Реакции окисления и продукты сгорания

Процесс сгорания — основной процесс рабочего цикла двигателя, в течение которого теплота, выделяющаяся вследствие сгорания топлива, идет на повышение внутренней энергии рабочего тела и на совершение механической работы.

Изменение давления в процессе сгорания топлива в двигателе с воспламенением от искры показано на рис. 15, а в дизеле — на рис. 16. Кривые c'fc"z_дсхематически показывают действительное изменение давления в цилиндрах двигателей в процессе сгорания. В реальных двигателях процесс сгорания, точнее — догорания топлива, продолжается и за точкой z_дна линии расширения.

На характер протекания процесса сгорания оказывает влияние большое число различных факторов: параметры процессов впуска и сжатия, качество распиливания топлива, частота вращения коленчатого вала двигателя и т. д. Зависимость параметров процесса сгорания от целого ряда факторов, а также физико-химическая сущность процесса сгорания моторных топлив пока что изучены недостаточно полно.

С целью упрощения термодинамических расчетов автомобильных и тракторных двигателей принимают, что процесс сгорания в двигателях с воспламенением от искры происходит при V=const, т. е. по изохоре (рис. 15, прямая cc"z), а в двигателях с воспламенением от сжатия — при V=const и р=const, т. е. по циклу со смешанным подводом теплоты (рис. 16, прямые сс" z'/ и z'z).

Целью расчета процесса сгорания является определение температуры и давления в конце видимого сгорания (точки z и z_д), а для дизеля — и объема V_z.

Температура газа T_z в конце видимого сгорания определяется на основании первого закона термодинамики, согласно которому

Рис. 15. Изменение давления в процессе сгорания

в двигателе с воспламенением от искры

Применительно к автомобильным и трактор­ным двигателям:

сгорание при α ≥ 1,

,

сгорание при α < 1,

где Н_и — низшая теплота сгорания топлива, кДж; — потери теплоты вследствие теплоотдачи, догорания топлива на линии расширения и диссоциации,

Рис.16. Изменение давления в процессе сгорания в дизеле

кДж; U_z — внутренняя энергия газов в конце видимого сгорания, кДж; U_c — внутренняя энергия рабочей смеси в конце сжатия, кДж; L_cz — теплота, идущая на работу расширении газов от точки с до точки z (для двигателей с воспламенением от искры L_cz = 0),кДж.

Тепловой баланс на участках cz можно записать в более краткой форме:

,

где

.

Коэффициент выражает долю низшей теплоты сгорания топлива, используемую на повышение внутренней энергии газа (U_z— U_с ) и на совершение работы L_cz.

По опытным данным величина при работе двигателей с полной нагрузкой изменяется в пределах

Для двигателей с электронным впрыском ...................................... 0,90 — 0,96

Для карбюраторных двигателей ............................................... 0,80 — 0,95

Для быстроходных дизелей с неразделенными каме­рами сгорания.0,70 – 0,88

Для дизелей с разделенными камерами сгорания ………………...0,65 — 0,80

Для газовых двигателей ……………………………………...0,80 — 0,85

Для двигателей, работающих по циклу с подводом теплоты при V= const, уравнение сгорания имеет вид:

,

где — теплота сгорания рабочей смеси; — средняя мольная теплоемкость рабочей смеси в конце процесса сжатия; — средняя мольная теплоемкость продуктов сгорания.

Для двигателей, работающих по циклу со смешанным подводом теплоты при V= const и р=const, уравнение сгорания имеет вид:

,

где — степень повышения давления.

В уравнения сгорания входят две неизвестные величины: температура в конце видимого сгорания t_z и теплоемкость продуктов сгорания при постоянном объеме или постоянном давлении при этой же температуре t_z. Используя для определения или табличные значения уравнения сгорания решаются относительно t_z методом последовательных приближений (подбором значений t_z). При использовании для определения или приближенных формул уравнения сгорания после подстановки в них числовых значений всех известных параметров и последующих преобразований принимают вид уравнения второго порядка

,

где А, В и С — числовые значения известных величин.

Откуда

, °С и T_z = t_z+273 К.

Определение давления p_z в конце сгорания зависит от характера осуществляемого цикла.

Для двигателей, работающих с подводом теплоты при V= const, давление (МПа)

а степень повышения давления

Для бензиновых двигателей = 3,2 ÷ 4,2, для газовых двигателей

= 3 ÷ 5.

