Рабочие тела и их свойства

В поршневых двигателях внутреннего сгорания рабочее тело состоит из окислителя, топлива и продуктов его сгорания. Окислителем для большинства двигателей служит атмосферный воздух, содержащий 21 % (по объему) кислорода и 79 % инертных газов, в основном азота. При реализации цикла рабочее тело претерпевает физические и химические изменения. В зависимости от типа двигателя, в период впуска в цилиндр поступает либо воздух, либо горючая смесь, состоящая из газообразного или жидкого топлива и воздуха. Воздух или горючую смесь, поступающие в цилиндр и остающиеся в нем к моменту начала сжатия, называют свежим зарядом. В процессе сжатия в цилиндре находится смесь свежего заряда с остаточными газами, которая называется рабочей. В процессе расширения и выпуска рабочим телом являются продукты сгорания топлива.

При расчете рабочего цикла двигателя необходимо знать низшую теплоту сгорания топлива, которая зависит от композиционного состава топлива и количественного соотношения элементов, составляющих его горючую часть. Подвод теплоты к рабочему телу в действительном цикле осуществляется в результате сгорания топлива непосредственно в цилиндре двигателя, что предъявляет определенные требования к физическим и химическим свойствам топлива, которые приведены в таблице 2.1.

Таблица 2.1

Характеристики жидких топлив для двигателей внутреннего сгорания

Сгорание топлива в цилиндрах двигателя протекает согласно следующим реакциям:

; .

Количество кислорода, необходимое для полного сгорания топлива, можно подсчитать следующим образом:

Для топлива, имеющего состав по весу:

весовое количество кислорода, необходимое для полного сгорания 1 кг топлива, составит:

,или

или, исчисляя в кмоль,

.

При расчете состав сухого атмосферного воздуха принимают равным: в % по весу О – 23, N – 77, а в % по объему О – 21, N – 79.

Тогда теоретически необходимое количество сухого атмосферного воздуха для полного сгорания 1 кг жидкого топлива может быть определено по следующим формулам:

В весовом выражении

В молярном выражении

.

Связь между l₀ и L₀ имеет вид:

.

Сгорание топлива в двигателе обычно происходит при некотором недостатке или некотором избытке воздуха по сравнению с теоретически необходимым количеством.

Отношение количества воздуха L (l) в горючей смеси к количеству воздуха L₀ (l₀), которое необходимо для полного сгорания топлива, называется коэффициентом избытка воздуха:

При работе двигателя состав горючей смееи изменяется. Горючую смесь принято называть нормальной, если α = 1, бедной, если α > 1 и богатой, если α < 1.

Коэффициент избытка воздуха находится в следующих пределах: для карбюраторных двигателей α = 0.8–1.3, для дизельных – α = 1.2 – 5.

Количество свежего заряда, приходящегося на 1 кг топлива, составляет:

для карбюраторного двигателя

[кг воздуха / кг топл.]

или

[кмоль воздуха / кг топл.],

где т_Т – молекулярная масса топлива.

Для дизельного двигателя

[кг воздуха / кг топл.]

или

[кмоль воздуха / кг топл.].

Молекулярная масса автомобильного бензина т_Т =114. Поэтому величиной обычно пренебрегают.

В конце сжатия перед сгоранием цилиндр двигателя заполнен рабочей смесью, количество которой равно:

,

где М_r - количество кмолей остаточных газов.

Отношение количества остаточных газов к действительному количеству свежего заряда называется коэффициентом остаточных газов:

.

Подставив выражение в выражение для М_а, получим:

.

Процесс сгорания сопровождается тепловыми потерями. Часть тепла в процессе сгорания передается в охлаждающую среду через стенки цилиндра. Часть топлива проникает в картер через неплотности поршневых колец. Из-за недостатка времени и несовершенства смесеобразования часть топлива не успевает сгореть и догорает во время расширения. В то же время под влиянием высоких температур происходит расщепление молекул Н₂О и CO₂ продуктов сгорания, расщеплению сопутствует поглощение тепла.

Коэффициентом использования тепла называется часть теплотворной способности топлива, которая действительно используется для повышения энергии газов при сгорании:

,

где: h_u – низшая теплотворная способность топлива;

Δ Q – потери тепла в процессе сгорания.

Коэффициент использования тепла всегда меньше единицы. Он тем выше, чем совершеннее смесеобразование, выше скорость распространения пламени, короче промежуток времени, затрачиваемый на сгорание.

Коэффициент использования тепла, в зависимости от режима работы двигателя, изменяется в карбюраторных двигателях в пределах 0.85–0.95, в дизельных от 0.7 до 0.9.

При полном сгорании жидкого топлива, когда α≥ 1, образуются следующие основные продукты сгорания: CO₂ и Н₂О – продукты полного сгорания углерода и водорода, содержащихся в топливе, N₂ – азот воздуха и O₂ – свободный кислород воздуха.

Суммарное количество продуктов сгорания 1 кг топлива равно:

.

Подставив в правую часть уравнения значения слагаемых:

получим:

В процессе сгорания происходит увеличение количества кмоль газов.

.

Это увеличение зависит от состава топлива и коэффициента избытка воздуха.

Для карбюраторных ДВС

Для дизельных ДВС

Отношение количества кмоль продуктов сгорания М₂ к количеству кмоль смеси до сгорания М₁ называется коэффициентом молекулярного изменения.

В зависимости от того, учитывается ли при вычислении коэффициента молекулярного изменения количество остаточных газов или нет, различают коэффициент молекулярного изменения горючей смеси

и коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси.

или .

Следовательно, у карбюраторных и дизельных двигателей коэффициент молекулярного изменения всегда больше единицы.

Увеличение количества кмолей газов при сгорании, оцениваемое коэффициентом молекулярного изменения, вызывает увеличение полезной работы при расширении продуктов сгорания в цилиндре, что повышает мощность двигателя. Следовательно, чем выше коэффициент молекулярного изменения, тем больше мощность, развиваемая двигателем.

Средняя мольная изохорная теплоемкость заряда в конце сжатия для карбюраторных и дизельных двигателях может быть определена по следующей формуле:

кДж/кмоль ·К.

Средняя молекулярная теплоемкость продуктов сгорания определяется по формуле (кДж/кмоль К):

процесс сгорания при V = const

;

процесс сгорания при p = const

.