Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

книги из ГПНТБ / Теория поршневых двигателей внутреннего сгорания Метод. пособие

.pdf
Скачиваний:
18
Добавлен:
29.10.2023
Размер:
10.17 Mб
Скачать

Здесь 0,21 — объемное

содержание кислорода в

атмосферном воз­

духе; объемное содержание азота равно 0,79;

 

для

1 нм3 (кг моля)

газообразного топлива

(см. формулу 78)

L0 =

"о 21 s( п + ~ Х -----д ) CnHmOr нм3 (или

кг • моль)/нмз

 

(или кг • моль топл).

(80)

2 ) Коэффициент избытка воздуха при сгорании а

Действительное количество воздуха для сгорания топлива

В двигателях внутреннего сгорания для завершения сгорания рабочей смеси в течение процесса сгорания, вследствие его быстро­ течности, несовершенства смесеобразования и прочих условий, не­ обходимо подводить воздух с определенным избытком, сравнитель­ но со стехиометрическими расчетами, а в некоторых случаях — в карбюраторных двигателях, с недостатком, против расчетного, с целью получения повышенной мощности.

Таким образом действительно необходимое количество воздуха для сгорания данного топлива L будет отличаться от теоретически необходимого Ь0.

Отношение количества воздуха в горючей смеси к количеству воздуха, которое необходимо по стехиометрическим расчетам для совершенного сгорания топлива называется коэффициентом избыт­ ка воздуха при сгорании и обозначается обычно буквой а.

Значения а выбираются по ряду соображений (см. [4; 10; 27; 31]) и принимаются: для карбюраторных двигателей а = 0 ,8 — 1,15;для газовых а = 0,9 — 1,2; для дизелей —а = 1,3 — 2,2.

Действительно необходимое количество воздуха для сгорания

данного топлива равно

 

L = aL0 кг • моль.

(82)

Примерные значения коэффициента избытка воздуха при

сгорании

а приведены в таблице 11.

 

3) Количество и состав рабочей смеси и продуктов сгорания

Количество рабочей смеси до сгорания (теоретически в конце процесса сжатия—*в точке с) будет равно:

для 1 кг жидкого топлива

без учета остаточных газов

Мх = L + —~ кг моль/кг топл;

(83)

100

с

учетом остаточных газов

 

Mc = L + Mr-\----

= L ( l + y r)H---- — кг • моль/кг топл., (84)

 

F-т

где:

Мг

 

уr = —

 

|хт — молекулярный вес топлива (см. [4; 28; 31]); для дизелей величиной i-iT можно пренебречь, т. к. она составляет около

0,01% от объема воздуха в камере сгорания.

Для дизелей — большие значения

а — для тихоходных двигателей

и для больших диаметров рабочего цилиндра.

 

 

Для

карбюраторных

и газовых

двигателей — большие значения

а — для

быстроходных

машин и при

полном открытии

дросселя.

для 1 нм3 газообразного топлива

 

 

 

 

 

Мх — 1

+ L нм3/нм3 или кг> моль/кг • моль топл.

(85)

 

= (1 +

L) (1 + уг) нм3/нм8 или кг •

моль/кг • моль топл.

(86)

 

 

 

 

 

 

Таблица 11

 

Коэффициент' избытка воздуха при сгорании а

 

 

 

 

Тип двигателя

 

 

a

 

 

 

Дизели

 

 

 

 

со струйным (насосным) распиливанием.....................

 

1 ,6 - 2 ,0

 

с предкамерным распиливанием.....................................

 

 

1 ,3 - 1 ,5

1,4

с вихрекамерным распиливанием ..................................

 

 

1.2—

с воздушно-камерным распиливанием.........................

 

 

1.2—

1,4

 

Карбюраторные и газовые двигатели

 

 

 

бензиновые .............................................................................

 

 

 

 

0,85— 1,10

керосиновые

........................................................................

 

 

•.

0,80 — 1,10

газовые — сжатый природный г а з ..................................

