Методы расчета основных параметров процесса сгорания

Процесс сгорания сопровождается чрезвычайно сложными физико-химическими явлениями, которые развиваются в зависимости от большого числа трудно учитываемых факторов. Это обстоятельство очень усложняет математическое описание процесса, поэтому в настоящее время нет практически приемлемого метода точного расчета не только текущих, но и конечных его параметров. Необходимые при расчете рабочего цикла параметры конца сгорания обычно получают в результате простого термодинамического расчета, выполняемого по идеализированной схеме и дающего только общее приближение к действительным условиям. Основной недостаток этого метода состоит в том, что он не учитывает действительного закона тепловыделения, подменяя его подводом теплоты при простых термодинамических процессах (изохорном и изобарном) с введением эмпирических поправочных коэффициентов.

Расчет процесса сгорания состоит из двух разделов - термохимического и термодинамического.

Количество воздуха, необходимое для сгорания топлива, можно установить из стехиометрических уравнений химических реакций.

В итоге, сгорание углеводородного топлива описывается следующими уравнениями:

С + О2 = СО2 (2.2.1)

2С + О2 = 2СО (2.2.2)

2Н2 + О2 = 2Н2О (2.2.3)

Принимая во внимание атомные и молекулярные веса элементов и выражая газообразные компоненты в молях, можно получить соответственно

12 кг С + 1 моль О2 = 1 моль СО2 (2.2.4)

24 кг С+ 1 моль О2 = 2 моль СО (2.2.5)

4 кг Н2+ 1 моль О2 = 2 моля Н2О (2.2.6)

Из уравнений (2.2.4…2.2.6) определяется количество молей воздуха Мо, теоретически необходимое для полного сгорания 1 кг топлива:

, моль/кг топлива (2.2.7)

где 0,21 — объемное содержание кислорода в воздухе;

С, Н, О — весовая доля углерода, водорода и кислорода в элементарном составе топлива.

Элементарный состав топлива можно принять для бензина – С = 0,855 и Н = 0,145.

Действительное количество воздуха М, участвующее в сгорании, обычно не равно теоретическому Мо и составляет

M = αMo, (моль/кг топлива) (2,2,8)

где α – коэффициент избытка воздуха при сгорании.

Для карбюраторных двигателей α = 0,8-1,15 в зависимости от режима работы. При расчете рабочего процесса обычно принимается α = 0,85…0,9.

Число молей свежего заряда, поступившего в цилиндр за время впуска в двигателях с внешним смесеобразованием

, (моль/кг топлива) (2,2,9)

где μТ – молекулярный вес паров топлива (μТ = 114 кг/моль);

в двигателях с внутренним смесеобразованием

М3 = М = α М0 (моль/кг топлива) (2.2.10)

Число молей продуктов сгорания, образующихся при сгорании 1 кг топлива, также определяется из уравнений (2.2.4…2.2.6).

Если сгорание происходит при α > 1, то число молей продуктов сгорания равно

МГ = МСОг + МНг0 + МN2 + МОг (моль/кг топлива) (2.2.11)

Из уравнений (2.2.4) и (2.2.6) следует, что

Число молей азота при сгорании не изменяется, поэтому

MN2=0,79M = 0,79α M0 .

Число молей избыточного кислорода равно

МОг=0,21 (M - Мo) = O,21 Мо (a- 1).

Подставляя найденные количества компонентов продуктов сгорания в уравнение (2.2.11), получим