Расчет Процессов 5

Расчет Процессов
Скорость химических реакций окисления углеводородов топлива возрастает интенсивно при увеличении температуры смеси до 1000 К, а затем интенсивность ее увеличения снижается тем в большей степени, чем выше температура смеси. Значитель- ное влияние на скорость химических реакций окисления углево- дородов топлива оказывает и энергия активации (табл. 10.1). Таблица 10.1 – Влияние температуры и энергии активации на абсолютную скорость реакций окисления углеводородов топлива Энергия активации, Дж/моль Температура смеси, К 300 500 1000 1500 2000 16,8.104 1 5,25.1011 3,98.1020 2,82.1023 8,91.1024 8,4.104 1 7,59.105 2,0.1010 5,37.1011 3,02.1012 2,0.104 1 – 2,82.102 6,17.102 9,33.102 Основным источником активации реагирующих компонен- тов является кинетическая энергия молекул реагентов, хаотичес- ки движущихся с различными скоростями. При столкновении 353 молекул реагентов движущихся с повышенными скоростями суммарная их энергия может оказаться больше энергии актива- ции, произойдет при этом разрушение внутримолекулярных свя- зей и возникновение активных частиц или соединений атомов со свободными валентными связями. С ростом температуры возрас- тает количество столкновений молекул с высоким уровнем кине- тической энергии, возрастает скорость реакций. При этом исход- ные компоненты реакций, например окисления углеводородов топлива кислородом воздуха, превращаются в конечные продук- ты не в результате прямых соударений молекул, а с образованием промежуточных продуктов окисления – активных частиц (ато- мов, осколков молекул с незамещенными свободными валентны- ми связями). Активные частицы вступают в реакции с молекула- ми исходных реагентов или промежуточными соединениями уже при значительно меньших значениях энергии активации, т.е. ре- акции, например, окисления углеводородов топлива многоста- дийные. В результате ряда (цепи) последовательных преобразо- ваний получаются конечные продукты реакций. Теория цепных реакций разработана лауреатом Нобелевской премии академиком Н.Н. Семеновым и сегодня является обще- признанной. Теория цепных реакций взаимодействия различных веществ включает следующие основные положения: . начальная скорость зарождения активных центров цепей реакций бесконечно мала – а; . цепи реакций осуществляются через посредство атомов и радикалов, вступающих в реакции; . активные частицы (атомы, радикалы) могут вступать в реакции трех видов: . реакции, при которых в результате соударения образуется столько же новых активных частиц, сколько и было до соударе- ния (реакции продолжения цепей – б); . реакции, при которых в результате соударений количест- во активных частиц в среде возрастает (разветвление цепей – в); . реакции, в результате которых происходит уменьшение или уничтожение активных центров, превращение их в стабиль- ные молекулы (обрыв цепей – г). 354 Рассмотрим для примера схему реакций окисления водоро- да, одного из основных горючих компонентов моторного топли- ва: а – зарождение цепи . . . .. . . . . . . . . Н М 2Н М;О О О О ; Н О 2ОН; 2 2 2 3 2 2 . .. . б – продолжение цепи .. . . . . . . . ОН ОН Н О О ; Н ОН Н О Н ; 2 2 2 . . .. . . в – разветвление цепи . . . .. . . . . . .. . . 2Н О ОН 2О; О Н ОН Н ;Н О ОН О; 3 22 . . .. .. . .. . .. г – обрыв цепей . . . . . . . .. . . . . . . . . .. . Н стенка . 2Н О М Н О М; НО Н Н О ; Н Н Н ; ОН Н Н О; 2 2 2 2 2 2 2 2 . . . . . . . . Здесь М – стабильное соединение (молекула), точка над зна- ком химического элемента – свободная валентная связь. Схема реакций окисления молекул углеводородов, содер- жащих от нескольких до десятков атомов углерода и водорода, намного сложнее, реакции носят лавинообразный характер. На основании анализа экспериментальных данных Н.Н. Семеновым предложена следующая схема реакций окисления простейшего углеводорода (метана): а – зарождение цепи . . . .. . . . . . . . . . . . . СН О НСОН О 2Н; СН М СН Н М; СН О СН ОН О; 4 2 4 34 2 3 .. . . . . . .. 355 б – продолжение цепи . . . . . . . .. . . . . . .. . . . . . . . . СН НО Н О СН ; НСО О СО НО ; СО ОН СО Н ; ОН НСНО Н О НСО ; СН О НСНО ОН ;4 2 2 2 3 2 2 2 2 3 2 . . . . . . . . . . в – разветвление цепи .. . . . . . . . СН О СН НО ; НСНО О НСО НО ; 4 2 3 2 2 2 . . . . г – обрыв цепей . . . . . . . .. . . . . . . . .. .