Уравнение сгорания для дизельного двигателя (5 видео)

TRGREAT

Количество воздуха, необходимое для сгорания 1 кг топлива, определяется по формуле

кмоль

где – элементарный состав соответственно углерода, водорода и кислорода в топливе по массе.

Средние значения для дизельного топлива

кмоль

Количество свежего заряда в цилиндре, кмоль, приходящаяся на 1 кг топлива:

Для дизельных двигателей количество свежего заряда в цилиндре определяется по формуле:

М1 = a × Lо, кмоль.

где a – коэффициент избытка воздуха, который можно принять :

a = 1,3–1,7 – для дизельных двигателей.

М1 = 1,5 × 0,5=0,75 кмоль

Общее количество продуктов сгорания на один кг топлива:

кмоль

Химический коэффициент молекулярного изменения рабочего тела:

Действительный коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси с учетом наличия в цилиндре остаточных газов

Максимальная температура газов в процессе сгорания определяется из уравнения сгорания.

Уравнение сгорания для дизелей имеет вид

где x – коэффициент использования теплоты, для дизелей x = 0,75;

Нu – низшая теплота сгорания топлива, Нu = 42500 кДж/кг,

mcvc – средняя молярная теплоемкость свежего заряда;

mcvc = 20,16 + 1,74 ×10-3 Тс;

mcvc = 20,16 + 1,74 ×10-3 924,58=21,77;

mcv” – средняя молярная теплоемкость продуктов сгорания.

mcv” =

Для дизельных двигателей по заданному значению Рz определяется степень повышения давления в цилиндре

Подставляя полученные значения величин в уравнения сгорания, получаем уравнение с двумя неизвестными: максимальной температурой сгорания Тz и теплоемкости продуктов сгорания mcv” при этой же температуре.

После подстановки в уравнение сгорания известных параметров в виде числовых значений и последующих преобразований оно превращается в квадратное уравнение

0,00268Тz2 + 31,52Тz – 72211,6 = 0,

Тогда решение уравнения имеет вид

Для дизелей теоретическое максимальное давление цикла определяется по формуле

Паровой котёл
Как уже указывалось выше, котёл паровоза имел очень хорошую производительность — до 65 кг пара с 1 м² за 1 час. Его большая площадь топки позволяла применять низкосортные сорта угля (высокосортный уголь в то время требовался для металлургической промышленности). Но общий коэффициент полезного действия котла был относительно низким — .

Характеристика автотранспортного предприятия
Автотранспортное предприятие, из задания на проектирование, располагается в Орловской области. АТП в данном случае является предприятием комплексного типа, так как оказывает сторонним организациям транспортные услуги, связанные с перевозками грузов различного характера и пассажиров, занимается обслуживанием и ремонтом транспорта, а также .

Оборотные фонды предприятия
Оборотные фонды предприятия определяются нормативным запасом расходных материалов и запасных частей, т.е. нормативным числом дней запаса и годовым расходом этих материалов и запасных частей. Нормативный запас топлива Среднее нормативное число дней запаса автомобильного топлива – 9,6 дня. Для предприятия, работающего в городе, транспортны .

Видео:Принцип работы дизельного двигателяСкачать

Процесс сгорания, параметры процесса сгорания .

Для современных д.в.с. оптимальная продолжительность процесса сгорания составляет примерно 0,02—0,0025 сек. Поршень при этом к концу сгорания успевает переместиться по направлению к н.м.т. на расстояние, соответствующее около π/12 рад (15°) поворота кривошипа после в.м.т. Чтобы управлять продолжительностью процесса сгорания, необходимо глубокое знание всех химических и физических явлений, связанных с этим процессом, и всех факторов, оказывающих влияние на его протекание.

Угол опережения подачи топлива для дизелей в зависимости от их типа находится в пределах 15 0 —33 0 . на развернутой диаграмме это т.k.

В т.m происходит воспламенение топлива. k-m — есть период задержки самовоспламенения. За это время в цилиндр поступает 15-50 % топлива от цикловой дозы, которое успевает испариться и перемешаться с воздухом. Остальное топливо цикловой дозы поступает в камеру сгорания после т. m, т.е. поступает уже в среду охваченную пламенем.

Процесс сгорания топлива на диаграмме условно можно разделить на четыре фазы :

1. период задержки самовоспламенения k-m.

2. фаза быстрого нарастания давления m- z 1 .

3. фаза сгорания основной дозы топлива, во время которой давление существенно не изменяется z 1 -z.

4.. фаза догорания топлива z-n. Доходит до 13 хода поршня.

