Жану барысы қозғалтқыштың кіргізу мен ұлғаю барысының аралығында болады. Бұл кезде цилиндр ішінде өте күрделі құбылыстар пайда болады және олардың құбылу заңдылықтары да әртүрлі әдістер арқылы жүреді. Мысалы, карбюраторлы қозғалтқыштарда піспек ЖӨН-ге келген кезде, жану қоспасы бірден жанып бітеді де жану барысы газдың тұрақты көлемінде орын алады, яғни изохоралық барыс бойынша өтеді. Ал дизельді қозғалтқыштарда бұл барыс піспек ЖӨН-ге жеткенше жану қоспасының бір бөлігі жанады да, содан соң піспек ЖӨН-нен өтіп кеткеннен соң жану қоспасының қалған бөлігі жанады. Сөйтіп, дизельді қозғалтқыштарда жану барысы алды изохоралық барыстың, содан соң изобаралық барыстың заңдылығы бойынша жүреді. Олай болса жану барысы кезіндегі газдың көрсеткіштерін осы құбылыстарды есепке ала отырып анықтау қажет болады.
Карбюраторлы қозғалтқыштың индикаторлық диаграммасында жану барысының үш фазасын көрсетуге болады (8 сурет):
Ι фаза – бастапқы кезең ішінде піспек ЖӨН-ге шамалы жетпей тұрып (1 нүкте 8 сурет) ұшқыннан шағын ғана алғашқы жану ошағы пайда болады (шақпақ электродтары аралығында).
II фаза – негізгі екінші кезең ауқымында 2 нүктеден 3 нүтеге дейін алғашқы жану ошағы турбуленттік жалынға айналып, откамера көлемін түгелге жуық қамтиды (жану жылдамдығы 20-40 м/с) және қысым тез артады. Бұл фазаның ұзақтығы 20–30о айналу бұрышын түзеді.
III фаза – аяқталу кезеңінде, ұлғаю барысындағы 3 нүктеден 4 нүтеге дейін откамера бетінің қапталындағы, түрлі қалтарыстағы және жалын пердесінің артындағы жанып бітпеген қосынды жанады.
Сурет 8 – Иінді біліктің айналу бұрышына байланысты карбюратолы қозғалтқыштың индикаторлық диаграммасы
Бұл барыс фазаларының өту уақыты Тф мына формула арқылы анықталынады:
Τф =∆φ/ 6n, (43)
мұндағы ∆φ – иінді біліктің айналу бұрышы, градус; n – иінді біліктің айналу жиілігі, мин-1.
Дизельдегі жану барысы төрт кезеңде өтеді (9 сурет):
1. Тұтанудың кідіріс мерзімі 1 нүктеде жанармай бүркілген сәтінде басталады және 2 нүктеде тұтану сәті басталуы кезінде аяқталады. Индукция кезеңінде бүркілген жанармай тамшыларының қызуы кезінде жылу жұтылатын болғандықтан қысым біршама төмендейді. Бұл кезде жанармай бөлшектері тұтану температурасына дейін қызады және жану ошақтары пайда болады.
2. Жедел жану кезеңі 2 нүктеде басталып 3 нүтеде бітеді. От жалыны 20-40 м/с жылдамдықпен тарайды, қысым тез артады және жылу көп бөлінеді.
3. Жылу бөліну қарқыны айтарлықтай өзгермейтін тұрақты қысыммен жану кезеңі 3 нүктеде басталып 4 нүтеде аяқталады. 3 нүктеде жанармай әлі де цилинрдр ішіне қалың от ортасына бүркіледі. Сондықтан ол цилиндр ішінде жиналмай, бірден жанып кетеді. Қысым өзгермейтін себебі, 3 нүктеден бастап піспек төмен қарай жылжи бастайды.
4. Жанудың диффузиялық түрде аяқталу кезеңі 4 нүтеден кейін жалғасады (9 суреттегі 4-5 сызығы). Ұлғаю сызығы бойымен диссоциация өнімі жанады, олар карбюраторлы қозғалтқыштарға қарағанда дизельді қозғалтқышта біршама аз болады, себебі 4 нүктеде температура 2300 оК тең, ал ол 5 нүктенікінен әлдеқайда төмен.
Нақты цикл барыстарын есептеп талдау үшін қажет газдың химиялық құрамы мен мөлшерін жанармай құрамындағы элементтердің түпкілікті химиялық тотығу реакциясы бойынша анықтайды.
