Лекция 4
Тема 3: Действительные циклы двс

 3.4 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;

Рекомендуемые материалы

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 Т_z , т.е.

   (T_z = t_z+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 T_z 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

Т_Z = 2400…29000 K                                  T_Z = 1800…23000K

P_Z = 3.5…7.0 MПа                                    P_Zд = P_Z = 5…12 МПа

Более низкие значения T_Z для дизелей является следствием большого λ (большие потери на нагрев воздуха), меньшим ξ_диз, частичного использования теплоты на совершение работы в процессе предварительного расширения.

3.5 Термохимические соотношения

3.5.1 Теоретически необходимое количество воздуха

Состав топлива задается  массовым или объемным содержанием основных элементов: С – углерод; Н – водород; О_Т – 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

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 О_т , 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.

3.5.2 Количество молей свежего заряда

Поступающий в цилиндр свежий заряд состоит из воздуха и топлива.

, 

где µT – молекулярная масса топлива,

(µTбенз=110…120; µTдиз.т=180…200)

 – малая величина по сравнению с αL0, то

M₁L₁ αL₀ ,

3.5.3 Определение числа молей продуктов сгорания (М₂) 1 кг топлива при :

При полном сгорании топлива продукты сгорания состоят из:

 СО₂;  Н₂О; избыточного О₂  и N₂  

М₂ = МСО₂   + МН₂О + МN₂  +  МО₂  

На основе реакции сгорания 1 кг топлива

М СО₂  = С/12; МН₂О = Н/2

N₂ не участвует в реакции с кислородом топлива  и его содержание равно числу кмоль в воздухе

79% N₂       = 0,79αL₀

(0.208  0,21) =0,12L – 0.21L₀=0.21αL₀–0.21L₀=0.21L₀(α-1)

Чтобы учесть наличие кислорода в топливе, решим совместно с теоретически необходимым количеством воздуха.

3.5.4 Определение числа молей продуктов сгорания 1 кг топлива при α < 1 (CО₂ , СО, Н₂О, Н_2, N₂)

При неполном сгорании образуется М₂ = М_СО2  +  М_СО2   + М_Н2О + М_Н2  +  М_N2

                    H₂ пренебр

, тогда складывая имеем

Преобразуем это выражение (искусственно)

3.5.5 Изменение количества кмолей продуктов сгорания

∆M=M₂ – M₁;     М1 = αL₀

При   

          .

Приращение числа молей происходит вследствие увеличения суммарного количества молекул при химических реакциях распада молекул топлива.

Прирост числа кмолей при α<1 больший, чем при α >1. приращение объема ∆М – положительный фактор, способствует возрастанию полезной работы газов при их расширении.

Относительное изменение объема

Характеризуется:

1) µ₀ – коэффициент молекулярного изменения горючей смеси – это отношение количества молей продуктов  к числу молей горючей смеси

 

2) µ – действительный коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси (гор. смесь + ост. газы) – это отношение количества молей в цилиндре после сгорания (M_z) к числу молей до сгорания (М_с)

              – коэф ост газов, т

разделим на М₁, 

µ = 1,02…1,12 – карб. двигатели

µ = 1,01…1,06 – диз. двигатели

Смесь газов в начале сжатия Мс

М_с = М₁ + М_r

В конце сгорания заряд состоит (М_Z)

М_z = М₂ + М_r

При ; 

При ;

3.6 Процесс расширения

  

В процессе расширения тепловая энергия топлива преобразуется в механическую работу. В реальном двигателе процесс расширения протекает в условиях догорания топлива и восстановления продуктов диссоциации, уменьшения теплоемкости продуктов сгорания.

 Процесс расширения происходит по закону политропы. Однако показатель n не остается постоянным.

В начальный период процесс расширения протекает с интенсивным подводом теплоты и

По мере движения поршня к Н.М.Т. догорание топлива и восстановление продуктов диссоциации уменьшаются. Возрастает отвод тепла и  увеличивается и достигает значения показателя адиабаты

При дальнейшем расширении газов отвод тепла превышает ее выделение и

Таким образом, процесс расширения протекает по политропе с переменным показателем .

