2.1.3. Теоретичний цикл двигунів з підведенням тепла при постійному об'ємі і постійному тиску (змішаний цикл)

Тракторні і автомобільні двигуни працюють по змішаному циклу на дизельному паливі. Для самозаймання уприскуваного палива ступінь стиску має бути не нижче 14.

Індикаторна діаграма теоретичного циклу представлена на рис. 2.3.

У теоретичному циклі крива ас діаграми зображає адіабатичне стиску робочого тіла, ув'язненого в циліндрі, сz і zz' – повідомлення теплоти, z'b – адіабатичне розширення і ba – віддачу частини повідомленої теплоти холодному джерелу відповідно до другого закону термодинаміки.

Рис. 2.3. Індикаторна діаграма змішаного теоретичного циклу

Значення температури і тиску в кінці процесу стиску аналогічні попереднім формулам:

; .

Максимальний тиск змішаного циклу:

.

Температура у ВМТ рівна:

.

Температура в кінці процесу підведення теплоти рівна:

.

Тиск в кінці адіабатного розширення рівний:

.

Температура в кінці адіабатного розширення визначається формулою:

Термічний ККД теоретичного циклу можна визначити по різниці кількості теплоти: Q1' + Q1'', введених відповідно при V = const (по ізохорі сz) і при р = const (по ізобарі zz') і Q2, відданого холодному джерелу при V = const (по ізохорі ba):

.

Теплота, що повідомляється відповідно по ізохорі і ізобарі, і теплота, що відводиться, рівні

Підставляючи Q₁', Q₁'' і Q₂ в рівняння, що визначає термічний ККД змішаного циклу, замінюючи всі температури через температуру початку стиску Tа, аналогічно попереднім виводам і враховуючи, що

,

отримуємо

Це рівняння дозволяє стверджувати, що використання тепла в змішаному циклі залежить від ступеня стиску, попереднього розширення і підвищення тиску, а також показника адіабати.

У змішаному циклі підвищення ступеня стиску покращує економічні і потужностні показники. Проте у міру збільшення ступеня стиску приріст використання теплоти поступово сповільнюється і після значень ступеня стиску 10–12 стає маловідчутним. У дизельних двигунах значенні ступеня стиску більше 15 пояснюються бажанням полегшити пуск холодних двигунів. При підвищенні ступеня стиску росте температура кінця стиску, що забезпечує самозаймання палива навіть при низьких температурах стінок циліндра і засмоктуваного повітря.

2.2. Дійсні цикли двз

Дійсний (робочий) цикл, здійснюваний в реальному двигуні внутрішнього згорання, є розімкненим циклом. Для вивчення дійсного (робочого) циклу потрібно розглянути весь комплекс складних процесів, пов'язаних з перетворенням термохімічної енергії палива на механічну роботу в реальному двигуні. Початковими для вивчення дійсного (робочого) циклу є матеріали, отримані в основному шляхом лабораторних випробувань двигунів внутрішнього згорання.

2.2.1. Робочі тіла і їх властивості

У поршневих двигунах внутрішнього згорання робоче тіло складається з окислювача, палива і продуктів його згорання. Окислювачем для більшості двигунів служить атмосферне повітря, що містить 21 % (за об'ємом) кисню і 79 % інертних газів, в основному азоту. При реалізації циклу робоче тіло зазнає фізичні і хімічні зміни. Залежно від типу двигуна, в період впуску в циліндр поступає або повітря, або горюча суміш, що складається з газоподібного або рідкого палива і повітря. Повітря або горючу суміш, що поступають в циліндр і залишаються в нім до моменту початку стиску, називають свіжим зарядом. В процесі стиску в циліндрі знаходиться суміш свіжого заряду із залишковими газами, яка називається робочою. В процесі розширення і випуску робочим тілом є продукти згорання палива.

При розрахунку робочого циклу двигуна необхідно знати нижчу теплоту згорання палива, яка залежить від композиційного складу палива і кількісного співвідношення елементів, складових його горючу частину. Підведення теплоти до робочого тіла в дійсному циклі здійснюється в результаті згорання палива безпосередньо в циліндрі двигуна, що пред'являє певні вимоги до фізичних і хімічних властивостей палива, які приведені в таблиці 2.1.

Таблиця 2.1 Характеристики рідких палив для двигунів внутрішнього згорання

Паливо	Елементарний склад (середній) 1 кг палива, кг			Молекулярна маса, mT, Кг/кмоль		Нижча теплота згорання, hu, MДж/кг
	С	Н	0Т
Автомобільний бензин Дизельне паливо	0.855  0.870	0.145  0.126	–  0.004		110–120 180–200		44 42.5

Згорання палива в циліндрах двигуна протікає згідно наступним реакціям:

; .

Кількість кисню, необхідна для повного згорання палива, можна підрахувати таким чином:

Для палива, що має склад по вазі:

масова кількість кисню, необхідна для повного згорання 1 кг палива, складе:

, або

або, обчислюючи в кмоль

.

