Робочі тіла ДВЗ та їх показники і параметри

Лекція 3 Робочі тіла ДВЗ та їх показники і параметри

1. Загальна характеристика робочих тіл ДВЗ

Робочим тілом називається певна кількість речовини (паливо, повітря, продукти згоряння) , яка приймає участь у термодинамічному циклі, виконуючи корисну роботу.

У карбюраторних, газових двигунах і газодизелях робочим тілом може бути:

– під час впуску – суміш повітря і палива (горюча суміш);

– під час стиску – горюча суміш і залишкові гази (робоча суміш);

– під час розширення і випуску – продукти згоряння.

У дизелях під час впуску робочим тілом є повітря; під час стиску – суміш повітря з залишковими газами; під час розширення і випуску – продукти згоряння.

У двигунах з впорскуванням легкого палива робоче тіло може бути класифіковано так же як у карбюраторних двигунів – при впорскуванні палива у впускний колектор за межами циліндра, або як у дизелів – при впорскуванні палива безпосередньо в циліндр двигуна.

В автомобільних двигунах використовують рідкі й газові види палива. Сюди відносяться: бензини, дизельні і моторні палива, газові конденсати; палива, які отримують при переробці кам’яного вугілля й сланців, із рослинних продуктів і відходів сільськогосподарського виробництва та харчової промисловості.

Основні види рідких палив – бензини для двигунів з іскровим запалюванням, дизельні палива – для дизелів.

Основними складовими рідких палив являються: вуглець С, водень (гідроген) Н, кисень (оксиген) О, азот N, сірка S та інші хімічні елементи. Оскільки вміст сірки, азоту та інших елементів незначний, то при розрахунку реакції згоряння враховують лише вуглець, водень і кисень, рідше – азот.

В автомобільних двигунах також використовують стиснутий природний газ, який складається, головним чином, з метану СН4, а також – зріджений нафтовий газ, який складається з пропану С3Н8 і бутану С4Н10.

Всі газові палива складаються з суміші горючих СпНm, СО, Н2 і негорючих N2, O2, CO2, H2O газів.

2. Види палива і їх характеристика

У ДВЗ переважно використовують наступні рідкі палива:

для карбюраторних двигунів і двигунів з впорскуванням палива – бензин згідно з ДСТУ 4063-2001, ДСТУ 4839-2007 марок АІ-80, АІ-92, АІ-95 (останній – переважно для двигунів з впорскуванням палива). Характеристики бензину мають наступні значення елементарного складу: вуглець С – 85,5%, водень Н – 14,5%, кисень О – 0%; молярна маса бензину – mТ=115 кг/кмоль;

– для дизелів – у відповідності з ДСТУ 3868-99, ДСТУ 4840-2007 дизельне паливо (для роботи в літніх умовах - марки Л і для роботи в зимових умовах - марки З). Середній елементарний склад дизельного палива: С = 0,870; Н = 0,126; О = 0,004. Наприклад, для дизельного палива:

0,870 кг С + 0,126 кг Н + 0,004 кг О = 1кг палива.

Нижче (таблиця 3.1)наведено основні характеристики рідких палив. Таблиця 3.1 Основні показники рідких палив автотракторних двигунів

Газовим паливом для двигуна з іскровим запалюванням часто служить компримірований (стиснутий) природний газ. Природний стиснутий газ для газобалонних автомобілів згідно з ГОСТ 27577-87 марок не має, проте має відповідати характеристикам, які наведено в таблиці 3.2.

Таблиця 3.2 Основні показники природного стиснутого газу

2. Хімічні реакції згоряння в ДВЗ

Хімічний склад такого палива представлено в таблиці 3.3

Таблиця.3.3 – Хімічний склад природного газу

Об’ємні долі компонентів природного газу, м3
метан	етан	пропан	бутан	Важкі вуглеводні	Вуглекислий газ	азот
СН4	С2 Н6	С 3Н8	С 4Н10	С 5Н12	СО2	N2
0.91	0.024	0.01	0.003	0.004	0.01	0.039

Перевірка: Сn Нm Оr + N2 =1 м3

0,91+0,024+0,01+0,003+0,004+0,01+0,039=1 м3

В Україні для автомобільного транспорту також випускають дві марки зрідженого газу (ГОСТ 27578-87): пропан-бутан автомобільний (ПБА); пропан автомобільний (ПА).

У ПБА кількість пропану становить 50±10%, а в ПА – 90±10%. ПБА використовують при температурах не нижче -20 0С, ПА – в кліматичних зонах, де температура повітря опускається нижче -20 0С.

Склад зріджених нафтових газів наведено в таблиці 3.4.

