1.3. Реакции горения и продукты сгорания топлива

Сгорание топлива с теоретически необходимым количеством воздуха является частным случаем сгорания. В зависимости от способа регулирования мощности, условий работы ДВС (скоростной и нагрузочный режимы), способа смесеобразования и условий сгорания топлива соотношение количества топлива и воздуха может изменяться.

Количество воздуха L, находящееся в свежем заряде, может быть больше или меньше стехиометрического количества воздуха L_о для сжигания 1 кг топлива, поэтому отношение действительного количества воздуха L к стехиометрическому L_о называют коэффициентом избытка воздуха, который получают по формуле:

. (1.1)

При α = 1,0 (стехиометрические смеси) в действительном процессе сгорания все топливо обычно не может полностью сгореть до конечных продуктов окисления, поскольку невозможно получить полностью совершенную горючую смесь, в которой каждая частичка топлива была бы обеспечена требуемым для ее сгорания количеством О₂.

В некоторых тепловых двигателях, например в ДВС с искровым зажиганием, возможно сгорание топлива при α < 1,0, при котором топливо окисляется частично, и ДВС работает с максимальной мощностью, но с ухудшением экономических показателей по сравнению с работой на стехиометрических смесях (α = 1).

Сгорание, при котором все горючие части топлива превращаются в конечные продукты окисления, называют полным сгоранием топлива, которое теоретически возможно только при α > 1. Если при полном сгорании топлива в продуктах сгорания полностью отсутствует О₂, то такой процесс сгорания называют совершенным. При таком сгорании ДВС работают с наилучшей экономичностью, но мощность их ухудшается по сравнению с работой на смесях с α = 1,0.

1.3.1. Полное сгорание топлива при ,0

Количество воздуха, которое теоретически необходимо для сгорания топлива массой 1 кг и состава С + Н + О = 1, выражают стехиометрическим соотношением в киломолях (кмоль/кг):

, (1.2)

где С, Н и О – массовые доли углерода, водорода и кислорода в молекуле топлива, соответственно.

Поскольку воздух принимают состоящим из 0,21 объемных частей О₂ и 0,79 объемных частей N₂, формулу (1.2) можно преобразовать в выражение:

(1.3)

где - топливный коэффициент Бунте, являющийся величиной, которая пропорциональна отношению количества О₂, затрачиваемого на сгорание Н₂, к количеству О₂, расходуемого на сгорание углерода (С). Надо иметь в виду, что, если в топливе содержится О₂, то он расходуется на окисление Н₂. Для учета свободного кислорода, находящегося в топливе, делается предположение, что он связан с водородом, находящимся в топливе, поэтому содержание свободного водорода будет . При этом пренебрегают небольшим количеством N₂ и S в топливе. Для топлив нефтяного происхождения β = 0,33 – 0,42. Для некоторых других топлив значения β при максимальных значениях СО₂, образующегося при сгорании стехиометрических смесей (α = 1,0), показаны в табл. 1.1.

Таблица 1.1

Значения СО₂ и β для некоторых топлив

Топливо	СО2, %	β
Водород	0	∞
Метан	11,7	0,790
Мазут	16,0	0,330
Антрацит	20,4	0,033
Углерод	21	0
Древесина	20,4	0,03
Оксид углерода	34,7	- 0,315
Диоксид углерода	100	- 0,790

Для каждого химического соединения вида С_nH_mO_r, входящего в состав газообразного топлива, реакцию полного сгорания можно представить в виде выражения:

. (1.4)

Из выражения (1.4) для количества воздуха (в кмоль или м³), теоретически необходимого (стехиометрического) для сгорания 1 кмоль или 1 м³ газообразного топлива состава получим формулу:

. (1.5)

В ДВС с внешним смесеобразованием горючая смесь состоит из воздуха и испарившегося топлива. Если обозначить молярную массу топлива μ_Т, то количество горючей смеси М₁ в кмоль на 1 кг топлива можно получить из выражения:

, (1.6)

где μ_Т, кг/кмоль – молярная масса топлива (бензина).

В газовых двигателях горючая смесь состоит из воздуха и газообразного топлива, поэтому количество горючей смеси в кмоль (м³) на 1 кмоль (м³) газа будет:

. (1.7)

В двигателях с внутренним смесеобразованием и воспламенением от сжатия (дизелях) можно пренебречь объемом жидкого топлива μ_Т, впрыскивание которого начинается в конце хода сжатия (дизель), по сравнению с объемом воздуха в смеси, и выражение (1.6) получаем в виде:

. (1.8)

Продукты полного сгорания топлива при сгорании смеси α > 1 состоят из диоксида углерода (СО₂), водяного пара (Н₂О), О₂ и N₂, поступившего с воздухом.

