2.4 Расчет объёмных долей компонентов продуктов сгорания

Для удобства расчётов продукты сгорания условно делят на две части:

1. продукты сгорания стехиометрической смеси (при α = 1);

2. избыточный воздух.

В дизельном двигателе объемная доля продуктов сгорания:

 (4.9)

Объемная доля избыточного воздуха:

 (4.10)

В расчетах целесообразно воспользоваться проверочным соотношением: r0 + rb = 10,6394+0,360 =1

3. Расчет параметров наддува

Многие современные бензиновые двигатели и большинство дизельных снабжены системами газотурбинного наддува, что позволяет значительно повысить мощность при практически тех же габаритах и одновременно снизить удельный расход топлива. Компрессор, установленный в системе газотурбинного наддува, должен создавать большее давление, чем давление наддува Рк, так как часть его тратится не сопротивление воздушного тракта между компрессором и двигателем.

Основным элементом, создающим сопротивление, является охладитель наддувочного воздуха. Последний конструируют так, чтобы он существенно снижал температуру воздуха, но мало влиял на давление. На основании статистических данных потери давления в охладителе составляют:

Следовательно, давление за компрессором:

 (МПа) (5.1)

Степень повышения давления в компрессоре:

 (5.2)

где Р0 - атмосферное давление.

Пpи сжатии воздуха в компрессоре происходит повышение его температуры, которая определяется по формуле:

 (5.3)

гдеТ0 - температура атмосферного воздуха;

К = 1,40 - показатель адиабаты для воздуха;

ηкад = 0,68 - 0,76 - адиабатный к. п. д. компрессора.

Повышение температуры составит:

 (К)

Температура воздуха на входе в двигатель:

 (5.4)

где σ = 0,5 - 0,8 - степень тепловой эффективности охладителя.

Теоретически, если σ = 0, то , что означает отсутствие охлаждения.

Если σ = 1, то , что соответствует полному охлаждению воздуха до температуры окружающей среды. С термодинамической точки зрения величину σ целесообразно увеличивать, однако при этом растут габариты и масса охладителя. Практикой выработаны рекомендации для целесообразного выбора значения степени тепловой эффективности охладителя в диапазоне, указанном выше.

Температура воздуха на входе в двигатель составит:

 (К)

4. Расчет процесса впуска

Процесс впуска представляет собой сложный термодинамический процесс в открытой термодинамической системе, который сопровождается изменением объёма цилиндра, проходного сечения впускных клапанов, сопротивления на впуске. В этом процессе протекают все диссипативные явления, вызванные трением, теплообменом и диффузией. Точный расчёт процесса впуска возможен лишь на основе численного решения системы дифференциальных уравнений, что выходит за рамки настоящей курсовой работы.

В курсовой работе ограничимся определением параметров рабочего тела в конце процесса впуска, используя многочисленные экспериментальные данные, полученные при исследовании двигателей подобных типов.

За начало цикла примем, точку "r", которая соответствует концу процесса выпуска или началу впуска, а поршень находится в ВМТ. Количество рабочего тела в цилиндре в этом случае минимально, поэтому погрешности в оценке параметров рабочего тела сравнительно мало влияют на общий результат расчёта.

На основании статистических опытных данных принимаем параметры рабочего тела в точке "r" для бензиновых двигателей с наддувом:

 (МПа) ;

Давление в цилиндре в конце впуска отличается от давления наддува Рк в меньшую сторону за счёт потерь давления при впуске (главным образом в клапанных устройствах):

 (6.1)

где  = (0,05-0,15). Рк - потеря давления при впуске.

Давление в цилиндре в конце впуска составит:

 (МПа)

Температуру в цилиндре в конце впуска определяют по формуле, полученной на основе баланса энергии при впуске:

 (5.2)

где  - повышение температуры свежего заряда при впуске за счёт подогрева от стенок (для дизельных двигателей  = 20 - 40 К);

γ - коэффициент остаточных газов (для дизельных двигателей γ = 0-0,05);

Температуру в цилиндре в конце впуска определяем по формуле (5.2):

 (К)

Величины Тr и γ, принятые при расчете процесса впуска, в дальнейшем могут быть проверены и при необходимости уточнены.

