топлива. Приращение числа молей при сгорании составляет

DМ = М – L = M - aL_o . (23)

При a=1 DМ = . (24)

Таким образом, при сгорании углеводородного топлива число молей конечных продуктов больше числа молей исходных газообразных продуктов на величину DМ = (8h+o)/32, т.е. приращение происходит исключительно за счет окисления водорода и наличия в топливе некоторого количества кислорода; масса конечных продуктов сгорания (G_r , кг) равна массе исходных продуктов (воздух и топливо, кг):

G_r =G_в + G_т .

Теоретическим коэффициентом молекулярного изменения b₀ называется отношение количества молей продуктов сгорания М к количеству молей свежего заряда L.

b₀ = M/L=M/aL_o . (25)

Используя уравнение (21) получим М=L +DМ и

b₀ = ,

а для топлива среднего (расчетного) состава b₀ = 1 + 0.064/a.

Текущее значение коэффициента молекулярного изменения можно получить, если через x обозначить долю топлива, сгоревшего к данному моменту процесса от цикловой подачи топлива, тогда число молей продуктов сгорания в рассматриваемый момент будет

Мх = L + DМх.

Тогда текущее значение b_х определится из выражения:

b_х = ,

DМ /L = b -1 ,

следовательно,

b_х = 1 + . (26)

Значения b_х для процесса сгорания (0 <х<1) изменяются в следующих пределах: х=0, b_х=1; и х=1, b_х=b.

Теплоемкость газов в цилиндре дизеля изменяется вместе с изменением температуры и состава смеси. Пользоваться истинными теплоносителями в расчетах неудобно, поэтому применяют среднюю мольную теплоемкость. Средние мольные теплоемкости вычисляются по формулам.

а +вТ; =R_m+ .

Для воздуха 19,26 + 0,00251Т кДж/(кмоль·К);

Для «чистых» продуктов сгорания (a=1 )

= 20,473 + 0,0036Т кДж/(кмоль·К) (27)

В результате сгорания топлива при a>1 в цилиндре образуется смесь газов, которую можно рассматривать как смесь «чистых» продуктов сгорания (a=1) в количестве (L_o + DМ)х кмоль и избыточного воздуха в количестве (aL_o-L_oх) кмоль.

Количество остаточных газов в цилиндре М_r невелико и можно принять, что они также состоят из двух частиц: М_r /a кмоль «чистых» продуктов сгорания и (М_r - М_r /a) – кмоль воздуха в остаточных газах.

Общее количество «чистых» продуктов сгорания в цилиндрах с учетом доли сгоревшего топлива х будет равно

L_o x + DМ_х + М_r /a = L_o ,

где DМ / L_o =0.064 для топлива расчетного состава.

Общее количество воздуха в цилиндре в тот же момент будет равно

aL_o – L_o x + M_r - М_r /a = L_o [a(1+g_r)-(x+g_r)].

Теплоемкость смеси газов в цилиндре определяется по правилу смешения:

. (28)

При подстановке в формулу (28) значений х, a, g_r и уравнений по формуле (27) она приводится к виду: .

Процессы газообмена

Изучаемые вопросы:

Назначение процессов газообмена и их протекание. Показатели, оценивающие их качество

Для осуществления рабочего цикла в поршневом двигателе необходимо удалить из цилиндра образовавшиеся продукты сгорания и ввести свежий заряд топливовоздушной смеси. Процессы впуска и выпуска взаимосвязаны. Количество поступившего заряда зависит от качества очистки цилиндра двигателя.

На рис.6 представлен процесс выпуска-наполнения цилиндра двигателя. После открытия впускного клапана, когда давление в цилиндре станет ниже давления окружающей среды на DРа, начинается впуск свежего заряда.

Процесс выпуска начинается за 40…60^○п.к.в. до НМТ (точка 1), с этого момента и до НМТ происходит свободный выпуск отработавших газов вследствие разности давлений в цилиндре Рr и на выпуске Ро.

Рис. 6. График выпуска-наполнения цилиндра

Последующая очистка производится выталкиванием газов, двигающихся к ВМТ, поршнем. Выпускной клапан закрывается через 15…30^○п.к.в. после ВМТ (точка 2), впускной клапан открывается за 10…20^○п.к.в. до ВМТ (точка 3).

При движении отработавших газов через выпускной клапан за счет их эжектирующего действия под выпускным клапаном образуется разрежение. При перекрытии клапанов, т. е. одновременном открытии впускных и выпускных клапанов, в цилиндр поступает свежий заряд при одновременном удалении остаточных газов.