ОН стенка. Н стенка; НСО НО СО О Н ; Н ОН Н О; СО О СО ; 2 2 2 2 2 . . .. . .. Цепная реакция окисления метана начинается с образования в результате соударения молекул кислорода и метана с высокой кинетической энергией двух радикалов СН3 . и НО. . В последую- щих элементарных актах взаимодействия принимают участие об- разующиеся радикалы О. Н, НС. О; атомы Н. , О.. . Реакции окисления метана – слаборазветвленные реакции, что предопределяет отно- сительно медленное горение метана. Образующаяся окись угле- рода сгорает с образованием СО2 (стабильного соединения) и ак- тивных атомов со свободными валентными связями (Н. и О.. ). При обрыве цепей реакций окисления углеводородов топли- ва в продуктах сгорания за фронтом пламени образуются наряду с конечными продуктами окисления (СО2, Н2О) промежуточные соединения (СО, СnHm), твердые частицы, содержащие углерод, твердые углеводороды, образовавшиеся при столкновении не- скольких молекул углеводородов, полициклические углеводоро- ды. Значительная часть углеводородов в отработавших газах обу- словлена обрывом цепей реакций окисления в пограничном слое у поверхности стенок надпоршневой полости, толщина которого 356 составляет 0,1–1 мм. Часть этих соединений является по отноше- нию к живым организмам токсичными, часть – канцерогенными. При сгорании этилированных бензинов в продуктах сгорания со- держатся также соединения свинца, воздействие которых на жи- вые организмы сопоставимо с воздействием канцерогенных со- единений. Содержание твердых частиц в продуктах сгорания го- могенных топливовоздушных смесей незначительно и зависит в основном от количества масла, поступающего в надпоршневую полость через поршневые кольца. Во фронте пламени в реакциях окисления молекул углево- дородов, содержащих азот, образуются также оксиды азота (NOx), но основная часть окислов азота в продуктах сгорания приходит- ся на окись азота, образующуюся при окислении азота за фрон- том пламени в зоне максимальной температуры. Реакции окисле- ния азота, как и углеводородов, являются в основном многоста- дийными, носят цепной характер .8, 14, 15.. Интенсивность обра- зования окиси азота зависит от температуры и концентрации ки- слорода в продуктах сгорания. Реакции образования окиси азота из азота и кислорода обратимы: N2 + О... NO +N.. – 13,6.104 Дж/моль; N.. + O2 . NO + О.. + 13,6.104 Дж/моль. Первая реакция протекает с поглощением теплоты. С пони- жением температуры реакции смещаются влево (в сторону обра- зования исходных реагентов). При быстром охлаждении продук- тов сгорания, как это имеет место в надпоршневой полости дви- гателей, равновесие не успевает сместиться влево, происходит "закалка” окиси азота. В продуктах сгорания остается практичес- ки то же количество окиси азота, которое образовалось при высо- кой температуре. Так как в продуктах сгорания углеводородов за фронтом пламени содержатся пары воды, возможны и другие реакции об- разования окиси азота: N2 . O. H . NO . NH; NH O2 NO OH . . . . . Не исключаются при высокой температуре и бимолекуляр- 357 ные реакции окисления азота, сопровождающиеся поглощением теплоты: N2 + O2 . 2NO – 18,1.104 Дж/моль. По данным экспериментальных исследований в продуктах сгорания двигателя с искровым зажиганием содержится в основ- ном окись азота. Содержание двуокиси азота (NO2) не превышает 1 % от общего количества оксидов азота в продуктах сгорания .8.. Окись азота продуктов сгорания в воздухе легко окисляется, образуя двуокись азота. Нормальная скорость распространения фронта пламени Uн (рис. 10.10) в топливовоздушных смесях относительно невелика – 0,30–0,55 м/с .8.. При турбулизации топливовоздушной смеси она значительно возрастает (до 60–80 м/с). В турбулентном пла- мени параметры топливовоздушной смеси (температура, ско- рость) непрерывно изменяются, глубина фронта пламени при этом значительно увеличивается. Наибольшее влияние на ско- рость перемещения турбулентного пламени оказывает крупно- масштабная турбулизация топливовоздушной смеси, вызываю- щая не только расширение фронта пламени, но и образование очагов горения смеси как впереди фронта пламени, так и за фронтом пламени. При сгорании топливовоздушных смесей в надпоршневой полости двигателя давление и температура смеси вследствие вы- деления теплоты при сгорании и перемещения поршня возраста- ет, что также значительно увеличивает скорость сгорания смеси. Благодаря этим факторам становится возможным осуществить процесс сгорания топливовоздушной смеси в надпоршневом объеме за 1–2 мс. Например, в карбюраторном двигателе ВАЗ- 2103 на режимах внешней скоростной характеристики момент зажигания при n = 5600 об/мин осуществляется за 36 .ПКВ до ВМТ, а при n = 3000 об/мин – за 32 .ПКВ (рис. 10.11). На ста- билизацию очага зажигания уходит при n = 3000 об/мин 18 .ПКВ. при n = 5600 об/мин – 23 .ПКВ. Интенсивное сгорание то- пливовоздушной смеси (резкое нарастание давления) начинается примерно за 13–15 .ПКВ до ВМТ. Максимального значения дав- ление газов в надпоршневой полости достигает за 8–10 .ПКВ по- сле ВМТ, т.