1.4. Термодинамические свойства горючей смеси и продуктов ее сгорания

Свежий заряд в двигателях с непосредственным впрыскиванием топлива состоит из воздуха, в двигателях с внешним смесеобразованием – из воздуха и паров топлива, а в газовых двигателях – из воздуха и газообразного топлива.

Для расчета цикла теплового двигателя необходимо иметь данные по средним молярным теплоемкостям при постоянном объеме с_v и различных температурах. Среднюю молярную теплоемкость при постоянном давлении с_р можно определить по уравнению Майера:

кДж/(кмоль·К). (1.36)

Средние молярные теплоемкости с_v для газов, входящих в состав рабочего заряда, даны табл. 1.2. Для промежуточных температур теплоемкости определяют интерполяцией.

Таблица 1.2

Средняя молярная теплоемкость газов , кДж/(кмоль·К)

t, oC	H2	O2	N2 (атм.)	Воздух ;	Н2О	СО	СО2	Продукты сгорания*
0	20,302	20,959	20,704	20,758	25,184	20,808	27,545	22,190
100	20,620	21,223	20,733	20,838	25,426	20,863	29,797	22,525
200	20,758	21,616	20,800	20,984	25,803	20,988	31,744	22,902
300	20,808	22,085	20,972	21,206	26,260	21,202	33,440	23,320
400	20,871	22,563	21,185	21,474	26,775	21,474	34,935	23,739
500	20,934	23,019	21,449	21,780	27,315	21,784	36,258	24,200
600	21,001	23,446	21,729	22,090	27,880	22,110	37,438	24,618
700	21,093	23,834	22,027	22,408	28,474	22,437	38,498	25,079
800	21,202	24,187	22,320	22,713	29,077	22,755	39,448	25,498
900	21,332	24,510	22,609	23,006	29,693	23,061	40,302	25,874
1000	21,474	24,803	22,881	23,283	30,304	23,350	41,077	26,293
1100	21,629	25,071	23,140	23,547	30,901	23,622	41,784	26,628
1200	21,792	25,318	23,392	23,794	31,510	23,877	42,425	27,005
1300	21,972	25,548	23,626	24,018	32,092	24,112	43,007	27,298
1400	22,152	25,761	23,848	24,250	32,661	24,338	43,543	27,633
1500	22,332	25,967	24,057	24,459	33,210	24,543	44,033	27,884
1600	22,517	26,159	24,250	24,652	33,741	24,736	44,485	28,177
1700	22,697	26,343	24,434	24,863	34,261	24,916	44,903	28,428
1800	22,877	26,519	24,602	25,003	34,755	25,087	45,299	28,638
1900	23,057	26,691	24,765	25,167	35,224	25,246	45,644	28,889
2000	23,233	26,854	24,916	25,326	35,680	25,393	45,975	29,098
2100	23,408	27,013	25,062	25,474	36,120	25,535	46,281	29,308
2200	23,576	27,168	25,200	25,611	36,538	25,665	46,566	29,517
2300	23,743	27,319	25,326	25,745	36,940	25,791	46,829	29,584
2400	23,907	27,470	25,447	25,870	37,330	25,908	47,076	29,852
2500	24,070	27,612	25,560	25,992	37,702	26,021	47,302	30,019
* относятся к сгоранию дизельного топлива при α = 1,0

При точных расчетах теплоемкость свежего заряда в газовых двигателях определяют по уравнению теплоемкости для газовой смеси:

, (1.37)

где , кДж/(кмоль·К) - теплоемкость компонента свежего заряда; r_к – объемная доля компонента в заряде.

Следовательно, если содержание какого-либо газа, например СО, в газообразном топливе составляет М_СО молей, то объемная доля компонента в заряде цилиндра будет определяться по следующей формуле:

. (1.38)

Продукты сгорания в зависимости от состава топлива, коэффициента избытка воздуха α и характера сгорания содержат различные компоненты и в разных количествах.

Если известна относительная объемная доля каждого компонента r_к, может быть определена теплоемкость продуктов сгорания как теплоемкость смеси газов по формуле:

. (1.39)

Для расчета по табл. 1.2 в диапазоне изменения температур t_i∙100 < t < t_(i+1)∙100, где i = 0, 1, 2…, используют или линейную интерполяцию, осуществляемую по формуле:

, (1.40)

или графически (рис. 1.2).

Рис. 1.2. Графическое определения средней удельной

теплоемкости при температуре t

Для дизелей и газовых двигателей рабочий цикл рассчитывают при ,0 и считают сгорание топлива полным, а продукты сгорания состоящими из СО₂, Н₂О, О₂ и N₂.

В двигателях, работающих на жидком топливе нефтяного происхождения, состав различных сортов топлив изменяется незначительно и расчет теплоемкостей продуктов сгорания при различных коэффициентах α может быть упрощен, если задан средний состав топлива и известна теплоемкость продуктов сгорания стехиометрической смеси (α = 1). В этом случае общее количество продуктов, получающихся при сгорании 1 кг топлива стехиометрического состава, будет M₂ = M_o + (α – 1)L_o, причем объемная доля продуктов сгорания при α = 1,0 в общем количестве продуктов сгорания при α > 1 определяется по формуле:

, (1.41)

а объемная доля избыточного воздуха – по формуле:

, (1.42)

где

Тогда теплоемкость продуктов сгорания дизеля, работающего при ,0, определяется по выражению:

. (1.43)

Способ определения теплоемкостей при не может быть использован в случае сгорания смесей при α < 1,0, поскольку продукты сгорания нельзя рассматривать как смесь продуктов сгорания М_о при α = 1,0 с избыточным воздухом.

Расчет можно провести, если вместо теплоемкости использовать удельную внутреннюю энергию газа u, поскольку расчет внутренней энергии смесей аналогичен определению теплоемкости:

. (1.44)