Процесс сгорания

Топливо, впрыскиваемое в цилиндр двигателя, попадает в среду сжатого воздуха с высокой температурой и давлением.

На линии 1-2 происходит подготовка топлива к самовоспламенению. Идут сложные физико-химические процессы. Топливо распыливается и перемешивается с зарядом воздуха, идёт интенсивное испарение топлива, идёт разложение молекул с общим уменьшением атомов в молекуле. Этот период называется индукционным или периодом задержки воспламенения. Угол называется углом опережения подачи топлива. Продолжительность этого периода зависит от параметров газа в конце сжатия, качества распыливания и свойств топлива.

Способность топлива к самовоспламенению оценивается цетановым числом. Чем выше цетановое число, тем меньше первый период.

Линия 2-3 второй период. В (.)2 топливо воспламеняется. (.)3 - достигается максимальное давление цикла (Pz). Второй период характеризуется скоростью нарастания давления на 1° п.к.в. От этой величины зависит жёсткость работы двигателя.

Жёсткость нормальная 3-5 кГ/см² на 1° пкв P₃ - P₂ ∆P

у многооборотных ДВС 8-10 кГ/см² на 1° пкв w_ср = ——— = ——

у карбюраторных ДВС 0.8-1.0 кГ/см² на 1° пкв 3 - 2 ∆

Чем больше топлива впрыскивается за первый период, тем больше тепла выделится за второй и резче будет нарастать давление.

Линия 3-4 третий период. Достигается максимальная температура цикла (Tz). Продолжительность третьего периода зависит от нагрузки двигателя, т.е. от величины подаваемого топлива.

Линия 4-5 догорание топлива. Период нежелательный, ухудшается экономичность и возникает перегрев двигателя, больше тепла отводится с выхлопными газами. Догорание возникает от: плохого смесеобразования, уменьшения угла опережения, понижения давления впрыска, плохой работы топливной аппаратуры, низкого значения Pc и Tc, неподходящего топлива.

Химия горения топлива

Теоретически необходимое количество воздуха.

При расчёте необходимого количества воздуха исходим из химических реакций горючих элементов, содержащихся в топливе, с кислородом топлива и воздуха, считая, что сгорание происходит полностью.

Топливо состоит из C, H, O₂, немного S и N₂ (при расчёте последними пренебрегают). Теплота сгорания дизельного топлива около 10000 ккал/кг.

Считаем, что имеется 1 кг топлива, содержащий C кг углерода, H кг водорода и O кг кислорода, или C + H + O = 1 кг

Реакция сгорания углерода: C + O₂ = CO₂

Берём по одному молю горючих элементов и получаем 1 моль продуктов сгорания.

_12кгC + _32кгO₂ = _44кгCO₂

А на 1 кг углерода в 12 раз меньше, т.е.

_1кгC + _32/12кгO₂ = _44/12кгCO₂ или

_1кгC + _{1/12кмоль}O₂ = _{1/12кмоль}CO₂

В 1 кг топлива содержится не 1 кг углерода, а C кг. Переписываем реакцию, умножив на C, тогда _CкгC + _{C/12кмоль}O₂ = _{C/12кмоль}CO₂

Проделав аналогичный расчёт для водорода, получим:

_HкгH₂ + _{H/4кмоль}O₂ = _{H/2кмоль}H₂O

Тогда, необходимое количество кислорода для сгорания 1 кг топлива будет:

O₂ = C/12 + H/4 - O/32 [кмоль]

Кислорода в воздухе содержится 21% и воздуха для сгорания 1 кг топлива потребуется: L_o = 1/0.21(C/12+H/4+O/32) [кмоль/кг]

Подставив в данную формулу состав имеющегося у Вас топлива, например:

H=0.128, C=0.862 и O=0.01 получим L_o = 0.5 [кмоль/кг].

Один кмоль воздуха (при 0°C и 735.5 мм.рт.ст.) равен 28.97 кг, тогда

L′_o = 28.97 = 14.5 [кг/кг]

Удельный вес воздуха равен 1.25 кг/м³, тогда

L″_o = 14.5/1.25=11.6 [м³/кг]

Действительно необходимое количество воздуха:

Для полного сгорания топлива потребуется больше воздуха. Невозможно создать условия, чтобы каждая частица кислорода вступила в реакцию с топливом т.к. часть воздуха уйдёт с продувкой.

