Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Силовые агрегаты. Курс лекций для студентов 4 курса факультета механизации сельского хозяйства, обучающихся по направлению подготовки 190600.62 - Эксп
.pdf
61
Разделив все части трех уравнений на Мс и учитывая, что
1
1
1
M
M
z
c
MM
r2
– коэффициент молярного изменения рабочей сме-
MM
r1
си, а количество рабочей смеси в начале и в конце сжатия постоянно,
т.е.
1LLLMMMM
M
r
r
– коэффициент остаточных газов.
M
1
r00r0к1са
Получим в окончательном виде уравнение сгорания для двигателей (разделив на Мс)
а) карбюраторного
Q
н
1L
r0
б) карбюраторного
QQ
нн
1L
r0
zVcV
ZC
TCTC
TCTC
zVcV
ZC
в) дизельного
Q
н
1L
r0
т.к.
Q
н
1L
. , то имеем
r0
T3158C3158CT
C3158C
PV
ZZ
.
ZC
..
ZC
TC3158CT
zVVc
zVVc
Рабочая смесь + остаточные газы
Определение теплоемкостей газов
C – средняя молярная теплоемкость газов рабочей смеси в
V
C
конце процесса сжатия (точка С) и
C – средняя мольная теплоем-
V
Z
кость продуктов сгорания (точка Z) – переменные величины. Они зависят от Тс и Тz т. е. )(
C
TfC
; )(
cV
TfC
и от элементарного со-
Z
zV
става топлива и от состава смеси (т. е. α)
В расчетах
взвешенную величину теплоемкостей: воздуха
C с некоторым допущением принимают как средне-
V
C
/
C
т.е. без учета
V
C
влияния паров топлива в двигателях и остаточных газов
C , вынесем М1
V
MM
r1
1
///
CMCM
VrV1
CCC
62
C
1
,
V
1
r
где:
/
– теплоемкость воздуха берется для данных Тс по спра-
C
V
C
///
CC
VrV
CCC
кДж
гркмоль
вочным данным [
//
– ср. мольная теплоемкость остаточных газов, может быть
C
V
C
]
гркмоль
определена:
а) непосредственно по справочной литературе (в зависимости от
α) [1, табл 7,8 с. 18].
б) по элементарному составу топлива.
кДж
//
C
V
C
может быть определена (как средневзвешенная величина со-
ставляющих продуктов сгорания
где:
C
V
C
C2
M
1
2
//
C
CO
C2
2
N
2
C
CO
////
CMCM
VOVN
C2
O
2
C2
O2H
////////
CMCMCMCM
VHVOHVCOVCo
C2
//
– средняя мольная теплоемкость отдельных компонентов
V
C
i
H
2
сгорания определяется: по справочным таблицам [1, табл.5] или
б) по эмпирическим формулам
//
C
i
)(
tfC
[1, табл.6] в интерва-
cV
ле температур 1…15000С., т.е. общий вид зависимостей
3
//
t10baC
V
C
i
c
например: для СО
3
,,
t1067259720C
c
V
//
C
i
Мi – число молей газов, составляющих продукты сгорания;
C – средняя мольная теплоемкость продуктов сгорания опре-
V
Z
деляется по формуле *** (как средневзвшенная теплоемкость продуктов сгорания):
Z2
//
CC
VV
1
M
2
ZZ
CO
Z2
2
N
2
Z
CO
////
CMCM
VOVN
Z2
O
2
Z2
O2H
////////
CMCMCMCM
VHVOHVCOVCo
Z2
H
2
//
Z
i
tfC
zV
)(
//
V
Z
i
3
t10baC
z
63
эти зависимости берутся из тех же таблиц [1,табл.6], но в интер-
A
2
вале
t = 1501 … 28000С
3
например: для СО;
//
V
Z
CO
..
t1043149022C
z
Тогда величина
V
Z
VP
ZZ
C
будет функцией Тz , т.е.
V
Z
////
TbaC
(Tz = tz+273)
z
3158CC
.
После подстановки в уравнение горения значения теплоемкостей
C и
C будем иметь уравнение второго порядка вида
V
Z
V
C
2
Z
Z
0CBTAT
Где А, В, С – главные значения известных величин.
Оттуда решив квадратное уравнение, получим:
2
T
,
Z
AC4BB
K
При определении максимальной температуры цикла Tz на основе
уравнений сгорания задаются значениями ξ (коэффициент использования теплоты), а для смешанного цикла и λ (степень повышения
давления).
λ=3…4 – для карбюраторного двигателя.
λ=1,6…2,5 – дизельного с неразделенными камерами сгорания и
объемн. смесеоб.
λ=1,2…1,8 – дизельного с разделенными камерами сгорания и
пленочным смесеоб.
λ=1,2…2,5 – определяют допустимыми значениями, температур и
давления в конце сгорания.