е. продолжительность интенсивного повышения дав- 358 ления (интенсивного сгора- ния) при n = 3000 об/мин составляет примерно 1,3 мс, при n = 5600 об/мин – 0,8 мс. Степень повышения давления при сгорании . = = 2,5–2,9. Догорание топли- вовоздушной смеси завер- шается несколько позже момента достижения мак- симального давления. За окончание процесса сгора- ния принимают момент (угол поворота кривошипа), при котором сгорает при- мерно 99 % топливовоз- душной смеси. Продолжи- тельность сгорания топли- вовоздушной смеси в зави- симости от режима работы (нагрузки, частоты враще- ния коленчатого вала) со- ставляет 20–60 .ПКВ. Оптимальное значение угла опережения зажигания зависит от нагрузки (степе- ни открытия дроссельной заслонки), частоты враще- ния коленчатого вала, орга- низации процессов смесе- образования и сгорания (типа камеры сгорания и процесса смесеобразования, характеристик системы за- жигания и т.д.). Отклонение угла опережения зажигания от оптимального оказывает Рисунок 10.11 – Осциллограммы изменения давления в надпоршневой полости двигателя ВАЗ-2103 (S/D = 80/76) на режимах внешней скоростной характеристики: а – n = 5600 мин–1, ре = 0,71 МПа; б – n = 3000 мин–1, ре = 0,82 МПа; 1 – отметка момента зажигания; 2 – отметка ВМТ; 3 – отметка времени (..=10–3с); 4 – изменение давления в надпоршневой полости при отключении зажигания; I – период стабилизации очага воспламе- нения; II – период интенсивного сгорания; III – период догорания; .з – угол опережения зажигания; .в – угол опережения воспламенения I II III 1 2 3 4 1,5 4,5 3,0 р, МПа 1,5 4,5 3,0 р, МПа .в .з a б 359 значительное влияние на изменение давления газов в надпоршне- вой полости, показатели рабочих процессов двигателя. В двигателе с непосредственным впрыском топлива в каме- ру сгорания физико-химические процессы сгорания топливовоз- душной смеси практически те же, что и в двигателе с внешним смесеобразованием. Однако интенсивность ее выгорания зависит не только от степени турбулизации воздушного заряда, но и от особенностей образования топливовоздушной смеси (объемное, пленочное, объемно-пленочное смесеобразование). Например, при пленочном смесеобразовании (рис. 1.15), интенсивность сго- рания топливовоздушной смеси определяется скоростью испаре- ния топливной пленки на поверхности стенок вытеснителя и ско- ростью перемещения паров топлива в направлении очага сгора- ния потоком воздуха из-под вытеснителя. Непосредственный впрыск топлива позволяет также умень- шить время контакта углеводородов топлива с кислородом воз- духа и поверхностями стенок надпоршневой полости с высокой температурой, уменьшить содержание в топливовоздушной сме- си к моменту электрического разряда на электродах свечи зажи- гания промежуточных продуктов окисления. При этом заметно снижаются требования к детонационной стойкости топлива. Воз- можна организация бездетонационного сгорания при высоких значениях степени сжатия (. .10) керосина (ОЧ.30), дизельного топлива (ОЧ.10). Детонационное сгорание топливовоздушных смесей в дви- гателях с внешним смесеобразованием и искровым зажиганием возникает при недостаточной детонационной стойкости топлива на режимах внешней скоростной характеристики при понижен- ных частотах вращения коленчатого вала (рис. 10.12). Вначале процесс сгорания развивается нормально, скорость распростра- нения фронта пламени не превышает 40–80 м/с, а затем происхо- дит взрыв топливовоздушной смеси впереди фронта пламени. Например, в двигателе ВАЗ-2103 при n = 2000 об/мин и ре = = 0,87 МПа нормальный процесс сгорания (от момента нача- ла интенсивного сгорания до момента взрыва) продолжается 32 .ПКВ. Затем характер процесса сгорания резко изменяется, увеличивается скорость химических реакций окисления топлива, 360 скорость фронта пламени возрастает до 1500–2500 м/с. При недостаточной детона- ционной стойкости топлива взрывной процесс сгорания может начинаться и до мо- мента достижения макси- мального давления продук- тов сгорания. Детонационная волна, достигая стенок над- поршневой полости, вызыва- ет их вибрацию, сопровож- дающуюся резким металли- ческим стуком. Обычно де- тонирует 15–20 % топливо- воздушной смеси, оставшей- ся впереди фронта пламени к моменту взрыва. При меньших ко- личествах детонирующей топливовоздушной смеси прослуши- ваются лишь слабые металлические стуки. Детонационное сгора- ние сопровождается падением мощности, перегревом двигателя, а при длительной работе вызывает разрушение поршневых колец, перемычек между кольцами, разрушение поршней. В настоящее время общепринята теория детонационного сгорания, разработанная Н.Н.Семеновым, Л.Д.Ландау, Я.Б.