Особенности расчетных параметров газовых процессов
Определение основных расчетных параметров рабочего цикла газовых двигателей производится в основном по формулам, применяемых для бензиновых двигателей, но с некоторыми изменениями.
Теоретически необходимое количество (моль) воздуха для сгорания 1 кг топлива
где CnНmОr – объемные доли газа, входящего в 1 м3 или 1 моль газового топлива.
Например, для сжатого газа, основным компонентом которого является метан СН4: n=1, m=4, r=0, CnНmОr=1.
Для сжиженного газа, содержащего 52% пропана С3Н8 и 48% бутана С4Н10:
При тепловом расчете газовых двигателей количество свежего заряда можно определить из выражения
М1 =1 + αLо.
При работе в режиме номинальной мощности коэффициента избытка воздуха принимают в пределах а=1,0…1,3.
В общем случае количество продуктов сгорания (кмоль) обычно определяют по формуле
При коэффициенте избытка воздуха, а≥1 с достаточной для практики точностью принимают:
Для сжатого газа М2 = 9,52а;
Для сжиженного газа М2=27,24а-0,96.
Коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси
µ= М2/М1.
Для газовых двигателей его численные значения лежат в пределах=0,91…0,99.
Теплоемкости свежего заряда mcуср и продуктов сгорания mcVr могут быть определены по формулам для бензиновых двигателей.
Значения Тz и рz, а также параметры процесса расширения – давление рb и температура Тb определяются как и для бензиновых двигателей. При определении Тz и рz,следует иметь ввиду, что низшая объемная теплота сгорания газа Н𝑢 должна быть отнесена к 1 моль газообразного топлива. Для этого значение Н𝑢 отнесенное к 1 м3 топлива, следует умножить на 22,4 (так как объем 1 кмоль топлива составляет 22,4 м3).
При эксплуатации автомобилей линейные нормы расхода сжатого газа (метана) определяются в м3/100 км, при этом считается, что плотность его газовой фазы при нормальных условиях составляет 0,717 кг/м3, что дает возможность перерасчета расхода сжатого газа в г/(кВт*ч) или кг/100 км.
При проведении тепловых расчетов газовых двигателей эффективный удельный расход сжатого газа определяют в л/(кВт*ч):
gе=9
700
.
Линейные нормы расхода сжиженного газа определяются как объемный расход топлива, отнесенный к пробегу автомобиля, и измеряются в л/100км.
Для двигателей, работающих на сжиженном газе, удельный расход топлива определяется в г/(кВт*ч) по аналогичным формулам, как и для жидкого топлива.
Расчет рабочего цикла газового двигателя
Для проведения теплового расчета двигателя, переоборудованного для работы на сжатом газе, принимают в основном те же исходные данные, что и для бензинового двигателя. Для поддержания оптимальных значений динамических показателей газового двигателя, с учетом высокооктанового числа природного газа, степень сжатия увеличивается до значения ℇ=9,3. Кроме того, производят корректировку параметров: коэффициента избытка воздуха – а = 1,15, коэффициента наполнения – = 0,8 и показателя политропы сжатия – n1=1,33.
Топливом служит сжатый газ – метан состава С=80%, Н=20%, малекулярной массой mt=16 и коэффициентом выделения теплоты – =0,85.
Процесс впуска. При работе на сжатом газе значительно повышается степень сжатия при сравнительно высоком значении коэффициента избытка воздуха а = 1,15, в связи с чем принимаем минимальное значение подогрева свежего заряда от нагретых деталей Т = 10о. При этом параметры процесса впуска рассчитываются таким же образом, что и при использовании бензина:
давление остаточных газов
рr=ро(1 + 0,55*10-4ne max) = 0,1013(1+0,55*10-4*2 800) = 0,117 МПа;
коэффициент остаточных газов
давление в конце впуска:
температура в конце впуска
Процесс сжатия. Давление в конце сжатия определяют из выражения
рс=раℇn1.
где показатель политропы сжатия n1=1,33. Тогда
рс=0,087*9,31,33=1,69 МПа.
Температура в конце сжатия
Процесс сгорания. Исходя из особенностей расчета параметров газового цикла (см. подразд. 22,6) теоретически необходимое количество воздуха в молях для сгорания 1 м3 сжатого газа определяют из выражения
Количество молей свежего заряда
Количество продуктов сгорания
Коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси
Средняя молярная теплоемкость свежего заряда при работе на сжатом газе
Подставляя значения температуры сжатия для двигателя, работающего на сжатом газе, получим
Средняя молярная теплоемкость продуктов сгорания для газовых двигателей:
Подставляя значения коэффициента избытка воздуха α=1,15, получим:
Теплотворная способность топлива определяется в соответствии с нормативами руководящих технических материалов. На основании этого принимаем низшую теплотворную способность сжатого газа Hu=340000 кДж/м3; отнеся ее к 1 кмоль газообразного топлива, получим:
С учетом этого составляем уравнение сгорания, при этом исходя из высокой степени сжатия, а также неизбежного догорания заряда на линии расширения, принимаем коэффициент использования теплоты ξ=0,85:
Подставляя численные значения, получим (см. обоснование к решению в подразд. 22,2):
И после преобразования имеем квадратное уравнение:
Решая уравнение относительно Тζ, определим температуру в конце сгорания:
Давление в конце сгорания:
Степень повышения давления
Процесс расширения. Давление в конце расширения
рb=рζ/ℇn2.
Здесь n2 – показатель политропы расширения, n2 = 1,22 + 130/nе где nе – частота вращения коленчатого вала, об/мин;
/2
800 =1,22 + 0,046 = 1,266.
Следовательно,
рb= 5,42/9,31,266=0,32 МПа.
Температура в конце расширения
Тb=Тζ/ℇn2-1 = 2 495/9,30,266 = 1 378 К.