Определение величины PZ в конце сгорания зависит от характера цикла:
а) для двигателей, работающих с подводом теплоты при V =
const, давление МПа
TP
P
Z
T
степень повышения давления λ определяется
ZC
C
P
Z
P
C
64
где µ – коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси,
б) для двигателей, работающих по циклу со смешанным подво-
дом теплоты при V=const и P= const
PP
, λ – задаются, тогда
CZ
V
степень предварительного расширения (
Z
V
)
C
TP
, или
V
V
ZC
TP
CZ
Z
(для дизеля)
C
T
Z
T
C
из характеристического уравнения:
pv=RT
pv=8.315MT
TM3158VP .
ZZZZ
TM3158VP .
CCCC
T
V
V
T
M
P
P
P
P
C
M
Z
T
C
T
Z
Z
C
z
Z
T
C
C
Z
C
P
C
P
Z
T
C
Z
T
1
Z
T
C
ρ – для дизелей ρ=1,2…1,7
Объем, освобождаемый поршнем в процессе предварительного
расширения:
Vz-Vc=Vc (ρ-1)
Действительное давление Определение действительных точек:
а) для дизельного двигателя (подвод тепла V=const);
P850P
d
.
ZZ
б) для дизельного двигателя (подвод тепла V=const ;P=const)
PP
d
ZZ
Карбюраторный Дизельный
ТZ = 2400…29000 K TZ = 1800…23000K
PZ = 3.5…7.0 MПа PZд = PZ = 5…12 МПа
Более низкие значения TZ для дизелей является следствием
большого λ (большие потери на нагрев воздуха), меньшим ξ
диз
, частичного использования теплоты на совершение работы в процессе
предварительного расширения.
65
3.5 Термохимические соотношения
3.5.1 Теоретически необходимое количество воздуха
Состав топлива задается массовым или объемным содержанием
основных элементов: С – углерод; Н – водород; ОТ – кислород топлива (кг)
В топливе присутствует также S – сера, N– азот и элементы химических соединений в виде антидетонационных, противодымных и
др.
Теоретически необходимое количество кислорода для сгорания
1 кг топлива и полученное при этом количество продуктов сгорания
можно рассчитать на основе химических реакций сгорания С и Н
Для одного кг жидкого топлива массовые доли отдельных составляющих химических элементов
С + Н + О = 1
Жидкое топливо С Н ОТ
Бензин 0,855 0,145 Дизельное топливо 0,870 0,126 0,004
Химические реакции С с кислородом О в случае полного сгорания
а) в массовом выражении:
С+О2 = СО2 (если только масса m = 12; m0 = 16 ), то
12 кг (С) + 32 кг (О2) = 44 (СО2)
а для 1 кг углерода (разделим на 12)
1 кг (С) + 8/3 кг(О2) = 11/3 кг (О2)
Для С кг углерода С кг(С) + (8/3)С кг (О2) = (11/3) С кг (СО2)
Если б) в молях: 1кмоль С + 1 кмоль О2 =1кмоль СО2
или: 12 кмоль С + 1кмоль = 1кмоль СО2
для 1 кг: 1кгС +1/12кмольО2 = 1кмоль СО2
для С кг углерода: Cкг С + (С/12)кмоль О2 = (С/12) кмольСО2
Реакция сгорания водорода:
2Н2 + О2 = 2Н2О.
Весовое 4 кг Н2 + 32 кг О2 = 36 кг Н2О.
Н кг (Н) + 8Н кг (О2) = 9Нкг Н2О.
66
кгтоп
кгтоп
кгтоп
кгтоп
Мольное: (в молях) 2 кмоль Н2 + 1 кмоль О2 = 2 кмоль Н2О.
4 кмоль Н2 + 1 кмоль О2 = 2 кмоль Н2О
для 1 кг Н: 1 кг Н2 +1/4 кмоль О2 = 1/2 кмоль Н2О
Для Нкг Н: Н кг Н2 + (Н/4) О2 =(Н/2) кмоль Н2О
Поэтому для сгорания 1 кг топлива потребуется 8/3 С + 8 Н кг
кислорода; или С/12 + Н/4 – кмоль кислорода
и если учесть От , и массовое содержание О2 в воздухе, то: в
массовом выражении
8
1
l
.
3
230
OH8C
T0
кгвоз
,
или в молях (учитывая объемное содержание О в воздухе)
в мольном выражении
C
12
7
32
T
кгвоз
,
L
0
1
.
2100
O
H
где l0 – теоретически необходимое количество воздуха в кг для
сгорания 1 кг топлива,
кгвоз
L0 – теоретически необходимое количество воздуха в кмоль для
сгорания 1 кг топлива,
кгвоз
0,23 – массовое содержание кислорода в 1 кг воздуха;
0,21 0,208 – объемное содержание кислорода в 1 кмоль возду-
ха
Причем
где µв = 28,96
Ll
0в0
кмоль
кг
– масса 1 кмоль воздуха
Количество воздуха, участвующего в процессе сгорания может
быть больше (>) или (<) теоретического.
