Дьяченко В.Г. Теория двигателей внутреннего сгорания

Подождите немного. Документ загружается.

368

кДж/(кмольК);

сmс

 – средняя молярная теплоем-

кость топливовоздушной смеси в точке с, кДж/(кмольК); t

, t

–

температура рабочего тела в точках с и z;

 

L 







–

работа расширения газов от точки с до точки z.

Работу расширения газов на участке с–z преобразуем сле-

дующим образом:





















 cc

zcczzzc

pVpVpL

































cczccczc

TRMTRMTRMTRM

0000

или

 



















































12731

0c czzc

ТtRML , (10.20)

где R

= 8,314 кДж/(кмольК) – универсальная газовая постоян-

ная;  – степень предварительного расширения.

После преобразования уравнение (10.19) примет вид:

   

 

12731

т0

























































cmczmz

zс

tctc

(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

(co)нпр.сгcoнн

4,22 QMrQQ











, (10.22)

где r

со

– объемная доля оксида углерода в продуктах сгорания;

пр.сг



– количество молей продуктов сгорания, приходящихся на

369

1 кг топлива, кмоль/(кг топлива); Q

н (со)

= 12600 кДж/нм

– низ-

шая теплота сгорания оксида углерода.

В уравнении (10.21) три неизвестных – 

с–z

, t

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) t

, находим максималь-

ное давление цикла по уравнению состояния для точки z,

zczz

TRMVp







. (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,





ezezezc

LUQBW















нц

1 , (10.24)

где W

– относительные потери теплоты от газов в стенки вслед-

ствие теплоотдачи и неполноты сгорания на такте расширения

= 0,07 – 0,15);

еmеczmzcеz

tcMtсMU





















– измене-

ние внутренней энергии продуктов сгорания на участке z–е, кДж;

1





ееzz

z-е

VpVp

L – работа расширения продуктов сгорания на

участке z–е, кДж; n

– среднее значение показателя политропы

расширения на участке z–е.

После преобразований уравнение (10.24) примет вид:





   





111

т0





















emezmz

ezc

TTR

tctc

, (10.25)

где n

– среднее значение показателя политропы расширения.

В данном уравнении неизвестны две величины – t

и n

взаимосвязь которых определяется уравнением политропы для

участка индикаторной диаграммы z–е:





VTVT (10.26)

или









ezze

TVVTT , (10.27)

370

где

zeе





– степень последующего расширения.

Среднее значение показателя политропы расширения n

оп-

ределяют методом последовательных приближений. Приняв в

первом приближении значение n

(в двигателях с искровым зажи-

ганием n

= 1,20–1,30) определяют по уравнению (10.27) значение

. Затем проверяют соблюдается ли при этих значениях n

и t

уравнение баланса теплоты (10.25). Подбор n

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

, , W

. 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

































cos15,0

(10.28)

или функция, предложенная И.И. Вибе для моделирования про-

цесса сгорания топлива в дизелях 16:

908,6























, (10.29)

где  – текущее значение угла поворота коленчатого вала; 

–

угол поворота коленчатого вала, соответствующий началу интен-

сивного выделения теплоты (10–15 ПКВ до ВМТ); 

– про-

должительность сгорания (для двигателей с искровым зажигани-

ем 

= 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 

, 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; 

= 345 ПКВ, 

= 370 ПКВ –

рис. 10.11) продолжительность сгорания топливовоздушной сме-

си 

составляет по зависимости (10.28), примерно 35 ПКВ, по

зависимости (10.29) при m = 2, 

 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 L

пл

и продолжительность сгорания топливовоздуш-

ной смеси 

возможно оценить и среднюю скорость распро-

странения фронта пламени, м/с:

пл



 . (10.30)

Для рассматриваемого выше примера (двигатель ВАЗ-2103,

n = 5600 об/мин, угол поворота кривошипа, соответствующий

максимальному давлению газов р

, равен 370 ПКВ, L

пл

 70 мм,



= 33–35 ПКВ) среднее значение скорости распространения

фронта пламени W

пл

 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























ixi

pк

, (10.31)

где к

тi

– показатель адиабаты для продуктов сгорания в начале

расчетного участка; р

– давление газов в надпоршневой полости;

iii

VxV

)(





– объем продуктов сгорания; х

(i)

– доля топливовоз-

душной смеси, сгоревшей к началу расчетного участка; V

– объ-

ем надпоршневой полоти в начале расчетного участка;





)(м

iixi

хVV











– изменение объема продуктов сгорания,

обусловленное реакциями окисления топлива;  – коэффициент

молекулярного изменения; х

– доля топливовоздушной смеси,

сгоревшей на расчетном участке;

)(нц ixi

хQBQ









– количество

теплоты, выделяющееся на расчетном участке в реакциях окис-

ления топлива;

 







jijiii

TTFxQ

cттт)(т

– потери теплоты от

продуктов сгорания в стенки надпоршневой полости; V

пi

– из-

менение объема надпоршневой полости на расчетном участке,

обусловленное перемещением поршня.

При этом объем зоны топливовоздушной смеси





в те-

чение расчетного промежутка времени предполагается неизмен-

ным, а в конце расчетного промежутка времени уменьшается на

величину

)(ii



Давление и температура продуктов сгорания в конце рас-

четного участка (в начале следующего расчетного участка):

i+1

= р

+  р

;













н)1(0

MxR

где



– 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 V

по углу поворота коленчатого вала, ряд

режимных параметров, определяющих количество теплоты, вы-

деляющейся в реакциях окисления углеводородов топлива

374

(

нц

QВ



), 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 

, закон сгорания х,

зависимость коэффициента теплоотдачи 

от конструктивных

параметров и параметров рабочего тела в расчетной зоне, средние

значения температуры Т

стj

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

подобных режимов работы, близких по параметрам и показате-

лям расчетному, позволяет лишь с относительно невысокой сте-

пенью приближения определить изменение давления и темпера-

туру рабочего тела в надпоршневой полости при сгорании-

расширении. Погрешность определения параметров и показате-

лей рабочего цикла может достигать при этом 5–10 %, но на ста-

дии проектирования двигателя погрешность этого уровня вполне

приемлема.