Таблиця 3.4 – Склад зріджених нафтових газів (об’ємна доля, м3)

Газ	ПБА	ПА
Пропан С 3Н8	0,56	0,92
Бутан С 4Н10	0,43	0,07
Етан С2 Н6	0,01	0,01

Основні характеристики горючих газів наведено в таблиці 3.5

Таблиця 3.5 – Основні характеристики горючих газів

Горючий газ	Фор- мула	Густина – , при t=0С, кг/м3	Нижча теплота згоряння, МДж/м3	Температура займання у суміші з повітрям, tз.г., оС	Температура горіння у суміші з повітрям tг.г., оС

Метан	СН4	0,72	36,5	537	1875
Етан	С2Н6	1,36	64	510	1895
Пропан	С3Н8	2,02	91	466	1925
Бутан	С4Н10	2,7	119	430	1900
Оксид вуглецю	СО	1,25	12,6	610	2100
Водень	Н2	0,09	10,8	510	2045

Важливим показником палива є теплота згоряння. Розрізняють три види теплоти згоряння: вища (визначається при повному згорянні 1-го кг палива в калориметричній бомбі і наступним охолодженням продуктів згоряння до початкової температури); нижча теплота згоряння – теплота, яка виділяється при згорянні палива в ДВЗ (без врахування теплоти в утвореній при згорянні водяній парі); активна теплота згоряння – теплота, яка враховує недостачу кисню (має місце при < 1).

Значення нижчої теплоти згоряння рідкого палива згідно з елементарним складом палива у конкретних розрахунках визначаються за формулою:

(3.1)

Визначимо нижчу теплоту згоряння згідно з елементарним складом дизельного палива С=0,857; Н=0,133; О=0,01 за формулою (3.1): МДж/кг.

Для визначення активної теплоти згоряння використовують формулу:

, (3.2)

де –– втрата теплоти від неповноти згоряння, кДж / кг палива. Для бензинів визначають за формулою (кДж / кг):

, (3.3)

де – теоретично необхідна кількість повітря для згоряння 1-го кг палива.

Значення нижчої теплоти згоряння газового палива згідно з елементарним складом палива у конкретних розрахунках визначається за формулою:

(3.4)

Наприклад, для стиснутого газу:

Для зрідженого газу ПБА (таблиця 3.4):

МДж/м3.

Якщо врахувати, що густина газу ПБА 2,2…2,7 кг/м3, то, прийнявши густину 2,7 кг/м3 , знаходимо МДж/кг зрідженого газу.

Для визначення активної теплоти згоряння газових палив часто використовують формулу:

, (3.5)

де М1 – кількість робочої суміші , кмоль.

До важливих показників рідкого палива відносяться октанове (бензини, газ) і цетанове числа (дизелі).

Октанове число (ОЧ) – процентний за об’ємом вміст ізооктану в суміші з гептаном. ОЧ характеризує антидетонаційні властивості палива (більшому ОЧ відповідають кращі антидетонаційні властивості палива). Для бензинів, які використовують для автотракторних двигунів, ОЧ = 66…98. Для ізооктану ОЧ = 100. Для газу – не менше 105.

Цетанове число (ЦЧ) – характеризує здатність палив до самозаймання. Цетанові числа дизельних двигунів ЦЧ = 45…50 одиниць.

3. Хімічні реакції при згорянні палива

Використовуючи хімічні реакції згоряння, визначають кількість повітря, необхідного для згоряння палива, кількість свіжого заряду і продуктів згоряння. При цьому враховують реакції кожного з компонентів, які входять до складу палива. Розрахунок ведуть у кілограмах або в кіломолях вихідних і кінцевих продуктів реакцій, що припадають на 1 кг палива.

Кіломолем називається кількість речовини, маса якої дорівнює її молекулярній масі. Наприклад, маса 1-го кмоля Н2 доріввнює 2 кг, 1-го кмоля С – 12 кг, 1-го кмоля О2 – 32 кг.

Реакція повного згоряння вуглецю:

С+О2=СО2. (3.6)

Рівняння (3.1), виражене в кіломолях:

1 кмоль С+1 кмоль О2= 1 кмоль СО2. (3.7)

Якщо в (3.2) вуглець представити в кілограмах, то отримаємо:

12 кг С+1 кмоль О2= 1 кмоль СО2. (3.8)

Тобто для згоряння 1 кг С реакція згоряння буде мати вигляд:

1 кг С+1/12 кмоль О2= 1/12 кмоль СО2. (3.9)

Згідно з рівнянням (3.9) можна стверджувати, що для повного згоряння gC кг вуглецю потрібно gC/12 кмоль кисню і, в результаті, утвориться gC/12 диоксиду вуглецю:

gC кг С+ gC /12 кмоль О2= gC /12 кмоль СО2. (3.10)

Реакція неповного згоряння вуглецю має вигляд:

