10.7. Процесс сгорания

Общие сведения.

В действительном цикле двигателя теплота к рабочему телу подводится в результате сгорания впрыскиваемого в цилиндр и распиливаемого в нем топлива. В качестве окислителя используют кислород предварительно сжатого и поэтому нагретого воздуха. В ходе реакций окисления выделяется большое количество теплоты, и образующиеся продукты сгорания (СО₂, Н₂О, SО₂ и др.) нагреваются до высокой температуры. Одновременно с ростом температуры повышается давление газов.

Одно из основных требований, предъявляемых к организации процесса сгорания, состоит в том, чтобы достигнуть полного сгорания всего поступившего в цилиндр топлива. Для этого, прежде всего, требуется обеспечить топливо необходимым для осуществления реакций окисления количеством воздуха.

Количество воздуха необходимое для окисления топлива

Используемые в двигателях нефтяные топлива состоят из следующих химических элементов: C≈84÷88%; H≈11÷14%; S ≈ 0,05÷3,5 %; О ≈ 0,005÷3 %.

Количество кислорода, теоретически необходимое для сгорания 1 кг твердого или жидкого топлива, состава С, Н, S и О может быть подсчитано на основании уравнений реакций окисления (горения) элементов горючей массы топлива. Углерод реагирует с кислородом по уравнению С+О₂=СО₂ (12+32 → 44), то есть для сгорания 1 кг углерода необходимо 32/12=2,67 кг кислорода. Водород реагирует с кислородом в соответствии с уравнением 2Н₂+О₂=2Н₂О (4+32 → 36). Значит, для сгорания 1 кг водорода необходимо 32/4=8кг кислорода.

Сера реагирует с кислородом по уравнению S+О₂=SO₂ (32+32 → 64), то есть для сгорания 1 кг серы требуется 32/32=1 кг кислорода. Значит, для полного сгорания 1кг топлива рассматриваемого элементного состава (в массовых процентах) потребуется кислорода (кг)

Если массовые доли перечисленных элементов обозначить соответствующими им символами, то теоретически необходимая масса воздуха для полного сгорания 1 кг топлива

[моль] (10.15)

где 1/0,21 - объемная (молярная) доля О₂ в воздухе; O/32 - число кило-молей О₂, содержащихся непосредственно в самом топливе.

Масса 1 моль вещества - масса вещества в граммах, численно равная его атомной или молекулярной массе

Теоретически необходимая масса воздуха для сгорания 1 кг топлива

G₀=μ_ВL₀=28,97L₀ (10.16)

где µ_в = 28,97 - молярная масса воздуха.

Коэффициент избытка воздуха

В дизеле образование горючей смеси топливо - воздух, в отличие от карбюраторного двигателя, происходит непосредственно внутри цилиндра, что вносит определенные трудности в организацию качественного перемешивания поступающего в цилиндр топлива с находящимся в нем воздухом. Необходимо также учитывать, что смесеобразование в дизеле происходит в условиях стесненной камеры сжатия и в течение очень короткого времени, составляющего в зависимости от быстроходности двигателя, сотые или тысячные доли секунды. Поэтому, чтобы в дизеле достигнуть по возможности полного сгорания топлива, необходим определенный избыток воздуха, который устанавливают экспериментально в процессе испытаний опытной конструкции двигателя в виде коэффициента избытка воздуха α - это отношение действительной массы воздуха, заключенной в цилиндр к началу процесса сгорания G_в, к массе воздуха, теоретически необходимой для сгорания g_ц топлива, подаваемого в цилиндр за один цикл. Последняя величина носит наименование цикловой подачи топлива.

Поскольку G₀ - масса воздуха, теоретически необходимая для сгорания 1 кг топлива, то произведение g_цG₀ будет представлять массу воздуха, теоретически необходимую для сгорания g_ц топлива. Тогда

(10.17)

По опытным данным, коэффициент избытка воздуха α на номинальном режиме находится в пределах для двигателей: малооборотных 1,8-2,2; средне- и высокооборотных 1,7-2. Верхние пределы коэффициента α характерны для двигателей с наддувом. Высокооборотные двигатели работают с меньшим значением α, что объясняется возможностью при малых размерах цилиндра обеспечить более равномерную смесь. Отдельные форсированные высокооборотные двигатели работают с α = 1,3÷1,4. Особенно нежелательно уменьшение коэффициента α при работе двигателя на режиме полного хода, так как прямым следствием уменьшения избытка воздуха является ухудшение сгорания топлива, сопровождающееся образованием большого количества продуктов неполного сгорания и связанным с этим снижением экономичности работы двигателя, повышением температуры деталей ЦПГ. Внешним проявлением неполного сгорания топлива является появление сажи в выпускных газах - двигатель начинает дымить.

Термодинамические основы процесса сгорания (рис. 10.12).

Коэффициента использования теплоты ξz.