Как установлено из рассмотрения процесса сгорания, момент воспламенения топлива не совпадает с моментом ввода его в цилиндр двигателя в среду воздуха, имеющего довольно высокие температуру и давление.

От продолжительности этого отставания зависит интенсивность нарастания давления во время второго периода сгорания. Зависимость интенсивности второго периода от первого вытекает из следующего: если продолжительность первого периода сгорания будет велика, то к моменту воспламенения в цилиндре двигателя сосредоточится значительная часть топлива от всей порции, подаваемой на цикл. Это приведет к резкому нарастанию давления во время второго периода сгорания, т. е. к жесткой работе двигателя, поскольку во время второго периода в сгорании будет участвовать топливо, поданное за первый и подаваемое за второй периоды сгорания

развернутая диаграмма изменения

давления и температуры сгорания

Нарастание давления во время процесса сгорания топлива в цилиндре характеризуется скоростью нарастания давления на 1 град.поворота коленвала.

Для нормальной работы дизеля она составляет примерно 4-8 кгсм 2 в зависимости от конструкции дизеля.

Установлено, что для достижения нормальной скорости нарастания давления во время второго периода сгорания необходимо всеми возможными мерами сокращать продолжительность первого периода, так как регулировать интенсивность второго периода сгорания пока не представляется возможным.

Продолжительность первого периода сгорания и интенсивность сгорания во втором периоде зависят от:качества топлива, оцениваемого температурой самовоспламенения и цетановым числом; степени сжатия; материала поршней, определяющих температуру днища поршня; качества распыла, оцениваемого тонкостью и однородностью дробления впрыскиваемого топлива; завихрений сжимаемого воздуха; закона подачи топлива, при изменении которого оказывается возможным изменять количество топлива, подаваемого за первый период сгорания; начала впрыска, характеризуемого углом опережения впрыска; нагрузки, оцениваемой количеством топлива, подаваемого на цикл; числа оборотов; интенсивности охлаждения и др.

Перечисленные факторы должны определяться исходя из соображений, обеспечивающих сокращение первого периода сгорания по времени и углу поворота коленчатого вала.

Например , при увеличении угла опережения подачи топлива скорость нарастания давления и Pz вырастут, а температура газов на выпуске снизится, и наоборот.

Уравнение сгорания.В состав смеси газов, находящейся в цилиндре в конце горения, входят N, О, Н₂О, СО₂ и остаточные газы от предыдущего рабочего хода. Ввиду того, что теплоемкости всех компонентов разные, в расчет нужно вводить суммарные теплоемкости.

При сгорании 1 кг топлива должно выделяться Q_H дж теплоты.’ В действительном рабочем цикле ввиду несовершенства смесеобразования часть топлива не сгорает. В силу этой же причины, а также из-за малого периода сгорания, в особенности у быстроходных двигателей, топливо не успевает сгореть на участке mz’z и догорает на линии расширения zn. Таким образом, за расчетный (теоретический) период сгорания (участок mz’z) фактически теплоты выделяется меньше, чем Q_H.

Однако и выделившаяся на участке mz’z теплота не полностью используется для повышения внутренней энергии газов и совершения внешней работы, так как часть ее поглощается стенками цилиндра, а часть теряется на диссоциацию продуктов сгорания.

Для наибольшего приближения расчетного цикла к действительному рабочему циклу вводится понятие о коэффициенте использования теплоты при сгорании

ξ учитывающем все указанные выше потери.

Коэффициентом использования теплоты при сгорании называется доля располагаемой теплотворности топлива Q_H_, идущая на увеличение внутренней энергии газа и совершение внешней работы за теоретический период сгорания.

Следовательно, количество теплоты, использованное для повышения внутренней энергии газа и совершения внешней работы за период сгорания (в дж/кг),

Коэффициент использования теплоты зависит от формы камеры сгорания, быстроходности двигателя и других факторов. По опытным данным для дизелей ξ равен 0,70—0,90.

В цикле смешанного сгорания вся полезно используемая теплота Q’_Hскладывается из двух частей: теплоты, выделившейся на участке сгорания при постоянном объеме которая полностью идет на увеличение внутренней энергии газа, и теплоты, выделившейся на участке сгорания при постоянном давлении (линия z’z), часть которой идет также на увеличение внутренней энергии газа, а часть — на совершение внешней работы за период расширения газа на участке z’z.

