Количество продуктов сгорания

Количественное содержание отдельных компонентов продуктов сгорания зависит от состава горючей смеси, так как при α ≥ 1 происходит полное сгорание топлива, а при α < 1— неполное сгорание компонентов топлива, поступивших в цилиндр двигателя со свежим зарядом.

При сгорании смесей с α ≥ 1 углерод и водород топлива полностью окисляются. Количественное содержание продуктов сгорания (М₂) (в киломолях на 1кг топлива) будет иметь следующий состав:

. (4)

Количество отдельных компонентов продуктов сгорания (кмоль) CO₂; H₂O; O₂ и N₂ на 1кг топлива соответственно определяется по формулам:

; (5)

; (6)

; (7)

. (8)

Величины C; H и O принимаются по заданию для 1кг топлива, т.е. С; Н и О (% ·10^-2 ).

Средний элементарный состав бензина дизельных топлив в массовых долях регламентируются ГОСТ 2084 и ГОСТ 305 и приведён в таблице 1.

Таблица 1

Топливо	Содержание, %
С	Н	О
Бензин	85–86	14–15	-
Дизельное топливо	85–87	12–14	0,5–1

Сумма принятых значений С, Н и О должна быть равна единице, т.е. (С + Н + О) ∙ 10^–2 =1.

При сгорании смесей с α < 1 будет иметь место неполное окисление углерода и водорода топлива вследствие меньшего количества кислорода, поступившего со свежим зарядом. В этом случае состав продуктов сгорания будет следующим:

. (9)

Количество отдельных компонентов продуктов сгорания (кмоль) , , , , на 1кг топлива при α < 1 соответственно рассчитывается по формулам:

; (10)

; (11)

; (12)

; (13)

. (14)

Отношение количества свободного водорода Н₂ и оксида углерода СО в выпускных газах характеризуется коэффициентом К.

Величина К зависит от отношения количества Н₂ и СО, содержащихся в продуктах сгорания. Для бензина

К = = 0,45–0,5.

Правильность расчёта количества отдельных компонентов продуктов сгорания может быть проверена по следующим формулам:

при α ≥ 1 ; (15)

при α < 1 . (16)

Разность не должна превышать 3 %.

Параметры действительного цикла двигателя

Параметры процесса выпуска

При тепловом расчёте двигателя задаются давлением и температурой окружающей среды. Если двигатель работает без наддува, можно принимать Р_о = 0,1 МПа; t_о = 20 °C или = 273 + t₀ = 293 К.

В процессе работы двигателя в его камере сгорания всегда остаётся некоторое количество продуктов сгорания от предыдущего цикла. Температура и давление этих остаточных газов зависят от многих факторов, таких как сопротивление системы выпуска, быстроходности двигателя, степени сжатия, фаз газораспределения и т.п. Аналитическое определение и весьма сложно. Поэтому при предварительных расчётах двигателя давление, МПа:

= (1,05–1,25) P_о, (17)

причём большие значения Pr применяют для высокооборотных двигателей с большими степенями сжатия.

Температура остаточных газов зависит также от типа смесеобразования, коэффициента избытка воздуха, коэффициента наполнения двигателя и др.

Расчётное значение величины рекомендуется принимать в пределах:

для карбюраторных двигателей = 900–1100 К;

для дизелей = 700–900 К.

При увеличении степени сжатия снижается, а при увеличении частоты – увеличивается.

Параметры процесса впуска

В процессе наполнения в результате контакта свежего заряда с нагретыми стенками каналов системы впуска и цилиндра двигателя, температура горючей смеси несколько повышается. На подогрев заряда ΔТ влияют тип смесеобразования, теплонапряжённость, а также конструкция и расположение впускного трубопровода. Обычно величиной ΔТ задаются.

Величина ΔТ для двигателей различных типов находится в пределах:

для карбюраторных двигателей ΔТ = 0–20 °С;

для дизелей ΔТ = 10–40 °С.

При увеличении частоты вращения и степени сжатия величина ΔТ будет увеличиваться. Меньшие значения ΔТ для карбюраторных двигателей объясняются затратами теплоты на испарение топлива в процессе поступления его в цилиндр двигателя.

В зависимости от параметров окружающей среды и подогрева меняется плотность заряда на выпуске, кг/м³,

, (18)

где В = 287 Дж/(кг·° С) – удельная газовая постоянная для воздуха.

Плотность заряда и сопротивление впускной системы влияет на потери давления на впуске, МПа,

, (19)

где β – коэффициент затухания скорости движения заряда в цилиндре;

ξ – коэффициент сопротивления системы впуска;

ω_вп – средняя скорость заряда на впуске, м/с.

Значениями (β² + ξ) и ω_вп при расчёте задаются.

Для автотранспортных двигателей рекомендуются следующие интервалы значений: (β² + ξ) = 2,5–4; ω_вп = 50–130 м/с.

Меньшие значения указанных параметров принимаются для малооборотных двигателей, большие – для быстроходных.

Расчётные значения величины Δ Р находятся в пределах:

для карбюраторных двигателей Δ Р = (0,06–0,2) Р_о МПа;

для дизелей Δ Р = (0,04–0,18) Р_о МПа.

Таким образом, давление Р_а в конце пуска, МПа,

Р_а = Р_о – Δ Р.

Коэффициент остаточных газов γ_r характеризует степень очистки цилиндра от продуктов сгорания. Величина γ_r зависит от степени сжатия, давления и температуры рабочего тела на впуске и выпуске и может быть определена по выражению:

. (20)

Вероятные значения γ_r находятся в пределах:

для карбюраторных двигателей γ_r = 0,05–0,1;

для дизелей γ_r = 0,02–0,06.

Температура в конце впуска Т_а в значительной мере определяется температурой остаточных газов, К,

. (21)

Расчётные значения величины Т_а должны находиться в пределах:

для карбюраторных двигателей Т_а = 320–360 К;

для дизелей Т_а = 310–350 К.

Величина, характеризующая качество процесса впуска, это коэффициент наполнения двигателя η_v, определяющий степень заполнения объёма цилиндра двигателя свежим зарядом в процессе впуска. Коэффициент наполнения:

. (22)

Расчётные значения величины η_v для современных двигателей находятся в пределах:

для карбюраторных двигателей η_v = 0,7–0,85;

для дизелей η_v = 0,8–0,9.

Параметры процесса сжатия

Процесс сжатия характеризуется показателем политропы сжатия, температурой, давлением и теплоёмкостью рабочего тела в процессе сжатия.

Величина показателя политропы сжатия n₁ определяется на основании опытных данных в зависимости от степени сжатия двигателя и температуры в конце впуска Т_а:

для карбюраторных двигателей n₁=от(К₁–0,01) до (К₁–0,04);

для дизелей n₁=от(К₁–0,02) до (К₁+0,02).

где К₁ – показатель адиабаты сжатия.

Значение среднего показателя адиабаты сжатия определяется по номограмме, в соответствии с рисунком 1.

Давление в конце процесса сжатия Р_с определяется по формуле, МПа,

Р_с = Р_а· . (23)

Температура рабочего тела в конце процесса сжатия Т_с рассчитывается по формуле, К,

Т_с = Т_а· . (24)

Расчётные значения величин Р_с и Т_с для современных двигателей внутреннего сгорания находятся в пределах:

для карбюраторных двигателей Р_с=(0,9–2,0) МПа;

Т_с=600–800 К

для дизелей Р_с=(3,5–5,5) МПа;

Т_с=700–900 К.