Карбюраторный двигатель                         Дизельный двигатель

Характерные точки  и отрезки

Точка b^/  – открытие выпускного клапана;

Z b^/b – расчетное изменение давления (теоретически);

Zd b^/b^// – действительное изменение давления.

Значение n2  возрастает с (уменьшением коэффициента использования теплоты), уменьшения отношения (S/D) хода поршня к диаметру и с уменьшением интенсивности охлаждения.

Среднее значение n₂:

n₂ = 1,23…1,30 – карбюраторный двигатель

n₂ = 1,18 …1,28 – дизельный двигатель

При этом меньшее значение n²  относится к высокооборотным двигателям с высоким наддувом.

Значение n₂  может быть ориентировочно определено по эмпиричной зависимости (для малооборотных двигателей)

.

По номограммам [1, с.57] в зависимости от ξ (* диз), T_Z и α

Значения давления (P_в, МПа) и температуры (Т_в, К) газов в конце процесса:

а) для карбюраторных двигателей:

           

б) для дизелей:

           

где  – степень последующего расширения;

 – степень предварительного расширения.

Рассматривая характеристическое уравнение для состояния газов до и после сгорания (точки С и Z)

               

Разделим второе на первое, учитывая, что

              

Примерное значение P_в T_в (n=n_ном)

а) P_в = 0,35…0,60 МПа;    T_в = 1200…1700К – карбюраторный двигатель

б) P_в = 0,20…0,50 МПа;    T_в = 1000..1200 К – дизельный двигатель

3.7 Процесс выпуска

Выпуск отработанных газов начинается  в точке b^/ в момент открытия выпускного клапана с опережением  40…70⁰ до НМТ. и заканчивается после закрытия выпускного клапана  (10…50% после вмт).

За счет запаздывания закрытия выпускного клапана после вмт улучшается очистка цилиндров в связи с эжжекцией  при выходе потока газа из цилиндра  с большой скоростью.

Изменение давления в процессе выпуска:

Карбюраторный двигатель                   Двигатель с наддувом

Дизель без наддува

ХАРАКТЕРНЫЕ ТОЧКИ И ЛИНИИ

1) Точка b^/ и а^/  – моменты открытия и закрытия выпускных клапанов.

2) b^/ b^// r^/ d a^/ – действительное изменение давления в цилиндре.

3) b^/b, bl, lr, rd^/ – расчетные прямые процесса выпуска.

b^/ ,b, l, r, a^/

Различают два периода выпуска газов:

1 период свободного выпуска (от b^/ до b^//), удаляется  60%...70% отработанных газов;

2 период принудительного удаления газов из цилиндра ( b^// d).

Для лучшего газообмена существует угол перекрытия клапанов.

В период перекрытия клапанов с учетом соотношений давлений в цилиндре Р₁ во впускном Р_К  и Р_В  трубопроводах направления движения газов могут быть различными. При неблагоприятных соотношениях давлений  Р_1, Р_К, Р_В  отработавшие газы могут через выпускной клапан поступить обратно в цилиндр, а через выпускной клапан – истечение газов из цилиндра в систему впуска. При Р_К.> Р₁ > Р_В  – ,будет наблюдаться продувка цилиндра.

Скорости истечения газов

При открытии выпускного клапана V = V_KP = 600…700 м/с;

При начале движения поршня от Н_МТ   и В_МТ  V=200…250 м/с

В конце выпуска 60…100 м/с

Правильность ранее сделанного выбора параметров процесса выпуска Р_r и Т₂  можно проверить по формуле

.

Отличие расчетного значения Т₂ от ранее принятого не должно отличаться (допускается расхождение не более 5%).

3.8 Состав отработанных газов и методы
снижения их токсичности

Наряду с задачами по дальнейшему повышению экономичности двигателей уделяется большое внимание экологическим проблемам.