При наддуве топливовоздушную смесь в двигателе с внешним смесеобразованием вводят в цилиндр после предварительного сжатия в компрессоре.

Процесс наполнения цилиндра рабочим телом находится в зависимости от целого ряда факторов, которые связаны с гидродинамической и тепловой его сущностью, а также с конструктивными особенностями. В результате влияния этих факторов действительное количество горючей смеси, поступившее в цилиндр за период наполнения, не равно тому количеству, которое могло бы заполнить объем цилиндра V_s при условиях окружающей среды (Р_о и Т_о).

Первым и основным фактором, отражающимся на количестве рабочего тела, поступающего в цилиндр четырехтактного двигателя, работающего без наддува, является перепад давлений DР_а.

Давление Р_а в цилиндре четырехтактного двигателя в период наполнения всегда меньше, чем давление окружающей среды Р_о, ибо для создания скорости протекания засасываемого газа через впускные клапаны, а также преодоления сопротивления в клапанах и во впускном трубопроводе нужна некоторая разность давления DР_а=Р_о-Р_а. Разрежение DР_а создается в четырехтактном двигателе благодаря ходу поршня от ВМТ в период всасывания. В двухтактном двигателе давление продувочного воздуха р_int также понижается на величину Dр_int за счет сопротивления продувочных органов.

В результате плотность поступившего заряда в конце впуска меньше, чем та, которая соответствовала бы давлению Р_о.

Горючая смесь, поступающая в рабочий цилиндр, соприкасается с внутренними поверхностями цилиндра (днище поршня, крышка, клапаны, стенки цилиндра), температура которых выше температуры окружающей среды. Поэтому заряд подогревается от этих поверхностей, что уменьшает его плотность. Подогрев оценивается разностью температур DТ и является вторым фактором, уменьшающим количество действительного заряда, поступившего в цилиндр.

Третьим фактором является невозможность полного удаления из цилиндра продуктов сгорания предыдущего цикла. В двигателях некоторое количество остаточных газов остается после выпуска в объеме сжатия V_c.

В двухтактных двигателях количество остаточных газов зависит от качества продувки и может варьироваться в широких пределах. Остаточные газы имеют температуру T_r и давление Р_r , которые превышают одноименные параметры окружающей среды.

Остаточные газы, занимая часть объема, уменьшают количество свежего заряда. Повышенное давление остаточных газов сокращает продолжительность впуска, так как начальная часть хода поршня от ВМТ теряется на расширение до давления Р_о . При смешении происходит подогрев свежего заряда и охлаждение остаточных газов. Подогрев уменьшает плотность заряда, а охлаждение остаточных газов уменьшает их объем. Температура смеси к концу периода наполнения возрастает, но это не оказывает влияния на количество рабочего тела, поступающего в цилиндр.

Итак, количество свежего заряда, поступившего в цилиндр в процессе наполнения, зависит от следующих факторов:

– гидравлического сопротивления впускной системы, снижающего давление подаваемого заряда;

– наличия в цилиндре некоторого количества остаточных газов;

– подогрева заряда от поверхности стенок системы впуска и внутренней поверхности цилиндра, вследствие чего уменьшается плотность заряда.

При протекании свежего заряда в случае полного открытия дросселя через впускные органы его давления и температуры претерпевают незначительные изменения, что дает право принять приближенно постоянную плотность газа на его пути g = const. Если при этом допущении рассматривать поступление заряда как установившееся движение, то можно применить уравнение Бернулли.

,

где w - скорость потока в узком проходном сечении впускной системы;

Р_а¹ – мгновенное значение давления в цилиндре;

z- коэффициент сопротивления впускной системы.

Тогда DР¹_а = Р_о – Р¹_а = (1+z) ,

т. е. каждый момент потеря давления DР¹а пропорциональна квадрату скорости газа во впускной системе и сильно зависит от z.

Уравнение неразрывности потока дает w·f =c·F,

где f – узкое проходное сечение впускной системы;

F – площадь поршня;

с – скорость поршня в рассматриваемый момент.

w =с F / f ,

а так как скорость поршня пропорциональна частоте вращения коленчатого вала, то w = k n/f , где к – коэффициент пропорциональности, зависящий от размера цилиндра и КШМ, а также от угла п.к.в., тогда перепад давлений DР¹а = кn²/f².

Таким образом, при определенных размерах цилиндра и zразрежение в цилиндре в конце впуска пропорционально n² и обратно пропорционально f².