2С+О2 =2 СО. (3.11)

Згідно з наведеними міркуваннями можемо записати:

gC кг С+ gC /24 кмоль О2= gC /12 кмоль СО. (3.12)

Для реакції згоряння водню:

2Н2 + О2 = 2Н2О. (3.13)

Якщо водень в (3.13) виразити в кілограмах, а інші складові в кіломолях, то будемо мати:

4 кг Н2 + 1 кмоль О2 = 2 кмоль Н2О. (3.14)

Тобто для повного згоряння gН кг водню, що міститься в 1 кг рідкого палива, необхідно:

gН кг Н2+ gН /4 кмоль О2= gН /2 кмоль Н2О. (3.15)

Для газового палива складу СпНm,Оr з урахуванням кисню О2, що міститься в газі, рівняння реакції повного згоряння компонентів газового палива має наступний вигляд:

1 кмоль СпНm,Оr +(n +m/4 –r/2)кмоль О2 = nкмоль СО2 + m/2 кмоль Н2О (3.16)

При теплових розрахунках ДВЗ у наведених вище формулах переважно використовують наступні символьні позначення : gC С; Н; О.

4. Кількість свіжого заряду і продуктів згоряння

Використовуючи хімічні рівняння згоряння палива, визначають сумарну кількість кіломолів кисню, необхідну для повного згоряння С кг вуглецю і Н кг водню. Оскільки в паливі може також знаходитись кисень, то, з урахуванням вказаної обставини, кількість кисню у кіломолях, яка необхідна для згоряння одного кг рідкого палива становить:

(3.17)

де – відповідно кількість вуглецю, водню, кисню, що міститься в 1-му кмолі палива.

Якщо врахувати, що в двигунах використовується повітря, в якому міститься 20,8% кисню, то кількість повітря у кіломолях, необхідна для згоряння 1-го кг палива становить:

. (3.18)

У масових одиницях:

кг.пов./кг.пал.; (3.19)

Рівняння (3.19) можна також записати у масових одиницях (кг. повітря / кг. палива):

(3.20)

де – молярна маса повітря, кг / моль.

Кількість повітря (кмолі), теоретично необхідна для повного згоряння 1 кмоля газового палива, визначається за формулою:

(3.21)

Доданок «– 0,5r» враховує частину палива, що припадає на кисень, а тому потрібна менша кількість атмосферного кисню для згоряння С і Н.

Чисельне значення для складу палива згідно з табл. 3.3 (кмоль/кмоль або м3/м3):

Інший приклад: для згоряння 1 кг зрідженого нафтового газу (ЗНГ), що складається з 52% пропану (C3H8) і 48% бутану (С4H10) необхідна кількість повітря визначається за формулою. При цьому n відповідає кількості атомів вуглецю, а m – водню в компоненті палива.

У наведеному прикладі: .

= кмоль. пов. / кмоль. пал. (3.21)

При роботі ДВЗ кількість повітря, що фактично приймає участь у згорянні палива, може бути більша або менша за теоретично необхідну для повного згоряння палива. У зв’язку з цим введено поняття коефіцієнта надлишку повітря , який визначається за формулою:

= L / L0 = l / l0. (3.22)

Якщо > 1суміш повітря і палива називається бідною; при < 1 –багатою.

За умови > 1(дизелі) відбувається повне згоряння палива; при < 1 (двигуни з іскровим запалюванням) має місце неповне згоряння палива, але потужність з одиниці об’єму циліндра при цьому більша ніж у дизелів. Крім цього частина вуглецю, що знаходиться в паливі, окислюється в оксид вуглецю СО, який є токсичним і попадає в зовнішнє середовище.

Згідно з практикою і дослідженнями повна потужність двигунів з іскровим запалюванням для бензину має місце при = 0,85…0.98, для газоповітряної суміші коефіцієнт надлишку повітря може бути = 1,02...1,2.а для дизелів при = 1,2 …1.7.

Коефіцієнт надлишку повітря при роботі двигунів на газі визначають за формулою:

, (3.23)

де – кількість повітря, що надійшло в двигун, м3/год.;

– кількість газу, що надійшло в двигун, м3/год.;

– теоретично необхідна кількість повітря для повного згоряння 1-го м3 газу, м3/м3.

Кількість свіжої горючої суміші (заряду) визначають за формулами:

– для бензинового двигуна:

М1= ·L0 + 1/ mТ, кмоль г.сум./кг пал.; (3.24)

– для дизеля (у циліндр поступає повітря):

M1=·L0 , кмоль зар./кг пал. (3.25)

– для двигуна, що працює на газі:

M1=·L0’+1 , кмоль пов../кмоль газ. (3.26)

Наприклад, для згоряння 1м3 метану теоретично потрібно 9,52 м3 повітря, але в дійсності для забезпечення повного згоряння газу потрібна більша кількість повітря. При = 1,02...1,2, щоб спалити 1м3 метану, потрібно близько 10...12м3 повітря.

