Процес стискувння в ДВЗ
PAGE \* MERGEFORMAT 6
Лекція 6 Процес стискувння в ДВЗ
1.Роль процесу стискування в тепловому циклі двигуна
Процес стиску в ДВЗ призначений для створення необхідних умов для надійного запалювання і ефективного згоряння робочої суміші з метою якісного перетворення теплоти в корисну роботу.
У дизелях і газодизелях цей процес принципово необхідний, оскільки в кінці процесу стиску під час впорскування палива має бути створена потрібна для самозаймання температура . Величину стиску в дизелях обмежують допустимі навантаження на деталі кривошипно-шатунної групи.
У двигунах з іскровим запалюванням процес стиску не є принципово необхідним. Проте без його застосування не можна отримати високі показники циклу і двигуна. Обмежувальною умовою для підвищення стиску у двигунах з іскровим запалюванням є забезпечення бездетонаційного згоряння робочої суміші, що оцінюється октановим числом палива.
Межі стиску для двигунів з іскровим запалюванням 6,5…11,0; дизелів без наддуву – 15…21; дизелів з наддувом – 11…16; газових двигунів – 7,0…12,0.
2. Теплообмін у процесі стискування
Дійсний процес стиску в ДВЗ відрізняється від адіабатного процесу стиску в ідеальному термодинамічному циклі, оскільки в реальних двигунах відбувається теплообмін між робочим тілом і стінками циліндра, часткове перетікання газів з надпоршневого простору в картер двигуна через нещільності між циліндром і поршнем. Тому процес стиску в ДВЗ здійснюється не за адіабатою, а за політропою.
Рівняння, якими описується залежність між тиском і температурою в процесі стиску представляють собою політропи і мають наступний вигляд:
p·= const; (6.1)
T·= const. (6.2)
Показник політропи п1 на протязі процесу стиску змінюється. На початку процесу йде притік тепла від стінок циліндра до газу, що стискується (газ холодніший від стінок). Тому показник політропи n1 >k1 , де k1 – показник адіабати стиску.
При подальшому стиску спочатку температури стінок циліндра і газів вирівнюються (n1 =k1), а потім теплообмін здійснюється від газу до стінок циліндра (n1 <k1).
Для спрощення розрахунків приймають стале середнє за процес стиску значення показника політропи n1. Для автомобільних двигунів його значення становить n1 = 1,34…1,38.
При виборі значення показника політропи стиску в теплових розрахунках, враховують, що при зростанні числа обертів колінчастого вала, збільшенні діаметра циліндра двигуна, а також при наддуві показник n1 зростає, тобто його слід приймати більшим за середні значення.
При інтенсивному охолодженні (рідинне охолодження), а також у двокамерних двигунах, де відбуваються втрати теплової енергії для створення вихрового потоку газів, показник n1 зменшується, тобто його слід приймати меншим за середні значення.
Величина показника політропи стиску n1 визначається також на основі дослідних даних залежно від ступеня стиску і температури в кінці процесу стиску Та. Для бензинових двигунів n1=(к1– 0,01)…(к1 – 0,04), для дизелів – n1=(к1 +0,02)…(к1 – 0,02), де к1 – показник адіабати стиску, який залежить від і Та. Визначається к1 з номограми (рисунок 6.1).
Рис. 6.2 – Номограма для визначення показника адіабати стиску к1
3. Параметри процесу стискування
Використовуючи рівняння (6.1), отримуємо формулу для визначення тиску в кінці процесу стиску:
; . (6.3)
Подібним чином з рівняння (6.2) отримуємо формулу для визначення температури в кінці процесу стиску:
. (6.4)
Значення параметрів процесу стискування для деяких автомобільних двигунів наведено в таблиці 5.1.
Таблиця 5.1 Параметри процесу стискування автомобільних двигунів
Значення величин рс і Тс для сучасних автомобільних двигунів внутрішнього згоряння знаходяться у межах рс = 0,9…2,0 МПа, Тс=600…800 К.
4. Теплоємність робочої суміші в процесі стискування
Розрізняють дійсну і середню мольні теплоємності. Дійсна мольна теплоємність – це кількість теплоти, необхідна для підвищення одного кіломоля газу на черговий градус, а середня мольна теплоємність – кількість теплоти для підвищення температури на один градус в інтервалі температур t0…t1 (градуси Цельсія, tc=Tc– 273 0C). При теплових розрахунках двигунів визначають середню мольну теплоємність робочої суміші. Теплоємності визначають при сталому об’ємі mс v або при сталому тиску mсp. . Між ними існує залежність mcp – mcv =8,315 кДж/ кмоль·град.
Середня мольна теплоємність суміші залишкових газів при сталому об’ємі, що складається з декількох компонентів, визначається за формулою:
, кДж/(кмоль·К), (5.5)
де ri – доля компонентів, що складають суміш газів; – їх мольна теплоємність при сталому об’ємі.
Формули для визначення середніх мольних теплоємностей компонентів суміші залежно від температури у градусах Цельсія наведено в таблиці 5.2.
Таблиця 5.2 – Середні мольні теплоємності для газів
|
Найменування
газу
|
Формула для визначення
mcv залежно від температури
|
|
|
-
|
від 0 до1500С
|
від 1501 до2800С
|
|
1
|
2
|
3
|
4
|
|
Повітря
|
-
|
20,6+0,002638· t
|
22,387+0,00145· t
|
|
Кисень
|
O2
|
20,930+0,004641 ·t-0,00000084· t2
|
23,723+0,00155· t
|
|
Нітроген (азот)
|
N2
|
20,398+0,0025· t
|
21,951+0,001457 ·t
|
|
1
|
2
|
3
|
4
|
|
Гідроген (водень)
|
H2
|
20,684+0,000206· t+0,000000588 ·t2
|
19,678+0,001758·t
|
|
Окись вуглецю
|
CO
|
20,597+0,00267· t
|
22,49+0,001430 ·t
|
|
Вуглекислий газ
|
CO2
|
27,941+0,019· t- 0,0000055· t2
|
39,123+0,003349 ·t
|
Водяна пара
|
H2O
|
24,953+0,005359 ·t
|
26,67+0,004438 ·t
|
Середня мольна теплоємність в кінці процесу стиску при сталому об’ємі для залишкових газів визначається з урахуванням частки та теплоємностей її складових за наступною формулою (кДж/(кмоль·К)):
(5.6)
де М2 , МСО , МСО2, МСО , МН2О , МН2 , МN2 – загальна кількість і кількість окремих складових продуктів згоряння в робочій суміші;
– середні мольні теплоємності окремих компонентів залишкових газів в інтервалі температур tс ... t0, кДж / (кмоль·К).
Інколи для визначення використовують спеціальні таблиці, з яких, залежно від tc і , методом інтерполяцій знаходять середню мольну теплоємність залишкових газів (додаток 1).
Cередня мольна теплоємність робочої суміші (свіжий заряд + залишкові гази) визначається за формулою (кДж/(кмоль·К)):
, (5.8)
де , – відповідно середня мольна теплоємність свіжого заряду (повітря) і залишкових газів.
У розрахунках часто визначають середню мольну теплоємність заряду (повітря) без урахування впливу залишкових газів. В такому випадку для бензинових двигунів і дизелів при визначенні середньої мольної теплоємності використовують формулу [1]:
, кДж/(кмоль·К). (5.9)
Отримані середні значення теплоємності робочої суміші повинні знаходитись у межах = 20…25 кДж/(кмоль·К).
Визначають кількість молів залишкових газів (кмоль):
(5.10)
Визначають кількість молів газів в кінці процесу стиску до згоряння(кмоль):
Мс = М1+Мг. (5.11)
Додаток 1– Середня мольна теплоємність для бензину
Додаток 1 (продовження) – Середня мольна теплоємність для дизельного палива
Процес стискувння в ДВЗ