3. Топлива, рабочие тела и их свойства.

3.1. Охарактеризуйте групповой состав и основные моторные свойства жидких топлив. Что называет­ся элементным составом топлива?

Основными топливами являются бензины и дизельные топлива, получаемые путем переработки нефти и представляющие собой смеси различных углеводородов. Это насыщенные парафиновые углеводороды или алканы C_nH_2n+2; олефины или алкены C_nH_2n; нафтены или циклоалканы C_nH_2n с другими связями; ароматические углеводороды C_nH_2n-6. Для эффективного использования в двигателях, т.е. максимальным выделением теплоты и минимальным образованием токсичных продуктов ОГ, топлива должны: 1) Иметь оптимальные значения плотности, вязкости, сжимаемости, прокачиваемости и другие свойства, обеспечивающие надежную подаче топлива и высококачественное смесеобразование на всех режимах. 2) Обладать высокими экологическими свойствами. 3) Обеспечивать надежный пуск и полноту сгорания; иметь минимальную склонность к образованию нагара и коррозионных продуктов сгорания; иметь высокую термическую стабильность и хорошие моющие свойства; 4) Сохранять свои свойства при хранении и транспортировке; не содержать механических примесей и воды, быть недорогими. Элементный состав (массовые доли отдельных элементов g) для 1 кг топлива C_xH_yO_z находятся по отношениям: g_C=12x/(12x+y+16z)=12x/_T; g_H=y/(12x+y+16z)=y/_T; g_OT=16z/(12x+y+16z)=16z/_T.

3.2. Напишите химические реакции полного окисления углерода и водорода топлива.

Полное окисление (сгорание) молекулы C_xH_y до конечных продуктов (CO₂ и H₂O) описывается уравнением (в кмолях): C_xH_y+(x+y/4)O₂=xCO₂+y/2H₂O. В пересчете на 1 кг топлива M_CO2=x/_T=x/(12x+y), M_H2O=(y/2)/_T=(y/2)/(12x+y) и через элементарный состав (g_C=12x/(12x+y+16z)=12x/_T; g_H=y/(12x+y+16z)=y/_T; g_OT=16z/(12x+y+16z)=16z/_T) будет: M_CO2=g_C/12, M_H2O=g_H/2 (кмоль/кг топлива). В реакции участвует x+y/4 кмоль O₂, М_О2=x+y/4 (кмоль/кмоль топлива). Если в состав молекулы топлива входит кислород C_xH_yO₂, то необходимое для сгорания количество кмолей кислорода воздуха уменьшится на z/2, M_O2=x+y/4-z/2 (кмоль/кмоль топлива).

3.3. Как определить минимальное количество воздуха, теоретически необходимое для полного сгора­ния 1 кг топлива?

Минимальное количество кмолей кислорода L_O’, необходимое для полного сгорания топлива и определяемого на основании уравнения C_xH_y+(x+y/4)O₂=xCO₂+y/2H₂O, называют стехиометрическим. Стехиометрическое количество М_О2 равно: в кмолях О₂ на 1 кмоль топлива M_O2=x+y/4-z/2, в кмолях О₂ на 1 кг топлива L_O’=M_O2/_T=(x+y/4-z/2)/(12x+y+16z), в кг О₂ на 1 кг топлива l_O=L_O’_O2=(32x+8y-16z)/(12x+y+16z). Принимая объемную долю кислорода в воздухе 21%, а массовую 23%, найдем стехиометрическое количество воздуха: в кмолях воздуха на 1 кг топлива L_O=L_O’/0,21=(x+y/4-z/2)/(12x+y+16z)/0,21), в кг воздуха на 1 кг топлива l_O=l_O’/0,23=(32x+8y-16z)/(12x+y+16z)/0,23. Через элементарный состав топлива L_O=(g_C/12+g_H/4-g_OT/32)/0,21 (кмоль воздуха/кг топлива), l_O=(8/3g_C+g_H-g_OT)/0,23 (кг воздуха/кг топлива).

3.4. Что называется коэффициентом избытка воздуха? Как его можно определить расчетом или по экспериментальным данным? Какая смесь называется стехиометрической (нормальной), бедной и бо­гатой? В каком диапазоне изменяется α в дизелях и двигателях с искровым зажиганием?

Коэффициентом избытка воздуха  называется отношение количества воздуха G_в, содержащегося в ТВС, к тому его минимальному количеству, которое практически требуется для полного сгорания всего находящегося в ней топлива G_Т, т.е.: =G_в/(G_Тl_O)=L/L_O=l/l_O, где G_Т – часовой расход топлива, кг/ч; G_Тl_O – минимальное теоретически необходимое для полного сгорания G_Т количество воздуха, кг/ч. Двигатели с искровым зажиганием работают при =0,7…1,4, а дизели работают на ТВС с >1 (до 4). Стехиометрическая смесь – такая смесь, в которой содержится количество воздуха, необходимое для полного окисления топлива; богатая смесь – при <1, в результате сгорания которой топливо окисляется не полностью и образуется помимо СО₂ и Н₂О содержат СО, Н₂ и О₂; а бедная – смесь с >1 с полным сгоранием и содержанием в продуктах сгорания помимо СО₂ и Н₂О - N₂ и О₂.