Расчет процессов сгорания и расширения методом Гриневецкого – Мазинга.

Сгорание

Методика расчёта рабочего цикла ДВС была предложена В.И. Гриневецким и в дальнейшем развита Н.Р. Бриллингом и Е.К. Мазингом. Методика содержит ряд упрощающих допущений:

1. Для циклов двигателей с внутренним смесеобразованием кривая давления при сгорании заменяется изохорно-изобарным сообщением теплоты рабочему телу, а для двигателей с внешним смесеобразованием сообщение тепла принимается изохорным. Участок c-z диаграммы называют периодом видимого сгорания.

2. Начало подвода тепла происходит в момент нахождения поршня в ВМТ.

3. В двигателях с внутренним смесеобразованием часть топлива сгорает при условии V = const, а остальная часть – при условии p = const. Величиной степени повышения давления при изохорном подводе тепла λ= p_z/p_c задаются на основании опытных данных по двигателям – прототипам.

Помимо этого учитывают тепловые потери и зависимость теплоёмкости от температуры и химического состава рабочего тела.

Температуру рабочего тела в результате сгорания топлива можно определить на основании первого закона термодинамики:

Q_cz = U_z – U_c + L_cz (37)

где U_c и U_z – внутренняя энергия рабочего тела в конце процессов сжатия и сгорания; Q_cz – подведенное к рабочему телу в процессах V = const и p = const количество теплоты; L_cz – работа газов в процессе предварительного расширения z₁–z;

Количество теплоты, выделяемое при сгорании свежего заряда, полученного из 1 кг топлива, можно записать в общем случае как (H_u – ΔH_u). Однако, кроме потерь тепла вследствие химической неполноты сгорания, при сгорании происходит еще целый ряд потерь:

потери тепла вследствие теплообмена со стенками;

потери тепла вследствие диссоциации части продуктов сгорания;

потери, связанные с несовершенством смесеобразования и сгорания, приводящие к выделению части тепла уже на линии расширения.

Это ведет к снижению эффективности использования теплоты и может рассматриваться как тепловые потери.

Все потерянное тепло не идет на изменение внутренней энергии рабочего тела на участке c-z диаграммы цикла и совершения механической работы на участке c-z диаграммы цикла и должно быть учтено при использовании уравнения (37).

Вычисление каждой составляющей потерь затруднительно, поэтому при расчетах учет суммарных потерь тепла ведут путем введения коэффициента полноты тепловыделения в период видимого сгорания – ξ_z. Кроме того, ранее был введен коэффициент выделения теплоты χ, учитывающий возможную неполноту сгорания топлива в течение цикла. С учетом всех видов потери тепла в период видимого сгорания количество использованной теплоты может быть выражено как:

Q_cz = ξ χ H_u (38)

Внутренняя энергия рабочей смеси в конце сжатия определится как сумма внутренней энергии свежего заряда и остаточных газов:

U_c = M₁ u_c + M_ru_c^'', (39)

где u_c, u_c^'' – мольная внутренняя энергия свежего заряда и остаточных газов при параметрах точки z диаграммы цикла, соответственно.

В конце периода видимого сгорания внутренняя энергия рабочего тела равна:

U_z = (M₂ + M_r) u_z'' , (40)

где u_z'' – мольная внутренняя энергия продуктов сгорания при параметрах точки z.

Величина ξ_z в дизелях зависит от коэффициента избытка воздуха  и от совершенства организации процессов смесеобразования и сгорания, то есть, от типа камеры сгорания.

Как правило, чем меньше , тем больше неполнота сгорания и меньше величина ξ_z.

В табл. приведены средние значения ξ_z в зависимости от типа камеры сгорания.

Типы камер сгорания дизелей
Неразделённые и полуразделённые	0,80…0,85
Разделённые (вихревые и предкамерные)	0,75…0,80

Низшая теплота сгорания дизельных топлив H_u обычно находится в пределах 42…42,7 МДж/кг.

Работа газов в процессе предварительного расширения равна площади заштрихованной части приведенной выше диаграммы цикла:

L_cz = p_zV_z - p_z'V_c = p_zV_z - p_zV_c ,

а т.к. p_z = λp_c , то L_cz = p_zV_z - λp_cV_c ,

λ - степень повышения давления при подводе тепла при постоянном объеме.

Используя уравнение состояния и приняв, что M_z = M₂ + M_r, а M_a = M_c = M₁ + М_r, получаем

p_zV_z = RM_zT_z ,

p_cV_c = R M_aT_c .

После соответствующей подстановки уравнение работы примет вид

L_cz = RM_zT_z - RλM_aT_c (41)

Подставляя все полученные значения слагаемых (38), (39), (40). (41) в исходное уравнение первого закона термодинамики (37), получаем

ξ χ H_u = (M₂ + M_r) u_z'' - (M₁ u_c + M_ru_c^'') + R(M₂ + M_r)T_z – R( M₁ + М_r)T_c,

или, поделив полученное на ( M₁ + М_r) и вспомнив, что

(M₂ + M_r) / (M₁ + М_r) = (μ₀ + γ_r) / (1+ γ_r) = μ ,

μ – коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси, после преобразований получим

ξ χ H_u /[M₁ (1+ γ_r)]+(u_c+ γ_r u_c^'')/(1+ γ_r)+RλT_c = μ(u_z''+RT_z) (42)

Задавшись значениями ξ, χ и λ, а также вычислив внутреннюю энергию газовой смеси для соответствующих точек цикла с помощью (42) можно вычислить T_z. Вычисления необходимо производить методом последовательных приближений, находя такое значение T_z, которое удовлетворяет уравнение (42). Давление при заданном λ определяется из давления конца сжатия, Удельный объем – из уравнения состояния.