Хімічні реакції при згорянні палива

Для повного згоряння палива необхідна визначена кількість повітря, що називається теоретично необхідною і визначається по елементарному складу палива.

Для рідких палив

- теоретично необхідна кількість повітря в кілограмах для згоряння 1 кг палива.

[ l₀ ] = кг/кг.

- теоретично необхідна кількість повітря в кіломолях для згоряння 1кг палива.

[ L₀ ] = кмоль/кг.

Ці дві величини зв'язані між собою співвідношенням

,

де m_в = 28.96 кг/кмоль - удавана молярна маса повітря.

Для газоподібних палив

,

де [L^’₀ ] = кг/кг = кмоль/кмоль.

Відношення дійсної кількості повітря до теоретично необхідної для спалювання 1 кг палива називається коефіцієнтом надлишку повітря.

a = l/l₀ = L/L₀.

Для карбюраторних двигунів a лежить у межах 0.8...0.96, для дизелів коливається від 1.3 до 2.2.

Навіть при a = 1 неможливо домогтися повного згоряння палива, тому звичайно a > 1. Зниження коефіцієнта надлишку повітря a веде до підвищення потужності двигуна, однак при цьому підвищується його теплова напруженість і знижується економічність.

Маса пальної суміші в карбюраторних двигунах визначається з вираження

M₁ = aL₀ + 1/m_т,

де m_т - молекулярна маса парів палива, кг/кмоль.

Для бензинів m_т = 110...120 кг/кмоль, для дизельних палив m_т = 180...200 кг/кмоль.

Для дизельних двигунів масу пальної суміші приймають без врахування маси палива, тому що паливо в камеру згоряння надходить тільки після процесу стиску. Для них

M₁ = aL₀.

 

При повному згорянні палива (a ³ 1) кількість основних компонентів продуктів згоряння в молях визначається зі співвідношень

Тоді загальна кількість продуктів згоряння складе

При неповному згорянні палива (a < 1) кількість продуктів згоряння визначається наступними залежностями

У приведених вираженнях K - постійна, що обумовлена відношенням кількості водню до окису вуглецю в продуктах неповного згоряння. Для бензину K = 0.45...0.50.

Тоді загальна кількість продуктів згоряння складе

При a = 1 обидва вираження для M₂ дають однаковий результат.

Зміна кількості молей при згорянні визначається вираженням

Відносна зміна об'єму характеризується коефіцієнтом молекулярної зміни суміші

Ця величина завжди більше одиниці і її залежність від коефіцієнта надлишку повітря a має вид, представлений на малюнку 3.1.

Дійсний коефіцієнт молекулярної зміни робочої суміші враховує наявність залишкових газів і обчислюється з вираження

Для карбюраторних двигунів m=1.02...1.1; для дизелів m=1.02...1.06.

Малюнок 3.1 – Коефіцієнт молекулярної зміни суміші для карбюраторних і дизельних двигунів

Теплота згоряння палива

Нижча теплота згоряння палива визначається за відомою формулою Мєндєлєєва

H_U = 33.91C + 125.6H - 10.89(O - S) - 2.51(9H + W).

Значення H_U для типових палив ДВЗ: бензин - 44.0 МДж/кг;

дизельне паливо - 42.5 МДж/кг;

природний газ – 35 МДж/м³;

пропан - 85.5 МДж/м³;

бутан - 112.0 МДж/м³.

Теплота згоряння пальної суміші - відношення теплоти згоряння до загальної кількості пальної суміші.

[H_гор.см.] = МДж/кмоль.

Якщо a < 1, то втрата теплоти через неповноту згоряння складе

DH_U = 119.95(1 - a)L₀.

Залишкові гази завжди зменшують теплоту згоряння пальної суміші, тому дійсне значення теплоти згоряння робочої суміші визначається вираженням

ТЕМА 4 ПРОЦЕСИ ГАЗООБМІНУ. ВПУСК. ПРОЦЕС СТИСКУ

Процес впуску

Процесом впуску звичайно називають процес наповнення циліндра двигуна свіжим зарядом. Цей процес трохи відрізняється для двигунів без наддуву і з наддувом.