Зельдовичем и другими исследователями .8.. Причиной де- тонации по этой теории является накопление до определенной концентрации в несгоревшей топливовоздушной смеси под воз- действием высокой температуры и давления промежуточных продуктов окисления углеводородов топлива (органических пе- рекисей), образующихся в результате прямого присоединения молекулы активного кислорода к молекуле углеводорода по схе- ме, показанной на рис. 10.13 .8.. Молекула кислорода при взаимодействии с молекулой угле- водорода может войти в цепь атомов углерода (а) или вклиниться между атомом углерода и атомом водорода (б). Затем, в процессе дальнейших реакций окисления образуются альдегиды, вода, уг- лекислота и т.д. р, МПа II III 1,5 3,0 4,5 Рисунок 10.12 – Осциллограмма изменения давления в надпоршневой полости двигателя ВАЗ-2103 на режиме внешней скоростной характеристики при n = 2000 мин–1, ре = 0,87 МПа (расшифровка осциллограммы на рис.10.11) I 361 Детонационное сгорание происходит в две стадии. На пер- вой стадии происходит образование и накопление в смеси про- межуточных продуктов окисления. Она начинается при газооб- мене, когда молекулы углеводородов сталкиваются с молекулами продуктов сгорания и стенками надпоршневой полости с высокой температурой и заканчивается на такте сжатия. Вторая стадия ха- рактеризуется взрывным характером окисления промежуточных продуктов окисления, концентрация которых в топливовоздуш- ной смеси впереди фронта пламени достигает критических зна- чений. Скорость образования пероксидов зависит от свойств топли- ва, давления и температуры топливовоздушной смеси к концу такта сжатия, температуры поверхностей стенок надпоршневой полости, состава смеси, угла опережения зажигания. При обогащении смеси уменьшается концентрация в топли- вовоздушной смеси кислорода, понижается температура стенок надпоршневой полости, снижается скорость образования перок- сидов. При обеднении смеси возрастает скорость образования пе- роксидов и максимальная интенсивность детонации обычно име- ет место при коэффициенте избытка воздуха близком к единице. Большое влияние на возникновение детонационного сгора- ния оказывает угол опережения зажигания и частота вращения коленчатого вала. Поэтому в современных электронных системах R C C R H H H H R C H H R C H O O O C R H H C R H H O H a б Рисунок 10.13 – Схема прямого присоединения молекулы активного кислорода к молекуле углеводорода 362 зажигания предусматривается корректировка угла опережения зажигания на режимах повышенных нагрузок по датчику детона- ции. Из конструктивных факторов, определяющих интенсивность детонации, являются степень сжатия, диаметр цилиндра, форма камеры сгорания, давление наддува, тип системы охлаждения и другие факторы. Радикальным средством устранения детонаци- онного сгорания в двигателях с искровым зажиганием является переход с внешнего смесеобразования на непосредственный впрыск и глубокое расслоение топливовоздушной смеси, при ко- тором резко снижается интенсивность образования на такте сжа- тия промежуточных продуктов окисления углеводородов топли- ва. Вследствие высокой температуры продуктов сгорания имеет место так же диссоциация продуктов сгорания. Диссоциация – распад молекул конечных продуктов сгорания углеводородных топлив (СО2, Н2О) при температуре продуктов сгорания превы- шающей 2000 .С. Диссоциация сопровождается поглощением количества теплоты, равного количеству теплоты, выделяю- щейся при прямой реакции. Например, при диссоциации двуокиси углерода поглощается 405260 Дж/моль теплоты: С + О2 . СО2 + 405260 Дж/моль; окиси углерода – 238300 Дж/моль: 2С + О2 . 2СО + 238300 Дж/моль; паров воды – 484360 Дж/моль: 2Н2 + О2 . 2Н2О + 484360 Дж/моль. Скорость диссоциации молекул продуктов сгорания углево- дородных топлив возрастает с увеличением температуры и уменьшением давления (рис. 10.14) .14.. С понижением темпера- туры продуктов сгорания реакции смещаются вправо и теплота, поглощенная при диссоциации возвращается продуктам сгорания за ВМТ на такте расширения. Эффективность ее преобразования в механическую работу при расширении продуктов сгорания за- метно снижается. Влияние диссоциации на показатели действи- тельного цикла относительно незначительны, так как в надпорш- 363 невой полости при сгорании-расширении температура продуктов сгорания при составе смеси близком к стехиометрическому не превышает 2500 К. Важнейшими характеристиками процесса сгорания гомогенных топли- вовоздушных сме- сей являются: мак- симальное давление сгорания pz, степень предварительного расширения ., сте- пень повышения давления ., среднее значение скорости нарастания давления на участке интенсивного сгорания (участок II на рис. 10.11, 10.12), индикаторный коэффициент выделения теплоты хi и коэффициент выделения теплоты х (закон сгорания), коэффициент эффективного выделения теплоты .c-z: Bц QнU L xi . . . . . ; (10.15) Bц Qн Q x . . ; (10.16) Bц QнUc z Lc z c z . . . . . . . , (10.17) где .U. – изменение внутренней энергии рабочего тела от мо- мента начала сгорания до текущего значения угла поворота ко- ленчатого вала, Дж; L. – работа газов от момента начала интен- сивного сгорания до текущего значения угла поворота коленчато- го вала, Дж; Q. – количество теплоты, выделившееся к рассмат- риваемому углу поворота коленчатого вала, Дж; .Uc-z, Lc-z – из- менение внутренней энергии рабочего тела от точки с до точки z и работа газов на этом участке по расчетной индикаторной диа- грамме при условии равенства давлений рабочего тела в конце 30 .