Процес згоряння

 

Процеси сумішоутворення та згоряння у ДВЗ будуть ще розглянуті окремими темами, а у

цьому підрозділі розглянемо розрахунок процесу згоряння (c-z на рис. 3.2).

Ціль розрахунку – визначення температури і тиску наприкінці згоряння, а також об`єму V_z

для циклів зі змішаним підведенням теплоти і з підведенням теплоти при постійному тиску.

У загальному випадку відповідно до першого закону термодинаміки можна записати

наступне рівняння:

 

(H

 

 

U

 

− ΔH

 

 

U

 

) − Q

втр.

 

=

 

−

(U_ZU

 

 

C

 

) +

 

L

CZ

ξ ⋅ H

− ΔH

=

−

+

чи

z

(

U

U

) (U U

)

L

,

Z

C

CZ

 

де Qвтр. – втрати теплоти внаслідок тепловіддачі, догоряння палива на лінії розширення та

дисоціації;

ξ_z – частка нижчої теплоти згоряння палива, що використовується на підвищення

внутрішньої енергії газу (U_z - U_c) та на здійснення роботи L_cz;

Uz, Uc – внутрішня енергія газу до і після згоряння;

L_cz – теплота, що еквівалентна роботі газу в процесі згоряння (для ДВЗ, що працюють

за циклом Отто, L_cz =0).

 

Чисельне значення ξ_zлежить у межах:

- ξ_z= 0,8ч0,95 для карбюраторних бензинових двигунів;

- ξ_z= 0,9ч0,96 для бензинових з електронним впорскуванням;

- ξ_z= 0,7ч0,88 для дизелів з нерозділеною камерою згоряння;

- ξ_z= 0,65ч0,8 для дизелів з розділеною камерою згоряння;

 

 

- ξz = 0,8ч0,85 для газових двигунів;

- ξz = 0,75ч0,8 для газодизелів.

 

Після перетворень рівняння згоряння прийме вид:

а) для двигунів з підведенням теплоти при V = const (бензинові і газові):

 

ξ

 

⋅

 

+

( )

' t

 

μ

( )

t

H

Z раб см

C ⋅ t_C= ⋅

"

Z ⋅

t_Z,

. .

V t_O

V t_O

 

б) для двигунів зі змішаним підведенням теплоти (дизелі і газодизелі):

 

ξ

 

⋅

 

+

[( )

' t

 

+

]

⋅ λ ⋅ t +

 

(

λ

 

)

 

μ

( )

t

Z

H

см

C

8,314

C

2270 ⋅ − μ = ⋅

"

Z ⋅ t

Z

,

р аб. .

V t_O

P t_O

 

де λ – ступінь підвищення тиску, λ = p_z/ p_c. Для розрахунку температури згоряння t_z

дизельних двигунів рекомендується приймати попереднє значення в межах

λ = 1,6ч2,5 для дизелів з нерозділеною камерою згоряння й об'ємним

сумішоутворенням, λ = 1,2ч1,8 для дизелів з розділеною камерою згоряння і для

дизелів з нерозділеною камерою згоряння і плівковим сумішоутворенням, λ = 1,4

для дизелів з наддувом, λ = 1,8ч2,5 для газодизелів;

( )^tZ

" – середня мольна теплоємність продуктів згоряння при постійному об'ємі,

V t_O

( )^tZ

кДж/(кмоль⋅К);

" – середня мольна теплоємність продуктів згоряння при постійному тиску,

P t_O

кДж/(кмоль⋅К).

В обидва з цих рівнянь входять дві невідомі величини – ( )^tZ

" чи ( )^tZ

температура tz. Вирішити ці рівняння можна двома способами:

V t

O

" і шукана

P t_O

 

1) методом послідовних наближень. При цьому за допомогою табличних значень,

орієнтовно задаючи t_z(діапазон значень – таблиця 3.2) і знаючи α, вибирають ( )_"t_Zчи ( )^tZ

" і

V t_O

P t_O

вирішують рівняння згоряння, визначаючи t_z. Потім, використовуючи його отримане значення,

уточнюють ( )_V" t_tZ чи ( )_"P^tt^Zі знову визначають t_z. Процес ітерації проводиться доти, поки

O

O

відмінність двох послідовних визначених значень tz буде менш 25єC. При використанні таблиць

варто застосовувати операцію інтерполяції, оскільки таблиці складені з шагом 100єC.

2) визначають ( )_V" t_tZ_Oчи ( )_"P^tt_OZ у такий спосіб:

- середню мольну теплоємність продуктів згоряння при постійному об'ємі ( )^tZ

"_,

кДж/(кмоль⋅К), визначають за формулою:

V t_O

 

( )

" t

 

 

z

 

 

 

M

 

( )_"t_z,

v t

i

=_M2 ⋅ ∑ ⋅

v_it

 

де ( )mc_V" t_Z– середні мольні теплоємності компонентів, кДж/(кмоль⋅К);

і t_O

 

 

- середню мольну теплоємність продуктів згоряння при постійному тиску ( )^tZ

-160" tPO

-26,

кДж/(кмоль⋅К), визначають за формулою:

 

( )

t

 

 

"

 

 

z

 

 

8,314

 

 

 

M

 

( )_"t_z.

P t

=

i

+_M⋅ ∑ ⋅

v_it

При цьому, оскільки величина t_zневідома, у формулах t_zзалишається перемінною. Усе

вираження підставляється в рівняння згоряння, яке після всіх можливих обчислень і перетворень

приймає вид:

 

A ⋅ t_z2 + B ⋅ t_z− C = 0,

 

де А, В, С – числові значення відомих величин.

Тоді

 

− +

 

+ ⋅ ⋅

t_z=

B B²4

2 ⋅ A

A C

,

 

= t +

 

273.

T_zz

Значення λ для бензинових і газових двигунів визначається після обчислення температури

t_zі звичайно лежить в інтервалі λ = 3,2ч4,2 для бензинових ДВЗ; λ = 3ч5 для газових.

Тиск наприкінці процесу згоряння рz, МПа:

- для бензинових і газових двигунів:

 

= μ ⋅ ⋅

p p T

c z_,

z

 

λ

 

 

=

 

p

 

 

z

 

 

,

T

c

 

p

 

 

zд

p_c

=

 

⋅ p

0,85 .

 

- для дизелів і газодизелів:

 

λ

z

p_z= ⋅ p_c ,

ρ = μ

⋅

T

z

,

λ

T_c

p_zд⁼p_z.

 

де р_zд – дійсний тиск наприкінці згоряння, МПа;

ρ – ступінь попереднього розширення.

Звичайно для дизельних двигунів ρ = 1,2ч1,7. Якщо в результаті розрахунків отримано

ρ < 1, то необхідно зменшити значення λ і заново обчислити температуру t_z.

Орієнтовні значення параметрів суміші наприкінці згоряння зазначені у таблиці 3.2.

 

Таблиця 3.2 – Параметри суміші наприкінці згоряння

Тип двигуна Тиск наприкінці згоряння

 

 

Температура наприкінці згоряння

Бензинові

Дизельні

 

Газові

Газодизелі

р_zд = 3,0ч6,5 МПа

рzд = 5ч12 МПа

з наддувом р_zд ≤ 15 МПа

рzд = 2,5ч4,5 МПа

р_zд = 6ч12 МПа