1. Рабочие тела для поршневых двигателей и их свойства

Рабочим телом называется вещество, состоящее из окислителя, топлива и продуктов его сгорания, при помощи которого осуществляется действительный цикл в тепловом двигателе.

В большей части тепловых двигателей рабочим телом является смесь, состоящая из различного вида топлива и атмосферного воздуха, основу которого составляют (по объему) 21 % кислорода (О₂) и 79 % азота (N₂), а так же ряд примесей. При осуществлении в тепловых двигателях действительного цикла рабочее тело претерпевает физические и химические изменения.

Окислитель или свежая смесь, поступающие за один цикл в ДВС и остающиеся в нем до начала сгорания, называют свежим зарядом. Поступивший в ДВС свежий заряд смешивается с остаточными газами от предыдущего цикла (продуктами сгорания) с образованием рабочей смеси, которая сгорает в процессе расширения, а при выпуске рабочим телом становятся продукты сгорания топлива.

Таким образом, при осуществлении цикла тепловые свойства рабочего тела изменяются в зависимости от температуры и состава рабочей смеси, что должно учитываться при расчете действительного цикла теплового двигателя.

1.1. Технические характеристики топлив

Низшая теплота сгорания топлива H_u меньше высшей теплоты сгорания топлива на величину теплоты парообразования влаги, имеющейся в топливе (W^р) или образующейся в результате сгорания водорода (9Н^р), находящегося в топливе. Связь между высшей и низшей теплотой сгорания для твердого и жидкого топлива определяется выражением:

,

где r = 25,11 кДж/кг – скрытая теплота парообразования воды при давлении 10 кПа (среднем парциальном давлении водяных паров в продуктах сгорания большинства энергетических установок).

Приближенно рабочая низшая теплота сгорания твердого и жидкого топлива (кДж/кг) может быть определена при помощи элементарного состава топлива по формуле Д.И. Менделеева:

.

Теплота сгорания газового топлива (кДж/м³) выражается через объемные доли (%) компонентов и определяется по формуле:

В ДВС с искровым зажиганием, работающих на бензине среднего состава, при расчетах принимают H_u = 43961 кДж/кг, а в дизелях при сгорании дизельного топлива среднего состава при расчетах принимают H_u = 42496 кДж/кг.

1.2. Материальный баланс при горении

При составлении материального баланса процессов горения твердого и жидкого топлив используются элементарные реакции окисления элементов, входящих в состав топлив:

С + О₂ = СО₂

12 + 32 = 44 кг - при полном сгорании углерода до СО₂;

2С + О₂ = 2СО,

24 + 32 = 56 кг - при сгорании углерода до СО;

2Н₂ + О₂ = 2Н₂О,

4 + 32 = 36 кг - при горении водорода;

При горении газообразного топлива объемы воздуха и продуктов сгорания относят к 1 м³ исходного газа. При сжигании газообразного топлива происходят следующие реакции горения:

- монооксида углерода:

2СО + О₂ = 2СО₂,

56 + 32 = 88 кг;

- непредельных углеводородов и метана, из которого в основном состоит природный газ:

СН₄ + О₂ = СО₂ + 2Н₂О

16 + 64 = 44 + 36 кг.

Балансы рассматриваемых реакций позволяют рассчитывать массовые расходы кислорода и количество продуктов реакции на единицу массы рассматриваемого элемента. Знание удельных весов (плотностей) газов дает возможность перейти от массовых единиц к объемным. Расчет обычно проводится для нормальных условий T_o = 273 К (t_o = 0 ^оС) и p_o = 0,1013 МПа (760 мм рт. ст.) и объемы газов выражают в м³.