СО2, % .Н2О, % 1500 2500 Т, К 10 20 30 20 10 1500 2500 Т, К 1 2 2 1 Рисунок 10.14 – Влияние температуры и давления на интенсивность диссоциации двуокиси углерода и паров воды: 1 – р = 0,1 МПа; 2 – р = 1,0 МПа 364 сжатия (точка с) и максимальных давлений рабочего тела (точ- ка z) на расчетной и действительной индикаторных диаграммах; ВцQн – химическая энергия топлива, поступившего в надпоршне- вую полость за цикл. Максимальное дав- ление сгорания в двига- телях с внешним смесе- образованием вследствие отличия состава и коли- чества смеси, изменения момента начала интен- сивного сгорания и ин- тенсивности сгорания смеси от цикла к циклу и в одном цилиндре как на режимах внешней скоро- стной характеристики (рис. 10.15, a, б, в), так и на режимах частичных нагрузок (рис. 10.15, г) может отличаться более чем на 10 % от среднего значения. Колебания зна- чений степени повыше- ния давления, среднего значения скорости нарас- тания давления несколько меньше, так как опреде- ляются, в основном, со- ставом топливовоздуш- ной смеси. Например, в двигателе ВАЗ-2103 на режимах внешней скоростной характеристики (рис. 10.10 – 10.12) . = 2,5–2,9; .р/.. = 0,09–0,12 МПа/.ПКВ. С понижением на- грузки (вплоть до режима холостого хода) при сохранении соста- ва смеси . и .р/.. изменяются незначительно. Степень предва- Рисунок 10.15 – Осциллограммы изменения давления в надпоршневой полости двигателя ВАЗ-2103 (S/D = 80/76; z = 4): 1 – давление газов в надпоршневой полости; 2 – отметка ВМТ; 3 – отметка времени; а – n = 5600 об/мин, ре = 0,84 МПа; б – n = 4000 об/мин, ре = 0,87 МПа; в – n = 2000 об/мин, ре = 0,80 МПа; г – n = 3000 об/мин, ре = 0,61 МПа 1 2 3 a б в г 365 рительного расширения . в зависимости от нагрузки и частоты вращения коленчатого вала изменяется в пределах 1,05–1,15. Оценка интенсивности сгорания топливовоздушной смеси по индикаторному коэффициенту выделения теплоты хi, коэффи- циенту выделения теплоты х в двигателях с искровым зажигани- ем по усредненным индикаторным диаграммам некорректна вследствие значительной поцикловой нестабильности процессов сгорания (рис. 10.15). Построение кривых хi и х для отдельных циклов в конкретном цилиндре многоцилиндрового двигателя также нереально вследствие невозможности экспериментально оценить состав и количество топливовоздушной смеси в над- поршневой полости для отдельного конкретного рабочего цикла в конкретном цилиндре. Более объективно интенсивность сгора- ния топливовоздушной смеси оценивать по степени предвари- тельного расширения . и коэффициенту эффективно- го выделения теплоты .с-z, значения которых опреде- ляются по индикаторной диаграмме условного рас- четного цикла (рис. 10.16) в предположении равенства средних значений макси- мального давления цикла рz, давления конца сжатия рс, давления продуктов сго- рания ре в момент открытия выпускных клапанов, дав- ления смеси рV в момент за- крытия впускных клапанов и индикаторной работы, определенных по несколь- ким десяткам индикатор- ных диаграмм действи- тельных циклов, и значений этих же параметров условного рас- четного цикла. Среднее значение индикаторной работы газов с приемлемой погрешностью (до 5 %) может быть определено по Рисунок 10.16 – Схема замены усредненной индикаторной диаграммы расчетной: расчетная индикаторная диаграмма; усредненная индикаторная диаграм- ма по нескольким десяткам действительных циклов р Vc Vh V V e b a c z н рс р0 Li 366 эффективной мощности Nе, мощности механических потерь и по- терь мощности на процессы газообмена, которые определяются экспериментально. Определив по экспериментальным данным средние значе- ния индикаторной работы газов Liэ, давление газов в узловых точках условной расчетной диаграммы (точки V, c, z, e), находим из уравнений политропы для участков индикаторной диаграммы а–с и z–b значения давления газов в точках а и b, а затем объем надпоршневой полости в конце интенсивного сгорания Vz ( точ- ка z – рис. 10.16): Li э . ..Lc.z . Lz.b . La.c .. . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . .. . . . . . . . . . . 