Процесс сгорания

Целью расчета процесса сгорания является определение температуры Т_Z и давления Р_Z рабочего тела в точке расчетной индикаторной диаграммы и степени предварительного расширения r. В основе расчета лежит гипотеза Гриневецкого-Мазинга о линейной связи массы сгоревшего к некоторому моменту времени топлива и количества выделившейся при этом теплоты.

При расчетах рабочего цикла весовой состав дизельного топлива по химическим элементам принимается:

· углерода С = 0,86;

· водорода Н = 0,13;

· кислорода О = 0,01.

Коэффициент избытка воздуха a оказывает непосредственное влияние на качество процесса сгорания топлива, а, следовательно, и на величину индикаторного КПД двигателя. Для дизелей с наддувом при определенных значениях коэффициента избытка воздуха удельный расход топлива достигает минимального значения.

Ориентировочно можно принимать, что расчетная величина коэффициента избытка воздуха находится в пределах для комбинированных двигателей a = 1,8 - 2,2, для двигателей без наддува - a = 1,7 - 2,0.

Определяем цикловую подачу топлива:

, кг/цикл (30)

Цикловая подача современных тепловозных двигателей находится в пределах 0,305 - 1,46 г/цикл. Для определения температуры газов в конце «видимого» сгорания топлива точка «z» расчетной индикаторной диаграммы используют уравнение сгорания:

где x_Z - коэффициент использования теплоты в точке «z»;

- средняя молярная теплоемкость свежего заряда при постоянном объеме, кДж/моль^.К;

- средняя молярная теплоемкость продуктов сгорания при постоянном давлении в точке «z», кДж/моль^.К;

b_Z - расчетный коэффициент молекулярного изменения в точке «z»;

Т_Z - температура рабочего тела в точке «z», К;

L₀ - количество киломолей воздуха, необходимое для сгорания I кг топлива при α = 1 (L₀ = 0,486) (не путать и !).

Так как величины теплоемкостей приближенно являются линейными функциями температуры, то уравнение сгорания является квадратным относительно Т_Z.

Рекомендуется следующий порядок определения величин, входящих в уравнение сгорания.

2.3.1. Определяют теоретический коэффициент молекулярного изменения при полном сгорании:

; (31)

его расчетное значение:

(32)

2.3.2. Выбирают значение коэффициента использования теплоты в пределах:

- для дизелей средней быстроходности x= 0,75 - 0,85;

- для быстроходных дизелей x= 0,8 - 0,9.

2.3.3. Выбирают коэффициент выделения теплоты Х_Z в конце «видимого» сгорания. Для двигателей средней быстроходности можно принять Х_Z = 0,85 - 0,9; для быстроходных дизелей Х_Z = 0,75 - 0,85.

2.3.4. Подсчитывают коэффициент использования теплоты в точке Z:

. (33)

Величина коэффициентов выделения и использования теплоты зависит от конструкции и работы топливной аппаратуры, а также от условий теплопередачи в цилиндре (наличия или отсутствия форкамеры, интенсивности газовых вихрей и т.д.).

2.3.5. Вычисляют коэффициент молекулярного изменения в точке Z:

. (34)

2.3.6. Выбирают значение степени повышения давления при сгорании l, от которой зависят экономичность дизеля, его динамические характеристики и весовые показатели. В существующих конструкциях дизелей l колеблется в пределах 1,2 - 2,2. Для дизелей с наддувом с целью обеспечения минимальных удельных эффективных расходов топлива целесообразно на расчетном режиме вести рабочий процесс при l =1,3 - 1,8. Необходимо учитывать, что получившаяся максимальная величина давления

сгорания Р_Z не должна превосходить Р_Z = 12 - 14 МПа, так как при более высоких значениях Р_Z возрастает вес дизеля и деталей кривошипно-шатунного механизма.

2.3.7. Для определения значений средних молярных теплоемкостей свежего заряда воздуха mC_V^’ может быть использовано приближенное соотношение:

, (35)

2.3.8. Определение значений средней мольной теплоемкости продуктов сгорания производится с учетом теплоемкостей смеси чистого воздуха и чистых продуктов сгорания (чпс):

, (36)

где mC_V^чпс - мольная теплоемкость чистых продуктов сгорания;

(a-х) - доля чистого воздуха в продуктах сгорания;

х - доля чистых продуктов сгорания, численно равная коэффициенту выделения тепла:

, (37)

Более точно задача решается с использованием графиков теплоемкости (рис.4), нелинейной аппроксимации или таблиц теплоемкостей (метод кафедры ДВС МВТУ им. Баумана).

Следует отметить, что в теплотехнике применяются два вида теплоемкостей: средние (в некотором интервале температур) и истинные (при некоторой определенной температуре).

Зависимость средней теплоемкости продуктов полного сгорания mCPчпс от температуры (0С)

Рис. 4.

2.3.9. Учитывая, что

, из выражения (36) в точке «z» получим значение :

Задаваясь в первом приближении температурой в точке «z», равной 1800 К, определяют теплоемкость и температуру Т_Z по уравнению (31). При отклонении Т_Z от 1800 К более, чем на 50 К, расчет повторяют. Температура Т_Z находится в пределах 1750 - 1950 К.

Более высокие значения Т_Z нежелательны во избежание существенных потерь теплоты от значительной диссоциации молекул газов.

Максимальное давление сгорания Р_Z и степень предварительного расширения r определяют из соотношений:

, (39)

. (40)