Главная | Обратная связь | Поможем написать вашу работу!
МегаЛекции

Состав и количество продуктов сгорания




Расчет выполняется по разным формулам в зависимости от коэффициента избытка воздуха.

При α<1(недостаток воздуха) имеет место неполное окисление (сгорание) топлива и продукты сгорания в основном состоят из СО2 , Н2О, N2, СО и Н2.

При α>1 (избыток воздуха) имеет место полное окисление (сгорание) топлива. В этом случае основной состав продуктов сгорания следующий: СО2 , Н2О, N2, и О2. При стехиометрическом составе смеси (α=1) МО2=0; расчет количества СО2, Н2О, N2 выполняется по тем же формулам, что и при α>1.

Количество продуктов сгорания в киломолях на 1 кг топлива при α<1 рассчитывается:

 
 


МСО = 0,42· L0 ·(1-α)/(1+К)

МСО2 = (gC/12) - МСО

МН2 = К· МСО (3.5)

МН2О = (gН/2) – МН2

МN2 = 0,79·α· L 0.

 

 

где К= МН2СО≈1,12·

Общее количество продуктов сгорания равно

 

М2= МСОСО2Н2Н2ОN2

 

Количество продуктов сгорания в киломолях на 1 кг топлива при α≥1 рассчитывается:

МСО2 = gC/12

МН2О = gН/2 (3.6)

МN2 = 0,79α L 0

МО2 = 0,21(α-1) L 0.

 

Общее количество продуктов сгорания равно:

 

М2= МСО2+ МН2+ МН2О+ МО2+ МN2.

 

Приведенные выше расчеты продуктов сгорания включают компоненты, оказывающие существенное влияние на энергетические и экономические показатели ДВС. Содержание других продуктов сгорания (оксиды азота, несгоревшие углеводороды и др.) вследствие относительно малой их концентрации в ОГ не учитывается в термодинамических расчетах, но они учитываются при оценке экологических характеристик ПДВС.

 

Состав продуктов сгорания в объемных долях

 

ri=Mi/M2 (3.7)

 

где i – индекc i-того газа (СО2, H2О, N2, СО,О2, Н2) в смеси отработавших газов.

Объемы исходных компонентов и продуктов их сгорания могут отличаться из-за различия молярного состава свежего заряда М1 и продуктов сгорания М2. Изменение количества вещества при сгорании (в киломолях) равно ΔМ = М2 – М1 и оценивается теоретическим (или химическим) коэффициентом молярного изменения

 

μ0 = М21 = 1 + ΔМ / М1 (3.8)

 

Процесс впуска

При расчете процесса впуска определяются термодинамические параметры смеси (давление и температура) к началу сжатия.

Давление в конце впуска pа, МПа

 

pа = р0 – Dpа , (3.9)

 

где р0 – давление среды, откуда поступает свежий заряд, МПа. В ПДВС без наддува это барометрическое давление. В ПДВС с наддувом принимается давление воздуха после компрессора – рк;

Dpа – потери давления на впуске, МПа (при движении по впускному тракту и входе в цилиндр).

Потери давления на впуске D, МПа, равны

Dpа=(b2 + xвп) × ωвп 2 × r0 × 10-6 / 2, (3.10)

 

где b– коэффициент затухания скорости движения заряда при входе в цилиндр;

xвп коэффициент сопротивления впускной системы, отнесенный к наиболее узкому ее сечению.

ωвп – средняя скорость движения заряда в наименьшем сечении впускной системы (в сечении впускного клапана или в сечении продувочных окон).

r0 – плотность заряда на впуске, кг/м3.

По опытным данным для современных двигателей на номинальном режиме

ωвп=50 – 120 м/с, а суммарное сопротивление (b2+x ВП) =2,5...4,0.

Плотность заряда на впуске (r0, кг/м3) определяется по уравнению состояния идеального газа.

ПДВС без наддува

r0 = p0 × 106/(Rв × Т0), (3.11)

 

ПДВС с наддувом

rк = pк ×106/(Rв × Тк), (3.12)

 

где Rв=287 Дж/(кг×К) индивидуальная газовая постоянная воздуха;

Т0– температура окружающей среды для ПДВС без наддува;

Тк – температуры воздуха после компрессора для ПДВС с наддувом.