1 ln 1 ln ln 2 ln c c c c a a e zz e z z b b z c z c V Vp p p V p V V Vp p p p V V p V p V V V , (10.18) где . = 0,97 – 0,99 – коэффициент полноты условной расчетной индикаторной диаграммы; Lc–z, Lz–b – работа расширения газов на участках индикаторной диаграммы c–z и z–b; Lа–с – работа сжа- тия смеси на участке индикаторной диаграммы а–с. Коэффициент полноты условной расчетной индикаторной диаграммы . учитывает отличие площади условной расчетной индикаторной диаграммы от площади действительной индика- торной диаграммы. По значениям Vz, pz, Mz, цикловой подаче находим из урав- нения теплового баланса для участка индикаторной диаграммы c–z значение температуры продуктов сгорания в точке z, затем изменение внутренней энергии рабочего тела на этом участке и коэффициент эффективного выделения теплоты .с–z. В двигате- лях с искровым зажиганием .с–z = 0,80–0,90; степень предвари- тельного расширения . = 1,05–1,15. Чем выше уровень доводки рабочих процессов двигателя, поцикловая стабильность процес- сов, тем выше коэффициент эффективного выделения теплоты и меньше степень предварительного расширения. 367 § 4. Методы расчета процессов сгорания и расширения Расчет процессов в надпоршневой полости при сгорании и расширении используется для приближенного моделирования ре- альных явлений в рабочей полости при решении конкретных ин- женерных задач. Одной из таких задач является построение ин- дикаторной диаграммы (изменение давления в надпоршневой по- лости на участках сгорания-расширения). Точное же воспроизве- дение процессов в надпоршневой полости двигателя с искровым зажиганием вследствие случайного характера изменения динами- ки сгорания топливовоздушной смеси в каждом из рабочих цик- лов не реально и не является столь необходимым при решении большинства практических задач. Метод построения индикаторной диаграммы, предложенный профессором МГТУ им. Баумана В.И. Гриневецким и впоследст- вии уточненный профессором Е.К. Мазингом, отличается на- глядностью, простотой определения параметров рабочего тела в узловых точках индикаторной диаграммы (в точках а, V, c, z, e, b – рис. 10.16). На участке интенсивного сгорания c–z температу- ра в точке z, соответствующая максимальному давлению цикла, определяется исходя из уравнения теплового баланса для этого участка без учета потерь теплоты от рабочего тела в стенки: .с–z Вц Qн = .Uс–z + Lс–z, (10.19) где . .. 0 т . с ц 1. . . . .1 . . . М В М – цикловая подача топлива; Мс. – количество молей рабочего тела в точке с, кмоль; . – коэффици- ент остаточных газов; . – коэффициент избытка воздуха; М0. – теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг топлива, кмоль/кг; Qн – низшая теплота сгорания топлива, кДж/кг; .т – молярная масса топлива кг/кмоль; .Uc.z . Mc с mz tz Mc с mc tc V V . . . . . . . – изменение внутренней энергии ра- бочего тела на участке с– z, кДж; . – коэффициент молеку- лярного изменения при сгорании смеси; z z m z t с a b V z 2 . . . – средняя молярная теплоемкость продуктов сгорания в точке z, 368 кДж/(кмоль.К); с с mс с t c a b V 2 . . . – средняя молярная теплоем- кость топливовоздушной смеси в точке с, кДж/(кмоль.К); tz, tc – температура рабочего тела в точках с и z; . . z c z c c z V V L p p . . . . 2 – работа расширения газов от точки с до точки z. Работу расширения газов на участке с–z преобразуем сле- дующим образом: . .. . .. . . . . . . . . c c z c z z z c c z p V L p V p V p V 21 .. . .. . . . . . . . .Mc. R0 Tz . .Mc. R0 Tc . Mc R0 Tz Mc R0 Tc 1 21 или . . .. . .. . .. . .. . . . . . . . . . .. . .. . . . . . . . 1 1 1 273 1 1 21 Lc z Mc R0 tz Тc , (10.20) где R0 = 8,314 кДж/(кмоль.К) – универсальная газовая постоян- ная; . – степень предварительного расширения. После преобразования уравнение (10.19) примет вид: . . . . . 1. 273 1 1 . 2 1 1 21 1 1 0 0 0 т н .. . .. . .. . .. . . . . . . . . . .. . .. . . . . . . .. . . . . . . . . . . . z c mz z mc c с z R t R T c t c t МQ V V (10.21) Значения .c–z и . принимаются по экспериментальным данным для двигателя-прототипа (.c–z = 0,8–0,9; . = 1,05–1,15). Если на расчетном режиме значение коэффициента избытка воздуха меньше 1 следует учесть неполноту сгорания углеводо- родов топлива Qн. . Qн . rco Mп.р.сг . 22,4.Qн(co) , (10.22) где rсо – объемная доля оксида углерода в продуктах сгорания; Mп.р.сг – количество молей продуктов сгорания, приходящихся на 369 1 кг топлива, кмоль/(кг топлива); Qн (со) = 12600 кДж/нм3 – низ- шая теплота сгорания оксида углерода. В уравнении (10.21) три неизвестных – .с–z, tz и .. Значения .с–-z и . изменяются в относительно узких пределах (.с–z = 0,80– 0,90; . = 1,05–1,15) и их значения принимаются по эксперимен- тальным данным для подобных двигателей и подобных режимов работы. Определив из уравнения (10.21) tz, находим максималь- ное давление цикла по уравнению состояния для точки z, pz Vz . .Mc. R0 Tz . (10.23) Температура продуктов сгорания в конце процесса расши- рения (в точке е – рис. 10.16) определяется из уравнения теплово- го баланса для участка индикаторной диаграммы от точки z до точки е, . . 