Идеализированный цикл карбюраторного двигателя представлен циклом Карно. В этом цикле подвод и отвод теплоты реализуется в процессах V=const, а сжатие свежего заряда и расширение продуктов сгорания – в политропических процессах с отводом теплоты (с постоянными значениями показателей политроп).
Реальные циклы состоят из более сложных процессов с переменным составом рабочего тела и изменяющимися значениями показателей политроп. Реальные процессы отличаются от теоретических также наличием дополнительных тепловых потерь, насосных потерь, потерь на трение и привод вспомогательных механизмов, что, естественно, в дальнейшем учитывается.
Вид топлива
Средний элементарный состав
Молярная масса паров m1, кг/(кг*моль)
C
H
O
Автомобильные бензины
0,855
0,142
-
110–120
Дизельные топлива
0,870
0,126
0,004
180–200
Топлива тихоходных двигателей
0,125
0,005
220–280
Основные реакции при горении топлива имеют вид:
Под реакциями подписаны молярные массы веществ, участвующих в реакциях, а в правых частях в общем виде записано количество теплоты, выделяющейся в этих реакциях. На основании этих записей можно составить формулу для расчета теоретически необходимого количества воздуха для сгорания 1 кг топлива. Следует учесть количество кислорода, содержащегося в топливе, и массовую долю кислорода в воздухе (0,23):
где M0 – масса воздуха, необходимая для сгорания 1 кг топлива, кг; C, H, O – массовые доли углерода, водорода и кислорода в топливе.
Последнюю формулу можно записать в виде: (1) подставив значения получим кг
Количество воздуха, подаваемое для сгорания, обычно отличается от теоретически необходимого количества и записывается в виде:
, (2)
где a – коэффициент избытка воздуха; в карбюраторных двигателях обычно a=0,8…1,15. Учитывая, что у нас a=1,14, получим кг.
Если известны основные химические реакции, протекающие при сгорании топлива, и тепловые эффекты этих реакций, то легко записать формулу для вычисления суммарного количества теплоты, МДж/кг, выделяющейся при сгорании 1 кг топлива (формула Менделеева):
. (3)
При сгорании топлива часть теплоты уносится с водяными парами и не дает вклада в суммарное количество теплоты (низшая теплота сгорания топлива). Подставим значения: МДж/кг.
В карбюраторных двигателях параметры начальной точки имеют обычно следующие значения:
T1=(350…430) K;
p1=(0,9…0,95)*105 Па (в тихоходных двигателях);
p1=(0,75…0,85)*105 Па (в быстроходных двигателях);
Сравнительно высокие значения температуры в начальной точке связаны с нагревом воздуха во входных каналах двигателя.
4.2.1. Молекулярная масса свежего заряда определяется по формуле
, (4)
здесь mб, mв – массовые доли паров бензина и воздуха; mб, mв-молярные массы паров бензина и воздуха.
Масса свежего заряда – Mс.з.= 1 кг паров бензина + 16,9 кг воздуха = 17,9 кг. Массовая доля паров бензина mб==0,06, массовая доля воздуха mв==0,94. Подставляем эти значения в (4): кг/кг*моль.
4.2.2. Для расчета теплоемкости свежего заряда, учитывая малое содержание паров бензина в смеси, можно использовать формулу для теплоемкости воздуха (с достаточной для инженерной практики точностью).
Среднее значение молярной теплоемкости для изохорического процесса в интервале температур 0-T рассчитывается по формуле (5), где .
Задаемся значением Т2=625 К. ДЖ/кмоль*К, теперь можно определить величину удельной массовой теплоемкости (6) Дж/(кг*К).
Показатель адиабаты для процесса сжатия. Газовая постоянная для свежего заряда вычисляется по формуле (7) Дж/(кг*К)
Среднее значение теплоемкости при постоянном давлении (8) . Дж/(кг*К)
Показатель адиабаты для процесса сжатия (9) =1,378.
Показатель политропы для процесса сжатия. В задании приводится значение (n1-k1)=-D1, поэтому n1= k1-D1=1,378 – 0,009=1,37.
P1*V1=RT; =>
Теперь можно определить параметры в конце процесса сжатия: м3 /кг, Па, К. Полученное значение температуры отличается от изначально принятого на 207К.
Зададимся другим значением Т2.
Задаемся значением Т2=832 К. ДЖ/кмоль*К, теперь можно определить величину удельной массовой теплоемкости (6) Дж/(кг*К).
Показатель адиабаты для процесса сжатия (9) =1,373.
Показатель политропы для процесса сжатия. В задании приводится значение (n1-k1)=-D1, поэтому n1= k1-D1=1,373 – 0,009=1,364.
Теперь можно определить параметры в конце процесса сжатия: м3 /кг, Па, К. Полученное значение температуры отличается от изначально принятого на 8К.
Итерация: Взяли Т2=832, получили 824 после второй подгонки.
Из основных реакций и следует, что в результате реакций на 1 кг С приходится 44/12=3,67 кг CO2, а на 1 кг Н приходится 36/4=9 кг Н2О.
С учетом этих соотношений состав продуктов сгорания бензина будет следующий: кг, кг, кг, кг.
Общая масса продуктов сгорания, кг:
Мп.с.=3,67С + 9Н + 0,77М0 + (a – 1) М0=3,14+1,305+11,51+1,94=17,89 кг
Массовые доли веществ, составляющих продукты реакции горения:
Вычисляется по формуле (12):
кг/моль.
В интервале температур (Т1, Т2) для a1 определяется по формуле (14)
, где .
Задаемся значением Т3 = 2850К кг/моль. Удельная массовая теплоемкость вычисляется по формуле
ДЖ/(кг*К).
Температура в конце сгорания вычисляется по формуле (15) , где q2,3 – количество теплоты выделившейся при сгорании 1 кг свежего заряда. Её можно вычислить по формуле (16) , где xZ – коэффициент подвода теплоты, его значение – для карбюраторных двигателей находится в пределах 0,85–0,95, выбираем 0,9, xa – учитывает меньшее выделение теплоты – xa=1,4a-0,4, при α1
К. Полученная температура отличается от первоначально принятой на 5 К, что находится в пределах допустимого.
, V3=V2, .=> Па.
Итерация: Взяли Т3=2850, получили 2845,3
Задаемся значением температуры в конце процесса расширения Т4=1610 К: К. Вычисление средних значений молярных теплоемкостей (в интервале температур) производится по формулам (13) и (14).
; ДЖ/кмоль
ДЖ/(кг*К),
, ДЖ/(кг*К)
.
,
Па, V4=V1,
Полученное значение температуры отличается от первоначально принятого на 10, что находится в допустимом интервале отклонения.
Итерация: Взяли Т4=1610, получили 1620
Для рассмотренного цикла можно записать баланс в виде: q2,3 + q1,2 + q3,4 + q4,1 =l3,4 + l1,2, или q2,3 = qи, где qи – энергия, полученная в цикле qи = l3,4 + l1,2 – q1,2 – q3,4 – q4,1; (17)
l1,2 – работа сжатия, (18)
Дж/кг,
l3,4 – работа расширения, (19)
q1,2 – теплота, отведенная в процессе сжатия, (20)
Дж,
q3,4 – теплота, отведенная в процессе расширения, (21)
q4,1 – теплота, отведенная с выхлопными газами, (22) ;
Страницы: 1, 2