Для 1 кг жидкого топлива, указанного ранее элементарного состава, количество этих компонентов продуктов сгорания в кмоль выражают в виде:

(1.9)

Общее количество продуктов сгорания в кмоль определяют как сумму М₂ = + + + и, исходя из (1.9), получаем:

(1.10)

или

(1.11)

где - избыточное количество воздуха, находящегося в продуктах сгорания, а М_о, кмоль - количество продуктов сгорания, получающихся при сгорании 1 кг топлива принятого состава с теоретически необходимым (стехиометрическим ,0) количеством воздуха, определятся по выражению:

. (1.12)

Выражение (1.11) показывает, что продукты сгорания топлива при различных значениях α можно рассматривать как смесь одного и того же количества продуктов сгорания при ,0 с тем или иным количеством избыточного воздуха.

Если принять, что масса продуктов сгорания остается равной сумме масс воздуха и топлива до сгорания (в общем случае ), то изменение объема смеси при сгорании происходит вследствие изменения числа молекул газообразных продуктов по сравнению с числом молекул горючей смеси до сгорания.

Изменение количества рабочего тела при сгорании определяется как разность:

, (1.13)

тогда для двигателей с воспламенением от сжатия путем подстановки в (1.13) выражений (1.8) и (1.10) получим:

, (1.14)

а для двигателей с внешним смесеобразованием, подставляя в (1.13) выражения (1.8) и (1.6), получим:

. (1.15)

Из выражений (1.13) и (1.14) можно сделать следующие выводы:

- изменение объема при сгорании не зависит от коэффициента избытка воздуха α;

- при сгорании жидкого топлива объем продуктов сгорания всегда больше объема горючей смеси.

Содержание О₂ и Н₂ в жидком топливе влияет на величину . Кислород (объем в топливе не значителен) при переходе в газообразное состояние увеличивает объем на кмоль. При сгорании водорода образуются пары воды, объем которых в два раза больше объема кислорода, необходимого для сгорания водорода, следовательно, объем продуктов сгорания увеличивается на кмоль. Относительное изменение объема при сгорании горючей смеси характеризуется коэффициентом молекулярного изменения свежей смеси μ_о, который является отношением количества продуктов сгорания к количеству горючей смеси до ее сгорания, т.е. определяется по формуле:

. (1.16)

После подстановки выражений (1.5), (1.8), (1.14) и (1.15) в формулу (1.16) получим для случая полного сгорания жидкого топлива при :

- в двигателях с внешним смесеобразованием выражение:

; (1.17)

- в двигателях с воспламенением от сжатия выражение:

. (1.18)

При проведении расчетов принято считать массовые доли:

- для бензина С = 0,855, Н = 0,145 и μ_Т = 115 кг/кмоль;

- для дизельного топлива С = 0,87, Н = 0,126, О = 0,004 и μ_Т = 180 - 200 кг/кмоль.

На рис. 1.1 показано изменение для бензина и этилового спирта (рис. 1.1а), а для дизельного топлива (рис. 1.1б).

Рис. 1.1. Изменение :

а – бензин – 1, этиловый спирт – 2; б – дизельное топливо

Согласно формулам (1.17) и (1.18), коэффициент μ_о > 1 изменяется в зависимости от α по гиперболическому закону, уменьшаясь при его увеличении и асимптотически приближаясь к единице. Увеличение объема смеси, который характеризуется величинами и μ_о, при сгорании жидкого топлива является положительным фактором, поскольку полезная работа газов при расширении продуктов сгорания возрастает.

Продукты сгорания газообразного топлива.

Для определения количества различных составляющих в продуктах сгорания газообразного топлива используют выражение (1.5), которое позволяет определить количество СО₂ и Н₂О, получаемое при сгорании различных соединений вида C_nH_mO_r.

Количество в кмоль (м³) отдельных компонентов полного сгорания 1 кмоль (м³) газообразного топлива при определяют по выражениям:

(1.19)

.

Из выражений (1.19) определяем общее количество продуктов сгорания:

. (1.20)

Поскольку , то (1.20) преобразуется в выражение:

, (1.21)

или в выражение:

, (1.22)

где М_о – количество продуктов сгорания, образующееся при сгорании 1 кмоль газового топлива при α = 1,0, а - количество воздуха, находящегося в продуктах сгорания газового топлива при данном .

Изменение объема при сгорании 1 кмоль (1 м³) газового топлива определяется по выражению:

. (1.23)

Таким образом, сгорание газообразного топлива отличается от сгорания жидкого топлива в следующем:

- возможно как уменьшение, так и увеличение объема продуктов сгорания по сравнению с объемом смеси до сгорания;

- изменение объема продуктов сгорания зависит от природы входящих в топливо углеводородов, их количества и соотношения углеводородов (C_nH_m), водорода и оксида углерода (СО).

Если в соединении вида число атомов водорода m < (4 – 2r), то изменение объема < 0, т.е. при сгорании произойдет уменьшение объема рабочего тела. При m > (4 – 2r) получим > 0 и увеличение объема рабочего тела.

Таким образом, коэффициент молекулярного изменения μ_о для газового топлива, согласно формулы (1.15), может быть как , так и .