Мөлшері 1 кг жанармайдағы негізгі элементтердің – көміртегі С мен сутегінің Н, сондай-ақ отын құрамындағы еріген оттегінің О массалық үлесін олардың таңбалары арқылы белгілей отырып, төмендегідей теңдеу жазуға болады
С+Н+Ое=1 кг. (44)
Көміртегі мен сутегінің химиялық тотығу реакциясы 1 кг отынның толық жануы үшін оттегінің теориялық тұрғыдан қажетті мөлшері мен жану нәтижесінде түзелетін заттардың көлемін есептеп шығаруға мүмкіндік береді.
Сурет 9 – Дизельді қозғалтқыштардағы жану барысының фазалары
Органикалық отынның толық жануы, яғни химиялық тотығу реакциясы көмірқышқыл газы мен су буын түзеді.
С+О2= СО2 және 2Н2+О2=2Н2О. (45)
Ауа жетіспеген жағдайда көмертегі жану кезінде улы газ пайда болады, яғни
2С + О2 = 2СО.
Осы теңдеулер негізінде элементтердің молекулалық массасын ескере отырып, реакцияға дейінгі және реакциядан кейін түзелетін заттардың массалық мөлшерін анықтауға болады:
С кг көміртегі үшін
(46)
Н кг сутегі үшін
( 47)
Киломольмен есептегенде
(48)
(49)
Массасы 1 кг сұйық отынның толық жануы үшін оттегінің теориялық тұрғыдан қажетті мөлшері
(50)
немесе
(51)
мұндағы Ое – отын құрамындағы ерітінді оттегі.
Жану барысы ауа мен сұйық жанар майдың араласу сапасына байланысты жүреді. Ал олардың араласу сапасы әрқайсысының араласуға қатысатын мөлшеріне тікелей тәуелді. Ауа мен жанар май араласып жану кезінде химиялық тотықтану реакциясы жүреді, ал сол реакцияға түсетін әрбір химиялық элемент тиісті мөлшермен ғана реакцияға түсе алады. Сондықтан, алдымен, сұйық жанар майдың бір мөлшері жануы үшін қанша ауа қажет болатындығын анықтау қажет. Оны ауаның қажетті теориялық мөлшері (Lo) деп атайды. Оның мәнін жанар май құрамындағы химиялық элементтердің мөлшеріне қарай анықтауға болады.
Қазіргі автомобиль қозғалтқыштарында пайдаланып жүрген сұйық жанар майдың екі түрі бар: бірі бензин, ал екіншісі – дизельдік жанар май. Олардың құрамында негізінен үш түрлі химиялық элементтер болады. Олар көміртегі (С), сутегі (Н) және оттегі (О). Химиялық тотығу реакциясы бойынша көміртегінің 1 кг салмағына 8/3 кг оттегі, ал сутегінің 1 кг мөлшеріне 8 кг оттегі қажет болады екен. Ал сұйық жанар май құрамындағы оттегі сырттан келген ауамен қосылып, көміртегі мен сутегін тотықтандыруға қатынасады. Сондықтан, сұйық жанар май жануы үшін ауаның құрамынан тек оттегі ғана пайдаланылады, ал ауадағы оның мөлшері массасы бойынша шамамен 23, көлемі бойынша – 20,8 пайыз болады. Қалғаны азот пен көмір қышқыл газынан тұрады және олар тотықтандыру реакциясына қатыспайды.
Енді осы айтылған тотығу реакциясы бойынша қажетті ауа мөлшерін анықтау керек, ол үшін ауаның қажетті теориялық мөлшерін анықтау керек.
Олай болса
, кг (52)
, кмоль (53)
мұндағы – С , Н , Ое – сұйық жанар май құрамындағы, осыларға сәйкес, көміртегінің, оттегінің, сутегінің салмақтық үлестері. Қазіргі қолданылып жүрген сұйық жанар майлар үшін олардың шамалары мына төмендегідей болады:
бензин үшін – С = 0,855 кг; Н = 0,145 кг; Ое = 0 кг;
ал дизельдік жанар май үшін – С = 0,87 кг; Н = 0,126 кг; Ое = 0,004кг.
Осылайша ауаның қажетті теориялық мөлшерін есептесек бензин үшін lo =15,0 кг, ал дизельді жанар май үшін lo = 14,4 кг болады. Ал ауаның теориялық қажетті мөлшерін мольдік мөлшермен анықтау үшін табылған салмақтық мөлшерді ауаның молекулярлық массасына бөлсек болғаны, яғни бензин үшін Lo =15/29=0.517, дизельдік жанар май үшін Lo = 14,4 /29=0.497 кмоль болады.
