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.

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 l и L 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 L (l), 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 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:

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

.

Рабочее тело и параметры его состояния

Рабочее тело в теплотехнике и термодинамике — это условное несменяемое материальное тело, расширяющееся при подводе к нему теплоты и сжимающееся при охлаждении и выполняющее работу по перемещению рабочего органа тепловой машины. В теоретических разработках рабочее тело обычно обладает свойствами идеального газа.

Рабочее тело тепловых двигателей — это продукты сгорания углеводородного топлива (бензина, дизельного топлива и др.), или водяной пар, имеющие высокие термодинамические параметры (начальные: температура, давление, скорость и т. д.).

Рабочее тело в ракетостроении — это отбрасываемое от ракеты с целью получения импульса тяги вещество. Например, в электрическом ракетном двигателе рабочим телом является ионизированное расходуемое вещество (например, ксенон).

Рабочее тело в лазерной технике — это оптический элемент лазера, в котором происходит формирование когерентного электромагнитного излучения.

Всякая тепловая машина приводится к движение вследствие происходящего в ней изменения состояния вещества, называемого рабочим телом или рабочим агентом.

Термодинамическая система — это совокупность тел, находящихся в тепловом и механическом взаимодействии друг с другом и окружающей средой.

Рабочее тело определяет тип и назначение тепловой машины. Так у паровой машины рабочим телом является водяной пар, у поршневых двигателей внутреннего сгорания и газотурбинных двигателей — продукты сгорания топлива, у компрессоров холодильных машин рабочим агентом является пар аммиака, фреона и т. д. Для расчета термодинамического анализа работы тепловой машины необходимо знать термодинамические свойства рабочего тела.

Наиболее эффективными рабочими телами для тепловых машин являются газы и пары, обладающие наибольшим коэффициентом объемного расширения.

В технической термодинамике в качестве рабочего тела принимается идеальный газ — условное газообразное вещество, силами взаимодействия между молекулами которого пренебрегают.

В реальных же газах учитываются силы притяжения между молекулами, а молекулы имеют объем. Если реальные газы сильно разряжены, их свойства близки к свойствам идеального газа.

В качестве идеальных газов могут рассматривать такие газы, как азот, гелий, водород.

В общем случае для теплотехнических расчетов вполне допустимо распространение свойств идеального газа на все рассматриваемые газы. Это позволяет упростить математические выражения законов термодинамики.

Очевидно, что одно и то же вещество при различных условиях может находиться в различных состояниях.

Для того чтобы определить конкретные физические условия, при которых рассматривается данное вещество и тем самым однозначно определить его состояние, вводятся параметры состояния вещества.

Параметры состояния газа — это величины, характеризующие данное состояние газа.

К параметрам состояния газа относятся:

• абсолютная температура
• абсолютное давление
• удельный объем
• внутренняя энергия
• энтропия
• энтальпия
• и др.

Абсолютная температура, абсолютное давление и удельный объем являются основными параметрами газообразного вещества.

Рабочее тело и его свойства

Рабочим телом называется вещество, при помощи которого осуществляется действительный рабочий цикл двигателя. Для двигателей внутреннего сгорания рабочее тело состоит из атмосферного воздуха, топлива и продуктов его сгорания.

Теплота, необходимая для осуществления рабочего цикла поршневого двигателя внутреннего сгорания, выделяется при химических реакциях сгорания топлива непосредственно в цилиндре двигателя.

Физико-химические свойства топлив, применяемых в автомобильных двигателях, должны отвечать определенным требованиям, зависящим от типа двигателя, особенностей его конструкции, параметров рабочего процесса и условий эксплуатации. Состав топлива и его параметры в соответствии с заданием принимаются по таблицам 2.1 и 2.2.

Таблица 2.1 – Зависимость октанового числа бензина от степени сжатия автомобильного двигателя

Таблица 2.2 — Ассортимент марок дизельного топлива

Принимается элементарный состав топлива по таблице 2.3

Таблица 2.3 – Химический состав автомобильных топлив

Выбранный состав топлива отвечает условию

.

При тепловом расчёте ДВС пользуются значением низшей теплоты сгорания топлива, под которой понимается количество теплоты, выделяемое при полном сгорании топлива без учета теплоты конденсации водяных паров. Низшая теплота сгорания Н_uв кДж/кг определяется по формуле Д.И. Менделеева

где S и W – массовые доли серы и влаги в топливе.

В расчетах принимается S = 0, W = 0.

2.1.2 Горючая смесь

Для приготовления горючей смеси используется топливо и воздух. В двигателях с искровым зажиганием горючая смесь, приготовленная из мелко-распыленного топлива и воздуха в карбюраторе, поступает в цилиндр в процессе впуска. В дизеле топливовоздушная смесь образуется в камере сгорания за время впрыска топлива в конце процесса сжатия и в течение процесса сгорания.

Для полного сгорания топлива необходимо определенное количество воздуха, которое называется теоретически необходимым, и определяется по элементарному составу топлива в кг возд/кг топл.

или в кмоль возд/кг топл

В зависимости от условий работы двигателя на каждую единицу топлива приходится количество воздуха, большее или меньшее теоретически необходимого. Отношение действительного количества воздуха, участвующего в сгорании 1 кг топлива, к теоретически необходимому количеству воздуха называется коэффициентом избытка воздуха.

Действительное количество воздуха L в кмоль возд/кг топл определяется по формуле

где α — коэффициент избытка воздуха.

Значение коэффициента α зависит от типа смесеобразования, условий воспламенения и сгорания топлива, а также от режима работы двигателя.

Для различных двигателей при номинальной мощности принимаются следующие значения α:

— карбюраторные двигатели 0,85…0,98;

— дизельные двигатели 1,3…1,7;

— дизели с наддувом 1,5…2,0.

Уменьшение коэффициента избытка воздуха двигателей до возможных пределов уменьшает размеры цилиндра и, следовательно, повышает литровую мощность дизеля, но одновременно с этим значительно возрастает теплонапряжённость двигателя, особенно деталей поршневой группы, увеличивается дымность отработавших газов.

Количество горючей смеси М₁в кмоль гор.см/кг топл определяется по формуле

где m_Т – молекулярная масса паров топлива, г/моль.

Величина m_Т выбирается по таблице 2.3.

2.1.3 Продукты сгорания

Количество продуктов сгорания для карбюраторных двигателей определяется по формуле (2.7), а для двигателей с воспламенением от сжатия по формуле (2.13).

При неполном сгорании топлива (при α 1,0) продукты сгорания состоят из углекислого газа СО₂, водяного пара Н₂О, избыточного кислорода О₂и азота N₂.

Общее количество продуктов полного сгорания М₂ в кмоль пр.сг/кг топл определяется по формуле

Количество отдельных составляющих продуктов сгорания в кмоль пр.сг/кг топл определяются по следующим формулам:

,

,

,

.

Для жидкого топлива количество молей продуктов сгорания всегда больше, чем количество молей горючей смеси. Это происходит вследствие химических реакций распада молекул топлива при сгорании и образования новых молекул.

Изменение количества молей рабочего тела при сгорании в ∆М в кмоль /кг топл определяется по формуле

Относительное изменение количества молей при сгорании горючей смеси характеризуется химическим коэффициентом молекулярного изменения горючей смеси , который определяется по формуле