1.3.2. Неполное сгорание жидкого топлива при α < 1,0

Несовершенным сгоранием называют такое сгорание, при котором горючая часть топлива превращается в конечные продукты окисления не полностью и в продуктах сгорания остается неиспользованный О₂. В тепловых двигателях в той или иной степени сгорание несовершенно.

Сгорание топлива, при котором часть его горючих составляющих превращается в продукты неполного окисления, называют неполным сгоранием.

Причинами неполного сгорания являются:

- общий недостаток кислорода в горючей смеси (α < 1);

- местный недостаток кислорода в зоне горения;

- недостаточность времени для сгорания переобедненной смеси c α > 1.

Неполное сгорание углеводородных топлив в результате общего недостатка кислорода возможно при горении богатых смесей с α < 1, на которых обеспечивается максимальная мощность двигателя. В этом случае продукты сгорания содержат диоксид углерода (СО₂), оксид углерода (СО), пары воды (Н₂О), водород (Н₂), азот (N₂) и его оксиды, углеводороды (С_nH_m), небольшое количество кислорода (О₂), а также др. веществ, содержащихся в топливе и воздухе.

Анализ продуктов сгорания показал, что отношение содержания Н₂ к содержанию СО не зависит от α и может быть принято для данного топлива постоянным, т.е. мы имеем соотношение:

, (1.24)

которое зависит от отношения в топливе.

Для бензинов при = 0,17 - 0,19 принимают К = 0,45 - 0,5, а для природных газов К = 0,6 - 0,7.

При расчетах состава продуктов неполного сгорания обычно пренебрегают содержанием О₂ и С_nH_m и принимают, что продукты сгорания состоят из пяти компонентов: СО₂, СО, Н₂О, Н₂ и N₂.

Для расчета баланса отельных компонентов, входящих в состав горючей смеси и продуктов сгорания, используют:

- для углерода уравнение:

(1.25)

- для водорода уравнение:

(1.26)

- для кислорода уравнение:

; (1.27)

- для азота уравнение:

, (1.28)

а также по экспериментальному выражению (1.24) в виде:

. (1.29)

Общее количество продуктов неполного сгорания можно определить по уравнению:

, (1.30)

а изменение объема при неполном сгорании определяется по уравнению:

(1.31)

Таким образом, содержание (в кмоль) отдельных компонентов продуктов неполного сгорания 1 кг жидкого топлива при α < 1,0 может быть подсчитано по следующим выражениям:

(1.32)

Таким образом, в отличие от полного сгорания, изменение объема при неполном сгорании будет зависеть не только от содержания в топливе Н₂, но и от содержания С, поскольку при его сгорании образуется СО и происходит изменение объема, а при сгорании углерода (С) с образованием СО₂ изменение объема не происходит.

Принятая нами предпосылка о составе продуктов сгорания будет справедлива только при уменьшении α до некоторого предельного значения α_пр, при котором весь углерод (С), находящийся в топливе, сгорает до СО и поэтому . Если будет происходить дальнейшее уменьшение α, то часть углерода окисляться не будет и в продуктах сгорания появится сажа (С), что характерно для работы дизеля. Значения α_пр можно определить, если , т.е. , из которого получим или уравнение:

. (1.33)

Для бензинов среднего состава принимают β = 0,4 и К = 0,5, тогда предельное значение коэффициента избытка воздуха в горючей смеси будет α_пр = 0,5. В обычных двигателях такие богатые смеси не используют.

Коэффициент молекулярного изменения горючей смеси при α_пр < α < 1 получают по формуле:

. (1.34)

Зависимости µ_о (см. рис. 1.1) в области α < 1 для бензина и этилового спирта показывают, что изменение состава горючей смеси значительно больше влияет на изменение µ_о, чем при α > 1, при котором наблюдается местный недостаток воздуха из-за несовершенства смесеобразования. При этом неполнота сгорания характеризуется появлением несгоревшего углерода (сажи) при отсутствии Н₂ и малом содержании СО в продуктах сгорания. Подобная неполнота сгорания характерна и для дизелей.

Таким образом, объем продуктов сгорания не зависит от совершенства самого сгорания, поскольку, чем меньше количество СО₂, тем больше содержание неиспользованного О₂, т.е. имеет место выражение СО₂ + О₂ = и α определяет количество продуктов сгорания независимо от полноты сгорания .

Бензиновые двигатели часто работают при α < 1, т.е. при неполном сгорании топлива с образованием значительного количества СО.

Перевод теоретически необходимого количества воздуха L_o, (кмоль/кг топлива) в ℓ_о, (кг воздуха /кг топлива) осуществляют по формуле:

, (1.35)

где R_μ = 8,314 кДж/(кмоль∙К) – универсальная газовая постоянная; μ_в = 28,95 кг/кмоль – молярная масса воздуха; R_в = 0,287 кДж/(кг ∙К) – газовая постоянная воздуха.