1. .c.z .We Bц Qн . .Uz.e . Lz.e , (10.24) где Wе – относительные потери теплоты от газов в стенки вслед- ствие теплоотдачи и неполноты сгорания на такте расширения (Wе = 0,07 – 0,15); Uz е Mc с mz tz Mc c mе tе V V . . . . . . .. . . – измене- ние внутренней энергии продуктов сгорания на участке z–е, кДж; .1 . . p z z е е z-е n L p V p V – работа расширения продуктов сгорания на участке z–е, кДж; nр – среднее значение показателя политропы расширения на участке z–е. После преобразований уравнение (10.24) примет вид: . . . . . . . . 1 1 1 1 0 0 т н .. . . . . . . . . . . . . . . . . . p z e mz z me e c z e n c t c t R T T M Q W V V , (10.25) где np – среднее значение показателя политропы расширения. В данном уравнении неизвестны две величины – tе и np, взаимосвязь которых определяется уравнением политропы для участка индикаторной диаграммы z–е: .1 .1 p . np e e n TzVz T V (10.26) или . . 1 1 1 . p. . . .np. z e n Te Tz Vz Ve T , (10.27) 370 где .е .Ve Vz – степень последующего расширения. Среднее значение показателя политропы расширения np оп- ределяют методом последовательных приближений. Приняв в первом приближении значение np (в двигателях с искровым зажи- ганием np = 1,20–1,30) определяют по уравнению (10.27) значение tе. Затем проверяют соблюдается ли при этих значениях np и tе уравнение баланса теплоты (10.25). Подбор np продолжают до совпадения значений левой и правой части уравнения (10.25). Таким образом, для расчета процесса сгорания-расширения в двигателях с искровым зажиганием по методу Гриневецкого- Мазинга необходимо принять по экспериментальным данным для подобных двигателей и подобных режимов работы три парамет- ра: .с–z, ., We. Сопоставление расчетной индикаторной диаграм- мы с усредненной по нескольким десяткам действительных цик- лов в двигателях с искровым зажиганием условно и имеет смысл только для контроля уровня значений максимального давления цикла, степени предварительного расширения, индикаторной ра- боты газов за цикл, индикаторного КПД, поскольку от цикла к циклу и на конкретном режиме работы двигателя давление газов на участке сгорания-расширения изменяется в значительных пре- делах (рис. 10.15). Подобный подход к оценке математического моделирования процессов в надпоршневой полости двигателя с искровым зажи- ганием сохранится и при моделировании процесса сгорания топ- ливовоздушной смеси (закона сгорания), изменения давления и температуры продуктов сгорания в надпоршневой полости по уг- лу поворота коленчатого вала, соответствующих усредненной индикаторной диаграмме для конкретного режима работы двига- теля. Аналитическая зависимость доли сгоревшей топливовоз- душной смеси от угла поворота коленчатого вала (закон сгора- ния) может быть представлена функцией, отвечающей следую- щим требованиям: . значение функции в начале интенсивного сгорания (10– 15 .ПКВ до ВМТ) должно быть равным 0, а в конце сгорания равным 1 (0,999); . функция не должна иметь разрывов; . значение функции при угле поворота коленчатого вала, 371 соответствующем максимальному давлению цикла (точка z) должно быть не меньше .с–z = 0,80–0,90. Этим требованиям отвечает, например, тригонометрическая функция .. . .. . . .. . . .. . . ... . . . . z x 0,5 1 cos н (10.28) или функция, предложенная И.И. Вибе для моделирования про- цесса сгорания топлива в дизелях .16.: 1 6,908 н 1 . . .. . . .. . ..... . . . m x e z , (10.29) где . – текущее значение угла поворота коленчатого вала; .н – угол поворота коленчатого вала, соответствующий началу интен- сивного выделения теплоты (10–15 .ПКВ до ВМТ); ..z – про- должительность сгорания (для двигателей с искровым зажигани- ем ..z = 20–60 .ПКВ); m – показатель динамики сгорания (для двигателей с искровым зажиганием m = 2–3, для дизелей m = = 0,1–1,2). Обе эти зависимости для закона сгорания в двигателе с ис- кровым зажиганием являются эмпирическими. Тем не менее, ес- ли известно для усредненной индикаторной диаграммы конкрет- ного режима работы двигателя значение коэффициента эффек- тивного выделения теплоты .с–z, степень предварительного рас- ширения . (угол поворота кривошипа .z, соответствующий мак- симальному давлению цикла), то с помощью зависимостей (10.28) и (10.29) возможно оценить продолжительность сгора- ния топливовоздушной смеси. Например, для режима работы двигателя ВАЗ-2103 при n = 5600 об/мин и полностью открытой дроссельной заслонке (.с–z . 0,85; .н = 345 .ПКВ, .z = 370 .ПКВ – рис. 10.11) продолжительность сгорания топливовоздушной сме- си ..z составляет по зависимости (10.28), примерно 35 .ПКВ, по зависимости (10.29) при m = 2, ..z . 33 .