Для двигателей с количественным регулированием топливной смеси (карбюраторных и газовых) изменение положения дроссельной заслонки изменяет величину z. При работе на малых нагрузках прикрытый дроссель увеличивает сопротивление впуска и, следовательно, величину DР_а. Увеличение g_r вызывает увеличение Р_r и уменьшение e (см. рис. 7).

Подогрев поступающего заряда от нагретых поверхностей (DТ) зависит от оборотов, нагрузки, от преодоления крутящего момента и от условий охлаждения двигателя. Усиленный подогрев при повышении нагрузки двигателя вызван увеличением расхода топлива.

Рис. 7. Влияние сопротивления на наполнение цилиндра

Что касается числа оборотов, то, с одной стороны, частое чередование циклов повышает температуры нагретых поверхностей и, следовательно, сказывается на подогреве воздуха. С другой стороны, продолжительность соприкосновения с нагретыми стенками обратно пропорциональна частоте вращения. Это сказывается более резко, чем повышение температуры стенок, т. е. с увеличением частоты DТ падает.

На степень подогрева влияет размерность цилиндра. При увеличении его диаметра уменьшается относительная величина его поверхности.

Если у карбюраторного двигателя нет специального подогрева впускного коллектора, можно считать, что подогрев рабочей смеси компенсирует потерю тепла на испарение топлива в карбюраторе.

Количество остаточных газов определяется коэффициентом g_r=M_r/М₁,

где M_r – количество остаточных газов, кмоль;

М₁ – количество свежего заряда, кмоль.

Температуру газов в конце наполнения Т_а можно определить из уравнения баланса теплоты до и после смешения

с_vM₁(То + DТ) + с М_rT_r=c (М₁ + М_r)Та .

Так как количество остаточных газов невелико и их теплоемкость не очень отличается от теплоемкости свежего заряда, то разницей в теплоемкостях можно пренебречь.

М₁(То + DТ) + M_rT_r = (M₁ + M_r)Та .

Разделив на М₁ и зная, что g_r = M_r/М₁ , можно написать

Т_о+DТ+g_rT_r =(1+g_r)Т_а, отсюда Т_а = .

Результатом совокупности всех явлений является то, что количество рабочего тела, заполняющее объем V_h при Р_а и Т_а при нормальном процессе наполнения, меньше, чем то количество, которое могло бы находиться в этом объеме при Р_о и Т_о.

Отношение действительного количества заряда, поступившего в цилиндр, к тому, которое могло бы заполнить его при Р_о и Т_о, называется коэффициентом наполнения.

Расчеты показывают, что для двигателей с внешним смесеобразованием разница в коэффициенте наполнения, подсчитанная из условий, что свежим зарядом является воздух или топливовоздушная смесь, незначительна. Поэтому в дальнейшем будем определять коэффициент наполнения h_н по количеству поступающего воздуха.

Свежий заряд, поступивший в цилиндр при Р_о и Т_о , занимает объем, равный h_нV_h. Если привести этот объем к давлению и температуре начала сжатия (Р_а и Т_а), то действительный объем будет равен

М = h_нV_h м³ .

Кроме заряда М в общем объеме цилиндра V_a = V_(h)s + V_c находятся остаточные газы М при Р_а и Т_а. V_a=M .

Иначе ; .

Тогда ; V_h = V_s .

Так что М ; , отсюда независимо от тактности двигателя и способа смесеобразования .

Это выражение коэффициента наполнения показывает, что увеличение степени сжатия вызывает уменьшение коэффициента наполнения. Однако нельзя к этому подходить обобщенно, так как нельзя рассматривать влияние e от g_r, в четырехтактном двигателе увеличение степени сжатия влечет за собой увеличение коэффициента наполнения.

Увеличение числа оборотов двигателя при постоянном положении регулирующих органов приводит к уменьшению коэффициента наполнения, так как уменьшается отношение p_a/p_o при том же давлении р₀ (за счет увеличенной затраты энергии на протекание заряда через впускную систему).

Влияние нагрузки (т. е. крутящего момента) на h_н различно, в зависимости от способа регулирования. При количественном регулировании необходимое изменение количества горючей смеси, поступающей в цилиндр, достигается изменением положения дроссельной заслонки. Тем самым, по мере уменьшения нагрузки (при n = const) возрастает сопротивление впускной системы, и, следовательно, за счет увеличения DР_а снижается h_н .

