Термодинамика сгорания в двигателях с принудительным зажиганием

Наглядные представления о развитии во времени процесса использования теплоты сгорания в двигателе дают характеристики активного тепловыделения, построенные по углу j п.к.в.

Скорость тепловыделения в основной фазе определяет быстроту нарастания давления по углу п.к.в (dp/dj), соответственно динамику действия газовых сил, от чего зависит "жесткость" работы двигателя.

Величина dp/dj зависит от скорости протекания процесса в фазе быстрого сгорания. В двигателях с умеренными степенями сжатия e=6…7 наиболее высокие dp/dj составляют 0,1…0,12 МПа 1°п.к.в. При более высоких степенях сжатия e =9…10 скорость повышения давления достигает 0,15…0,25 МПа 1°п.к.в.

Связь между сгоранием и использованием теплоты определяется характеристиками активного тепловыделения.

c= .

При работе на обедненных смесях значения c в точке Р_z не превышают 50%, и процесс догорания более растянут. При значениях a > 1 Q = Q_н(Н_и), а при a <1 Q=Q_н – (DQ_н)_хим, Q=Q_н(Н_и)-ΔQ_{н хим}(ΔН_и)_хим.

В случае карбюраторных двигателей при термодинамическом расчете рабочего процесса принимается, что сгорание происходит почти мгновенно при постоянном объеме камеры сжатия Vc, т.е. действительная кривая заменяется изохорой cz. При этом газы в период сгорания не совершают внешней работы, и вся выделяющаяся теплота расходуется на увеличение их внутренней энергии (рис.13).

В двигателе с принудительным зажиганием основная часть использованной теплоты подводится во второй фазе (до Р_z). x_р =(0,8…0,85) x_max. На рис. 14 x = 0,9, положение максимума соответствует 50° п.к.в после ВМТ, а в двигателях с высоким h_i продолжительность сгорания j_z составляет не более 40…45° угла п.к.в. при работе на стехиометрической смеси.

 

 

Рис. 13. Участок видимого сгорания

Рис. 14. Протекание характеристик динамики тепловыделения

Основная часть теплоты подводится вблизи ВМТ. В действительном цикле нецелесообразно добиваться подвода теплоты строго при V=const ввиду нежелательного повышения скорости нарастания и максимума давления при сокращении продолжительности сгорания j_zопт = 40… 60° п.к.в.

В любом случае (сгорание V=const - карбюраторный двигатель, и по смешанному циклу - дизель) общие потери теплоты вследствие его неполноты и несвоевременности, а также из-за диссоциации и теплоотдачи в стенки учитываются коэффициентом использования теплоты сгорания x, определяемым опытным путем. Для 1кг топлива имеем

 

x_max Q_н = U_z(max) -U_c + I_{ziz ,}

I_ziz = P_zV_z-P_ziV_c.

 

Для бензиновых и газовых двигателей V =const и, следовательно, l_ziz =0, уравнение сгорания примет вид

 

,

 

где U¹¹_z и U¹¹_c - внутренняя энергия 1 моля продуктов сгорания при температурах в точках Z и С;

M₁ – количество свежего заряда.

При a<1 (обогащенная смесь) часть теплоты сгорания топлива не используется из-за невозможности полного сгорания вследствие недостатка кислорода. Для этого необходимо в уравнение сгорания вместо Н_и подставить Н_и - (DН_и)_хим , тогда уравнение сгорания примет вид

,

где (DН_и)_хим=А(1-a)L_o Дж/кг при К=0,5-0,45 А=114•10⁶, при К=0,3 А=116•10⁶.

Уравнение сгорания для газовых двигателей отличается тем, что теплота сгорания топлива должна быть отнесена к 1 кмолю газообразного топлива. Поэтому в член, содержащий Н_и вводится объем моля, равный 22,4 м³ при 0 °С и давлении 0,1 МПа. Тогда, при условии a > 1 уравнение сгорания газа можно написать так:

.

По уравнениям сгорания определяется T_max(T_z).

Для подсчета теплоемкостей и внутренних энергий воздуха и продуктов сгорания, необходимых для определения Т_z (методом подбора), следует воспользоваться следующими таблицами:

1. Средней мольной теплоемкости газов mC_v при V =const (кДж/кмоль∙°С).

2. Внутренней энергии газов U (МДж/кмоль).

3. Теплоемкости продуктов сгорания (кДж/кмоль∙°С).

4. Внутренней энергии продуктов сгорания U (МДж/кмоль).

Для цикла карбюраторного двигателя

V =const, l=m_gT_max(z)/T_c P_max(z)p=lp_{c .}

Коэффициент использования теплоты для карбюраторного двигателя x = 0,85…0,9;

для газового двигателя x = 0,80…0,85.

Действительное значение P_max(z) бензиновых и газовых двигателей равно Р_{max(z)действ} = j_z P_{max(z)расч}, где j_z - эмпирический коэффициент снижения давления, учитывающий увеличение объема КС к моменту достижения Р_z и равный 0,85.

 

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ

1. Перечислите основные требования к процессу смесеобразования.

2. Что такое карбюрация?

3. Опишите различные формы смесеобразования в дизелях и влияние на них типов камер сгорания.

4. Перечислите основные фазы процесса сгорания в карбюраторных двигателях и дизелях.

5. Что такое детонационное сгорание?

6. Что такое калильное зажигание?

7. Что такое период задержки воспламенения и каково его влияние на процесс сгорания в дизеле?

8. Как определить давление и температуру в конце сгорания?