Для двигателей, работающих по циклу со смешанным подводом теплоты при V= const и р=const:

а степень предварительного расширения

.

Процесс расширения

В результате процесса расширения тепловая энергия топлива преобразуется в механическую работу.

Изменение давления в процессе расширения показано на рис. 17. Кривые z_Д b'b" схематически показывают действительное изменение давления в цилиндрах двигателей в процессе расширения. В реальных двигателях расширение протекает по сложному закону, зависящему от теплообмена между газами и окружающими стенками, величины подвода теплоты в результате догорания топлива и восстановления продуктов диссоциации, утечки газа через неплотности, уменьшения теплоемкости продуктов сгорания вследствие понижения температуры при расширении, уменьшения количества газов в связи с началом выпуска (предварение открытия выпускного клапана).

Величина среднего показателя политропы расширения п₂ устанавливается по опытным данным в зависимости от ряда факторов. Значение п₂ возрастает с увеличением коэффициента использования теплоты, отношения хода поршня S к диаметру D цилиндра и ин­тенсивности охлаждения. С ростом нагрузки и увеличением линейных размеров цилиндра (при S/D=const) средний показатель политропы уменьшается. При увеличении быстроходности двигателя величина п₂, как правило, снижается, но не для всех типов двигателей и не на всех скоростных режимах

Рис. 17. Изменение давления в процессе расширения:

а – бензинового двигателя; б – дизеля.

Средние значения величины п₂, полученные из анализа индикаторных диаграмм, для различных современных автомобильных и тракторных двигателей изменяются в пределах (для номинальной нагрузки):
Для бензиновых двигателей ……………1,23 – 1,30

Для дизелей ................................... ….1,18 – 1,28

Для газовых двигателей ............... ….1,25 – 1,35

Значения давления (МПа) и температуры (К) в конце процесса расширения определяются по формулам политропического процесса.

Для двигателей, работающих по циклам:

с подводом теплоты при постоянном объеме

со смешанным подводом теплоты

,

где = /р — степень последующего расширения.

Примерные значения давления р_b и температуры Т_b для coвременных автомобильных и тракторных двигателей без наддува (на номинальном режиме) лежат в пределах:

Для бензиновых двигателей р_b =0,35 — 0,60 МПа

и Т_b =1200 — 1700 К

Для дизелей.......................... р_b =0,25 — 0,50 МПа

и Т_b = 1000— 1200 К.

Процесс выпуска

За период выпуска из цилиндра двигателя удаляются отработавшие газы.

Изменение давления в процессе выпуска в цилиндре четырехтактного двигателя без наддува показано на рис. 18, а в двигателе с наддувом — на рис. 19. Кривые b'b"r'da' схематически показыва­ют действительное изменение давления в цилиндре двигателя в процессе выпуска. Точки b' и а' на этих кривых отмечают соответственно моменты открытия и закрытия выпускных клапанов. Прямые bl и lr являются расчетными прямыми процесса выпуска, которые после определения координат точек b и r ориентировочно заменя­ются кривыми b"r'd.

Открытие выпускного клапана до прихода поршня в н.м.т., снижая полезную работу расширения (площадь b'bb^’'b'), способствует качественной очистке цилиндра от продуктов сгорания и уменьшает работу, необходимую для выталкивания отработавших газов. В современных двигателях открытие выпускного клапана происходит за 40 — 80° до н.м.т. (точка b') и с этого момента начинается истечение отработавших газов с критической скоростью 600 —700 м/с. За этот период, заканчивающийся вблизи н.м.т. в двигателях без наддува и несколько позже при наддуве, удаляется 60 —70% отработавших газов. При дальнейшем движении поршня к в.м.т. истечение газов происходит со скоростью 200 — 250 м/с и к концу выпуска не превышает 60 — 100 м/с. Средняя скорость истечения газов за период выпуска на номинальном режиме нахо­дится в пределах 60 — 150 м/с.

Закрытие выпускного клапана происходит через 10 — 50° после в.м.т., что повышает качество очистки цилиндра за счет эжекционного свойства потока газа, выходящего из цилиндра с большой скоростью.

В начале расчета процесса впуска задаются параметры процесса выпуска (р_r и Т_r), а точность выбора величины давления и температуры остаточных газов проверяется по формуле