Увеличение гидравлического сопротивления выпускной системы приводит к тому, что:

– уменьшается полезная площадь индикаторной диаграммы,

– уменьшается коэффициент наполнения h_н,

– увеличивается коэффициент остаточных газов g_r.

Все это приводит к снижению мощности и КПД двигателя.

Как известно, процесс газообмена в четырехтактных дизелях осуществляется главным образом за счет насосных ходов поршня, а в двухтактных – за счет выпуска газов и затем продувки-наполнения цилиндров воздухом с избыточным давлением при положении поршня около НМТ.

Причины, по которым объем цилиндра дизеля, заполненный воздухом, к концу наполнения меньше объема V_s, такие же, как и для карбюраторных двигателей:

– неизбежные потери во впускном тракте DР_к;

– подогрев заряда за счет теплообмена с горячими поверхностями, смешением воздуха с остаточными газами и некоторого повышения температуры в результате торможения воздуха в цилиндре.

Критериями количественной оценки совершенства процессов очистки и наполнения цилиндра служат коэффициент остаточных газов g_r и коэффициент наполнения h_н .

Коэффициентом остаточных газов g_r так же, как и в карбюраторных двигателях, называется отношение количества молей, оставшихся в цилиндре остаточных газов М_r к количеству молей свежего зарядаL, поступившего в цилиндр

g_r = М_r /L .

В четырехтактных дизелях без наддува g_r = 0,04…0,06, с наддувом - g_r = 0,02…0,05.

В двухтактных дизелях g_r = 0,08…0,12 (прямоточная продувка), g_r = =0,15…0,25 (контурная продувка).

Коэффициент наполненияh_н–отношение действительного объема, поступившего в цилиндры и оставшегося к началу сжатия заряда V_кпри давлении и температуре перед впускными органами Р_к и Т_к , к рабочему объему цилиндра V_s.

h_н = V_к / V_s..

(В литературе по карбюраторным двигателям принято обозначать рабочий объем цилиндра V_h, а в дизелестроении – V_s, по сути дела это одно и то же).

Следует обратить внимание на то, что за эталонное принято количество заряда, которое могло бы поместиться только в рабочем объеме V_s(V_h), а не в полном объеме V_a.

Уравнение материального баланса смеси воздуха и остаточных газов в точке а (рис.4)

М_а = L + M_r = L(1+g_r) ,

где L - количество молей воздуха в объеме Vs;

M_r –количество молей продуктов горения от предыдущего цикла;

М_а - количество молей заряда в объеме V_a.

Выразив М_а и L через параметры Р_а , Т_а , V_a , Р_к , Т_к , V_k , из характеристического уравнения получим

М_а = Р_а V_a /R Т_а ; L = R_k V_k /R Т_к.

Получим коэффициент наполнения для четырехтактного дизеля

h_н = .

Коэффициент наполнения, отнесенный к полному ходу поршня V_s , для двухтактных дизелей будет равен

h_н = ,

где y_п – относительная доля потерянного хода поршня, y_п = h_n/s ;

h_п – высота продувочных окон;

s – ход поршня.

Для четырехтактных дизелей без наддува параметры Р_к и Т_к необходимо заменить параметрами окружающей среды Р_о и Т_о .

Температура рабочей смеси Т_а , состоящей из L молей воздуха, подогретого о горячие стенки цилиндра до температуры Т = Т_к + DТ_а и остаточных газов в количестве M_r молей с температурой T_r , может быть определена из уравнения баланса теплоты за период процесса наполнения

L , (29)

, (30)

где - средние мольные изобарные теплоемкости воздуха, остаточных газов и газовоздушной смеси. Пренебрегая разницей в теплоемкостях, получим

L , , (31)

. (32)

Подогрев заряда от стенок цилиндра DТ_а не превышает 5…20 К; Т_r в первом приближении может быть принята: Т_r = 750…950 К, где большие значения справедливы для четырехтактных дизелей.

Если в уравнении баланса тепла (29) принять @ , а , где z_с – поправочный коэффициент, равный 1,06…1,11 для a = 2,0…1,6, то уравнение (32) примет вид

.

Процесс сжатия

Изучаемые вопросы:

Цель процесса сжатия, степень сжатия, как определяющий фактор, определение показателей конца сжатия

Процесс сжатия в ДВС служит для создания условий, которые необходимы, чтобы сгорание рабочей смеси топлива с воздухом происходило эффективно. Процесс сжатия в цилиндре дизеля выполняется с целью повышения индикаторного КПД цикла за счет роста параметров рабочего тела Р и Т и для обеспечения надежного воспламенения паров топлива, распыленного в цилиндре в конце хода сжатия.