 

 

0,90— 1,20

газовые— сжиженный г а з ...............................................

 

 

0 ,9 0 -1 ,2 0

 

газовые— светильный г а з ...................................

....

элек­

0 ,9 0 -1 ,2 0

 

бензиновые с непосредственным впрыском и

0 ,7 - 1 ,0

 

трическим заж и ган и ем .................................................

 

 

 

Газожидкостные д в и г а т ел и .....................................................

 

aCM«= 1,92— 1,80

Количество продуктов сгорания Мг и их состав определяется из уравнений реакций с учетом: несгоревшего кислорода воздуха (при 1); азота воздуха и инертных газов топлива.

Для 1 кг жидкого топлива— при а > 1:

= ^ + ^ + ^ + 0 ,2 1 (a - l) L 0+0,79aL0

101

или

 

 

C H

S

кг • моль/кг топлива. (87)

М2 = -j2~ H—

+ -32" + (a — 0,21) L0

Выражение (87) можно преобразовать следующим путем: перепи"

шем его в таком виде

 

 

 

 

 

 

 

М2

С_ _Н,

+

 

_S

_2l +

+

_Oj

(a — 0 ,21)L0,

 

1 2 + 4

 

32

- ^ - +

(а)

 

 

 

 

32

 

32

 

 

заменяя первые четыре члена уравнения

(а), на основании

формулы

(79) через 0,21 L0 и делая

затем преобразования, получим

 

 

 

 

М2 =

aL„ +

н

о

кг-моль/кг

топлива.

 

(87')

 

 

 

+ -д |-

 

Формулу (87)

для Мг можно еще представить в таком виде

 

 

 

 

 

М%М$ -f- (a— 1) Ь0,

 

 

(88)

где

C

H

 

 

S

 

 

 

 

 

 

совер­

= —j2—l— 2^—*—32- -t~ 0,79Z.0— количество продуктов

шенного сгорания

1 кг топлива, при а — 1, так называемые «чистые»

продукты сгорания.

 

 

 

 

 

 

 

 

Из формулы (88)

следует, что продукты полного сгорания состоят

из чистых продуктов сгорания М0 и определенного количества

избы­

точного воздуха (а — 0 ,21) £ 0, если a >

1.

 

 

 

Для 1 нм3 газообразного

топлива, в

соответствии с

формулой

(78), напишем

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

М2 = МСОа + МнгО+ Мо2 + MNs НМ3/НМ3

 

 

где:

 

 

или кг•моль/кгмоль топлива,

 

(89)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Мсо2 =

2лСпНт Ог; нм3/нм3 или кг-моль/кг'МОЛЬ топлива;

 

 

^НаО = 2шСпНт Ог

 

»

 

 

»

 

 

 

(90)

Mo2 =

0i21(a— 1)

L0 »

 

 

»

(избыт, воздух);

 

Мна = 0,79 aL0 + iV2

»

 

 

»

воздуха и топлива)

 

 

 

 

 

 

 

 

(азот

 

Изменение количества молей при

сгорании

AM и теоретический

коэффициент

молекулярного изменения — 30

 

 

 

изменение

количества

килограмм - молей

рабочего

тела при

сгорании равно

 

 

 

AM = M2 — Mv

 

 

(91)

 

 

 

 

 

 

 

 

Или после подстановки

значений М2, Мг из соответствующих

формул и ряда преобразований получим:

 

 

 

для дизелей

АМ =

н

о

кг-моль/кг топлива;

 

(92)

102

для карбюраторных двигателей

.

Н .

О

1

,

(93)

Д/И =

—;----h

32

---------- ■ кг-моль/кг топл.;

 

4

1

 

 

 

 

для газовых

двигателей

 

 

 

AM = 2

 

 

 

---- 1 ) CnHmOr нм3/нм3 топл.

 

 

 

или кг-моль/кг-моль топл.

(94)

Для суждения

об относительном изменении молей (объема) горю­

чей смеси при сгорании

 

проф. Е. К- Мазинг ввел термин «химиче­

ский коэффициент,

молекулярного

изменения»

[63], который

в совре­

менной литературе обычно называют теоретическим коэффициентом молекулярного изменения.

