Компонентами рабочей смеси в цилиндре двигателя перед сгоранием являются либо топливо, воздух и остаточные газы в бензиновых и газовых двигателях, либо воздух и остаточные газы в дизелях. Другими словами, рабочая смесь — это смесь свежего заряда с остаточными отработавшими газами.
В бензиновом и газовом двигателях воспламенение сжатой рабочей смеси происходит от искрового разряда, и далее протекает ее горение. В дизеле в сжатую и разогретую до высокой температуры рабочую смесь впрыскивается тонкораспыленное дизельное топливо, и происходит его воспламенение и горение. Реакция горения топлива — это химический процесс окисления компонентов топлива (соединения углерода и водорода топлива с кислородом). Окислителем при горении топлива служит кислород атмосферного воздуха. Образующиеся продукты сгорания топлива выполняют механическую работу в цилиндрах двигателя.
Процесс горения топлива в зависимости от количества кислорода в цилиндре двигателя может протекать по реакциям: полного сгорания
С + О2 = СО2 (2.1)
2Н2 + О2 = 2Н2О (2.2)
неполного сгорания углерода
2С + О2 = 2СО (2.3)
При полном сгорании топлива образуются диоксид углерода (углекислый газ) СО2 и вода Н2О. При неполном сгорании из-за недостатка кислорода часть углерода не окисляется до конца и наряду с диоксидом углерода в полученных газообразных продуктах присутствует монооксид углерода СО (угарный газ). Кроме того, в продуктах горения содержатся другие компоненты несгоревшего топлива, а также кислород и азот воздуха, ряд их соединений. Но из-за незначительности содержания существенного влияния на тепловой баланс они не оказывают и в практических расчетах не учитываются.
Расчет реакций окисления углерода (2.1) и водорода (2.2) ведут с целью определить массу молекулярного кислорода G, кг, необходимую для полного сгорания 1 кг топлива.
С учетом относительных атомных и молекулярных масс компонентов реакции окисления углерода при сгорании 12 кг С расходуется 32 кг О2, другими словами, для сжигания 1 кг С необходимо 32/12 = 2,67 кг О2. Аналогично для реакции окисления водорода при сгорании 2 кг Н2 расходуется 16 кг О2, т.е. для сжигания 1 кг Н2 необходимо 16/2 = 8 кг О2. Таким образом, для жидкого моторного топлива, содержащего углерод С, водород Н2 и кислород О2, массой gc + gH2+go2= 1кг масса молекулярного кислорода G, кг, необходимого для полного сгорания топлива, определяется как суммарная масса кислорода, необходимого для полного сгорания отдельных горючих компонентов топлива:
G= (2,67gc + gн2 + gо2)
где 2,67; 8 — масса кислорода, необходимого для полного сгорания соответственно углерода и водорода, кг/кг; gc, gH2, go2 масса соответствующих компонентов в жидком моторном топливе, кг.
С учетом того что молярная масса вещества, кг/моль, численно равна его относительной молекулярной массе, количество молекулярного кислорода v, кмоль, необходимое для полного сгорания горючих компонентов 1 кг топлива, составит
где
— количество каждого из молекулярных компонентов— углерода, водорода, кислорода — в 1 кг моторного топ лива, кмоль.
Так как реально реакция горения протекает в воздухе, необхо дим пересчет на содержание кислорода в воздухе. В атмосферном воздухе содержится по объему 21 % O2, или по массе 23 % O2 при содержании азота 79 % по объему, или 77 % по массе. В тепловых расчетах двигателей принято, что нормальное состояние атмосферного воздуха характеризуется давлением P0 = 0,1033 МПа (обычно 0,1 МПа) и температурой 15 °С, или абсолютной температурой Т0 = (273 + 15) К.
Тогда для нормальных условий теоретически необходимое количество молекулярного кислорода воздуха V0, кмоль, для полного сгорания 1 кг горючих компонентов топлива составит
Зная количество v0, вычислим теоретическую массу воздуха l0, кг, необходимую для полного сгорания горючих компонентов топлива:
lо = mbvo = 29vo,
где mb — средняя молярная масса воздуха, равная 29 кг/кмоль.
Полное сгорание топлива с теоретически необходимым количеством воздуха является частным случаем, и в действительности масса воздуха в рабочей смеси может быть как больше, так и меньше теоретически необходимой.
Содержание воздуха в рабочей смеси может быть разным в зависимости от режима работы ДВС, при этом широко используется такое важное понятие, как коэффициент избытка воздуха.
Коэффициент избытка воздуха α— отношение действительной массы воздуха lд или действительного числа киломолей молекулярного кислорода воздуха vд в рабочей смеси к теоретически необходимым массе l0 или количеству молекулярного кислорода воздуха v0 для полного сгорания, т.е.
Коэффициент избытка воздуха характеризует качество рабочей смеси:
α = 1 — нормальная смесь;
α > 1 — бедная смесь (полное сгорание топлива);
α < 1 — богатая смесь (неполное сгорание топлива).
Для двигателей коэффициент избытка воздуха а находится в следующих пределах:
Бензиновые двигатели ………….0,8…1,2
Дизели:
без наддува ………………………..1,2…1,65
с наддувом……………………………. До 2,1
Количество молекулярных компонентов свежего заряда, кмоль, для дизелей
V1=αvo
для бензиновых двигателей
где Mт — молекулярная масса топлива.
Для бензина Mтб= 114, для дизельного топлива Мтд.т=186, поэтому величиной 1 /Мт можно пренебречь.
При впуске в цилиндр двигателя поступает число киломолей v, молекулярных компонентов свежего заряда. При полном сгорании топлива, что возможно, когда α ≥1, продуктами сгорания являются С02, Н20, N2 и 02, т.е. образуется v2, кмоль, молекулярных компонентов продуктов сгорания, большее, чем V1
V2 =VС02 + VН20 + VN2 + VO2
и изменение количества молекулярных компонентов горючей сме си, кмоль, после сгорания топлива составит
ΔV=V2-V1
При неполном сгорании (α < 1) часть углерода С сгорает неполностью, т.е. окисляется не до СO2, а до СО.
Коэффициент молекулярного изменения горючей смеси характеризует относительное изменение объема горючей смеси при сгорании топлива, т.е. отношение количества молекулярных компонентов продуктов сгорания V2 к количеству молекулярных компонентов V, свежего заряда:
Увеличение объема продуктов сгорания по сравнению с объемом горючей смеси объясняется рядом причин, а именно: жидкий кислород топлива переходит в газообразное состояние; объем водяного пара, образующегося в процессе горения (см. уравнение (2.2)), в 2 раза больше объема кислорода, необходимого для этого. То же относится и к реакции (2.3). Увеличенный объем продуктов сгорания по сравнению с объемом горючей смеси обеспечивает большую степень сжатия газов и большую эффективность работы двигателя. Однако в коэффициенте молекулярного изменения горючей смеси µ0 не учитывается влияние остаточных газов, находящихся в цилиндре. Это влияние учтено в коэффициенте молекулярного изменения рабочей смеси.
Коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси — отношение общего объема газов после сгорания рабочей смеси к объему рабочей смеси до сгорания:
где vr — количество компонентов остаточных газов, кмоль.
Для дизелей µ= 1,05, для бензиновых двигателей µ=1,08. Процессы, совершаемые в цилиндре двигателя в периоды тактов впуска, сжатия, расширения и выпуска, протекают по разным законам. Теория рабочего процесса ДВС позволяет рассчитывать основные параметры рабочего цикла в характерные моменты его протекания. Этот расчет называется тепловым расчетом ДВС.