Если учесть сказанное, уравнение теплового баланса можно записать в следующем виде:

где и_с — внутренняя энергия М₁ кмоль смеси воздуха и остаточных газов в конце сжатия в дж;

u_z — внутренняя энергия М₂ кмоль смеси газов в конце горения в дж;

L_z‘_z — внешняя работа, совершаемая газами на участке z’z, вдж.

После подстановки значений и_с, u_z, L_z‘_z и некоторых преобразований получим уравнение сгорания смешанного цикла

Для цикла быстрого сгорания уравнение будет иметь вид

Видео:История дизельного двигателя, почему дизель экономичнее бензиновогоСкачать

2.2.3. Процесс сгорания

Процесс сгорания в бензиновом двигателе и дизеле существенно различен из-за особенностей топлива, способа смесеобразования и воспламенения рабочей смеси. Для каждого двигателя принято рассматривать этот процесс по диаграмме с координатами р – φ, на которой этапы процесса сгорания представлены развернуто по углу поворота коленчатого вала. Для бензинового ДВС на развернутой диаграмме процесса сгорания рабочей смеси различают фазы
I — III (рис. 2.6).

Рис. 2.6. Развернутая диаграмма процесса сгорания рабочей смеси в бензиновом ДВС:
1 — момент искрового разряда; 2 — начало фазы интенсивного горения; 3 — окончание фазы интенсивного горения; ВМТ — верхняя мертвая точка положения поршня; I — фаза начала горения, равная углу α₁ (задержка интенсивного горения); II — фаза интенсивного горения, равная углу α₂; III — фаза догорания топлива; р — давление газа; φ — угол поворота коленчатого вала; θ_0.3 — угол опережения зажигания;——– расширение газа без сгорания; — ► — направление хода процесса

Фаза I , равная углу α₁— начало горения. В течение фазы I образуется фронт горения рабочей смеси от момента искрового разряда между электродами свечи в точке 1. Горение рабочей смеси начинается без повышения давления (участок 1—2). Длительность начальной фазы I определяет задержку интенсивного горения и зависит от состояния рабочего тела, угла опережения зажигания θ_0.3, энергии искрового разряда. Увеличение степени сжатия ε и уменьшение угла опережения зажигания приводят к сокращению фазы I (уменьшению угла α₁,). Увеличение частоты вращения коленчатого вала, снижение нагрузки на ДВС, обеднение рабочей смеси, уменьшение мощности источника воспламенения — причины удлинения фазы I (увеличения угла α₁,).

Фаза II, равная углу α₂, — начало интенсивного горения в точке 2 с резким повышением температуры и давления продуктов сгорания до их максимума в точке 3. Для получения большей экономичности двигателя сгорание топлива должно осуществляться вблизи ВМТ при минимальном объеме надпоршневого пространства, когда минимальны потери теплоты через стенки цилиндра.
В этот период времени сгорает основная масса топлива. Скорость распространения фронта горения 20…40 м/с, окончание этой фазы (точка 3) приходится на угол поворота коленчатого вала 12… 18° после ВМТ.

Если рабочая смесь перед воспламенением подвергается воздействию высоких температур и давлений, то нормальное сгорание при определенных условиях может перейти в детонационное.

Детонационное сгорание рабочей смеси возникает при несоответствии сорта бензина степени сжатия, слишком больших углах опережения зажигания, перегрузке двигателя и его перегреве, повышенном нагарообразован и и на стенках камеры сгорания.

Скорость процесса в условиях возможной детонации многократно увеличивается (до 2ООО…2 500 м/с). При этом часть рабочей смеси самовоспламеняется раньше, чем к ней подойдет фронт основного пламени. В камере сгорания возникают и распространяются волны давления, оказывающие влияние на характер изменения давления в цилиндре. Внешним признаком детонационного сгорания является появление звонких металлических стуков. При детонационном сгорании увеличиваются тепловые и механические нагрузки на детали двигателя, снижается мощность, появляется дымный выхлоп и ухудшается экономичность двигателя.

При работе двигателя с полной нагрузкой иногда наблюдается преждевременное воспламенение рабочей смеси, называемое калильным зажиганием, из-за местного перегрева стенок камеры сгорания (в результате отложения нагара на них) или электродов свечи зажигания. Такое явление может возникать при несоответствии тепловой характеристики свечи (калильного числа) степени сжатия е рабочей смеси. Это приводит к тому, что максимум давления газа достигается до прихода поршня в ВМТ, при этом снижается мощность двигателя, возможны значительный перегрев поршня и его прогорание.

Фаза III — догорание продуктов неполного окисления топлива (ниспадающая ветвь диаграммы), когда скорость выделения теплоты равна скорости теплоотвода в стенки цилиндра.