На малюнку 4.1,а в pV-координатах представлений процес зміни тиску при впуску в чотиритактному двигуні без наддуву. Ламана крива r`da`aa`` показує дійсну зміну тиску в процесі впуску. Точка r` відповідає моменту відкриття впускного клапана, що звичайно відбувається за 10-30<sup>0</sup> по куті повороту колінчастого вала до приходу поршня у ВМТ, а точка а'` - закриття цього клапана. Момент закриття відповідає положенню кривошипа через 40-80⁰ після проходження НМТ.

Тиск p_r відповідає розрахунковому значенню тиску залишкових газів. При проведенні розрахунків передбачається, що тиск залишкових газів у ВМТ різко падає до значення p_a і надалі в процесі впуску при русі поршня до НМТ цей тиск зберігається постійним.

Для двигунів з наддувом (див. малюнок 4.1,б) середній розрахунковий тиск у процесі впуску p_a звичайно перевищує тиск залишкових газів, і, природно, менше тиску p_к, створюваного нагнітачем (компресором).

Малюнок 4.1

Попереднє відкриття впускного клапана забезпечує досягнення достатньої площі його прохідного перетину при досягненні ВМТ, а також для продувки двигунів з наддувом. У двигунах з наддувом це дозволяє полегшити очищення циліндра від залишкових газів.

Вплив продувки кількісно оцінюють за допомогою коефіцієнта очищення j_оч. Його величина залежить від наддуву, швидкісного режиму двигуна і тривалості перекриття клапанів. Цей коефіцієнт враховується тільки при розрахунку двигунів з наддувом. Для двигунів без наддуву приймають j_оч = 1.0. Закриття впускного клапана після проходження поршнем НМТ завдяки інерційності повітря у впускній системі дає можливість поліпшити наповнення циліндрів (дозарядка) на номінальному режимі на 10-15%, тобто рахувати, що j_доз = 1.1–1.15. У той же час необхідно враховувати, що при малій частоті обертання дозарядка погіршується і навіть може відбуватися зворотний викид частини заряду (до 5%) з циліндрів двигуна (j_доз = 0.95). Коефіцієнт дозарядки на номінальному режимі звичайно приймається рівним одиниці.

Тиск і температура навколишнього середовища (повітря) у розрахунках приймаються рівними p₀ = 0.1 МПа і T₀ = 273K для двигунів без наддуву. У двигуни з наддувом повітря надходить з компресора, тому тиск повітря p_к і температура T_к приймаються рівними тиску і температурі повітря за компресором чи охолоджувачем повітря (якщо такий установлений).

У відповідності зі ступенем наддуву приймаються наступні значення тиску наддувального повітря:

при низькому наддуві..................1,5p₀;

при середньому наддуві...............(1,5...2,2)p₀;

при високому наддуві...............(2,2...2,5)p₀.

Температура повітря за компресором обчислюється за рівнянням політропи

де n - показник політропи стиску.

Чисельне значення n приймають для поршневих нагнітачів 1,4...1,6; для об'ємних – 1,55...1,75; для осьових і відцентрових – 1,4...2,0.

У циліндрах двигунів після випуску завжди залишається деяка частина залишкових газів. Відносний об'єм цих газів визначається типом і характеристиками клапанної системи, гідравлічних опорів системи випуску, фаз газорозподілу, системи наддуву, швидкості обертання і ряду інших факторів. Тиск залишкових газів p_r в автотракторних двигунах без наддуву приймають рівним (1,05...1,25)p₀. Якщо для наддуву використовується газова турбіна на виході, то рахують, що

Для різних швидкісних режимів двигунів проводять корекцію значення p_r з урахуванням частоти обертання колінчастого вала n відповідно до вираження

де n - номінальна частота обертання, 1/хв.

Температура залишкових газів визначається ступенем стиску, частотою обертання і коефіцієнтом надлишку повітря. Її чисельне значення звичайно приймають для карбюраторних двигунів 900 - 1100ºС, для дизелів 600 - 900ºС, газових двигунів 750 - 1000ºС.

