Свежий заряд и продукты сгорания.

4.1. Как определяется число кмолей свежего заряда для двигателей с количественным и качественным регулированием нагрузки?

В начале каждого нового цикла в двигатель поступает свежий заряд, который представляет собой либо воздух (дизель), либо его смесь с топливом (бензин). Перед началом сгорания количество свежего заряда М₁ в кмолях на 1 кг топлива: в бензиновых двигателях М₁=L+1/m_T=aL_O+m_T, а в дизелях M₁=L=aL_O, где L – число кмолей кислорода, коэффициентом избытка воздуха a, стехиометрическое количество воздуха в кмолях воздуха на 1 кг топлива L_O, m_T – молярная масса топлива.

4.2. Как определить теоретический состав и количество продуктов сгорания при избытке воздуха?

При сгорании топлива в воздухе при a>1 теоретически имеет место полное сгорание (C_xH_y+(x+y/4)O₂=xCO₂+y/2H₂O). Продукты сгорания помимо СО₂ и Н₂О содержат N₂ и избыточный О₂: M_N2+M_O2=0,79aL_O+0,21(a-1)L_O=aL_O-0,21L_O. Количество кмолей продуктов сгорания с учетом M_CO2=g_C/12, M_H2O=g_H/2: M₂=M_N2+M_O2+M_CO2+M_H2O=aL_O-0,21L_O+g_C/12+g_H/2. С учетом, что через элементарный состав топлива L_O=(g_C/12+g_H/4-g_OT/32)/0,21: M₂=aL_O+g_H/4+g_OT/32. Количество кмолей продуктов сгорания при a=1: (М₂)_a=1=L_O+g_H/4+g_OT/32. Следовательно, M₂=(М₂)_a=1+(a-1)L_O.

4.3. Что называется химическим коэффициентом молекулярного изменения? Покажите на графике зависимость μ₀ от a.

Объемы исходных компонентов и продуктов сгорания могут отличаться из-за разницы числа кмолей свежего заряда М₁ и продуктов сгорания М₂. Изменение числа кмолей при сгорании DM=М₂-М₁, оно характеризуется также химическим коэффициентом молекулярного изменения m₀=M₂/M₁=1+DM/M₁. Для дизеля m₀=1+(g_H/4+g_OT/32)/aL_O. Для карбюраторного двигателя с учетом того, что для a>1 M₂=aL_O+g_H/4+g_OT/32: m₀=1+(g_H/4+g_OT/32-1/m_T)/(aL_O+1/m_T), а для a<1 M₂=g_C/12+g_H/2+0,79aL_O (т.к. M_CO+M_CO2=g_C/12; M_H2+M_H2O=g_H/2): m₀=1+(g_C/12+g_H/2-0,21aL_O-1/m_T)/(aL_O+1/m_T). Заменяя L_O по уравнению L_O=(g_C/12+g_H/4-g_OT/32)/0,21: m₀=1+(0,21(1-a)L_O+g_H/4+g_OT/32-1/m_T)/(aL_O+1/m_T).

4.4. Дайте определение теплоты сгорания топлива и горючей смеси. Почему теплота сгорания горю­чей смеси для различных топлив отличается меньше, чем теплота сгорания топлива?

Теплотой сгорания называют тепловой эффект реакций, идущих с образованием СО₂ и Н₂О. Т.к. вода в продуктах может находиться в парообразном и жидком состоянии, то вводят соответственно низшую Н_u и высшую H_b теплоту сгорания, разность между которыми равна скрытой теплоте парообразования воды: H_u=H_b-2,512M_H2O. В ДВС продукты сгорания не охлаждаются до температуры, при которой происходит конденсация водяного пара, поэтому в расчетах принимают Н_u. Количество теплоты Н_см, выделяющееся при сгорании 1 кмоль ТВС, равно: при a³1 Н_см=H_u/M₁, а при a<1 Н_см=(H_u-DH_u)/M₁, где DH_u=114(1-a)L_O – химическая неполнота сгорания бензина, МДж/кг. Теплота сгорания горю­чей смеси для различных топлив отличается меньше, чем теплота сгорания топлива потому, что в соответствующих топливах содержится кислородосодержащие соединения, в результате чего теплота сгорания топлива оказывается меньше, но при этом количество стехиометрической смеси тоже оказывается меньше, в результате чего теплота сгорания смеси различается меньше.

Процессы газообмена.

5.1. Охарактеризуйте тепловые и газодинамические условия протекания процессов газообмена в 4-тактных ДВС. В чем проявляется влияние гидравлического сопротивления систем впуска и выпуска?

В цикле при впрыскивании сначала происходит перетекание теплоты от деталям к заряду, потом при сгорании от заряда к деталям. При сгорании за 10% длины цикла по углу ПКВ в систему охлаждения передается 90% всей теплоты цикла. Изменение давления показано на диаграмме (рис. 1.1)В процессе работы имеют место несколько явлений, таких как дозарядка – продолжение впуска при, если при увеличении частоты вращения в начале хода сжатия давления во впускном коллекторе р_к>р. А при малой частоте вращения во время запаздывания закрытия впускного клапана происходит обратный выброс – когда поршень вытесняет часть заряда обратно во впускную систему.

5.2. Как и зачем в процессе впуска организуют направленное вихревое движение заряда в цилиндре?

Вращение заряда достигают применением винтового или тангенциального впускных каналов, а также экранированием впускного клапана и его седла. Если ось потока воздуха, поступающего в цилиндр, не пересекает его ось, то создается вращательное движение заряда. Вращение заряда обусловлено взаимодействием центробежных и сил инерции. Применение завихривания приводит к лучшему перемешиванию топлива с воздухом, т.е. обеспечение однородности смеси и увеличению фронта пламени. Создание вращательного движения заряда при впуске приводит к снижению h_V. До некоторого значения увеличение скорости способствует интенсификации тепловыделения, но при перезавихривании уменьшается количество теплоты от сгорания.

5.3. Что называется фазами газораспределения? Покажите диаграмму фаз газораспределения. Что та­кое дозарядка и обратный выброс, от чего они зависят?

Периоды, выраженные в градусах угла поворота коленвала, в течении которых клапаны открыты, называют фазами газораспределения. При правильном выборе фаз не только улучшается очистка цилиндров от продуктов сгорания и заполнение его свежим зарядом, но может несколько сократиться затрата энергии на газообмен. Фазы для каждой частоты имеют свою величину, а реальные фазы выбирают так, чтобы обеспечить оптимальное наполнение для наиболее важного диапазона скоростных режимов работы. Если при увеличении частоты вращения поток воздуха движется с возрастающей скоростью и в начале хода сжатия давления во впускном коллекторе р_к>р, то впуск продолжается – это и есть дозарядка. При малой частоте вращения во время запаздывания закрытия впускного клапана поршень вытесняет часть заряда обратно во впускную систему – обратный выброс.