 |
5 Дәріс. Жану барысы. 5.1 Жану барысының термохимиялық талдауы
|
|
|
|
5 Дә ріс. Жану барысы
5. 1 Жану барысының термохимиялық талдауы
Жану барысы қ озғ алтқ ыштың кіргізу мен ұ лғ аю барысының аралығ ында болады. Бұ л кезде цилиндр ішінде ө те кү рделі қ ұ былыстар пайда болады жә не олардың қ ұ былу заң дылық тары да ә ртү рлі ә дістер арқ ылы жү реді. Мысалы, карбюраторлы қ озғ алтқ ыштарда піспек ЖӨ Н-ге келген кезде, жану қ оспасы бірден жанып бітеді де жану барысы газдың тұ рақ ты кө лемінде орын алады, яғ ни изохоралық барыс бойынша ө теді. Ал дизельді қ озғ алтқ ыштарда бұ л барыс піспек ЖӨ Н-ге жеткенше жану қ оспасының бір бө лігі жанады да, содан соң піспек ЖӨ Н-нен ө тіп кеткеннен соң жану қ оспасының қ алғ ан бө лігі жанады. Сө йтіп, дизельді қ озғ алтқ ыштарда жану барысы алды изохоралық барыстың, содан соң изобаралық барыстың заң дылығ ы бойынша жү реді. Олай болса жану барысы кезіндегі газдың кө рсеткіштерін осы қ ұ былыстарды есепке ала отырып анық тау қ ажет болады.
Карбюраторлы қ озғ алтқ ыштың индикаторлық диаграммасында жану барысының ү ш фазасын кө рсетуге болады (8 сурет):
Ι фаза – бастапқ ы кезең ішінде піспек ЖӨ Н-ге шамалы жетпей тұ рып (1 нү кте 8 сурет) ұ шқ ыннан шағ ын ғ ана алғ ашқ ы жану ошағ ы пайда болады (шақ пақ электродтары аралығ ында).
II фаза – негізгі екінші кезең ауқ ымында 2 нү ктеден 3 нү теге дейін алғ ашқ ы жану ошағ ы турбуленттік жалынғ а айналып, откамера кө лемін тү гелге жуық қ амтиды (жану жылдамдығ ы 20-40 м/с) жә не қ ысым тез артады. Бұ л фазаның ұ зақ тығ ы 20–30о айналу бұ рышын тү зеді.
|
|
|
III фаза – аяқ талу кезең інде, ұ лғ аю барысындағ ы 3 нү ктеден 4 нү теге дейін откамера бетінің қ апталындағ ы, тү рлі қ алтарыстағ ы жә не жалын пердесінің артындағ ы жанып бітпеген қ осынды жанады.
Сурет 8 – Иінді біліктің айналу бұ рышына байланысты карбюратолы қ озғ алтқ ыштың индикаторлық диаграммасы
Бұ л барыс фазаларының ө ту уақ ыты Тф мына формула арқ ылы анық талынады:
Τ ф =∆ φ / 6n, (43)
мұ ндағ ы ∆ φ – иінді біліктің айналу бұ рышы, градус; n – иінді біліктің айналу жиілігі, мин-1.
Дизельдегі жану барысы тө рт кезең де ө теді (9 сурет):
1. Тұ танудың кідіріс мерзімі 1 нү ктеде жанармай бү ркілген сә тінде басталады жә не 2 нү ктеде тұ тану сә ті басталуы кезінде аяқ талады. Индукция кезең інде бү ркілген жанармай тамшыларының қ ызуы кезінде жылу жұ тылатын болғ андық тан қ ысым біршама тө мендейді. Бұ л кезде жанармай бө лшектері тұ тану температурасына дейін қ ызады жә не жану ошақ тары пайда болады.
2. Жедел жану кезең і 2 нү ктеде басталып 3 нү теде бітеді. От жалыны 20-40 м/с жылдамдық пен тарайды, қ ысым тез артады жә не жылу кө п бө лінеді.