В расчетном цикле процессу сгорания соответствуют участки индикаторной диаграммы сz и z'z. Параметры рабочего тела (газа) в точке z зависят от количества сообщаемой ему теплоты на этом участке. При подаче в цилиндр g_ц топлива количество теплоты, которое теоретически может быть сообщено газу, равно g_ц Q_H кДж (где Q_H - удельная теплота сгорания, для дизельных топлив ориентировочно Q_H = 41 900 кДж/кг; с увеличением плотности топлива величина Q_H пропорционально снижается и у тяжелых остаточных топлив лежит в пределах 41 000-39 500 кДж/кг). В реальных условиях сгорания вследствие несовершенства смесеобразования и иных причин все поданное в цилиндр топливо не успевает сгорать на участке сz'z, возникает его физический и химический недожог. Оставшаяся часть и продукты неполного сгорания топлива догорают за точкой z на линии расширения. Поэтому к моменту прихода поршня в точку z теплоты выделяется меньше теоретически возможного количества g_цQ_н и соответственно меньше сообщается газам. Более того, часть общего количества выделяющейся теплоты передается через стенки цилиндра охлаждающей воде и затрачивается на диссоциацию (распад) молекул газа.

Чтобы упростить задачу определения количества теплоты, действительно сообщаемой в процессе сгорания рабочему телу, вводится понятие коэффициента использования теплоты ξ_z:

(10.18)

где, Q_z - количество теплоты, сообщаемое газу в реальном процессе сгорания, до точки z; g_цQ_H - количество теплоты, которое теоретически могло бы быть сообщено газу при условии полного сгорания g_ц топлива и отсутствии каких бы то ни было потерь теплоты.

Коэффициент ξ_z зависит от совершенства процесса сгорания топлива, потерь теплоты в период сгорания и при прочих равных условиях определяется быстроходностью двигателя.

При расчете следует руководствоваться значениями ξ_z= 0,65÷0,85. Более низкие значения указывают на наличие значительного догорания топлива на линии расширения и усиленную теплоотдачу в воду (типичны для форсированных ВОД); высокие значения ξ_z = 0,80÷0,85 характерны для МОД.

Уравнения процесса сгорания.

На основании первого закона термодинамики теплота сообщаемая рабочему телу на участке индикаторной диаграммы смешанного цикла cz'z (см. рис. 10.12), расходуется на повышение внутренней энергии рабочего тела (∆U)^z_с и на совершение работы АL_z'z на участке расширения при постоянном давлении z'z?

Из этого уравнения, представляющего собой баланс теплоты в точке z, путем преобразований приходим к выражению, из которого получим температуру рабочего тела в точке z;

(10.19)

где - средняя мольная изохорная теплоемкость заряда воздуха, кДж/ (моль-К):

(10.20)

β_z = 1,03÷1,04 - коэффициент молекулярного изменения, показывающий увеличение суммарного количества молекул рабочего тела при сгорании топлива на участке cz'z; - средняя молярная изобарная теплоемкость смеси «чистых» продуктов сгорания и избыточного воздуха:

(10.21)

T_z - искомая температура, значение которой должно быть определено из уравнения сгорания (10.19).

Степень повышения давления при сгорании λ=p_z/p_c определяют на основании выбранного при расчете максимального давления сгорания p_z. При выборе p_z нужно ориентироваться на приведенные опытные данные и иметь в виду, что его увеличение сопряжено с ростом нагрузок на детали ЦПГ, т. е. механической напряженности двигателя. Для реализации цикла с относительно малыми значениями p_z и соответственно невысокой степенью повышения давления λ необходимо уменьшить угол опережения подачи топлива, сместив всю подачу в направлении вращения вала. Благодаря этому уменьшится количество топлива, поступающего в цилиндр и сгорающего в нем до прихода поршня в ВМТ; большая часть процесса сгорания перейдет на линию расширения, а это сопряжено с уменьшением величин ξ_z и Т_z и снижением экономичности цикла. Таким образом, стремление понизить возникающие в деталях двигателя механические нагрузки путем снижения величин р_z и λ вступает в противоречие с необходимостью обеспечить высокую экономичность рабочего цикла.

По опытным данным, значения р_z и λ для двигателей:

p_z, мПа

λ

малооборотных

6-16

1,2-1,55

среднеоборотных

5,5-18

1,35-1,7

Высокие значения р_z и малые λ характерны для двигателей с высокой степенью наддува. Температура Т_z обычно лежит в пределах 1227-1727 °С.

Определение V_z

Для того чтобы определить положение точки z на диаграмме расчетного цикла (см. рис. 10.12), найдем объем V_z, используя зависимости p_zV_z = M_z 848T_z, p_cV_c = M_a 848T_c

где М_а = М_с.

Разделим первое уравнение на второе и вспомним, что р_z/р_с=λ; M_z/M_a =β_z (где М_а, М_с, М_z - количество молей рабочего тела в точках а, с, z). Тогда получим:

Откуда

Обозначим Vz/V_C =ρ, тогда

(10.22)

Коэффициент ρ носит наименование степени предварительного расширения, его значение определяет степень расширения рабочего тела (газа) в процессе сгорания от точки z' до точки z.