Токсические компоненты отработанных газов – основной источник загрязнения атмосферы.

Во всем мире с продуктами сгорания энергетических установок ежегодно выбрасывается в атмосферу свыше: 300 млн. т – СО₂ ; 150 млн. сернистого ангидрида; 100 млн. твердых веществ; 500 млн. окислов азота и других вредных веществ. На долю автотранспорта приходится  60% всех загрязнений.

В двигателе внутреннего сгорания с искровым зажиганием;

1. Образованию токсичных компонентов способствуют:

– низкое качество смесеобразования;

–  неравномерное распределение смеси по цилиндрам;

– изменение ее состава от цикла к циклу;

– неоптимальный угол опережения зажигания;

–  попадание масла в камеру сгорания;

2. Пути снижения токсичности;

–  подогрев топливовоздушной смеси во впускной системе;

– послойное смесеобразование;

– применение 2-х секционных систем впуска;

– форкамерно-факельное зажигание;

– автоматизация состава смеси и угла опережения зажигания в     зависимости от режима рабочего двигателя;

В двигателях внутреннего сгорания дизельных:

1. Влияют на токсичность:

– способ смесеобразования;

– качество распыла;

– неравномерное распределение топлива по цилиндр.

2. Пути снижения токсичности:

– использование двигателя внутреннего сгорания с раздельными камерами сгорания (вихревые, предкамеры). [С раздельными камерами сгорания, выброс углеводорода в 10…12 раз меньше; СО – в 4 раза; NO – в два раза по сравнению с однокамерными].

– совершенствование смесеобразования в однокамерных дизелях

– использование предкамеры с изменяющейся геометрией сопла (стремление объединить преимущества предкамерного смесеобразования газов – малая токсичность и Р_MAX с преимуществами однокамерного дизеля (лучшая топливная экономичность)). Имеется выступ в поршне, который и вводится в ВМТ в сопло предкамеры

– выбор оптимальных значений угла опережения впрыска топлива;

– улучшение качества распыла топлива.

С точки зрения конструкции двигателей проблема токсичности решается по трем основным направлениям:

1. Совершенствование рабочего процесса существующих типов двигателей внутреннего сгорания. Улучшение процессов смесеобразования   и сгорания, дефорсирование двигателя за счет уменьшения ε и n; вентиляции картера.

2. Разработка дополнительных устройств (нейтрализаторы, улавливатели, дожигатели и т.п.)

3. Разработка принципиально новых двигателей (электрических, инерционных, аккумуляторных и др.)

Это является направлением на длительную перспективу

С точки зрения эксплуатации – качество регулирования топливо подающей аппаратуры, систем устойчивого смесеобразования; более широкое применение газовых топлив.

Состав отработанных газов

Компоненты отработанных газов – входят в шесть групп:

кислород, водяной пар, азот, водород, углекислый газ;

(О₂, Н₂О, N₂, CO₂)

Альдегиды;

Окись углерода (СО);

Если Вам понравилась эта лекция, то понравится и эта - 6 Методология педагогического исследования.

Углеводороды (наибольшую опасность представляют канцерогенные полицикличекие ароматические углеводороды, например бензпирен);

Окислы азота NO_X ;

Сажа, адсорбирующая канцерогенные вещества.

Кроме 1 группы, все токсичны и вредно воздействуют на организм человека, животных, почву и водоемы.

К основным вредным компонентам отработанных газов относятся: окись углерода (СО), сернистый ангидрид SO₂, окислы азота  NO_X (окись NO и двуокись NO₂ ), сложные ароматические углеводороды полициклического строения (перен, атрацен, бензпирен и др).

В порядке убывания потенциальной опасности компоненты отработанных газов располагаются следующим образом: сажа (как адсорбент токсичных, в т. ч. канцерогенных веществ), окислы азота, углеводороды, окись углерода и альдегиды ).