Кількість свіжого заряду для зріджених газів визначають за формулою:

. (3.27)

Склад і кількість продуктів згоряння: при неповному згорянні палива у бензинових двигунів () продукти згоряння представляють собою суміш окису вуглецю (СО), вуглекислого газу (СО2), водяної пари (Н2О), вільного водню (Н2) і азоту (N2).

Кількість окремих складових продуктів згоряння і їх сума залежать від відношення кількості водню до кількості окису вуглецю (К = Н2 / СО). Значення коефіцієнта К = 0,45…0,55. Звичайно приймають К = 0,5.

У випадку неповного згоряння палива ( < 1) кількість окремих складових продуктів згоряння визначається за наступними формулами (кмоль / кг палива):

МСО= 0,42·L0· (1– ) /(1+К); (3.28)

МСО2 = С/12 – МСО ; (3.29) МН2= К·МСО; (3.30)

МН2О = Н/2 - МН2; (3.31)

МN2=0,79··L0. (3.32)

Сумарна кількість продуктів згоряння (кмоль / кг палива):

М2= МСО+ МСО2+ МН2+ МН2О+ МN2. (3.33)

Перевірка здійснюється за формулою:

М2 = С/12+Н/2+ 0,79· ·L0 . (3.34)

Кількість окремих компонентів та загальна кількість продуктів згоряння для дизелів при a1 (кмоль / кг. палива):

(3.35)

; (3.36)

(3.37)

(3.38)

(3.39)

Перевірка здійснюється за формулою:

М2 = С/12+Н/2+ 0,79· ·L0+0,21·( – 1)·L0. (3.40)

Кількість продуктів згоряння газового палива визначають за формулою:

, (3.41)

де – кількість азоту в газовому паливі.

Кількість окремих складових (кмоль) при згорянні 1 кмоль газоподібного палива Сn Н mОr:

(3.42)

де NТ – частка азоту в 1 м3 газу; для ЗНГ NТ = 0; для СПГ – NТ = 0,04.

Наприклад, для стиснутого газу:

Чисельне значення для складу палива згідно з табл. 3.1:

Чисельне значення згідно з табл. 3.1:

Чисельні значення і залежать від і .

Перевірка здійснюється за формулою (3.39).

Різниця у розрахунках не повинна перевищувати 3%.

При згорянні палива змінюється кількість кіломолів у продуктах згоряння порівняно з кількістю кіломолів у свіжому заряді. Цю зміну оцінюють хімічним і дійсним коефіцієнтами молекулярної зміни.

Хімічний коефіцієнт молекулярної зміни паливної суміші визначається за формулою:

µ0=М2 /М1 . (3.43)

Як правило – µ0= 1,02…1,12.

Дійсний коефіцієнт зміни паливної суміші визначається за формулою:

(3.44)

де – кількість залишкових газів, кмоль / кг палива.

Кількість залишкових газів характеризують коефіцієнтом залишкових газів, який визначають за формулою:

(3.45)

= (Т0+ Т0)·рг / Тг·( ·ра–рг), (3.46)

У розрахунках приймають тиск навколишнього середовища р0=0,1 МПа, температуру – Т0 =293 К. Підігрів заряду переважно приймають Т0= 10К. Значення температури залишкових газів для бензинових двигунів Тг = 900…1100 К. Для газових двигунів Тг приймають менше на 50…100К.

рг = (1,05…1,25)р0.

Якщо відомі втрати тиску на впуску р, то тиск у кінці процесу впуску визначається за формулою:

ра = р0 – р,

де р – втрати тиску на впуску в результаті опору впускної системи. Величина р лежить вмежах:

– для двигунів, що працюють на бензині, – (0,1...0,15)р 0, причому більше значення вживають для карбюраторних двигунів, менше – для інжекторних.

– для двигунів, що працюють на газовому паливі, – (0,1...0,15)р 0.

З формул (3.43)… (3.46) отримаємо:

(3.47)

У продуктах згоряння, як правило, більше кіломолів, ніж у свіжому заряді, що є позитивним фактором, оскільки у наступному розширенні бере участь більша за об’ємом кількість газів.

Для рідкого палива і . Значення дійсного коефіцієнта зміни паливної суміші для бензинових двигунів становить = 1.02…1.12; для дизелів – = 1.01…1.06.

Газові двигуни мають значення = 0,92…0,98, що є причиною зниження потужності бензинового двигуна при переведенні його на газ.

PAGE \* MERGEFORMAT 9

EMBED Equation.3

Робочі тіла ДВЗ та їх показники і параметри