Расчет параметров рабочего процесса

1.1.1. Теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг топлива, определяется по формуле:

(2)

(3)

Здесь С, Н, S, О _т – относительное весовое содержание в топливе водорода, серы и кислорода; m_воз =28,95 – молекулярная масса воздуха.

1.1.2. Действительное количество свежего заряда воздуха:

(4)

1.1.3. Количество молей продуктов сгорания в точке «z»[1] и «чистых» продуктов сгорания (при a = 1):

(5)

1.1.4. Объемные доли «чистых» продуктов сгорания и избыточного воздуха:

(6)

Очевидно, должно соблюдаться равенство: r_o + r_в = 1,0.

Процесс наполнения.

1.1.5. Давление в цилиндре двигателя в конце наполнения р_а принимают по опытным данным. При этом справедливы зависимости: р_а = (0,9…0,95) × р_к(4-тактные двигатели); р_а = (0,85…1,05) × р_к (2-тактные двигатели с прямоточными продувками).

1.1.6. Температура воздуха во впускном коллекторе:

(7)

где DТ_охл = 20…95^о – снижение температуры наддувочного воздуха в охладителе. Принимается в зависимости от давления наддувочного воздуха р_к и типа охладителя (воздуховоздушный или водовоздушный).

1.1.7. Коэффициент остаточных газов:

(8)

Полученное значение g_r необходимо сравнить с опытными данными двигателя-прототипа и окончательный выбор g_r согласовать с консультантом проекта.

1.1.8. Температура свежего заряда воздуха в процессе наполнения:

(9)

1.1.9. Коэффициент наполнения:

(10)

Процесс сжатия.

1.1.10. Как известно, процесс сжатия в реальном двигатели происходит по политропическому закону с переменным показателем политропы. В практике расчетов по упрощенной методике переменный показатель политропы заменяют некоторым средним показателем n₁ = 1,32…1,39. Значения n₁ показывают, что за весь период сжатия происходит отдача в стенки небольшого количества тепла, т.е. процесс сжатия в реальном двигателе очень близок к адиабатическому.

Более точно средний показатель политропы сжатия n₁ можно определить по методу Е.К. Мазинга – из условия равенства теплового баланса в процессе сжатия [1]. Расчет параметров конца процесса сжатия производится в предположении, что сжатие начинается в НМТ и заканчивается в ВМТ. Тогда:

(11)

(12)

Процесс сгорания.

1.1.11. Коэффициент молекулярного изменения m характеризует увеличение числа молей рабочего тела в процессе сгорания. Химический, или «чистый» коэффициент m_о определяется из условия отсутствия в цилиндре двигателя остаточных газов (т.е. при g_о = 0):

(13)

Увеличение числа молей рабочего тела в процессе сгорания:

(14)

Коэффициент молекулярного изменения (при g ¹ 0) в точке «z» определяется выражением [2]:

(15)

1.1.12. Давление в конце сгорания:

(16)

где l – степень повышения давления.

Обычно значением l задаются в пределах l = 1,3…2,2. При этом необходимо проверить, чтобы при заданном l давление сгорания P_z не превышало опытных значений двигателя-прототипа. Более точно с учетом периода задержки самовоспламенения топлива можно определить l по существующим зависимостям [3, 4].

1.1.13. Температура в конце сгорания. Температура в точке «z» определяется по уравнению процесса сгорания:

(17)

где x_z – коэффициент эффективного выделения тепла до точки «z». Выбирается по опытным данным. Обычно x_z = 0,7…0,85;

Q_н – низшая теплота сгорания, для топлив нефтяного происхождения Q_н = 41900…42500 кДж/кг;

– средняя мольная теплоемкость при постоянном объеме для смеси воздуха и продуктов сгорания;

– средняя мольная теплоемкость при постоянном давлении для продуктов сгорания.

При определении мольной теплоемкости обычно пренебрегают влиянием остаточных газов, считая свежий заряд состоящим только из воздуха. Теплоемкость воздуха для температуры Т в соответствующей точке процесса определяется по формуле

(18)

Средняя мольная теплоемкость продуктов сгорания зависит от T_z, которая нам пока не известна, что затрудняет решение уравнения сгорания. Рекомендуется следующий метод решения. Считая рабочие газы состоящими из «чистых» продуктов сгорания (при a = 1) и избыточного воздуха, можно записать:

(19)

где (20)

Мольная теплоемкость «чистых» продуктов сгорания незначительно изменяется в зависимости от сорта топлива, сжигаемого в двигателе. Поэтому для любого состава топлива можно принять:

(21)

Подставляя и из выражений (21) и (20) в выражение (19), а последнее – в уравнение сгорания (17), получим квадратное уравнение относительно T_z.

Решая это уравнение определяем температуру сгорания T_z.

1.1.14. После определения температуры T_z находим степень предварительного расширения r по формуле:

(22)

Степень предварительного расширения должна быть в пределах r = 1,2…1,7.

Полученные значения P_z и T_z можно также проконтролировать с помощью следующих данных: для двигателей средней быстроходности P_z = 6,0…12,0 МПа, T_z =1700…1900 К; для быстроходных двигателей P_z = 6,0…13,0 МПа, T_z =1800…2000 К.

Соответствие значений P_z и T_z можно также проконтролировать по опытным данным двигателя-прототипа. Необходимо помнить, что стремление к форсировке двигателя по степени наддува неизбежно приводит к увеличению Р_z. Однако, Р_z > 13 МПа нежелательны, так как вызывают перенапряжение деталей кривошипно-шатунного механизма и утяжеление двигателя.

Нежелательно и увеличение температуры сгорания T_z свыше 2000 К, так как это способствует более интенсивной диссоциации газов, сопровождающейся отъемом тепла от рабочего тела и снижением x_z. Снижение температуры T_z можно достигнуть за счет снижения Т_а и увеличения коэффициента избытка воздуха a.

Процесс расширения.

1.1.15. Степень последующего расширения:

(23)

1.1.16. Параметры конца процесса расширения (давление и температура в конце расширения) вычисляются по формулам:

(24)

(25)

Дата добавления: 2014-12-07