3. Жылу бө ліну қ арқ ыны айтарлық тай ө згермейтін тұ рақ ты қ ысыммен жану кезең і 3 нү ктеде басталып 4 нү теде аяқ талады. 3 нү ктеде жанармай ә лі де цилинрдр ішіне қ алың от ортасына бү ркіледі. Сондық тан ол цилиндр ішінде жиналмай, бірден жанып кетеді. Қ ысым ө згермейтін себебі, 3 нү ктеден бастап піспек тө мен қ арай жылжи бастайды.
|
|
|
4. Жанудың диффузиялық тү рде аяқ талукезең і 4 нү теден кейін жалғ асады (9 суреттегі 4-5 сызығ ы). Ұ лғ аю сызығ ы бойымен диссоциация ө німі жанады, олар карбюраторлы қ озғ алтқ ыштарғ а қ арағ анда дизельді қ озғ алтқ ышта біршама аз болады, себебі 4 нү ктеде температура 2300 оК тең, ал ол 5 нү ктенікінен ә лдеқ айда тө мен.
Нақ ты цикл барыстарын есептеп талдау ү шін қ ажет газдың химиялық қ ұ рамы мен мө лшерін жанармай қ ұ рамындағ ы элементтердің тү пкілікті химиялық тотығ у реакциясы бойынша анық тайды.
Мө лшері 1 кг жанармайдағ ы негізгі элементтердің – кө міртегі С мен сутегінің Н, сондай-ақ отын қ ұ рамындағ ы еріген оттегінің О массалық ү лесін олардың таң балары арқ ылы белгілей отырып, тө мендегідей тең деу жазуғ а болады
С+Н+Ое=1 кг. (44)
Кө міртегі мен сутегінің химиялық тотығ у реакциясы 1 кг отынның толық жануы ү шін оттегінің теориялық тұ рғ ыдан қ ажетті мө лшері мен жану нә тижесінде тү зелетін заттардың кө лемін есептеп шығ аруғ а мү мкіндік береді.
Сурет 9 – Дизельді қ озғ алтқ ыштардағ ы жану барысының фазалары
Органикалық отынның толық жануы, яғ ни химиялық тотығ у реакциясы кө мірқ ышқ ыл газы мен су буын тү зеді.
С+О2= СО2 жә не 2Н2+О2=2Н2О. (45)
Ауа жетіспеген жағ дайда кө мертегі жану кезінде улы газ пайда болады, яғ ни
2С + О2 = 2СО.
Осы тең деулер негізінде элементтердің молекулалық массасын ескере отырып, реакцияғ а дейінгі жә не реакциядан кейін тү зелетін заттардың массалық мө лшерін анық тауғ а болады:
С кг кө міртегі ү шін
(46)
Н кг сутегі ү шін
( 47)
|
|
|
Киломольмен есептегенде
(48)
(49)
Массасы 1 кг сұ йық отынның толық жануы ү шін оттегінің теориялық тұ рғ ыдан қ ажетті мө лшері
(50)
немесе
(51)
мұ ндағ ы Ое – отын қ ұ рамындағ ы ерітінді оттегі.
Жану барысы ауа мен сұ йық жанар майдың араласу сапасына байланысты жү реді. Ал олардың араласу сапасы ә рқ айсысының араласуғ а қ атысатын мө лшеріне тікелей тә уелді. Ауа мен жанар май араласып жану кезінде химиялық тотық тану реакциясы жү реді, ал сол реакцияғ а тү сетін ә рбір химиялық элемент тиісті мө лшермен ғ ана реакцияғ а тү се алады. Сондық тан, алдымен, сұ йық жанар майдың бір мө лшері жануы ү шін қ анша ауа қ ажет болатындығ ын анық тау қ ажет. Оны ауаның қ ажетті теориялық мө лшері (Lo) деп атайды. Оның мә нін жанар май қ ұ рамындағ ы химиялық элементтердің мө лшеріне қ арай анық тауғ а болады.