ПКВ. Концу процесса сгорания топливовоздушной смеси в дейст- вительном цикле двигателя с искровым зажиганием примерно соответствует момент достижения фронтом пламени наиболее удаленной от электродов свечи зажигания поверхности стенки 372 надпоршневой полости. Зная расстояние от электродов свечи за- жигания до наиболее удаленной поверхности стенки надпоршне- вой полости Lпл и продолжительность сгорания топливовоздуш- ной смеси ..z возможно оценить и среднюю скорость распро- странения фронта пламени, м/с: n W Lz 6 пл пл .. . . (10.30) Для рассматриваемого выше примера (двигатель ВАЗ-2103, n = 5600 об/мин, угол поворота кривошипа, соответствующий максимальному давлению газов рz, равен 370 .ПКВ, Lпл . 70 мм, ..z = 33–35 .ПКВ) среднее значение скорости распространения фронта пламени Wпл . 67–70 м/с. Учитывая в значительной степени приближенный характер представления физико-химических процессов на участке сгора- ния-расширения при моделировании изменения давления газов в надпоршневой полости в зависимости от угла поворота коленча- того вала на этом участке (построение расчетной индикаторной диаграммы на участке сгорания-расширения), будем исходить из следующих предположений: . параметры рабочего тела в надпоршневой полости в каж- дой из зон (зона продуктов сгорания и зона топливовоздушной смеси, разделенные фронтом пламени) находятся в равновесном состоянии, но при различном значении температуры; . отношение объема зоны за фронтом пламени (объема продуктов сгорания) к надпоршневому объему в начале расчет- ного участка равно доле сгоревшей топливовоздушной смеси х к этому моменту; . потери теплоты от газов в стенки на расчетном шаге для каждой из зон принимаются пропорциональными их объемам в начале расчетного участка; . потери рабочего тела через зазор между поршнем и стен- ками цилиндра незначительны и в расчете не учитываются. Тогда зависимость (4.33) для определения изменения давле- ния газов в надпоршневой полости на расчетном участке при сгорании-расширении, если исходить из двухзонной модели, примет вид: 373 .. . .. . . . . . . . . . . . . i i xi i i i xi i i i i V p Q Q к V к Vp к p п т т т м т 1 , (10.31) где ктi – показатель адиабаты для продуктов сгорания в начале расчетного участка; рi – давление газов в надпоршневой полости; Vi.. x(i)Vi – объем продуктов сгорания; х(i) – доля топливовоз- душной смеси, сгоревшей к началу расчетного участка; Vi – объ- ем надпоршневой полоти в начале расчетного участка; . . .Vмxi . . .1 Vi .х(i) – изменение объема продуктов сгорания, обусловленное реакциями окисления топлива; . – коэффициент молекулярного изменения; .хi – доля топливовоздушной смеси, сгоревшей на расчетном участке; .Qxi . Bц Qн. .х(i) – количество теплоты, выделяющееся на расчетном участке в реакциях окис- ления топлива; . . ... . . . j j Q i x i i F j Ti T j 1 т ( ) т т cт – потери теплоты от продуктов сгорания в стенки надпоршневой полости; .Vпi – из- менение объема надпоршневой полости на расчетном участке, обусловленное перемещением поршня. При этом объем зоны топливовоздушной смеси Vi .Vi. в те- чение расчетного промежутка времени предполагается неизмен- ным, а в конце расчетного промежутка времени уменьшается на величину Vi .x(i) . Давление и температура продуктов сгорания в конце рас- четного участка (в начале следующего расчетного участка): рi+1 = рi + . рi; . . . . . . . . 0 ( 1) н 1 1 1 R x M T p V i i i i , где Мн. – количество молей рабочего тела в начале интенсивного сгорания топливовоздушной смеси. Исходными данными для данного расчета являются конст- руктивные параметры двигателя, определяющие изменение над- поршневого объема Vi по углу поворота коленчатого вала, ряд режимных параметров, определяющих количество теплоты, вы- деляющейся в реакциях окисления углеводородов топлива 374 (ВцQн. ), коэффициент молекулярного изменения ., количество рабочего тела и его параметры в начале интенсивного сгорания топливовоздушной смеси (в точке н – рис. 10.16). Начало интен- сивного сгорания топливовоздушной смеси .н, закон сгорания х, зависимость коэффициента теплоотдачи .т от конструктивных параметров и параметров рабочего тела в расчетной зоне, средние значения температуры Тстj для отдельных участков поверхности стенок надпоршневой полости принимаются по эксперименталь- ным данным для подобных двигателей и режимов работы близ- ких по параметрам и показателям расчетному режиму. Таким образом, данный метод построения индикаторной диаграммы двигателя с искровым зажиганием на участке сгора- ния-расширения, как и метод Гриневецкого-Мазинга, только при наличии экспериментальных данных для подобных двигателей и подобны
Форма входа
Поиск
Друзья сайта
  • Официальный блог
  • Сообщество uCoz
  • FAQ по системе
  • Инструкции для uCoz
  • Статистика

    Онлайн всего: 1
    Гостей: 1
    Пользователей: 0