Теоретическим коэффициентом молекулярного изменения (30 назы­ вается отношение количества молей продуктов сгорания М8 к коли­

честву молей свежего заряда Мг:

 

 

 

 

р° -

лд -

1 +

лд •

(95)

 

 

Подставляя значения М 2 и Мъ получим соответственно:

 

для

дизелей

 

н .

°

 

 

 

™ “

1+■

 

32

 

(96)

 

*L0

 

для

карбюраторных двигателей

 

 

 

 

 

Н

О

 

1

 

 

 

4

+ 32

+

14

(97)

 

Ро — 1 +

г^о +

1

 

 

 

 

'

 

 

для

газовых двигателей

 

 

 

 

 

^

! т

 

11CnHmOr

 

 

 

 

 

(98)

 

Ро = 1 + -

 

1 + ^о

 

 

 

 

 

 

Действительный коэффициент молекулярного изменения при сго­ рании —р.

По Гриневицкому и в современной трактовке [10]; 60]: действи­ тельным (расчетным) коэффициентом молекулярного изменения р

при сгорании называется отношение количества газовых молекул в конце сгорания к количеству молей смеси в конце заряда; из этого определения вытекает, что

о _АД Ч~ 44»-

 

(99)

' _

АД

 

Мс и преобразований

Для дизелей после подстановки

значения

получаем

 

 

( 100)-

о _

Зо +

Тг

~ Г + 7 Г

Проф. В. А. Ваншейдт [10] дает еще

формулу

для

значений

Р*.— в промежуточных моментах сгорания,

когда сгорает х

кг топ­

лива

 

 

 

р*= 1 + п г £ * >

 

 

(Ю1)

где х — доля сгоревшего топлива; она должна быть

предварительно

определена.

 

 

 

Для карбюраторных и газовых двигателей при х — 1 вычисление

Р следует производить по формуле (99) или приближённо

по фор­

муле (100).

 

 

 

4)Неполное сгорание жидкого топлива

При сгорании топлива, вследствие недостатка кислорода (а<1) или несовершенства смесеобразования, недостаточности времени для сгорания и других причин часть компонентов топлива может не прореагировать полностью или частично—произойдет неполное сгорание.

В карбюраторных двигателях (легкое топливо) максимальные мощности получаются при работе на обогащенных смесях а = 0,8— —0,95, т. е- при неполном сгорании смеси. Как показывают опыты, при этом обычно все горючие компоненты, кроме углерода, успева­ ют почти полностью окислиться, а углерод сгорает частично в СОг и частично в СО, при этом установлено, что содержание СО относи­ тельно Н2 не зависит от величины коэффициента избытка воздуха при сгопании а; т. е.

 

 

Ми.

,

Му.

(102)

 

 

 

*= k = const или Мсо =

где Л4н2,

М Со —число молей в

продуктах сгорания при а < 1.

Значение k

 

связано с

отношением содержания

водорода и

 

 

м со

 

 

углерода

в

топливе

 

 

Таблица 12

З н а ч е н и е к о н с т а н т ы к = — 2 2 - .

Род топлива

Бе н зи н ы

Бен зол .....................................................................................................................

Природный г а з .............................................

/WCO

 

 

Я

к -

Ми

С

На

 

мсо

0,17—0,19

0 ,4 5 - 0 ,5 0

0,13

 

0,30

 

0,6 —0,7

104

Составляя уравнения баланса для сгорания и реш я их совместно

с формулой (102),

получают формулы для определения отдельных

компонентов

продуктов

сгорания

пра а <

1. (См. [1], стр. 43):

 

Мсо =

2 4-г-т- 0,21 Ln кг-моль/кг топлива

 

 

 

1 +

к

 

0

 

 

М

с о

,

- ^

-

2

0. 2IL,

»

^

= 2 ^ - ^ 0 , 2 1 1 0

 

 

 

(103)

 

 

 

 

-Мн2о = -у- — 2й 7 Т Т

0,21

»

 

Mn2 = 0,79 аЬ0

»

»

Общее количество продуктов сгорания при я < 1 , на основании фор­ мул, (103) будет равно

Мг = Mqo + Мсо2 + М Нг + МНго + A4n2 =

_ С

+

Н _

+ 0,79а 10 кг-моль/кг топл.