Қ азіргі автомобиль қ озғ алтқ ыштарында пайдаланып жү рген сұ йық жанар майдың екі тү рі бар: бірі бензин, ал екіншісі – дизельдік жанар май. Олардың қ ұ рамында негізінен ү ш тү рлі химиялық элементтер болады. Олар кө міртегі (С), сутегі (Н) жә не оттегі (О). Химиялық тотығ у реакциясы бойынша кө міртегінің 1 кг салмағ ына 8/3 кг оттегі, ал сутегінің 1 кг мө лшеріне 8 кг оттегі қ ажет болады екен. Ал сұ йық жанар май қ ұ рамындағ ы оттегі сырттан келген ауамен қ осылып, кө міртегі мен сутегін тотық тандыруғ а қ атынасады. Сондық тан, сұ йық жанар май жануы ү шін ауаның қ ұ рамынан тек оттегі ғ ана пайдаланылады, ал ауадағ ы оның мө лшері массасы бойынша шамамен 23, кө лемі бойынша – 20, 8 пайыз болады. Қ алғ аны азот пен кө мір қ ышқ ыл газынан тұ рады жә не олар тотық тандыру реакциясына қ атыспайды.
|
|
|
Енді осы айтылғ ан тотығ у реакциясы бойынша қ ажетті ауа мө лшерін анық тау керек, ол ү шін ауаның қ ажетті теориялық мө лшерін анық тау керек.
Олай болса
, кг (52)
, кмоль (53)
мұ ндағ ы – С, Н, Ое – сұ йық жанар май қ ұ рамындағ ы, осыларғ а сә йкес, кө міртегінің, оттегінің, сутегінің салмақ тық ү лестері. Қ азіргі қ олданылып жү рген сұ йық жанар майлар ү шін олардың шамалары мына тө мендегідей болады:
бензин ү шін – С = 0, 855 кг; Н = 0, 145 кг; Ое = 0 кг;
ал дизельдік жанар май ү шін – С = 0, 87 кг; Н = 0, 126 кг; Ое = 0, 004кг.
Осылайша ауаның қ ажетті теориялық мө лшерін есептесек бензин ү шін lo =15, 0 кг, ал дизельді жанар май ү шін lo = 14, 4 кг болады. Ал ауаның теориялық қ ажетті мө лшерін мольдік мө лшермен анық тау ү шін табылғ ан салмақ тық мө лшерді ауаның молекулярлық массасына бө лсек болғ аны, яғ ни бензин ү шін Lo =15/29=0. 517, дизельдік жанар май ү шін Lo = 14, 4 /29=0. 497 кмоль болады.
Іштен жанатын қ озғ алтқ ышта тү зелетін жанғ ыш жану қ оспасының қ ұ рамында ауа мө лшері іс жү зінде ауаның теориялық қ ажетті мө лшеріне тең, артық немесе кем болуы мү мкін. Сондық тан, да жануғ а қ атынасқ ан ауаның мө лшері мен ауаның теориялық қ ажетті мө лшерінің ара қ атынасын ауаның артық тық коэффициенті (α )деп атап, жану қ оспасының сапасын осы коэффициент арқ ылы бағ алап отырады. Сонда:
α =Lн / Lo, (54)
мұ ндағ ы Lн пен Lo - жануғ а қ атысқ ан нақ ты ауа мө лшері мен жануғ а қ ажетті ауаның теориялық мә ні.
Нақ ты ауа мө лшері қ ажетті ауаның теориялық мө лшеріне тең, яғ ни α =1 болса, мұ ндай қ осынды қ ұ рамын стехиометриялық деп атайды. Егер қ осындыда нақ ты ауа мө лшері оның теориялық мө лшерімен салыстырғ анда жеткіліксіз болса (α < 1), оны байытылғ ан қ осынды, егер артық болса (α > 1), сұ йытылғ ан қ осынды деп атайды.
|
|
|
Қ уаты сапалық ә діспен ө згертілетін дизельде α коэффициентінің орташа мә ні кү шсалмақ тә ртібіне сай кең ауқ ымда ө згереді (α > 1).