Іштен жанатын қозғалтқышта түзелетін жанғыш жану қоспасының құрамында ауа мөлшері іс жүзінде ауаның теориялық қажетті мөлшеріне тең, артық немесе кем болуы мүмкін. Сондықтан, да жануға қатынасқан ауаның мөлшері мен ауаның теориялық қажетті мөлшерінің ара қатынасын ауаның артықтық коэффициенті (α) деп атап, жану қоспасының сапасын осы коэффициент арқылы бағалап отырады. Сонда:
α =Lн / Lo, (54)
мұндағы Lн пен Lo — жануға қатысқан нақты ауа мөлшері мен жануға қажетті ауаның теориялық мәні.
Нақты ауа мөлшері қажетті ауаның теориялық мөлшеріне тең, яғни α =1 болса, мұндай қосынды құрамын стехиометриялық деп атайды. Егер қосындыда нақты ауа мөлшері оның теориялық мөлшерімен салыстырғанда жеткіліксіз болса (α <1), оны байытылған қосынды, егер артық болса (α >1), сұйытылған қосынды деп атайды.
Қуаты сапалық әдіспен өзгертілетін дизельде α коэффициентінің орташа мәні күшсалмақ тәртібіне сай кең ауқымда өзгереді (α >1).
Қуаты мөлшерлік әдіспен өзгертілетін қозғалтқышта α өзгеру ауқымы ондай кең емес, карбюраторлы қозғалтқышта қолданылатын қосындының құрамдық коэффициенті α =0,8 ÷ 1,2. Арнайы тұтандыру жүйесі бар бензин қозғалтқышында (форкамералық) жану қоспасын α =1,5 шамасына дейін сұйылтуға болады.
Карбюраторлы қозғалтқыштың цилиндрі бензин буы мен ауадан тұратын қосындымен толтырылады. Жану қоспасының 1 кг отынға шағылған жалпы мөлшері
, (55)
Мұндағы mжм – жанармайдың молекулалық массасы, кг /кмоль.
Іштей қосынды түзетін қозғалтқыш (дизель) цилиндріне толтыру барысында тек таза ауа ғана түседі, сондықтан сығымдау барысының соңындабүркелетін отын көлемін елемей, қоспаның жалпы мөлшерін таза ауа бойынша есептейді
кмоль. (56)
Көлемі 1 моль немесе 1 м3 газды жанар май үшін
кмоль/кмоль немесе м3/м3.
1 кг кез-келген отын түрі үшін жану қоспасының массасы
кг/кг. (57
Жанармай толық жанғанда (α≥1) жану өнімдері көмірқышқыл газынан СО2, су буынан Н2О, артық оттегінен О2 және азоттан N2 (дизельдерде) тұрада. Жану өнімдерінің жеке компоненттерінің мөлшерлері Мi:
көмірқышқыл 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 болғандағы жанармайдың толық жанғандағы жалпы жану өнімінің мөлшері М2 мына теңдеуден анықталады:
(58)
Тексреру
, молей/кг. (59)
Жанармай толық жанбағанда (α<1) жану өнімдері көміртегі тотығы СО, көмірқышқыл газы СО2, су буынан Н2О, бос суутегі Н2, және азоттың N2 (карбюраторлы қозғалтқыштарда) қоспаларынан тұрады. Бұл жағдайда (α<1) болғанда жану өнімдерінің жеке компоненттерінің мөлшері Мi:
көмірқышқыл газынан СО2 (кмоль СО2/кг жан.май)
(60)
көміртегі тотығының (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)
Мұндағы k – жану өнімдерінде болатын, сутегінің көміртегі тотығына қатынасына байланысты тұрақты шама (бензин үшін қоспасының k=0,45÷0,50
Жанармай толық жанбағандағы (α<1 болғанда) жалпы жану өнімдерінің мөлшері М2
. (65)
Тексеру
М2 (66)
Жану қоспасының (жаңа зарядтың) молекулярлық өзгеруінің химиялық коэффициенті µо мына теңдеумен анықталады
(67)
Жұмыс қоспасының (жану қоспасы+қалған газдар) молекулярлық өзгеруінің нақтылы коэффициенті
(68)
µ шамасының өзгеру шектері:
Карбюраторлы қозғалтқыштар үшін ……………………1,02÷1,12.
Дизельдер үшін…………………………………………………… 1,01÷1,06.