(104)

12

2

Формулу (104) можно преобразовать аналогично преобразованиям формул (87) и (87'), учитывая при этом отсутствие серы в светлых нефтепродуктах:

Л42

, Н 2

0 2

Н 2

.

O s

12

4

32

4

32

 

— 0,21я Z.Q4~ 0,21 яLq

0,79 olLq.

Заменяя первые три члена через 0,21 L0, а последние два — через aL„, запишем, после преобразований

М2 = ctL0- J — | ----1— Q2—Ь 0,21 (1— a) L.

(104')

Сравнивая формулы (87') и (104'), выявляем, что при сгорании топлива с я<С 1, количество продуктов сгорания возрастает на ве­ личину 0,21 Z-o(1 —^а) кг-моль/кг топлива.

Изменение числа молей (объема) при сгорании с а < 1, в соот­ ветствии с формулами (83 и 104') будет равно:

ДЛ4 — М2 — Mi — 0,21 (1 — a)L0 + J - +

кг моль/кг топл.

(105)

^ 32

 

Теоретический коэффициент молекулярного изменения при я < 1

о _ 14-

1

0,21(1 -»)£ „ +

Й1 + ^ 2 _ - --- !_

 

 

'

 

_____ ^Г_.

(106)

Ро" 1 + жгь

aL0-J-

 

1

 

 

 

 

 

 

I4-

 

 

105

Действительный

коэффициент молекулярного изменения

(3 при

а < 1

вычисляется

по общей

формуле

(99) или

формуле

(100).

Вышеприведенные расчеты и формулы (103) справедливы до

неко­

торого

критического

значения

1,

при которо'-

'шлерод

пере­

рос. 5 7 . График изменения теоретического коэффициента изменения свежего заряда 3° в функции от избытка воздуха для сгорания я[1].

а) для легкого топлива б) для дизельного топлива.

1 — автомобильный бензин; 2 — смесь 70% бензина и 30% моторного бензола; 5 —этиловый спирт (абсолютный).

стает окисляться и выделяется в виде сажи; это значение акр может быть определено из условия МСо2= 0 и (MCo)max> чт0 в соответ­ ствии с формулой (103) для Мсо дает [1]:

л

1

С

1 —|— л

 

аКр — 1

12

2-0,21 L 0

 

Для бензина, при

k =

0,5, значение акр =

0,5,

при котором

чая смесь практически в двигателях не воспламеняется.

На рис. 57 приведены графики

изменения 530

в функции

(107)

рабо-

от а.

5) Теплотворная способность топлива

Теплотворность топлива обычно подсчитывается в соответствии с его элементарным составом и теплотворностью компонентов, оп­

ределенных опытно при 0°С и 760

мм рт. ст. (имеются и другие

способы расчета).

 

 

Для жидких топлив низшая

теплотворность топлива

опре­

деляется по формуле Д. И. Менделеева.

 

Qn =8100С + 30000Н — 2600(0 — S) — 600(9Н +

(108)

где С, Н, О, S, W (влага) — компоненты 1 кг топлива в долях.

106

Для газообразных топлив теплотворность топлива определится аналогичным путем

QHr = 3050 СО + 2570 Н2 + 8520 СН4 + 13370 С2Н2 + 14200 СаН4 +

+ 15110С2Нв +21700С3Н8 + 28600С4Н1о + 34920 С5Н1г + ...-^,(109)

где компоненты топлива выражены в объемных долях 1 нм3.

