Термодинамический анализ процесса сгорания

Температура конца горения. Для определения температуры в конце горения в точке Z принимают упрощение индикаторной диаграммы в точках Z и Z΄ отображающей процесс горения. Упрощение состоит в том, что принимается начало горения в в. м. т. (точка Z΄) и процесс горения осуществляется по смешанному циклу, сначала по линии V = const, а затем по линии p= const. В расчетах принимается низшая теплотворная способность топлива

В точке Z еще не будет полного сгорания, т. к. часть топлива будет догорать на линии расширения. Поэтому не все тепло дойдет до точки Z (рис. 12). Кроме того, часть тепла за время горения перейдет в систему охлаждения, часть будет затрачена на диссоциацию. Этот недобор тепла характеризуется “коэффициентом выделения тепла”. В связи с этим при расчетах принимают не всю удельную теплоту химического превращения топлива, а только ее часть, равную ξH_u.

Для дизелей, у которых процесс смесеобразования менее совершенный, чем у карбюраторных двигателей, коэффициент выделения теплоты ξ равен 0,7 – 0,85, для карбюраторных двигателей ξ = 0,85 – 0,95.

В начале горения (точка С) в цилиндре находятся оставшиеся от предыдущего цикла газы в количестве молей и свежий заряд в количестве молей. Эти газы нагреты до температуры и содержат в себе количество тепла, равное произведению числа молей на молекулярную теплоемкость и на температуру, т. е.

,

где и - средние молекулярные теплоемкости при постоянном объеме для продуктов сгорания и свежего заряда при температуре . Перед началом горения располагают следующим количеством тепла

ξH_u + .

После сгорания (точка Z рис. 12) количество газов в цилиндре равно сумме количества оставшихся газов и количества продуктов сгорания молей. Эти газы нагреты до температуры и содержат следующее количество тепла

() ,

– средняя мольная теплоемкость продуктов сгорания при температуре .

Во время горения в цилиндре дизеля газы расширяются от точки Z^´ до точки Z, совершая при этом механическую работу. На механическую работу расходуется количество тепла, равное

А∙ ,

где А – термический эквивалент механической работы (А = 0,98 Дж/(Н∙м)),

– работа предварительного расширения газов от точки Z^´ до точки Z, Н∙м.

Принимаем, что количество тепла как в скрытом (теплотворная способность топлива) так и в физическом состоянии (тепло газов) до момента сгорания равно суммарному теплу (тепло газов и тепло, превращенное в работу предварительного расширения) после сгорания. На этом основании напишем уравнение сгорания в следующем виде

ξH_u + = А∙ +() . (39)

Если обозначить отношение через λ, тогда получим

= .

Принимая во внимания принятые обозначения (20) и (29), получим

+ (8,315λ + ) = μ , (40)

где γ_r= – коэффициент остаточных газов; μ = – действительный коэффициент молекулярного изменения.

Для дизельных двигателей число молей свежего заряда = α , тогда уравнение сгорания приобретает вид

+ (8,315λ + ) = μ , (40, а)

Давление конца сгорания р_z для дизельных двигателей зависит от способа смесеобразования, так, например:

при прямом впрыске p_z = 8,0 – 8,5 МПа;

при вихревом смесеобразовании p_z = 5,0 – 5,5 МПа;

при предкамерном смесеобразовании p_z = 4,0 – 4,5 МПа;

Зная величины p_z и p_c, можно легко определить величину λ.

Если известны теплоемкости свежего заряда и теплоемкость продуктов сгорания , то из уравнения (38, а) определяется температура конца горения (в точке Z индикаторной диаграммы).

Положение точки Z (конца теоретического горения) определяется отношением т. е.

. (41)

Это отношение (ρ) называется степенью предварительного расширения.

Величина ρ определяется из характеристических уравнений для момента конца сжатия (точка С) и для момента конца горения (точка Z), имеющих вид

Разделив первое уравнение на второе, получим

λρ = μ , (42)

откуда

ρ = (43)

или

= .

Для карбюраторного и газового двигателей уравнение горения (38, а) имеет более простой вид, так как они работают по циклу и величина ρ = 1, следовательно

λ = μ . (44)

Давление в конце сгорания можно определить по формуле

или

.

Подставляя значение λ в уравнение (38), получим

+ (8,315μ ) = μ

Объединяя члены, содержащие имеем

= ()μ ,

но = , следовательно

= μ . (45)

В свежем заряде карбюраторного двигателя содержатся воздух и пары топлива, поэтому число молей свежего заряда

= α _т,

где _т- число молей паров 1 кг топлива (для карбюраторных двигателей m_т = (110...120 кг/кмоль).

Нужно иметь в виду, что при расчете карбюраторного двигателя на режим максимальной мощности α<1 (α≈0,9) будет иметь место недобор тепла

∆H_u = 28700(1 - α) ∙4,19 [кДж/кг].

Для карбюраторного двигателя при α<1 уравнение сгорания имеет вид

= μ (46)

Температура конца сгорания в карбюраторных двигателях достигает 2700 К, а в быстроходных дизелях при (α = 1,2÷1,5) температура достигает 2300 К.

Рекомендуемая литература: 2 [86-104]; 4 [94-149]; 14 [64-112].

Контрольные вопросы

1. Как протекает процесс сгорания в цилиндре двигателя?

2. Есть ли разлияие в процессе сгорания карбюраторного и дизельного двигателя?

3. Как определяется теоретически необходимое для полного сгорания 1кг топлива количество воздуха?

4. Какие бывают топливо-воздушные смеси по составу?

5. Что называют коэффициентом неполноты сгорания топлива?

6. Что характеризует коэффициент избытка воздуха?

7. Какой параметр оценивает повышение давления газа, образовавшегося после горения?