27
St d
c
= c + 3
,
8 14 (3.29)
p
v
W wyniku spalania paliwa przy λ > l w cylindrze powstaje mieszanina gazowa składaj ca si z „czystych"
produktów spalania Mx=i i powietrza nie uczestnicz cego w spalaniu. rednie molowe izochoryczne ciepło
wła ciwe powietrza wyznacza si z zale no ci typu
c = a + bT
Zale no ta dla powietrza przyjmuje posta
cv1 = 19,26 + 0,0025 T (3.30)
a dla „czystych" produktów spalania
cv2 = 20,47 +0,003 6 T (3.31)
3.3.3. Termodynamika spalania paliwa
Podczas spalania czynnik roboczy zmienia swoje własno ci fizyczne i termodynamiczne. Charakter tych
zmian oddziałuje na ekonomiczne i niezawodno ciowe wska niki pracy silnika. Z analizy termodynamicznej
wynika, e najlepsze wska niki ekonomiczne uzyskuje si przy spalaniu odbywaj cym si w okolicy GMP, to
znaczy w warunkach małych zmian obj to ci czynnika roboczego. Do analizy zmian stanu czynnika roboczego
w okresie spalania wykorzystuje si rozwini ty wykres indykatorowy (rys. 3.12).
Rys. 3.12. Zmiany ci nienia i temperatury czynnika w okresie spalania
W procesie spalania mo na wyró ni cztery okresy: opó nienia samozapłonu, szybkiego spalania, spalania
paliwa przy V ≅ const oraz dopalania.
Okres opó nienia samozapłonu (I) obejmuje przedział (rys. 3.12) od pocz tku wtrysku paliwa (punkt l)
do chwili wyst pienia samozapłonu pierwszych kropel paliwa (punkt 2). W tym okresie nast puje
przekazywanie ciepła od wie ego ładunku do paliwa, potrzebnego do odparowania wtryskiwanych kropel.
Przyrost ci nienia czynnika w tym okresie jest spowolniony. Okres samozapłonu wyznacza si praktycznie z
rozwini tego wykresu indykatorowego. Stanowi on przedział pomi dzy pocz tkiem wtrysku, to Znaczy
otwarciem wtryskiwacza, i pocz tkiem odchylenia linii spalania od linii spr ania. Rzeczywisty okres zwłoki
samozapłonu jest nieco mniejszy, poniewa pojawienie si pierwszych ognisk zapłonu nie powoduje znacz cego
wzrostu ci nienia w cylindrze. W tym okresie do cylindra podawane jest około 30 do 40% całkowitej dawki
paliwa na cykl (w silnikach szybkoobrotowych 70 do 90%). Ci nienie czynnika roboczego w ko cu zwłoki
samozapłonu wynosi od 3,5 do 10 MPa, a temperatura od 700 do 1100 K.
Okres szybkiego spalania (II) obejmuje przedział (rys. 3.12.) od punktu (2) do (3), to znaczy do momentu
osi gni cia przez ci nienie w cylindrze maksimum. W tym okresie wyst puje jednocze nie spalanie paliwa
podanego do cylindra w okresie (I), jak równie cz ciowe spalanie paliwa podawanego w okresie (II).
Na ogół ko czy si równie w tym czasie wtrysk całkowitej dawki paliwa (o) i wydziela si od 40 do 70%
ciepła uzyskiwanego przy spalaniu całej dawki paliwa. Du intensywno spalania tłumaczy si tym, e w
okresie przygotowawczym (zwłoki samozapłonu) w komorze spalania tworzy si du a ilo gor cej mieszaniny,
która sprzyja rozprzestrzenianiu si płomienia w całej obj to ci komory spalania. Intensywno spalania w tym
okresie charakteryzuje pr dko narastania ci nienia ∆p/∆ϕ.
Okres spalania paliwa przy stałym ci nieniu (III) obejmuje przedział pomi dzy punktami (3) i (4). Punkt
(4) odpowiada na wykresie maksymalnej temperaturze czynnika roboczego. Wyznacza si go opieraj c si na
wykresie indykatorowym. Niekiedy przedział (III) ł czy si z przedziałem (IV). W pocz tku okresu (III) lub pod
koniec (II) ko czy si wtrysk paliwa, co sprzyja intensywnemu spalaniu du ej cz ci dawki paliwa. W okresie
(III) wydziela si od 30 do 60% całkowitej ilo ci ciepła; ro nie temperatura czynnika przy jednoczesnym spadku
jego ci nienia (obj to komory ro nie).
W okresie (IV) nast puje dopalanie paliwa i produktów jego niepełnego spalania. W silnikach z zapłonem
samoczynnym, mimo wysokich warto ci współczynnika nadmiaru powietrza (λ), gazy wylotowe zawieraj
pewne ilo ci produktów niepełnego spalania paliwa. Koniec tego okresu wyznacza punkt quasi-adiabatyczny, w
którym ustaje przepływ ciepła pomi dzy czynnikiem i ciank cylindra. Spalanie w tym okresie powoduje
obni enie wska ników ekonomicznych, wzrost temperatury gazów wylotowych i temperatury zaworów wylo-
towych oraz koksowanie otworków rozpylacza.
Jako ciowej i ilo ciowej oceny procesu spalania dokonuje si na podstawie charakterystyk, które
przedstawiaj przebieg wydzielania si i wykorzystania ciepła w tym procesie (rys. 3.13). Nale do nich
charakterystyki:
- wydzielania ciepła, gdzie Qx(ϕ) okre la ilo ciepła wydzielonego w cylindrze w rozpatrywanym
przedziale spalania
Q − ( Q + Q
1
2 )
X =
= f (ϕ (3.32)
1
)
Q
- wykorzystania ciepła Q1(ϕ) na podwy szenie wewn trznej energii czynnika roboczego i wykonanie pracy
mechanicznej
Q − ( Q + Q + Q
1
2
w )
ξ =
= f
(3.33)
2 (ϕ )
Q
przy czym
ξ Q = xQ − Q (3.34)
w
Q = gc Wd
gdzie:
gc - dawka paliwa na cykl,
Wd - warto opałowa paliwa,
Q1 - straty ciepła na niezupełne spalanie,
Q2 - straty ciepła na dysocjacj ,
Qw - straty chłodzenia cianek.
Dla jednego kg paliwa Q = Wd.
Dla olejów nap dowych warto opałowa Wd = 41 900 kJ/kg, natomiast dla olejów ci kich (oleje
opałowe) jest ona mniejsza i wynosi Wd=41 000 do 39 500 kJ/kg.
Odcinki 1-1', 2-2', 3-3' i 4-4' na rysunku 3.13 stanowi straty chłodzenia. Przyjmuje si , e proces spalania
ko czy si w punkcie 2, kiedy x = 0,98-0,99 [6]. Charakterystyki procesu spalania wyznacza si na podstawie
wykresów indykatorowych.
Współczynnik wykorzystania ciepła (ξz) zale y od doskonało ci spalania paliwa i strat ciepła w tym
okresie. W jednakowych warunkach zale y on od szybkobie no ci silnika. W obliczeniach procesu spalania
wykorzystuje si równie warto współczynnika (ξb) odpowiadaj c wykorzystaniu ciepła w punkcie (b)
obiegu teoretycznego. Warto ci współczynnika wykorzystania ciepła w silnikach okr towych wynosz [6]:
ξz ξb
0,75 do 0,90 0,86 do 0,98 - dla silników wolno- i rednioobrotowych,
0,70 do 0,85 0,85 do 0,95 - dla silników szybkoobrotowych.