При внешнем смесеобразовании и постороннем зажигании от запальной свечи, когда в цилиндре сжимается готовая рабочая смесь воздуха с жидким карбюрированным или газообразным топливом, в процессе сжатия должно происходить дополнительное перемешивание смеси для повышения однородности ее состава по всему объему цилиндра. Это облегчает и ускоряет распространение вспышки от электрической свечи по всему пространству сгорания и улучшает качество сгорания в смысле использования всего кислорода воздуха.

Как установлено при анализе идеальных циклов, в целях увеличения термического использования следует стремиться к повышению степени сжатия e. В то же время параметры смеси в конце сжатия не должны превышать тех пределов, выше которых нарушается нормальное протекание процесса сгорания (за счет детонации или появления преждевременной вспышки).

В дизелях тоже весьма желательно, чтобы к концу хода сжатия в пространстве сжатия существовало вихревое движение сжимаемого воздуха. Наличие завихрения обеспечивает равномерное перемешивание впрыскиваемого топлива с воздухом. Принцип работы дизелей требует, чтобы температура конца сжатия обеспечивала самовоспламенение впрыснутого топлива. Практически величины степени сжатия быстроходных дизелей укладываются в пределы e= 12…14. Допустимые пределы степени сжатия бензиновых карбюраторных двигателей равны e = 5,5…8,5, а газовых двигателей - e = 6…9,5.

Сжатие является сложным процессом, на протекание которого влияют следующие факторы:

– переменный теплообмен как по величине, так и по направлению между зарядом и стенкой цилиндра;

– изменение по ходу поршня поверхности охлаждения цилиндра;

– испарение части топлива, впрыскиваемого в цилиндр незадолго до процесса сжатия (за 15…20^○ п.к.в. до ВМТ);

– утечка заряда из цилиндра через неплотности поршневых колец и некоторые другие факторы.

Для различных моментов протекания процесса сжатия направление теплового обмена различно. В начале сжатия температура заряда цилиндра ниже температуры нагретых деталей цилиндра, поэтому в первой части хода сжатия происходит передача теплоты от стенок к рабочей смеси, т. е. нагрев (DТ>0; dq>0). В этот период затрата внешней механической работы сопровождается получением теплоты, и, следовательно, величина мгновенного показателя политропы сжатия >к - показателя адиабаты, но величина n постепенно уменьшается по мере повышения температуры сжимаемого тела. В бесконечно короткий промежуток времени наступает момент, когда температуры рабочего тела и внутренней поверхности цилиндра равны, теплообмен отсутствует и имеет адиабатный процесс (n =к₁). Дальнейшее повышение температуры рабочего тела (DТ>0) изменяет направление теплового потока: сжатие сопровождается отдачей теплоты стенкам цилиндра и поршню (dq<0) и n <k₁.

Таким образом, сжигание рабочего тела в действительном цикле представляет переменный процесс. Практически переменный показатель политропы заменяется средним показателем 1,2£ n <1,6.

При расчете рабочего цикла для упрощения принимают, что процесс сжатия происходит по политропе с условным средним показателем n₁=const, величина которого обеспечивает получение такой же работы, как и при переменном мгновенном показателе n =var.

Величина n₁ находится в пределах n₁ @ k₁± (0,01…0,05). Средний показатель политропы сжатия может быть определен с индикаторной диаграммы.

По уравнению политропного сжатия после логарифмирования и преобразования получим

.

Величина n₁ зависит от ряда факторов:

– тактности – для четырехтактных ДВС n₁=1,36…1,42, для двухтактных ДВС – n₁= 1,35…1,39;

– быстроходности – n₁= 1,38…1,40;

– величины относительной поверхности охлаждения F_ц/V_s;

– температуры охлаждающей воды;

– конструкции камеры сгорания;

– технического состояния ЦПГ;

– пускового режима.

Геометрической степенью сжатия e называется отношение полного объема цилиндра V_a (в момент нахождения поршня в НМТ) к объему пространства сжатия V_c (положение поршня в ВМТ).

e = ; V V .

Действительный процесс сжатия в цилиндре начнется только после закрытия газораспределительных органов, поэтому действительная степень сжатия будет равна

e .

Подставив выражение V_c , в конечном итоге получим: e_д =.e(1-y) + y.

Между геометрической и действительной степенью сжатия имеется следующая связь:

.