При розрахунку склад сухого атмосферного повітря приймають рівним: у % по вазі О – 23, N – 77, а в % за об'ємом О – 21, N – 79.

Тоді теоретично необхідна кількість сухого атмосферного повітря для повного згорання 1 кг рідкого палива може бути визначене по наступних формулах:

У ваговому виразі

У молярному виразі

.

Зв'язок між l₀ і L₀ має вигляд:

.

Згорання палива в двигуні зазвичай відбувається при деякому недоліку або деякому надлишку повітря в порівнянні з теоретично необхідною кількістю.

Відношення кількості повітря L (l) в горючій суміші до кількості повітря L0 (l0), яке необхідне для повного згорання палива, називається коефіцієнтом надлишку повітря:

При роботі двигуна склад горючої суміші змінюється. Горючу суміш прийнято називати нормальною, якщо α = 1, бідною, якщо α > 1 і багатою, якщо α < 1.

Коефіцієнт надлишку повітря знаходиться в наступних межах: для карбюраторних двигунів α = 0,8–1,3, для дизельних – α = 1,2 – 5.

Кількість свіжого заряду, що доводиться на 1 кг палива, складає:

для карбюраторного двигуна

[кг повітря / кг пал.]

або

[кмоль повітря / кг пал.],

де т_Т – молекулярна маса палива.

Для дизельного двигуна

[кг повітря / кг пал.]

або

[кмоль повітря / кг пал.].

Молекулярна маса автомобільного бензину т_Т =114. Тому величиною зазвичай нехтують.

В кінці стиску перед згоранням циліндр двигуна заповнений робочою сумішшю, кількість якої рівна:

,

де Мr - кількість кмолей залишкових газів.

Відношення кількості залишкових газів до дійсної кількості свіжого заряду називається коефіцієнтом залишкових газів:

.

Підставивши вираз у вираз для Ма, отримаємо: .

Процес згорання супроводиться тепловими втратами. Частина тепла в процесі згорання передається в середовище, що охолоджує, через стінки циліндра. Частина палива проникає в картер через нещільність поршневих кілець. Через нестачу часу і недосконалості сумішоутворення частина палива не встигає згоріти і догорає під час розширення. В той же час під впливом високих температур відбувається розщеплювання молекул Н2о і CO₂ продуктів згорання, розщеплюванню супроводить поглинання тепла.

Коефіцієнтом використання тепла називається частина теплотворної здатності палива, яка дійсно використовується для підвищення енергії газів при згоранні:

,

де: hu – нижча теплотворна здатність палива;

Δ Q – втрати тепла в процесі згорання.

Коефіцієнт використання тепла завжди менше одиниці. Він тим вище, чим досконало смесеобразование, вище швидкість розповсюдження полум'я, коротше проміжок часу, що витрачається на згорання.

Коефіцієнт використання тепла, залежно від режиму роботи двигуна, змінюється в карбюраторних двигунах в межах 0,85–0,95, в дизельних від 0,7 до 0,9.

При повному згоранні рідкого палива, коли α≥1, утворюються наступні основні продукти згорання: CO₂ і Н₂О – продукти повного згорання вуглецю і водню, що містяться в паливі, N₂ – азот повітря і O₂ – вільний кисень повітря.

Сумарна кількість продуктів згорання 1 кг палива рівна:

.

Підставивши в праву частину рівняння значення доданків:

отримаємо:

В процесі згорання відбувається збільшення кількості кмоль газів.

.

Це збільшення залежить від складу палива і коефіцієнта надлишку повітря.

Для карбюраторних ДВЗ

Для дизельних ДВЗ

Відношення кількості кмоль продуктів згорання М₂ до кількості кмоль суміші до згорання М₁ називається коефіцієнтом молекулярної зміни.

Залежно від того, чи враховується при обчисленні коефіцієнта молекулярної зміни кількість залишкових газів чи ні, розрізняють коефіцієнт молекулярної зміни горючій суміші

і коефіцієнт молекулярної зміни робочій суміші.

або .

Отже, у карбюраторних і дизельних двигунів коефіцієнт молекулярної зміни завжди більше одиниці.

Збільшення кількості кмолей газів при згоранні, оцінюване коефіцієнтом молекулярної зміни, викликає збільшення корисної роботи при розширенні продуктів згорання в циліндрі, що підвищує потужність двигуна. Отже, чим вище коефіцієнт молекулярної зміни, тим більше потужність, що розвивається двигуном.

Середня молярна ізохорна теплоємність заряду в кінці стиску для карбюраторних і дизельних двигунах може бути визначена по наступній формулі:

кДж/кмоль ·К.

Середня молекулярна теплоємність продуктів згорання визначається по формулі (кДж/кмоль До):

процес згорання при V = const

;

процес згорання при p = const

.