При расчете и конструировании безнаддувного ПДВС давление и температуру окружающей среды студент принимает по своему усмотрению.

При проектировании двигателя с наддувом следует пользоваться дополнительной литературой.

Температура в конце впуска Та, К

 

Ta = (T0 + DT + gr × Тr) / (1 + gr), (3.13)

где

DT – температура подогрева свежего заряда на впуске, К;

gr – коэффициент остаточных газов;

Тr – температура остаточных газов, К.

Значениями DT, gr, Тr в расчетах задаются с учетом особенностей конструкции проектируемого двигателя и его системы выпуска (табл. 3.3). При расчете двигателя с наддувом в зависимости от степени наддува значение DT может быть отрицательным.

 

Таблица 3.3

 

Показатели Четырехтактные ПДВС Двухтактные ПДВС с прямоточной схемой продувки
С искровым зажиганием Дизели
Подогрев заряда DT 0 – 25 20 – 40 5 – 10
Коэффициент остаточных газов gr 0,06 – 0,08 0,03 – 0,06 0,04 – 0,10
Температура остаточных газов Тr, К. 900 –1000 600 – 900 600 – 900

Коэффициент наполнения hv

(3.14)

 

При расчете цикла ПДВС с наддувом вместо Р0 и Т0 подставляются давление и температура воздуха после наддувочного компрессора.

При проектировании двигателей с настроенными системами выпуска и системами впуска с инерционным наддувом при наличии опытных данных коэффициент наполнения следует рассчитывать с учетом коэффициента очистки и коэффициента дозарядки.

Давление остаточных газов в конце выпуска (или просто давление выпуска – рr) можно принять из таблицы 3.4. При этом следует иметь в виду, что чем совершеннее конструкция системы газообмена, тем меньше значение рr.

Ориентировочные значения расчетных параметров процесса газообмена, полученные опытным путем на номинальном режиме, приведены в таблице 3.4.

Таблица 3.4

 

Показатели Четырехтактные ПДВС Двухтактные ПДВС с прямоточной схемой продувки
С искровым зажиганием дизели
Давление впуска ра, МПа 0,085 – 0,09 0,085 – 0,095 (0,85 – 1,05)р0
Температура впуска Та, К 320 – 380 310 – 350 320 – 400
Коэффициент наполнения hv 320 – 380 310 – 350 320 – 400
Давление выпуска рr, МПа 0.105 0.120 0.110 – 0.120 0.105 – 0.120

Процесс сжатия

 

Давление и температура в конце сжатия определяются

 

рс = ра × , (3.15)

Тс = Та × . (3.16)

 

где n1 – показатель политропы сжатия.

На величину показателя n1 оказывают существенное влияние конструктивные факторы, такие как диаметр цилиндра, отношение хода поршня к диаметру цилиндра, компактность камеры сгорания (отношение площади поверхности камеры сгорания к ее объему), интенсивность охлаждения цилиндра и поршня и др.

Нагрузочный и скоростной режимы работы двигателя так же заметно влияют на этот показатель. Увеличение частоты вращения двигателя, нагрузки, применение наддува приводят к росту показателя n1.

В расчетах показателем n1 задаются. На номинальном режиме работы его значения приведены в таблице 3.5.

Для проверки правильности расчетов полученные значения рс и Тс сравнивают с данными таблицы 3.5.

 

Таблица 3.5

 

Показатели Дизель без наддува Дизель с наддувом при рк<0,2МПа без охлаждения воздуха ДсИЗ
Степень сжатия 15 – 23 12 – 15 6,5 – 12
Средний показатель политропы n1 1,35 – 1,38 1,33 – 1,37 1,35 – 1,38
Давление в конце сжатия рс, МПа 2,9 – 6,0 До 8 1,2 – 2,2
Температура в конце сжатия Тс, К 700 – 900 До 1000 600 – 900

 

Процесс сгорания

 

В основе термодинамического расчета процесса сгорания заложено уравнение первого закона термодинамики. Допускается, что в ДсИЗ процесс сгорания протекает при постоянном объеме (изохорный процесс). В дизеле сгорание вначале протекает при постоянном объеме, а затем – при постоянном давлении.