Қ уаты мө лшерлік ә діспен ө згертілетін қ озғ алтқ ышта α ө згеру ауқ ымы ондай кең емес, карбюраторлы қ озғ алтқ ышта қ олданылатын қ осындының қ ұ рамдық коэффициенті α =0, 8 ÷ 1, 2. Арнайы тұ тандыру жү йесі бар бензин қ озғ алтқ ышында (форкамералық ) жану қ оспасын α =1, 5 шамасына дейін сұ йылтуғ а болады.
Карбюраторлы қ озғ алтқ ыштың цилиндрі бензин буы мен ауадан тұ ратын қ осындымен толтырылады. Жану қ оспасының 1 кг отынғ а шағ ылғ ан жалпы мө лшері
, (55)
Мұ ндағ ы mжм – жанармайдың молекулалық массасы, кг /кмоль.
Іштей қ осынды тү зетін қ озғ алтқ ыш (дизель) цилиндріне толтыру барысында тек таза ауа ғ ана тү седі, сондық тан сығ ымдау барысының соң ындабү ркелетін отын кө лемін елемей, қ оспаның жалпы мө лшерін таза ауа бойынша есептейді
кмоль. (56)
Кө лемі 1 моль немесе 1 м3 газды жанар май ү шін
кмоль/кмоль немесе м3/м3.
1 кг кез-келген отын тү рі ү шін жану қ оспасының массасы
кг/кг. (57
Жанармай толық жанғ анда (α ≥ 1) жану ө німдері кө мірқ ышқ ыл газынан СО2, су буынан Н2О, артық оттегінен О2 жә не азоттан N2 (дизельдерде) тұ рада. Жану ө німдерінің жеке компоненттерінің мө лшерлері Мi:
кө мірқ ышқ ыл газынан СО2 (кмоль СО 2/кг жан. май) 
;
су буынан (кмольН2О /кг жан. май) 
;
оттегінің (кмоль О2/кг жан. май) 
;
азоттың (кмоль N2/кг жан. май) 
.
Ал, α ≥ 1 болғ андағ ы жанармайдың толық жанғ андағ ы жалпы жану ө німінің мө лшері М2 мына тең деуден анық талады:
(58)
Тексреру
, молей/кг. (59)
Жанармай толық жанбағ анда (α < 1) жану ө німдері кө міртегі тотығ ы СО, кө мірқ ышқ ыл газы СО2, су буынан Н2О, бос суутегі Н2, жә не азоттың N2 (карбюраторлы қ озғ алтқ ыштарда) қ оспаларынан тұ рады. Бұ л жағ дайда (α < 1) болғ анда жану ө німдерінің жеке компоненттерінің мө лшері Мi:
кө мірқ ышқ ыл газынан СО2 (кмоль СО2/кг жан. май)
(60)
кө міртегі тотығ ының (кмоль СО/кг жан. май) 
(61)
су буынан (кмольН2О /кг жан. май) 
(62)
оттегінің (кмоль О2/кг жан. май) 
(63)
азоттың (кмоль N2/кг жан. май) 
(64)
Мұ ндағ ы k – жану ө німдерінде болатын, сутегінің кө міртегі тотығ ына қ атынасына байланысты тұ рақ ты шама (бензин ү шін қ оспасының k=0, 45÷ 0, 50
Жанармай толық жанбағ андағ ы (α < 1 болғ анда) жалпы жану ө німдерінің мө лшері М2
. (65)
Тексеру
М2 
(66)
Жану қ оспасының (жаң а зарядтың ) молекулярлық ө згеруінің химиялық коэффициенті µо мына тең деумен анық талады
(67)
Жұ мыс қ оспасының (жану қ оспасы+қ алғ ан газдар) молекулярлық ө згеруінің нақ тылы коэффициенті
(68)
µ шамасының ө згеру шектері:
Карбюраторлы қ озғ алтқ ыштар ү шін........................ 1, 02÷ 1, 12.
Дизельдер ү шін............................................................ 1, 01÷ 1, 06.
|
|
|