При определении теплотворности 1 кг-моля газообразного топлива

необходимо увеличить теплотворность

его фнГ-

вычисленную

по формуле (109) на величину объема 1 кг-моля, т. е. 24,4

Q;r = 24,4Q„r

ккал

( П О )

кг-моль

топлива

 

 

 

Цифры, стоящие перед символами компонентов, в формулах (108), (109) есть низшая теплотворность их при 0° и 760 мм рт. ст.; при подстановке значений компонентов в процентах эти цифры уменьшаются в сто раз.

При неполноте сгорания жидких топлив (в карбюраторных дви­ гателях) с а<П тепловой эффект реакции 1 кг топлива уменьшится; теплотворность топлива в этом случае надо определить с поправкой на неполноту сгорания С в СО, по формуле

Q’ = Qh— Д<3СО---(111)

где AQco — теплотворность, соответствующая количеству СО в про­ дуктах сгорания при данном а < 1, равная

 

 

AQco = Mco-Qco-P-со £

 

(112)

здесь Мс,о(кг‘моль) — вычисляется по формуле (ЮЗ),

 

Qco =

2440

кг

-----теплотворность СО;

 

 

 

 

 

 

 

 

Рсо = 28 — молекулярный вес.

 

 

Значения Q„ , Q„r, вычисленные по формулам (108), (109), кор­

ректируются

табличными данными (см [ 1;

4; 27; 28;

31]).

6)

Теплоемкость свежего заряда и

продуктов

сгорания

В расчетах рабочего процесса двигателей внутреннего сгорания необходимо определять средние теплоемкости газов и газовых сме­

сей, при постоянном объеме Cmv и при постоянном давлении Стр, Наиболее принято вести расчеты в кг. молях, соответственно чему определяются и теплоемкости, обозначаемые черточкой свер­

ху (мольная) и различными индексами (cmv; стр), как это будет показано дальше. Иногда (как это сделано и у нас) индекс «т» (средняя) опускают, если оговорено, что везде применяются сред­ ние теплоемкости.

107

Соответственно выводам или расчетам теплоемкости берутся при определенной температуре, отсчитываемой по соответствующей же шкале (абсолютной или стоградусной), на что указывает раз­ мерность, обозначения или это особо оговаривается-

Значения средних мольных теплоемкостей воздуха, отдельных

газов,

веществ, либо берутся по таблицам (см. [1;

10; 67; 69 и др.]),

либо

определяются

по

утвержденным формулам — например,

ВТИ — Всесоюзного технического института.

 

Средние изохарные теплоемкости газовых смесей определяются

по общеизвестному

уравнению

(см. 31; 67; 69).

 

 

cmv — 2

rfvi

ккак/кг-моль °К,

(113)

где

rt — объемная

доля

компонента смеси,

 

cvi—теплоемкость компонента смеси.

Средняя изобарная темплоемкость газа или смеси подсчитыва­ ется по известной формуле термодинамики

 

 

 

 

cv + 1,986

ккал

 

 

 

(114)

 

 

 

 

к г■моль°К

 

 

Приводим типовые формулы для средних мольных теплоемкостей

(индекс «т» опускаем) при абсолютной температуре.

 

 

Теплоемкость

воздуха

 

 

 

 

 

 

 

 

 

с ' = а

' ■+ Ь'Т = 4,60 + 0,0006 Т -----ккаА .

 

(115)

 

 

v

v

1

 

кг

моль

К

 

v '

Теплоемкость «чистых» продуктов сгорания

(а =

1) для

нефтяных

продуктов

(тяжелых) среднего состава

 

 

 

 

 

 

 

 

с / ' = avm + Ь'"Т = 4,89 + 0,00086 Т.

 

 

(116)

Теплоемкость свежезасосанного заряда карбюраторных двигателей,

двухатомных газов (02; N2; Н2)

и воздуха

может

быть

 

определена

по формуле:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

~cv'

= а ' -\-Ь' — 4,815 +

0,000415Т

---- ккал оу .