Вначале определяется из уравнения сгорания температура конца сгорания, а затем термодинамическое давление. Уравнение сгорания имеет вид:

для ДсИЗ

; (3.17)

 

для дизеля

, (3.18)

 

где

коэффициент использования теплоты;

– низшая теплота сгорания рабочей смеси, КДж/кг;

– средняя мольная изохорная теплоемкость рабочей смеси в интервале температур от 0 до Тс, кДж/(кмол·К);

– степень повышения давления в процессе сгорания; в расчетах принимается: для дизелей с неразделенными камерами сгорания и объемным смесеобразованием λ=1,6 – 2,5; для вихрекамерных и предкамерных, а также для дизелей с неразделенными камерами сгорания и пленочным смесеобразованием λ=1,2 – 1,8;

действительный коэффициент молекулярного изменения;

– средняя мольная изохорная теплоемкость смеси отработавших газов в интервале температур от 0 до , кДж/(кмол/К);

– температура расчетного цикла в конце сгорания.

Значение коэффициента использования теплоты принимать в пределах:

Для ДсИЗ с электронной системой впрыска ………………0,90 – 0,96

Для карбюраторных двигателей …………………………….0,80 – 0,95

Для дизелей с неразделенными камерами сгорания ……….0,70 – 0,80

Для дизелей с разделенными камерами сгорания ………….0,65 – 0,80

Для газотопливных двигателей ……………………………..0,80 – 0,85

При выборе следует иметь ввиду: чем совершеннее процесс сгорания, тем выше коэффициент использования теплоты. Более высокие значения характерны для компактных камер сгорания, обеспечивающих быстрое и более полное сгорание в основной фазе процесса сгорания ДВС. На влияет степень сжатия, конструкция системы охлаждения, а так же режимные параметры двигателя: состав смеси, частота вращения.

Низшая теплота сгорания рабочей смеси, т.е. смеси свежего воздуха с остаточными газами определяется по формуле:

 

Нраб.см= (Hu - ΔHu)/[(М1·(1+γr)], (3.19)

 

где Hu принять из таблиц 3.1 или 3.2 и перевести в кДж/кг;

ΔHu – невыделившаяся теплота вследствие химической неполноты сгорания топлива из-за недостатка кислорода при α<1, кДж/кг. Ее величина равна

ΔHu=119950·(1- α) ·L0 (3.20)

 

Изохорная теплоемкость рабочей смеси определяется по термодинамическим закономерностям расчета теплоемкости газовых смесей. Рабочая смесь рассматривается, как смесь свежего заряда и остаточных газов. При этом теплоемкостью паров (капелек) топлива, участвующих в процессе сжатия в ДсИЗ, пренебрегаем.

Теплоемкость рабочей смеси равна

 

=( + γr· )/(1+ γr), (3.21)

где

– изохорная мольная средняя теплоемкость воздуха в интервале температур от 0 до Тс;

– изохорная мольная средняя теплоемкость смеси остаточных газов в интервале температур от 0 до Тс;

Теплоемкость смеси остаточных газов определяется по формуле для расчета газовых смесей

 

= Σ(ri· ), (3.22)

 

где ri и – соответственно мольная (объемная) доля и средняя изохорная мольная теплоемкость в интервале температур от 0 до Тс i-того компонента состава остаточных газов. ri – рассчитана ранее по формуле (3.7).

Средние изохорные мольные теплоемкости в интервале температур от 0 до Тс воздуха и компонентов отработавших газов можно принять из справочных таблиц по теплотехнике или рассчитать по эмпирической формулам, кДж/(кмол·К):

для воздуха

=19,88+0,002638·Тс (3.23)

для азота

N2=19,716+0,0025·Тс (3.24)

 

для диоксида углерода СО2

 

СО2=27,941+0,019·(Тс-273)-5,487·10-6·(Тс-273)2 (3.25)

 

для паров воды

Н2О=23,49+0,005359·Тс (3.26)

 

для оксида углерода

СО=19,88+0,002638·Тс (3.27)

 

для водорода

N2=20,684+0,000206·(Тс-273)+5,88·10-7·(Тс-273)2 (3.28)

 

для кислорода

=20.93+0,004641·(Тс-273)+8.4·10-7·(Тс-273)2 (3.29)

 

Действительный коэффициент молекулярного изменения равен

 