Для дизелей на развернутой диаграмме процесса сгорания рабочей смеси различают фазы I — IV (рис. 2.7).

Рис. 2.7. Развернутая диаграмма процесса сгорания рабочей смеси в дизеле:
1— точка впрыска топлива; 2 — начало фазы быстрого горения; 3 — окончание фазы быстрого горения; 4 — окончание фазы стабильного горения топлива; р — давление газа; ВМТ — верхняя мертвая точка положения поршня; I — фаза
задержки воспламенения; II — фаза быстрого горения топлива; II I — фаза стабильного горения топлива; IV — фаза догорания топлива; φ — угол поворота коленчатого вала; θ_0.3 — угол опережения впрыска;——– расширение газа без
сгорания; — ► — направление хода процесса

Фаза I — от начала впрыска топлива (точка I) до начала резкого повышения давления и температуры (точка 2) — представляет собой временной период задержки воспламенения, когда топливо впрыскивается, перемешивается со сжатым воздухом, нагревается и испаряется, т.е. период подготовки рабочей смеси к воспламенению. Продолжительность фазы I зависит от ЦЧ топлива, степени сжатия рабочей смеси, формы камеры сгорания, качества распыления топлива, момента подачи топлива в цилиндр (угла опережения впрыска θ_0.3), частоты вращения коленчатого вала, нагрузки на двигатель. С увеличением ЦЧ, степени сжатия ε и нагрузки на двигатель продолжительность фазы I сокращается.

Фаза II — участок 2—3 быстрого горения топлива при резком нарастании давления р и температуры Т газа. При увеличении давления со скоростью более 0,5 МПа на 1° поворота коленчатого вала отмечается жесткая работа двигателя. Чем меньше продолжительность фазы II, тем жестче работа ДВС.

Фаза III — участок 3— 4 стабильного горения топлива заканчивается достижением максимальной температуры газа. Впрыск топлива к этому моменту обычно заканчивается. Сгорание топлива происходит при увеличивающемся объеме и практически постоянном давлении, а скорость сгорания уменьшается из-за разбавления рабочей смеси продуктами сгорания, образовавшимися в период фазы II быстрого горения топлива.

Фаза IV — догорание топлива и продуктов неполного окисления (угол тем больше, чем выше нагрузка двигателя и частота вращения коленчатого вала). Температура и давление газа в конце процесса сгорания определяются при допущении смешанного цикла подведения к нему теплоты — последовательные циклы при постоянном объеме и постоянном давлении (см. участки сz’и z’z индикаторной диаграммы на рис. 2.5, б). Для смешанного цикла согласно первому началу термодинамики теплота, полученная при сгорании 1 кг топлива, кДж/кг, реализуется на участке cz следующим образом:

(2.4)

где ξ — коэффициент использования теплоты на участке сz, учитывающий потери теплоты через стенки цилиндра и неполноту сгорания топлива; h_u— низшая удельная теплотворная способность топлива, кДж/кг; ΔU_cz = U_z – U_с — изменение внутренней энергии газа на участке сг процесса сгорания, кДж/кг; L_сz — работа расширения газа при сгорании, кДж/кг. Изменение внутренней энергии рабочего тела на участке сz

где С_vz, С_vc — теплоемкости соответственно продуктов сгорания в точке z и рабочей смеси в точке с, кДж/(кмоль- К); Т_z, Т_с — абсолютная температура продуктов сгорания в точке г и рабочей смеси в точке с, К; V₂, V₁ V_r — количество молекулярного вещества соответственно продуктов сгорания горючей смеси, в исходном состоянии до ее горения и остаточных газов, кмоль.

Работа, кДж, расширения газов на участке cz

В этой зависимости — степень повышения давления

Исключим из уравнения работы параметры р и V, воспользовавшись уравнением Менделеева— Клапейрона для состояния газа в точках z и с цикла дизеля, и получим

где R — универсальная газовая постоянная, равная работе 1 кг газа при нагревании его на1 К, R = 8,314 кДж/(кмоль К).

Разделим обе части уравнения (2.4) на (V₁, + V_r). Тогда с учетом

того, что получим окончательно

Так как теплоемкости С_vz и С_vc являются функциями температур соответственно Т_z и Т_с, последнее выражение представляет собой квадратное уравнение относительно T_z, решением которого является температура Т_z газа в конце процесса сгорания для дизеля.

Так как для бензиновых ДВС V_z = V_с, полученное выражение упрощается и при коэффициенте избытка воздуха α ≥ 1 имеет следующий вид: