Термодинамический расчет процесса сгорания

Основной задачей расчета является определение темпе­ратуры и давления p_z газа в конце сгорания.

Температуру в конце видимого сгорания для рабочих циклов автотракторных ДВС находят путем решения уравнения сгорания, которое имеет такой вид:

для карбюраторного двигателя при

(42)

для карбюраторного двигателя при

(43)

для дизельного двигателя при

(44)

В указанных выше формулах составляющие означают: — соответственно средние молярные теплоемкости сме­си газов в конце процессов сжатия и сгорания; — коэффициент использования теплоты на участке видимого сгорания; для кар­бюраторных двигателей равно 0,85 — 0,95, для дизелей — 0,7 — 0,9; меньшие значения | для дизелей по сравнению с карбюра­торными двигателями обусловлены менее совершенным внутрен­ним смесеобразованием, неоднородным составом смеси и большим временем догорания топлива на такте расширения; — потеря части теплоты из-за химической неполноты сгорания топлива при а < 1, кДж/кг:

(45)

λ — степень повышения давления для дизелей она равна 1,2 — 2,5, для карбюраторных двигателей — 3 — 4, для газовых — 3 — 5; для дизелей с газотурбинным наддувом величину А определяют по допустимым значениям температуры и давления в конце видимого процесса сгорания.

Приближенно величины в формулах (42), (43), (44) можно найти из следующих уравнений [16]:

(46)

При

(47)

при

(48)

Для дизеля

(49)

Максимальное давление цикла p_z рассчитывают по формулам, приведенным ниже.

Для карбюраторных двигателей

(50)

Действительное значение максимального давления цикла с учетом частичного догорания на линии расширения и скругления" инди­каторной диаграммы в процессе сгорания для таких двигателей

(51)

для дизелей с учетом принятого значения степени повышения давления λ

(52)

Расчетные величины двигателя при работе с номинальной нагрузкой должны соответствовать значениям, представленным в табл. 1.4.

Тип двигателя	pz, МПа	Tz, К
Карбюраторный Газовый Дизель без наддува Дизель с наддувом	3,5 - 6,0 3,0 - 5,0 6,0 - 9,0 7,0 - 12,0	2 400 — 2 900 2 200 — 2 500 1 800 — 2 300 2 000 — 2 500

 

1.5. РАСЧЕТ ПРОЦЕССА РАСШИРЕНИЯ

В процессе расширения тепловая энергия топлива преобразуется в механическую работу. Основными характеристиками процесса являются средний показатель политропы n_{2 )} давление р_в и тем­пература Т_в. Значения п₂ для современных автотракторных дви­гателей при работе с номинальной нагрузкой находятся в следу­ющих пределах [13]: для карбюраторных — 1,23 — 1,30, дизелей — 1,18 - 1,28, газовых двигателей — 1,25 - 1,35.

Правильный выбор показателя политропы расширения опреде­ляется с учетом конструктивных и эксплуатационных факторов, а также режимов работы двигателя. Величина политропы расши­рения возрастает при интенсивном охлаждении деталей, увеличе­нии их относительной поверхности и времени теплообмена. Мень­шие значения n₂ имеют высокооборотные двигатели с высоким над­дувом.

Зависимость политропы расширения от скоростного режима ра­боты карбюраторного двигателя может быть представлена выра­жением

(53)

Для дизельного двигателя это выражение представляется так:

(54)

Давление р_в и температуру Т_в газов рассчитывают по следу­ющим уравнениям:

для карбюраторных и газовых двигателей

(55)

(56)

для дизельных двигателей

(57)

(58)

где — степень последующего расширения,

(59)

где — степень предварительного расширения,

(60)

Для автотракторных дизелей равно 1,2 — 2,4.

Расчетные параметры процесса расширения при работе двига­теля на режиме номинальной загрузки должны соответствовать величинам, приведенным в табл. 1.5.

Таблица 1.5

Тип двигателя	рВ, МПа	ТВ, К
Карбюраторный Дизельный	0,35-0,60 0,20-0,50	1400-1700 1000-1400

1.6. ПОСТРОЕНИЕ ИНДИКАТОРНОЙ ДИАГРАММЫ

Построение свернутой индикаторной диаграммы производится в прямоугольных координатах, где по оси ординат откладывается давление над поршнем в абсолютных единицах (МПа), а по оси абсцисс — объем надпоршневого пространства камеры сгорания V_c в относительных единицах. Подобная диаграмма называется индикаторной в координатах р — V.

Рассмотрим методику построения индикаторной диаграммы для двигателей с искровым зажиганием и воспламенением от сжа­тия.

