
Стехиометрическое соотношение и состав горючих смесей
Одной из характеристик топлива является стехиометрическое соотношение, которое может быть определено как количество воздуха необходимое для сжигания единицы объема ( L0 кмоль, м3 ) или массы ( l0 кг ) топлива.
Сгорание углеводородного топлива в цилиндрах двигателя протекает согласно следующим суммарным химическим реакциям:
C + O2 = CO2 ; H2 + 0,5O2 = H2O.
Из них следует, что для сжигания 1 кмоль углерода требуется 1 кмоль кислорода. а для сжигания 1 кг углерода необходимо 36/12 кг кислорода. Аналогично, для сжигания 1 кмоль водорода требуется 0,5 кмоль кислорода, 1 кг водорода потребует для сжигания 16/2 кг кислорода.
Для жидкого или твердого топлива количество кислорода, необходимое для полного сгорания 1 кг топлива, можно подсчитать следующим образом.
Для топлива, имеющего состав по массе:
C + H + O = 1 кг,
где C, H, O – массовые доли этих элементов, содержащиеся в топливе,
масса кислорода, необходимая для полного сгорания 1 кг топлива, составит:
O = (32/12) C + (16/2) H – O, или O = (8/3) C + 8H – O кг.
Если вести расчеты в кмоль или м3, то:
O2 = (1/12)C + (1/4)H – O/32 кмоль.
При расчетах состав сухого атмосферного воздуха принимают равным: в процентах по весу О – 23%, N – 77%, а в процентах по объему О – 21%, N – 79%. Если выражать в массовых долях, то O = 0,23, N = 0,77, в объемных долях O = 0,21, N = 0,79.
Тогда теоретически необходимое количество сухого атмосферного воздуха для полного сгорания 1 кг жидкого топлива может быть определено по следующим формулам:
В массовом выражении
l0 = (1/0,23)(8/3C + 8H – O) кгв/кгт;
в молярном выражении
L0 = (1/0,21)(1/12C + 1/4H – O/32) кмоль.
Связь между l0 и L0 имеет вид: l0 = 28,97 L0.
Для газообразных топлив, состав которых в объемных долях выражается как
Σ CnHmOr + N2 = 1,
расчет стехиометрического соотношения ведется в объемных единицах, т.е. вычисляется L0.. .Расчет ведется исходя из следующих соображений.
Для сжигания одного кмоль конкретного компонента газообразного топлива с химической формулой CnHmOr в соответствии с приведенными выше уравнениями химических реакций для каждого элемента, имея в виду, что кислород, содержащийся в топливе, уменьшает необходимое количество кислорода воздуха, можно записать:
CnHmOr+(n + m/4 – r/2)O2 = nCO2 + m/2H2O.
В связи с тем, что объемная доля кислорода в воздухе составляет 0,21, количество воздуха, необходимое для сжигания 1 кмоль рассмотренного компонента, равно 1/0,21(n + m/4 – r/2) кмоль. В результате расчета по всем компонентам газовой смеси с учетом объемной доли каждого компонента получим в кмольв/кмольт, или куб.мв/куб.мт:
L0 = 1/0,21 Σ(n + m/4 – r/2) CnHmOr .
Здесь CnHmOr – объемная (мольная) доля каждого компонента в газовой смеси.
Сгорание топлива в двигателе обычно происходит при некотором недостатке или некотором избытке воздуха по сравнению с теоретически необходимым количеством.
Отношение действительного количества воздуха L (l), приходящегося на единицу топлива в горючей смеси к стехиометрическому соотношению L0 (l0) называется коэффициентом избытка воздуха α:
α = L/ L0 = l / l0.
При работе двигателя состав горючей смеси по различным причинам может изменяться. Горючую смесь принято называть стехиометрической, если α = 1, бедной или обедненной, если α > 1 и богатой, если α < 1.
Коэффициент избытка воздуха на номинальном режиме работы находится в следующих пределах: для двигателей с принудительным воспламенением α = 0.8–1.3, для дизельных – α = 1.2 – 2,0.