Контрольные вопросы и задания

1. Какие типы систем питания используются в двигателях с

искровым зажиганием?

2. Как происходит образование топливовоздушной смеси

при внешнем смесеобразовании?

3. Какие преимущества и недостатки карбюраторных систем

питания в сравнении с системами впрыска?

4. Какие преимущества и недостатки системы распредели-

тельного впрыска по сравнению с системой моновпрыска?

5. Объясните процессы образования топливовоздушной сме-

си в двигателях с искровым зажиганием при внутреннем смесе-

образовании.

375

6. Обоснуйте перспективы применения непосредственного

впрыска в двигателях с искровым зажиганием и расслоением топ-

ливовоздушной смеси.

7. Объясните принцип работы батарейной системы зажига-

ния.

8. Какие процессы происходят в зоне электрического разря-

да между электродами свечи зажигания.

9. Перечислите требования, предъявляемые к системе зажи-

гания двигателя при внешнем смесеобразовании?

10. Какие процессы происходят во фронте пламени?

11. Объясните следующие понятия:

 абсолютная скорость реакций;

 энергия активации;

 константы химических реакций.

12. Как влияет начальная температура топливовоздушной

смеси и энергии активации на абсолютную скорость химических

реакций?

13. Объясните основные положения теории цепных реакций

применительно к реакциям во фронте пламени.

14. Объясните механизм образования токсичных и канцеро-

генных соединений при сгорании топливовоздушных смесей.

15. От каких факторов зависит скорость распространения

фронта пламени при сгорании гомогенных топливовоздушных

смесей?

16. От каких факторов зависит продолжительность интенсив-

ного (видимого) сгорания в двигателях с искровым зажиганием?

17. Какие факторы определяют интенсивность диссоциации

при сгорании топливовоздушных смесей?

18. Как влияет диссоциация на эффективность преобразова-

ния теплоты в механическую работу?

19. Объясните особенности детонационного сгорания топли-

вовоздушных смесей.

20. Какие факторы определяют детонационное сгорание топ-

ливовоздушных смесей?

21. Какие факторы определяют цикловую нестабильность

процесса сгорания топливовоздушных смесей?

376

22. Представьте основные характеристики процесса сгорания

топливовоздушных смесей и методы их определения.

23. Объясните сущность метода расчета процессов сгорания-

расширения Гринивецкого-Мазинга в двигателе с искровым за-

жиганием.

24. Объясните особенности математического моделирования

процесса сгорания в двигателе с искровым зажиганием и его воз-

можности.

Список литературы к главе 10

1. Орлов В.А., Лосев В.Е. Автомобильные карбюраторы. –

Л.: Машиностроение, 1977. – 246 с.

2. Greiner M., Romman P., Steinbrenner U. Bosch fuel injectors

– new developments // SAE Technical Paper Series. – 1987. – №

87/0124. – Р. 1–11.

3. Scott D. Pneumatic fuel injection spurs two-stroke revival //

Automotive Engineering. – 1986. – Vol. 94. – № 8. – P. 74–79.

4. Сандомирский М.Г. Перспективы применения аккумуля-

торных форсунок в автотракторных двигателях // Вісник

ХДТУСТ «Механізація сільськогосподарського виробництва». –

2000. – Вип. 1. – С. 16–23.

5. Молчанов П.Н., Владимирский А.И., Бобровский В.А.

Система впрыскивания бензина // Двигателестроение. – 1990. – №

3. – С. 21–23.

6. Астахов В.А. Разработка рабочих процессов бензинового

двигателя с расслоением заряда в дополнительной камере сгора-

ния: Автореф. канд. дисс. – Харьков: ХПИ, 1987. – 24 с.

7. Кадаков М. Будем непосредственнее! Новый двигатель

Mitsubishi. // Авторевю. – 1996. – № 2. – С. 22–23.

8. Воинов А.Н. Сгорание в быстроходных поршневых дви-

гателях. – М.: Машиностроение, 1977. – 275 с.

9. Глезер Г.Н., Опарин И.М. Автомобильные электронные

системы зажигания. – М.: Машиностроение, 1977. – 144 с.

10. Дмитриевский А.В., Тюфяков А.С. Бензиновые двигате-

ли. – М.: Машиностроение, 1986. – 209 с.

11. Бела Буна. Электроника на автомобиле. – М.: Транспорт,

1979. – 190 с.

377

12. Воеводский В.В., Налбалдян А.Б. Окисление водорода //

Сб. трудов ин-та химической физики АН СССР «Кинетика цеп-

ных реакций окисления». – М.–Л.: АН СССР, 1950. – С. 11–37.

13. Чирков Н.М. Энтелис С.Г. Кинетика окисления этана //

Сб. трудов ин-та химической физики АН СССР «Кинетика цеп-

ных реакций окисления». – М.–Л.: АН СССР, 1950. – С. 118–156.

14. Иноземцев Н.В. Основы термодинамики и кинетики хи-

мических реакций. – М.: Машгиз, 1950. – 210 с.

15. Звонов В.А. Токсичность двигателей внутреннего сгора-

ния. – М.: Машиностроение, 1981. – 159 с.

16. Вибе И.И. Новое о рабочем цикле двигателей. – М.: Маш-

гиз, 1962. – 271 с.