Отношение действительного количества воздуха к теоретически необходимому называется коэффициентом избытка воздуха.

α = L/Lo или L = αLo

Этот коэффициент выбирается на основании опытных данных, например:

для однокамерных двигателей α = 1,8 – 2,2

для двухкамерных двигателей α = 1,35 – 1,6

для карбюраторных двигателей α = 0,9 – 1,1

Коэффициент молекулярного изменения.

Продукты полного сгорания топлива состоят из: углекислого газа CO₂, водяного пара H₂O, избыточного кислорода и азота, поступившего с воздухом. Количество молей продуктов сгорания всегда больше количества молей свежего заряда и остаточных газов.

Отношение общего количества молей смеси газов после сгорания топлива к общему количеству молей до сгорания называется коэффициентом молекулярного изменения. M₂ M + Mr

β = —— = ———— значение β ≈1.03-1.04.

M₁ L + Mr

Разделив на L, получим β = (β_o + γ_г)/(1 + γ_г) , произведя некоторые преобразования, получим

λ = β/ρ∙Tz/Tc или ρ = β/λ∙Tz/Tc , где

λ - степень повышения давления;

ρ - степень предварительного расширения.

Температура конца сгорания:

для быстроходных двигателей Tz = 1800-2200 K

для малооборотных двигателей Tz = 1700-1900 K

Pz определяют, зная λ т.е. Pz= λPc, значения Pz= 50-80 кг/см² λ =1.2-2.2

ПРОЦЕСС РАСШИРЕНИЯ

Процесс расширения является основным в рабочем цикле ДВС, т.к. он совершает полезную работу, и в конечном счёте вращает коленчатый вал, генератор и т.д., а кроме того приводит в движение другие поршни двигателя.

Расширение начинается при движении поршня вниз, в момент окончания процесса сгорания топлива и заканчивается для 4-х тактных двигателей около НМТ, а для 2-х тактных - в момент открытия выпускных окон.

В течение всего процесса тепло идёт от газа к стенкам цилиндровой втулки, причём в начале, при догорании топлива, этот поток больше. Параметры изменяются от начальных (Vz,Pz,Tz) до конечных (V_b,P_b,T_b). Расширение протекает по политропе т.е. с теплообменом. В начале процесса газ подогревается теплом догорающего топлива, а на всём протяжении процесса газ отдаёт тепло более холодным стенкам цилиндра. Значит показатель политропы (n₂) величина переменная. Для расчёта берут среднюю величину показателя политропы с таким расчётом, чтобы (.)z и (.)b действительного процесса и расчётного на диаграмме совпадали, т.е.

- для тихоходных дизелей n₂ = 1.24-1.30;

- для быстроходных ДВС n₂ = 1.20-1.25.

Чем больше период догорания, тем ниже n₂. Интенсивный отвод тепла увеличивает n₂ - поэтому высоких значений n₂ надо ожидать у небольших двигателей и при охлаждении поршней.

В процессе расширения происходит резкое снижение давления и температуры.

Параметры конца расширения определяются:

P_b = Pz(ρ/ε)ⁿ² =Pz∙δˉ ⁿ²

T_b = Tz(ρ/ε)ⁿ²^-1 =Tz∙δ¹ˉ ⁿ²

Их значения:

- тихоходные двигатели P_b=2,5-3,5 кГ/см², T_b= 900-1100 K

- быстроходные двигатели P_b=3 - 6 кГ/см², T_b=1000-1200 K

ПРОЦЕСС ВЫПУСКА.

Происходит очистка цилиндров от отработавших газов и завершается рабочий цикл двигателя. В процессе выпуска газы должны преодолеть сопротивления выпускных клапанов, окон, коллекторов, трубопроводов, глушителей. Поэтому давление в цилиндре в конце процесса выпуска должно быть больше атмосферного.

Pг = 1,05-1,25 кг/см²

Меньшие значения относятся к МОД, большие – к ВОД.

Температура газов также не остается постоянной. Средняя температура газов за выпускным коллектором находится в пределах

У 4-х тактных тихоходных дизелей 350-450˚С;

У 4-х тактных быстроходных, включая двигатели с наддувом, 450-600˚С;

У 2-х тактных тихоходных дизелей 250-350˚С;

У 2-х тактных быстроходных 350-500˚С.