 

(117)

 

 

v

v

 

 

 

кг ■моль К

 

'

Теплоемкости продуктов сгорания жидкого топлива

(при темпе­

ратуре до 3000°С)

 

 

 

 

 

 

 

при а = 0,8— 1,0

 

 

 

 

 

 

 

< =

<

+ ЬТ -

(4,4 + 0,62 а) +

(3,7 +

3,3 а) •

 

 

 

(118)

при а =

1,0 — 2,0

 

 

 

 

 

 

 

С

= <

, ф йГ = ( 4 , 8 + ^ - ) 4 - ( з , 7

+ ^ ) .1 0 ^ Т .

»

(119)

Теплоемкость углекислоты (при температурах 500—3000°С)

с_

= a v + bT = 7,465+ 0.00154Т

гхгхил

( )

СОа

 

кг ■моль °К

120

108

Теплоемкость водяных паров (при температурах 0°— 1200° С)

 

cv

- av + ЬТ = 5,95 + 0,0083 7 ---- кшл 0-.г .

 

 

(121)

 

^НгО

v

'

 

кг ■моль К

 

 

'

 

Для расчета дизелей проф.

В. А. Ваншейдт [10] выводит

 

фор­

мулы для определения теплоемкостей смеси:

1) в

конце заряда с

и 2) для продуктов сгорания: в точке z с„г и в

конце сгорания — с„ь.

 

УгС + [®(1 +

1 г ) ~ У;-]

 

аи + ЬСТ

ккал

 

 

(

122)

-CM

«(1+7,)

 

 

 

 

 

 

 

°л а кг-моль°К

 

 

 

C v ,

(l,064>;z +

7r) 4 " +

tg (l + Tr) — (^«+7г)] c'v

=

<4 +

 

ккал

 

(123)

 

а (1 + t r ) + 0,064 х3

 

b z T .

 

 

 

 

 

 

 

 

2 2 кг ■моль °К

 

 

— _

(1,064 +

7 ,) с„

+

(« — 1)(1 +

Т г)с/

_

 

,

L Т

КК<1Л

 

/1ЛД\

Cvb

 

а(1 +

7 r) + 0,064

 

а,>ь

'

ь

кг-моль °К

 

 

 

в формулах (122 — 124) обозначено:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

х2— доля (от

1

кг) сгоревшего топлива (оценку — см. дальше);

 

'{г— коэффициент остаточных газов;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

а — коэффициент избыточного воздуха;

 

 

 

 

 

 

 

cv’\ с„ — теплоемкости, вычисляемые при тех

температурах,

 

кото­

 

рые указываются индексом при Т.

 

 

 

 

мало

Формула

(122)

при уг =до

0,05 дает численное значение,

 

отличающееся от значения получаемого по формуле

(115)

и

по­

этому в этих случаях следует пользоваться формулой

(115).

 

 

 

Формула

(124)

получена из формулы

(123)

при х г= 1.

 

 

 

При расчетах газовых и газожидкостных двигателей, определе­

ние

теплоемкостей

продуктов

сгорания

следует

производить

по

формуле типа (113), при этом необходимо учесть остаточные газы и изменение числа молей при сгорании, а для газожидкостных дви­ гателей необходимо еще учесть запальное топливо. Развернутый вид таких формул приведен в книге [31], а выводы их в книге [19].

Во всех случаях определения теплоемкостей газов и смесей жидкостных двигателей (кроме газожидкостных) само жидкое топ­ ливо, в смысле теплоемкости, не учитывается.

7) Общие замечания по расчету газожидкостного двигателя

При расчете рабочего процесса газожидкостных двигателей сле­ дует учитывать запальное топливо и следовательно соответственно вносить дополнения в определение: 1) количество воздуха, необхо­ димого для сгорания; 2) теплотворности рабочей смеси; 3) опреде­ ление теплоемкости продуктов сгорания и 4) в части параметров сгорания. Необходимо также обосновать количество необходимого запального топлива и выбрать соответствующие этому топливу па­ раметры— а и уг.

Методика рабочего процесса газожидкостных двигателей изло­ жена в специальной литературе (напр. [18, 19; 31].

109