В соответствии с принятым в расчетах политропным процессом сжатия с n₁ =const, давление Р_c и температура Т_c в конце процесса сжатия определяются по уравнениям и .

, .

Для двухтактных дизелей вместо e необходимо подставить e_d .

Абсолютная работа на линии сжатия может быть подсчитана по следующему выражению:

Q₁=L₁=V_sP₁ ,

где Р₁- среднее давление сжатия.

Выразим V_a из характеристического уравнения P_aV_a=8,314 M_aT_a:

,

и, подставив в Q₁, получим:

или через коэффициент наполнения .

Процесс расширения

Изучаемые вопросы:

Процессы, происходящие в цилиндре в ходе расширения, определение параметров конца расширения

Основной рабочий (полезный) ход поршня двигателя осуществляется при процессе расширения продуктов сгорания, который имеет весьма сложный характер, так как включает комплекс взаимосвязанных переменных факторов:

– догорание топлива, не успевшего сгореть в период видимого сгорания, что повышает температуру рабочего тела на участке догорания и снижает значение n до уровня 1,1>n ³1;

– выделение еще некоторого количества теплоты за счет частичного восстановления продуктов диссоциации в результате понижения температуры газов по ходу процесса расширения;

– интенсивный теплообмен со стенками цилиндра, что приводит к увеличению nдо 1,4…1,5 в конце хода расширения;

– протечку газов через неплотности поршневых колец, что также ведет к увеличению n.

Кроме того, на характер изменения n влияют эксплуатационные факторы (частота вращения n, нагрузка P_i), конструктивные размеры цилиндра (D, S, F_ц/ V_а), а также скорости горения топлива.

Найдем параметры газа в конце процесса расширения, исходя из среднего значения n₂.

Для политропного процесса P , откуда или .

Из уравнения состояния для точек b и z имеем P_вV_в=R_m bL(1+g_g)T_в и P_zV_z=R_m b_zL(1+g_g)T_z .

После последовательных преобразований получим ,

где – ступень последующего расширения.

Работа газа L₂ на участке yzb (рис. 3) диаграммы равна

где Р₂ - среднее давление за время сгорания-расширения, МПа.

Из уравнения связи параметров на линии сжатия и расширения следует, что , преобразовав предыдущее уравнение, получим

,

где коэффициент наполнения.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ

1. Какими параметрами характеризуется и чем отличается идеальный цикл от теоретического и действительного?

2. Что такое изохорный и смешанный циклы?

3. Какие основные элементы входят в состав топлива?

4. Как определить теплотворную способность топлива?

5. Что происходит во время впуска свежего заряда и выпуска отработавших газов?

6. Что такое коэффициенты наполнения и остаточных газов?

7. Для чего служит процесс сжатия?

8. Чем отличаются адиабата и политропа сжатия?

9. Как определить давление и температуру в конце сгорания?

3.2.2. Топливоподача и смесеобразование в двигателях. Теория воспламенения и сгорания

Изучаемые вопросы:

Особенности смесеобразования в двигателях с воспламенением от искры и в дизельных двигателях. Процессы сгорания в поршневых двигателях и их нарушения. Термодинамические соотношения в процессе сгорания

Основы смесеобразования

Автомобильные двигатели в условиях эксплуатации работают в широком диапазоне изменения скоростного режима. Частота вращения коленвала двигателя с искровым зажиганием колеблется в пределах 800…6000 об/мин. При таких частотах вращения на один цикл в 4- тактном двигателе приходится 0,15…0,02 с. За это время должно быть осуществлено: ввод в цилиндр топлива и воздуха, сжатие, испарение топлива, перемешивание его с воздухом, воспламенение, сгорание, расширение и выброс отработавших газов.

Для обеспечения высокой эффективности цикла особое внимание следует уделить процессам образования топливовоздушной смеси и ее сгоранию.

Образование топливовоздушной смеси в карбюраторном двигателе с внешним смесеобразованием происходит в системе впуска и предшествует воспламенению заряда. Условием образования однородной топливовоздушной смеси является равномерное распределение паров топлива в воздухе, т.е. одинаковое соотношение между числом молекул топлива и числом окружающих их молекул кислорода воздуха во всем объеме камеры сгорания. Такое условие может быть соблюдено, если топливо и воздух образуют гомогенную смесь, при этом необходимо, чтобы топливо полностью испарилось.

В карбюраторном двигателе процесс смесеобразования начинается в карбюраторе, продолжается во впускном трубопроводе и заканчивается в цилиндре.

Сложност