Тиск наприкінці впуску визначає масу заряду, що надходить у циліндри двигуна, і обчислюється у відповідності (див. малюнок 4.1) за вираженнями

Чисельні значення Dp_a на номінальних режимах рекомендуються в наступних межах:

карбюраторні двигуни - (0.05...0.20)p₀;

дизелі без наддуву - (0.03...0.18)p₀;

дизелі з наддувом - (0.03...0.1)р_к.

Зі зменшенням частоти обертання величина Dp_a знижується. Для розрахунків режимів роботи двигунів, що відрізняються від номінального, використовується залежність, що враховує швидкість обертання двигуна

де b - коефіцієнт загасання швидкості руху заряду;

z - коефіцієнт гідравлічного опору системи впуску;

w_вп - швидкість руху повітря в системі впуску.

У сучасних двигунах швидкість повітря в системі впуску на номінальному режимі складає 50-130 м/с; b² + z = 2.5...4.0.

Температура підігріву свіжого заряду враховує його нагрів від деталей двигуна. Величина підігріву DT залежить від конструктивних особливостей двигуна і впускної системи. У залежності від типу двигуна рекомендуються для розрахунків на номінальному режимі наступні її значення:

DT = 0...20⁰С - для карбюраторних двигунів;

DT = 10...40⁰С - для дизелів без наддуву;

DT = - 5...+ 10⁰С - для дизелів з наддувом.

Зміна величини підігріву свіжого заряду в залежності від швидкості обертання враховується наступною залежністю:

де

Коефіцієнт залишкових газів g_r характеризує якість очищення циліндрів від продуктів згоряння. З його збільшенням зменшується маса свіжого заряду, що надходить у двигун. Для чотиритактних двигунів його чисельне значення визначається за формулою:

Для бензинових і газових двигунів без наддуву ця величина звичайно складає 0.04...0.1, а для дизелів без наддуву - 0.02...0.05.

Температура наприкінці впуску залежить від перерахованих вище факторів (температури робочого тіла, коефіцієнта залишкових газів, ступеня підігріву заряду, температури залишкових газів). Вона визначається вираженням

Для сучасних чотиритактних двигунів її чисельне значення звичайно складає:

карбюраторні двигуни - 320...370ºС;

дизелі - 310...350ºС;

двигуни з наддувом - 320...400ºС.

Коефіцієнт наповнення являє собою відношення дійсної маси свіжого заряду до тієї кількості, що могла бути в циліндрі при тиску і температурі середовища, з якого надходить цей заряд.

.

Для чотиритактного двигуна

Якщо j_доз = j_оч = 1, то

Для сучасних автотракторних двигунів коефіцієнт наповнення h_V лежить у наступних межах:

карбюраторні двигуни - 0.7...0.9;

дизелі без наддуву - 0.8...0.94;

дизелі з наддувом - 0.8...0.97.

 

Процес стиску

При розгляді ідеальних циклів процес стиску приймався адіабатним. Реальний процес здійснюється по більш складному закону. Зв'язано це з тим, що в циліндрах двигуна в процесі стиску безупинно відбувається теплообмін заряду зі стінками, голівкою циліндра і днищем поршня. На початку стиску температура заряду менше температури стінок і показник політропи n₁ більше показника адіабати k₁. У якийсь момент вони стають рівними, а надалі тепловіддача здійснюється уже від стиску робочого тіла, що нагрілося в результаті, до стінок циліндра і поршню і тоді показник політропи менше показника адіабати.

Розрахунок процесів стиску зводиться до визначення середньої величини показника політропи стиску n₁, обчисленню кінцевих значень температури і тиску. Звичайно величину показника політропи визначають по номограмах або на підставі дослідницьких даних.

Рекомендовані значення n₁:

карбюраторні двигуни - n₁ = k₁ - (0.00...0.04);

дизелі - n₁ = k₁ ± 0.02.

Подальші обчислення тиску і температури здійснюються за рівняннями політропного процесу:

Середня мольна теплоємність повітря в процесі стиску приймається за табличним значенням чи емпіричними формулами виду

Теплоємність залишкових газів визначається за табличним значенням для їхніх компонентів відповідно до формули теплоємності для сумішей газів

де M₂ - загальна кількість продуктів згоряння в молях.

Середня мольна теплоємність робочої суміші (свіжа суміш + залишкові гази) обчислюється рівнянням