Двигатели с искровым зажиганием

На оси абсцисс (рис. 1.2, а) откладывают произвольный отре­зок 0А, изображающий в заданном масштабе объем камеры сгора­ния. Обычно 0А принимают равным 10 — 15 мм. Точка 0 является началом координат диаграммы р — V. От точки А вправо откла­дывают отрезок АВ, соответствующий рабочему объему цилиндра. Величина его определяется из соотношения

На ось ординат наносится масштаб давления, который выбирают так, чтобы высота диаграммы превосходила ее длину в 1,2 — 1,7 ра­за. Например, для карбюраторных двигателей следует выбирать масштаб давления μ _p, равный 0,03 — 0,05 МПа в 1 мм. Из точек А и В проводят вертикальные линии, являющиеся отметками верх­ней (ВМТ) и нижней (НМТ) мертвых точек, на которых фик­сируют значения давления в характерных точках индикаторной диаграммы

Линия атмосферного давления на диаграмме изображается в виде прямой, параллельной оси абсцисс и расположенной от нее на расстоянии p_o/μ_p. Политропы сжатия и расширения строятся аналитическим способом.

Давление в любой искомой точке политропы сжатия находится из выражения

(61)

где — объем в искомой точке рассчитываемой политропы.

Приняв для отношения значения в пределах от 1 до е,

определяют соответствующие величины политропы сжатия и полученные данные заносят в табл. 1.6.

Таблица 1.6

Точка	Va/Vx	VX, мм	(Va/Vx)n1	px, МПа	Pa/μp
X1
X2
X3
…
Xn

 

Политропу расширения р определяют аналогично по формуле

(62)

Отношение объема также берется в пределах от 1 до ε.

Расчетные показатели давления заносят в табл. 1.7. Соединив плавной кривой точки „а" и „с" политропы сжатия и точки „z" и „b" политропы расширения, получают расчетную индикаторную диаграмму aczba.

Действительная индикаторная диаграмма отличается от теоре­тической „скругленностью" в точках с, z, b, которая объясняется началом воспламенения свежего заряда до прихода поршня в ВМТ в результате опережения зажигания (в точке с), немгновенностью сгорания, догоранием топливовоздушной смеси (в точке z) и пред­варительным открытием выпускного клапана (в точке Ь).

Таблица 1.7

Точка
X1
X2
X3
…
Xn

 

В карбюраторном двигателе (см. рис. 1.2) положение точки с' определяется углом опережения зажигания в 10 — 40 ° поворота коленчатого вала (ПКВ) и длительностью второй фазы сгорания 15 — 26° ПКВ. Давление в точке с" ориентировочно может быть принято таким: Действительное давление газов в конце сгорания Обычно точка z' смещается вправо от ВМТ на 10—15° ПКВ по развернутой индикаторной диаграмме. На свернутой диаграмме точка z' находится на поли­тропе расширения, а угол отклонения линии сгорания от вертикали в среднем составляет 2,5 — 3,5 °. Точка b' соответствует началу открытия выпускного клапана за 40 — 70 ° до прихода поршня в ВМТ. Точка b", характеризующая конец расширения действи­тельного цикла, располагается на половине расстояния между точ­ками а и Ь.

Дизельные двигатели

Индикаторная диаграмма дизельного двигателя (рис. 1.3) в ос­новном строится так же, как и диаграмма карбюраторного. Мас­штаб давления μ _p равен 0,04 — 0,08 МПа в 1 мм.

Координата точки z, соответствующая концу сгорания, на оси абсцисс находится из выражения

(63)

где — объем камеры сгорания, соответствующий отрезку АО.

Давление в промежуточных точках политропы сжатия находят из формулы (61), а политропы расширения — из выражения (62). Затем строят кривые политроп сжатия и расширения. Показатели отношения объемов берут в пределах от 1 до 5 начиная с

точки z. Все построения и „скругления" диаграммы производятся аналогично диаграмме карбюраторного двигателя. Соединив пря­мыми линиями точки с и z', z' и z, получим расчетную индика­торную диаграмму дизельного двигателя.

В дизеле положение точки с' ' соответствует началу видимого сгорания и определяется углом опережения впрыскивания топлива

и периодом задержки воспламенения. Угол опережения впрыска топлива у автотракторных дизелей составляет 8 — 30, а период задержки воспламенения достигает 10 — 15°. Действительное дав­ление газов р_с" также больше, чем давление р_с. Точку m скругления процесса сгорания обычно располагают на половине рассто­яния между точками z' и г.