Коэффициент избытка воздуха
– отношение действительного количества воздуха (l1 или L1) к
теоретически необходимому количеству воздуха (l0 или L0) для полного сгорания топлива
67
кгтол
кмоль
кмоль
кмоль
кгтол
1
кгтоп
2H12
2H12
l
1
l
0
1
L
0
L
Ориентировочное значение α:
α = 0,75…0,95 – карбюраторные двигатели;
α = 1,5…1,8 – дизельные с нераздельными камерами сгорания;
α = 1,45…1,55 дизельные с пленочными смесеобразователями;
α = 1,25… 1,45 дизельные с наддувом.
3.5.2 Количество молей свежего заряда
Поступающий в цилиндр свежий заряд состоит из воздуха и топ-
лива.
LM
,
01
1
кмольвоз
T
кгтоп
где µT – молекулярная масса топлива,
(µTбенз=110…120
1
T
– малая величина по сравнению с αL0, то
кг
; µTдиз.т=180…200
кг
)
кмольвоз
M
L
1
αL0 ,
1
3.5.3 Определение числа молей продуктов сгорания (М2) 1
кг топлива при
:
При полном сгорании топлива продукты сгорания состоят из:
СО2; Н2О; избыточного О2 и N2
М2 = МСО2 + МН2О + МN2 + МО2
На основе реакции сгорания 1 кг топлива
М СО2 = С/12; МН2О = Н/2
N2 не участвует в реакции с кислородом топлива и его содержа-
ние равно числу кмоль в воздухе
кмоль
79% N2
(0.208 0,21)
C
M ).()(..
M = 0,79αL
N
2
M =0,12L – 0.21L
O
2
0
=0.21αL0–0.21L0=0.21L0(α-1)
0
C
L1210L790
L210
0002
68
L210
12
2
4
4H12
32O4H32O2H12
32O4
1
1
C
.
0
12
T
32
4
O
H
Чтобы учесть наличие кислорода в топливе, решим совместно с
теоретически необходимым количеством воздуха.
3.5.4 Определение числа молей продуктов сгорания 1 кг
топлива при α < 1 (CО2 , СО, Н2О, Н
2, N2
При неполном сгорании образуется М2 = М
+ МN2
L1420 )(.
0
L1420
)(,
L790
0
0
пренебр
2
H
L1420L1420
2
H
L790
0
M H
CO
C
M
CO
2
H
M
M , тогда складывая имеем
H
2
N
,
2
C
M
12
C
.
Преобразуем это выражение (искусственно)
M
C
2
TT
)
СО2
L790
+ М
C
12
СО2
H
2
,,,.
+ М
,,)(.)(,
L210L210L790L790
Н2О
L790
0000
+ М
00002
Н2
H
LM
02
T
0
)(,
1L210
3.5.5 Изменение количества кмолей продуктов сгорания
∆M=M2 – M1; М1 = αL0
При
LMM
02
4
H
H
)(,
LMM
02
4
T
32
O
32
T
0
1L210
.
O
Приращение числа молей происходит вследствие увеличения
суммарного количества молекул при химических реакциях распада
молекул топлива.
69
Прирост числа кмолей при α<1 больший, чем при α >1. прираще-
1
1
ние объема ∆М – положительный фактор, способствует возрастанию
полезной работы газов при их расширении.
Относительное изменение объема
Характеризуется:
1) µ0 – коэффициент молекулярного изменения горючей смеси –
это отношение количества молей продуктов к числу молей горючей
смеси
M
2
0
M
1
M
M
11
2) µ – действительный коэффициент молекулярного изменения
рабочей смеси (гор. смесь + ост. газы) – это отношение количества
молей в цилиндре после сгорания (Mz) к числу молей до сгорания (Мс)
M
Z
M
C
разделим на М1,
MM
r2
MM
r1
M
1
M
r
– коэф ост газов, т
M
1
r0
r
r
µ = 1,02…1,12 – карб. двигатели
µ = 1,01…1,06 – диз. двигатели
Смесь газов в начале сжатия Мс
Мс = М1 + Мr
LMM
r0r1r
1LLLM
)(
r00r0C
В конце сгорания заряд состоит (МZ)
Мz = М2 + Мr
При
При
;
1LM
r0Z
H
4
LM
0Z
4
O
T
)(
32
;
O
H
H
LM
0Z
4
1LM
T
32
O
H
r0Z
4
T
32
T
32
L
0r
L1L210
)(,
1L210
0
O
0r0
)(,)(
70
3.6 Процесс расширения
В процессе расширения тепловая энергия топлива преобразуется
в механическую работу. В реальном двигателе процесс расширения
протекает в условиях догорания топлива и восстановления продуктов
диссоциации, уменьшения теплоемкости продуктов сгорания.
Процесс расширения происходит по закону политропы. Однако
показатель n не остается постоянным.
В начальный период процесс расширения протекает с интенсив-
ным подводом теплоты и
//
kn
22
По мере движения поршня к Н.М.Т. догорание топлива и восстановление продуктов диссоциации уменьшаются. Возрастает отвод
тепла и
kn
/
n увеличивается и достигает значения показателя адиабаты
2
//
22
При дальнейшем расширении газов отвод тепла превышает ее
/
/
kn
2
выделение и
2
Таким образом, процесс расширения протекает по политропе с
переменным показателем
/
n .
2
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]