Важнейшей характеристикой процесса впуска является коэффициент наполнения ηv, который равен отношению количества свежего заряда, действительно поступившего в цилиндр, к теоретическому количеству свежего заряда, который помещается в рабочем объеме цилиндра при параметрах на впуске (Pk,Tk).

Для расчета коэффициента наполнения служит формула:

 (5.3)

Коэффициент наполнения влияет на количество свежего заряда в цилиндре и, следовательно на мощность. Поэтому всемерно стремятся к увеличению коэффициента наполнения, снижая потери при впуске () и осуществляя продувку камеры сгорания в период газообмена.

5. Расчёт процесса сжатия

В процессе сжатия происходит уменьшение объема, поэтому давление и температура тела в цилиндре возрастают. На процесс сжатия сильное влияние оказывает теплообмен со стенками, а также трение и диффузия при движении и перемешивании рабочего тела. Теплообмен со стенками приводит к подводу теплоты к рабочему телу, когда его температура низка. В конце процесса сжатия температура рабочего тела превосходит температуру стенок и направление теплового потока меняется - он направлен от рабочего тела к стенкам, то есть происходит теплоотвод. Поэтому процесс сжатия является сложно-политропным с переменным показателем политропного процесса.

Для определения параметров рабочего тела в конце сжатия используют понятие условно политропного процесса с постоянным средним показателем n1. Величины n1 определены для разных типов двигателей путем обработки многочисленных опытных индикаторных диаграмм (для дизельных двигателей n1 = 1,32 - 1,39)

На основании уравнений политропного процесса давление в конце сжатия:

 (МПа) (7.1)

Температура в конце сжатия:

 (К) (7.2)

В конце процесса сжатия (условно в точке "с") начинается процесс сгорания, который протекает различно в бензиновых и дизельных двигателях.

В бензиновых двигателях практически вся смесь приготовлена для сгорания, средняя скорость сгорания велика, а продолжительность сгорания сравнительно небольшая.

6. Расчет процесса сгорания

Уравнение сгорания выражает баланс энергии в процессе сгорания, составленный на основе 1-го закона термодинамики, в данном случае с учётом того факта, что часть теплоты подводится к рабочему телу при V = const, а другая часть - при p = const.

Уравнение имеет вид:

 (8.1)

где R = 8,314  - универсальная газовая постоянная;

 - степень повышения давления при сгорании;

Для определения величины В сначала задают максимальное давление при сгорании в пределах:

для двигателей средней напряжённости:

Рz = 10 - 12 МПа;

для высокофорсированных двигателей:

рz= 12 - 14 МПа;

x= 0,65 - 0,85 - для дизельных двигателей;

Hu - теплота сгорания дизельного топлива (см. табл.3);

Cvz - теплоёмкость продуктов сгорания.

Величины Pz и xz обеспечиваются за счёт регулировок и конструирования топливной аппаратуры (профиля кулачка топливного насоса, конструкции нагнетательного клапана, силы затяжки пружины форсунки, числа и размеров отверстий распылителя).

Продукты сгорания в дизельном двигателе, всегда содержат избыточный воздух, так как двигатель работает при a>1. Поэтому теплоёмкость продуктов сгорания рассчитывает как для смеси:

 (8.2)

где  и Cvcb теплоёмкости соответственно "чистых" продуктов сгорания и воздуха, определяемые по таблице при температуре Tz (tc) методом интерполяции.

Уравнение сгорания содержит две переменные величины Tz и  - поэтому оно решается относительно Tz приближёнными методами. В данном случае используется графический способ решения.

Вычисляем правую часть уравнения:

 (8.3)

Для левой части уравнения составляем таблицу 8.1 в диапазоне ожидаемых температур Tz.

Таблица 8.1-Расчет уравнения сгорания.

Страницы: 1, 2, 3