Остаточное тепло может быть использовано для привода турбонагнетателей, в утилизационных котлах и в других целях.

ТЕПЛОВАЯ НАПРЯЖЁННОСТЬ ДВИГАТЕЛЕЙ.

Кроме механических нагрузок, детали ЦПГ (крышка, клапана, втулка, поршень, кольца), соприкасающиеся с продуктами сгорания, испытывают значительные тепловые нагрузки. В результате в них возникают температурные напряжения, деформации, условия ухудшающие смазку, способствующие износу, отложению нагара и накипи.

Определяющими параметрами теплонапряжённости служат температуры стенок камеры сгорания и температурные перепады. Тепловые напряжения возрастают с увеличением толщины стенок т.к. согласно законам теплопередачи, чем больше толщина стенки, тем больше разность температур (∆T) на её внутренней и наружной поверхностях. Из-за разных условий охлаждения и нагрева участков камеры сгорания приводит к тому, что температура на поверхности стенок камеры оказывается неодинаковой.

Большая разница в распределении температурных полей наблюдается у втулки цилиндра. Здесь температура металла резко падает в направлении путей отвода тепла. На рабочей поверхности, в районе верхнего пояса температура достигает значения 250°C, а на стороне охлаждения температура падает до 100°C. Не случайно появление трещин втулок в районе камеры сгорания - частое явление.

Температура внешней, огневой стороны поршня увеличивается от середины к закраинам, достигая величины ў 600°C. Неодинаково прогревается металл стенок и по толщине. Температура внутренней поверхности донышка поршня не превышает 150°C.

К росту тепловой напряжённости приводят причины эксплуатационного характера, такие как: плохое сгорание топлива, рост давления и температуры на выпуске, ухудшение продувки и наполнения цилиндров свежим зарядом воздуха, загрязнение полостей охлаждения, колебания температуры охлаждающей воды. Но, кроме того, повышение тепловой напряжённости происходит из-за резкого изменения режимов работы двигателя, частые пуски и остановки.

Наиболее распространённый способ оценки теплонапряженности - по температурам выпускных газов в цилиндрах. Чем больше температура газов, тем выше тепловая напряжённость.

ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС

Большое значение для ДВС имеет характеристика теплоиспользования в двигателе, определяющая количество тепла, получаемого при сгорании топлива в цилиндрах и используемого для создания полезной работы. Характеристику теплоиспользования определяют по тепловому балансу.

Распределение значений теплоты на полезную работу и различные потери называется тепловым балансом двигателя .

Если обозначить теоретическое количество теплоты, выделенной при полном сгорании 1кг топлива через Q_т , то тепловой баланс может быть записан в виде уравнения:

Q_т = Q_e + Q_вг + Q_охл + Q_х + Q_m , где

Q_т=Q_р^н ∙Gт

Q_р^н - низшая теплотворная способность топлива (Q_р^н=10000 ккал/кг);

Gт - часовой расход топлива [кг/ч].

Qe=632∙Ne тепло эквивалентное эффективной (полезной) работе двигателя

632 - тепловой эквивалент (1л.с.∙час);

Ne - эффективная мощность двигателя [л.с.]

Q_вг=G_вг.∙c_p∙T_вг -G_см ∙c′_p ∙T_o - теплота, уносимая выхлопными газами

где G_вг , G_см - часовой расход выпускных газов и свежего заряда воздуха [кг/ч];

c_p , c′_p - теплоёмкость выпускных газов и свежей смеси [ккал/кг∙град];

T_вг , T_o - температура выпускных газов и свежей смеси [K] .

Q_охл=W∙с(t_отх-t_вх)+Gм ∙с′(t′_отх-t′_вх) - тепло, уносимое охлаждающей жидкостью

где - W - часовой расход охлаждающей воды [кг/ч];

Gм - часовой расход охлаждающего масла [кг/ч];

c, c′ - теплоёмкость воды и масла [ккал/кг.град];

t_отх , t′_отх - температура отходящей воды и масла [°C];

t_вх , t′_вх - температура входящей воды и масла [°C].

Qост - потери тепла от лучеиспускания стенок двигателя, от неполноты сгорания топлива и погрешности при определении составляющих теплового баланса.