29

ЧЕРЕПОВЕЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра Технологии, эксплуатации и безопасности транспортно-технологических комплексов

(На правах рукописи)

Быков П.М. к.т.н., доцент.

РАБОЧИЕ ПРОЦЕССЫ, КОНСТРУКЦИЯ И ОСНОВЫ РАСЧЕТА ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК

(Практическая работа 4)

Расчёт необратимого термодинамического процесса - горение топлива в цилиндре

поршневого двигателя

Череповец

2009.

Задача 4.

Определить давление р_z и температуру Т_z рабочего тела к началу процесса расширения для поршневого двигателя с жидкостным охлаждением. Вариант задания и значения известных параметров принять по задачам 1÷3.

1. Общие положения

1.1. Процесс сгорания

Сгорание топлива в поршневых двигателях сопровождается сложней­шими физико-химическими процессами, представления о которых изло­жены в [1, 2 и др.].

Целью расчета процесса сгорания является определение параметров рабочего тела к началу процесса расширения (давления p_z и температуры T_z).

При правильно организованном процессе сгорания быстрое нараста­ние давления в бензиновых двигателях происходит вблизи ВМТ (в среднем от -12 до +15°п.к.в.), когда объем цилиндра изменяется незначительно и его можно принять постоянным V=const. В дизелях при V=const сгорает лишь та часть топлива, которая поступила при впрыске в цилиндр до дос­тижения температуры самовоспламенения. Остальная часть сгорает при перемещении поршня к НМТ. В результате давление рабочего тела в нача­ле такта расширения изменяется незначительно и его с определенным при­ближением можно принять постоянным.

При расчете необратимых термодинамических циклов определение температуры T_z производится с помощью уравнения баланса энергии

где U_z = c_vT_z и U_с = c_vT_c - внутренние энергии продуктов сгорания и свежего заряда соответственно в конце и начале сгорания; c_v - теплоем­кость при постоянном объеме; ∫ pdV - работа, совершаемая газами на уча­стке сгорания (в теоретическом цикле при р = const); Q₁-количество тепло­ты, выделившейся при сгорании топлива.

Неполное сгорание топлива при а < 1, отвод части теплоты в систему охлаждения, утечки газа и другие потери учитывают с помощью опытных коэффициентов.

Внутренняя энергия и теплоемкость рабочего тела в процессе сгора­ния топлива изменяется не только вследствие увеличения температуры, но и его состава, поэтому для решения уравнения баланса энергии необходи­мо знать состав продуктов сгорания.

1.1.1. Состав продуктов сгорания

Расчет продуктов сгорания удобнее выполнять для количества компо­нентов в кмоль / (кг топл.) для жидкого топлива и в кмоль / (кмоль топл.) для газообразного. Состав продуктов сгорания зависит от коэффициента избытка воздуха а, определяющего условия для полного или неполного сгорания топлива.

Полное сгорание топлива (а > 1). Количество продуктов сгорания (пр.сг.) М₂ в этом случае представля­ет сумму компонентов

Количество каждого компонента в кмоль / (кг топл.) для жидкого топ­лива подсчитывают по формулам:

д иоксида углерода ;

в одяного пара

к ислорода

азота

Для газообразного топлива:

количество компонента в моль пр.сг. / (моль топл.) подсчитывается по формулам:

где N₂ - количество азота в топливе.

Неполное сгорание топлива (а <1). На обогащенных смесях (а <1) чаще работают бензиновые двигатели, поэтому состав продуктов сгорания рассчитывается применительно к указанным двигателям.

К оличество каждого компонента в моль комп. / (моль топл.):

- оксида углерода

- диоксида углерода

- водорода

- водяного пара

- азота

где К коэффициент, зависящий от отношения количества водорода к окси­ду углерода, содержащихся в продуктах неполного сгорания. Для бензина К = 0,45... 0,50.

Общее количество продуктов неполного сгорания:

Объемные доли каждого i-го компонента, входящего в состав продук­тов сгорания, подсчитываются по уравнению:

Правильность определения долей проверяется по соотношению

1.1.2. Коэффициенты молекулярного изменения

В результате химических реакций распада молекул топлива и образо­вания новых молекул количество молей продуктов сгорания жидкого топ­лива всегда больше количества молей свежего заряда. Рост числа молей продуктов сгорания увеличивает их объем, что является положительным фактором для получения приращения полезной работы газов при их рас­ширении.

Изменение количества молей при сгорании газообразного топлива, за­висящее от природы, количества и соотношения входящих в топливо ком­понентов: углеводородов C_n, Н_m, водорода Н₂ и оксида углерода СО, может быть как положительным, так и отрицательным.

Изменение объема продуктов сгорания оценивается коэффициентами молекулярного изменения:

г орючей смеси

рабочей смеси

По опытным данным величина μ _раб..см изменяется в следующих пре­делах:

б ензиновые двигатели

д изели

1.1.3. Теплота сгорания топлива, горючей и рабочей смесей

Теплотой сгорания топлива называют количество теплоты, которое выделяется при полном сгорании единицы его массы или объема. Разли­чают высшую Н_о и низшую Ни теплоту сгорания топлива.

Высшая теплота сгорания включает количество теплоты, выделив­шейся при полном сгорании топлива, и теплоту конденсации водяного па­ра при охлаждении продуктов сгорания.

Низшая теплота сгорания - это теплота, выделившаяся при полном сгорании топлива без учета теплоты конденсации водяного пара.

Так как в двигателях внутреннего сгорания выпуск отработавших га­зов происходит при температуре выше температуры кипения воды, то в расчетах используется низшая теплота Ни, подсчитываемая по формулам Д.И. Менделеева:

- для жидкого топлива в МДж/кг

где W_H - количество водяного пара в продуктах сгорания; - для газообразного топлива, МДж/м

В расчетах циклов обычно принимают низшую теплоту сгорания топ­лива, подсчитанную для его среднего состава (табл.1).

При неполном сгорании низшая теплота сгорания топлива уменьшается на величину ΔНи. Для бензина среднего состава, кДж/кг.

Низшая теплота сгорания топлив

Таблица 1

Теплотой сгорания горючей смеси называется отношение

а теплотой сгорания рабочей смеси от­ношения: