Процеси сумішоутворення і згоряння в ДВЗ

PAGE \* MERGEFORMAT 7

Лекції 7,8 ДВЗ Процеси сумішоутворення і згоряння в ДВЗ

1. Сумішоутворення в автомобільних двигунах

У поршневих двигунах внутрішнього згоряння якість і повнота згоряння робочої суміші значною мірою визначається: місцем сумішоутворення, співвідношенням кількості палива і повітря, яке детерміновано коефіцієнтом надлишку повітря , однорідністю суміші, часом її утворення.

У карбюраторних, газових двигунах і двигунах з розподіленим впорскуванням сумішоутворення переважно зовнішнього характеру; у дизелях і деяких двигунах з впорскуванням легкого палива безпосередньо в циліндр – внутрішнє; в газодизелях – комбіноване.

Сумішоутворення в бензинових двигунах включає в себе наступні процеси: дозування палива і повітря, розпилювання та випаровування палива, змішування його з повітрям. У газових двигунах – змішування суміші газів і повітря.

У карбюраторних двигунах паливо або паливна емульсія під дією розрідження витікає з розпилювача в дифузор карбюратора і змішується з повітрям, яке рухається в дифузорі з великою швидкістю. Паливо роздрібнюється на каплі різних діаметрів і плівки. Цей процес продовжується і далі у впускному тракті двигуна. В результаті збільшення поверхні палива в сотні разів воно прискорено нагрівається і випаровується. Разом з тим частина палива осідає у впускному тракті, утворюючи плівку.

Утворення паливної плівки у впускному тракті двигуна залежить від швидкості потоку робочої суміші, зчеплення капель з поверхнею тракту, сил поверхневого натягу капель палива тощо.

В процесі протікання суміші у впускному колекторі дрібні частки палива осідають на стінках його каналів, що приводять до різниці в складі суміші різних циліндрів (до 17%) і, відповідно, до порушення стабільного процесу згоряння. Щоб запобігти цьому у впускному колекторі

застосовують підігрів суміші. Для цього частину впускного колектора виконують з подвійними стінками, між якими циркулюють відпрацьовані

гази або охолоджуюча рідина.

На утворення паливної плівки також впливає режим роботи двигуна. За результатами досліджень 25…40% від поданого палива утворюється на режимах повного навантаження і при малих частотах обертання колінчастого вала двигуна, що в останньому випадку обумовлено зменшенням швидкості потоку повітря в дифузорі двигуна.

Випаровування палива і сумішоутворення відбувається, головним чином, за рахунок теплоти, яка міститься у самих каплях, і швидкості теплообміну між паливом і повітрям, швидкість руху якого може сягати 120 м/с. Остаточне випаровування палива здійснюється в циліндрі за рахунок його теплоти.

Ефективність процесів сумішоутворення і згоряння в ДВЗ з впорскуванням легкого палива залежить від значної кількості факторів. Визначальними з них є характер сумішоутворення (об'ємне, об'ємно-плівкове або плівкове), взаємне розташування свічі запалювання і форсунки, характеристики впорскування, форма камери згоряння, напрямок і інтенсивність потоків повітряного заряду у впускному тракті і в циліндрі двигуна тощо. Вплив цих факторів на процеси сумішоутворення і згоряння взаємозалежний.

Сумішоутворення в дизелі здійснюється в кінці ходу стиску і на початку ходу розширення і займає короткий проміжок часу, що відповідає 20...60 кута повороту колінчастого вала.

Так, якщо тривалість випаровування бензину у двигуні дорівнює 0,025 с, то у дизелях (при однаковій частоті обертання вала – 0,002.. .0,003 с. Тому паливо у дизельних двигунах змішується з повітрям значно гірше, що потребує підвищеного надлишку повітря (коефіцієнт надлишку повітря у швидкохідних дизелях становить 1,2.. .1,5 проти 0,8….1,0 у бензинових двигунах). Процес сумішоутворення та згоряння палива у дизелі значною мірою залежить від конструкції камери згоряння і характеризується періодом затримки самозаймання – часом від моменту впорскування суміші в циліндр дизеля до її займання. Отже, дуже важливо розпилиювати паливо на найдрібніші частинки й рівномірно розподіляти їх по всьому об'єму повітря в камері згоряння. Паливо для дизелів має відповідати вимогам доброго розпилювання, сумішоутворення й випаровування, а також швидкого самозаймання, повного згоряння та «м'якої» роботи без димлення, що залежить від його хімічного складу, який оцінюється цетановим числом (показник займистості дизельного палива).

2. Виділення теплоти в процесі згоряння палива

В описі принципу роботи поршневих ДВЗ було встановлено, що в них, власне кажучи, не відбувається кругових процесів, тому що газоподібні продукти згоряння після розширення і віддачі енергії за допомогою поршня на колінчастий вал видаляються з циліндра двигуна, а на їх місце надходить

свіжа порція пальної суміші, хімічний склад якої в результаті наступного

процесу згоряння змінюється. Однак умовно можна говорити про круговий

процес роботи двигуна внутрішнього згоряння, якщо не брати до уваги

хімічних змін пальної суміші.

При згорянні палива в реальних двигунах складну залежність при цьому тепловиділення для спрощення розрахунків замінюють підведенням теплоти як в ідеальних термодинамічних процесах , вносячи у подальшому коригування, які певною мірою враховують реальні процеси.

В ідеальних термодинамічних процесах розглядались способи підводу теплоти до робочого тіла: ізохорний (V=const), ізобарний (p=const) і змішаний, у якому використовуються обидва з названих способів.

На рисунку 6.1наведено ізохорний процес підведення теплоти, який характерний для двигунів з іскровим запалюванням робочої суміші.

Рис. 6.1 Схема підводу теплоти у двигуна з іскровим запалюванням

У двигунів з іскровим запалюванням робочої суміші (бензинових та газових) підвід теплоти здійснюється при ізохорному процесі (V=const) на ділянці c – z, як видно з рисунку 6.1; у дизелів та газодизелів, в яких відбувається самозаймання палива, підвід теплоти здійснюється змішаним способом (V=const і p=const) на ділянці c – z’ –z (рисунок 6.2).

Рис. 6.2 Схема підводу теплоти у дизеля

Процес згоряння вважається скінченим у точці z діаграм.

Втрата теплота за процес згоряння враховується коефіцієнтом використання теплоти в точці z і визначається за формулою:

(6.1)

де – теплота, передана при згорянні 1-го кг палива робочому тілу, кДж / кг. палива;

– нижча теплота згоряння палива, , кДж / кг. палива.

Коефіцієнт враховує наступні втрати теплоти: в систему охолодження на ділянці c – z; у зв’язку з неповним згорянням палива у точці z; на дисоціацію у бензинових двигунах . (Термічна дисоціація –  хімічна реакція розкладання речовини, що викликається підвищенням температури.

Для сучасних автомобільних двигунів значення = 0,7…0,9. У зв’язку з гіршими умовами сумішоутворення в дизелів цей коефіцієнт менший, ніж у бензинових і газових двигунів.

3. Параметри процесу згоряння в ДВЗ

Процес згоряння є головним процесом робочого циклу двигунів, за час якого тепло, що виділяється внаслідок згоряння палива, йде на підвищення внутрішньої енергії та здійснення механічної роботи.

Метою розрахунку процесу згоряння є визначення температури та тиску в кінці процесу, а для дизелів – ще й об’єму Vz.

При згорянні палива дійсний коефіцієнт зміни робочої суміші (у попередніх лекціях визначався коефіцієнт молекулярної зміни робочої суміші µ0) враховує наявність у робочій суміші певної кількості залишкових газів від попереднього циклу.

Кількість молів газів після згоряння:

Мz = М2+Мг. (6.1)

Розрахунковий коефіцієнт молекулярної зміни робочої суміші для бензинових двигунів і дизелів визначається, як відношення:

(6.2)

або за формулою:

µ = ( µ0 +) / (1+). (6.3)

Втрата теплоти в результаті неповного згоряння палива Нu визначається за формулою:

Нu= 119950 (1 – ) L0 кДж / кг. (6.4)

В результаті згоряння робочої суміші в циліндрі двигуна виділяється певна кількість теплоти, яка визначається розрахунком за формулою:

Нрс = (Нu – Нu) / М1(1+ )кДж/кмоль роб.сум. (6.5)

Середня мольна теплоємність продуктів згоряння при сталому об’ємі для залишкових газів визначається за формулою:

, (6.6)

де , , ,, ,– середні мольні теплоємності окремих компонентів продуктів згоряння і залишкового кисню в інтервалі температур tz ... t0, кДж / (кмоль·К).

Для визначення середніх мольних теплоємностей компонентів суміші залежно від температури використовуються формули для температур від 1501 до 2800С з таблиці 5.2.

Для бензинових двигунів при визначенні середньої мольної теплоємності (при ) також використовують формулу [1]:

кДж/(кмоль·К). (6.7)

Для дизелів середня мольна теплоємність продуктів згоряння при р=const і

кДж/(кмоль·К). (6.8)

Значення коефіцієнта використання теплоти для бензинових двигунів

Z = 0,85…0,95.

Значення коефіцієнта використання теплоти для дизелів визначається за дослідними даними з урахуванням кількості палива, що подається до циліндра, форми камери згоряння, наявності наддуву тощо (для дизелів

z = 0,7...0,9).

Для двигунів з розподіленим впорскуванням z визначають з номограми, яку наведено на рисунку 4.3.

Температуру в кінці згоряння для бензинових двигунів (цикл з підводом тепла при V=const) визначають у такий спосіб:

(6.9)

або за формулою [1]:

(6.10)

Після підстановки відповідних значень параметрів розв’язують квадратне рівняння відносно Tz і знаходять значення останнього параметра.

Визначення тиску в кінці процесу згоряння здійснюється у такий спосіб. Для карбюраторних двигунів і двигунів з розподіленим впорскуванням (цикл з підводом тепла при V=const) тиск в кінці процесу згоряння: MПа. (6.11)

Ступінь підвищення тиску =рz / рс , орієнтовно, = 3,2…4,5.

Розрахункові значення і pz для сучасних карбюраторних двигунів і двигунів з розподіленим впорскуванням знаходяться у межах = 2400…3300 К, рz = 3,5…8,5 MПа.

Дійсне максимальне значення рzд=0,85 рz МПа.

Для дизеля коефіцієнт молекулярної зміни свіжої суміші:

0=M2 / M1. (6.12)

Коефіцієнт молекулярної зміни робочої суміші:

(6.13)

Теплота згоряння робочої суміші:

кДж/кмоль роб. сум. (6.14)

Середня мольна теплоємність продуктів згоряння визначається за формулою, аналогічною формулі для бензинового двигуна, а саме:

(6.15)

,

Застосування наддувy при струйному сумішоутворенні підвищує теплостійкість двигуна і створює сприятливі умови для протікання процесу згоряння. Значення коефіцієнта використання теплоти визначається за дослідними даними з урахуванням кількості палива, що подається до циліндрів, форми камери згоряння та ін. Це дозволяє прийняти коефіцієнт використання теплоти z = 0,7...0,9.

Ступінь підвищення тиску в дизелі в основному залежить від величини циклової подачі палива та від камери згоряння.

Орієнтовно значення ступіня підвищення тиску приймають:

для дизелів з нерозділеними камерами згоряння та об’ємним сумішоутворенням =1,6…2,5;
для дизелів з нерозділеними камерами згоряння та плівочним сумішоутворенням, передкамерних та вихрекамерних дизелів =1,2…1,8. З метою зниження навантажень на деталі кривошипно - шатунного механізму необхідно слідкувати, щоб максимальний тиск згоряння не перевер –ував перевищував 12 МПа.
Температура в кінці процесу згоряння для дизелів (цикл з підводом тепла при V=const і р=const) визначається за формулою: (6.16) де = рz / рc - ступінь підвищення тиску. Спочатку приймають за рекомендаціями (орієнтовно – =1,6), які наведено раніше, а потім – уточнюють за результатами розрахунку. Для визначення температури в кінці згоряння дизеля і двигуна з розподіленим впорскуванням палива відповідно рекомендуються рівняння [1]: (6.17) (6.18) В усіх випадках після підстановки відповідних значень параметрів розв’язують квадратне рівняння відносно Tz і знаходять його значення. Для дизеля визначають максимальний тиск в кінці процесу згоряння:
рz= ·рc МПа, (6.19)

а також ступінь попереднього розширення:

(6.20)

Для двигуна з розподіленим впорскуванням тиск в кінці процесу згоряння:

МПа, (6.21)

а дійсний максимальний тиск в кінці процесу згоряння:

рzд=0,85 рz МПа. (6.22)

Ступінь підвищення тиску уточнюється за формулою:

=рz / рс . (6.23)

Орієнтовні значення параметрів процесу згоряння наведенов таблиці 6.1.

Таблиця 6.1 Параметри процесу згоряння

Процеси сумішоутворення і згоряння в ДВЗ