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 15⁰--33⁰. 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- z¹.

3. фаза сгорания основной дозы топлива, во время которой давление существенно не изменяется z¹-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 кгсм² 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),

Q'_H= ξ Q_H

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'_H складывается 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:

и_с+Q'_H= u_z+ L_z'_z

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

(µc_v+8314λ)Tc+ ξ Q_H/М1= β µc_рТ_z дж/кг

Для цикла быстрого сгорания уравнение будет иметь вид

µc_v Tc+ ξ Q_H/М1= β µc_рТ_z дж/кг