2. Робочі тіла і властивості згорання

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 3.1.

Таблиця 3.1 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 М_а, отримаємо: .

Процес згорання супроводжується 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, розщеплювання супроводжується поглинанням 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 досконаліше сумішоутворення, 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:

В процесі згорання відбувається збільшення кількості кмоль газів.

.

Це збільшення залежить від складу палива і коефіцієнта надлишку повітря.

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 робочої 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.

Контрольні питання

1. Паливо для двигунів внутрішнього згоряння.

2. Елементарний склад рідкого палива.

3. Процеси згоряння.

4. Теоретично необхідна кількість повітря.

5. Коефіцієнт надлишку повітря та коефіцієнт кількості палива.

6. Продукти згоряння рідкого палива. Склад продуктів згоряння.

7. Визначення кількості продуктів згоряння.

8. Коефіцієнт залишкових газів.

Тема №4. Дійсні цикли автомобільних двигунів. Процес впуску.