= (μ0+ γr)/(1+ γr) (3.30)

 

Средняя мольная изохорная теплоемкость смеси отработавших газов в интервале температур от 0 до рассчитывается аналогично расчету теплоемкости смеси остаточных газов, кДж/(кмол/К):

 

= Σ(ri· ), (3.31)

 

где средние теплоемкости i-того компонента определяются по другим эмпирическим зависимостям, справедливым для более высокого уровня конечной температуры – Тz:

для азота

N2=21,553+0,001457·Тz (3.32)

 

для диоксида углерода СО2

СО2=38.209+0,003349·Тz (3.33)

 

для паров воды

Н2О=25.458+0,004438·Тz (3.34)

 

для оксида углерода

СО=22.100+0,001430·Тz (3.35)

 

для водорода

N2=19.198+0,001758·Тz (3.36)

 

для кислорода

=23.300+0,001550·Тz (3.37)

 

Для определения температуры Тz требуемые согласно составу отработавших газов (ОГ) выражения из (3.32) – (3.37) подставляются в формулу (3.31) и получается выражение определения теплоемкости газовой смеси ОГ вида = a + b ·Тz, где «а» и «b» – числовые значения. Затем все перечисленные величины подставляются в уравнение сгорания, которое после алгебраических преобразований сводится к квадратичному уравнению вида

А· +В·Тz-С=0, (3.38)

 

где А, В и С – числовые значения.

Отсюда находится температура сгорания Тz, К

 

(3.39)

 

Давление в конце сгорания рZ, МПа:

для ДсИЗ

 

рz = рc ×m × Tz / Tc. (3.40)

 

для дизелей

рz = рc ×λ (3.41)

 

Степень повышения давления для ДсИЗ

 

λ= рzс (3.42)

 

По опытным данным для бензиновых ДсИЗ λ=3,2 – 4,2; для газотопливных ДсИЗ λ=3,0 – 5,0.

Для ДсИЗ действительное давление сгорания рzд, примерно на 15% меньше расчетного из-за увеличения реального надпоршневого объема в процессе сгорания

 

pzд≈0,85·рz. (3.43)

 

Для дизельных двигателей определяются степень предварительного расширения – ρ и степень последующего расширения – δ.

 

ρ =(μ/λ)·(Tz / Tc) (3.44)

 

δ=ε/ρ (3.45)

 

Значения степени предварительного расширения должны укладываться в диапазоне ρ = 1,2 –1,7.

Значения давления и температуры конца сгорания для современных автотракторных двигателей приведены в таблице 3.6.

Таблица 3.6

 

Тип двигателя Tz, К рz, МПа рzд, МПа
ДсИЗ бензиновый 2400 – 3000 3,5 – 7,5 3,0 – 6,5
Дизель 1800 – 2300 5,0 – 12,0 5,0 – 12,0
ДсИЗ газотопливный 2200 – 2500 3,0 – 5,0 2,5 – 4,5

 

Расчет процесса сгорания вызывает у студентов более всего вопросов. Поэтому в приложении 1 приведен пример расчета процесса сгорания.

Процесс расширения

 

Термодинамические параметры процесса расширения (давление Рb и температура Тb) определяются по термодинамическим соотношениям политропного процесса.

Для ДсИЗ

Рb= рz, (3.46)

ТВ = ТZ. (3.47)

 

Для дизеля

Рb= рz/d , (3.46)

ТВ = ТZ /d . (3.47)

где п2– показатель политропы расширения.

Показатель n2 зависит от интенсивности теплообмена в процессе расширения. Все мероприятия, уменьшающие интенсивность теплообмена, приводят к уменьшению этого показателя.

Значения n2 следует принимать из таблицы 3.7. Значения Рb и ТВ так же приведены в таблице 3.7.

Таблица 3.7

 

Тип двигателя n2 Рb, МПа ТВ, К
ДсИЗ 1,23 – 1,30 0,35 – 0,50 1200 – 1700
Дизель 1,18 – 1,28 0,20 – 0,40 1000– 1200

 

 

Поделиться:





Воспользуйтесь поиском по сайту:



©2015 - 2024 megalektsii.ru Все авторские права принадлежат авторам лекционных материалов. Обратная связь с нами...