Продукты сгорания обогащенных смесей

При работе двигателей с принудительным воспламенением горючей смеси, работающих на бензине, с целью повышения их мощности состав смеси обогащают до α = 0,8…0,9. При этом значения μ₀ достигают значений 1,09 – 1,13. Дальнейшее обогащение смеси нецелесообразно, а при значениях α менее 0,5 в продуктах сгорания может присутствовать свободный углерод (сажа).

Продукты сгорания обогащенных смесей, кроме рассмотренных, содержат еще и продукты неполного окисления топлива – CO и H₂. В этом случае расчет состава продуктов сгорания осложняется. Осложнение связано с тем, что при недостатке кислорода для полного окисления углерода и водорода топлива необходимо принять какие-то правила распределения кислорода между этими элементами. С этой целью используются экспериментальные данные.

Химический анализ продуктов сгорания обогащенных горючих смесей показал, что отношение M_H2/M_CO слабо зависит от степени обогащения и может быть принято как постоянная величина K. Значение K зависит от содержания в топливе углерода и водорода. Для бензинов K = 0,45…0,5.

Для расчета продуктов неполного сгорания используются уравнения баланса присутствующих в горючей смеси химических элементов в кмоль/кг_т и эмпирическое уравнение K = M_H2/M_CO:

M_CO2 + M_CO = C/12 (для углерода);

M_H2O + H₂ = H/2 (для водорода);

M_CO2 + 0,5M_CO + 0,5M_H2O = 0,21 α L₀ + O/32 (для кислорода);

M_N2 = 0,79 α L₀ (для азота);

M_H2 = KM_CO (эмпирическое уравнение).

Решение этих уравнений относительно принятых компонентов продуктов сгорания имеет вид:

M_CO = 2(1 - α /1+K) 0,21 L₀;

M_CO2 = C/12 - 2(1 - α /1+K);

M_H2 = 2K(1 - α /1+K)0,21L₀;

M_H2O = H/2 - 2K(1- α /1+K)0,21L₀;

M_N2 = 0,79 α L₀.

Сумма всех продуктов сгорания:

M₂ = C/12 + H/2 + 0,79 α L₀. ( 31 )

Изменение количества кмоль в результате сгорания:

ΔM = M₂ – M₁ = C/12 + H/2 + 0,79 α L₀ - α L₀ – 1/m_T .( 32 )

Коэффициент молекулярного изменения свежей смеси:

μ₀ = 1 + (C/12 + H/2 - 0,21 α L₀ - 1/m_T)/( α L₀ + 1/m_T).

В дизелях обогащенные смеси не применяются, поэтому этот случай здесь не рассматривается.

Теплота сгорания горючих смесей

В двигателях внутреннего сгорания топливо сгорает в замкнутом объеме цилиндра. Эффективность использования этого объема с точки зрения получения механической работы оценивается количеством теплоты, выделившейся в цилиндре в результате сгорания горючей смеси. Поэтому можно констатировать, что количество получаемой работы зависит от количества теплоты, выделяемой в результате сгорания единицы объема горючей смеси. То есть эта работа должна рассматриваться не как функция теплотворности топлива, а как функция объемной теплотворности горючей смеси H_см. в МДж/кмоль, или H'_см в МДж/м³.

Теплотворность горючей смеси может быть определена как отношение низшей теплоты сгорания единицы топлива к объему или массе получающейся из этой единицы горючей смеси, или количество тепла, выделяемого при сжигании единицы горючей смеси:

H_см = H_u / M₁ [МДж/кмоль]

H'_см = H_u / 22,4M₁ [МДж/м³].

Значение H'_см определяется для нормальных условий (температура 0^°C, давление 0,101 МПа).

Из предыдущего известно, что M₁ зависит от состава топлива (стехиометрического соотношения), коэффициента избытка воздуха (α) и типа рабочего процесса. Следовательно, даже при использовании одного и того же топлива количество выделившейся при сгорании теплоты и полученной с единицы рабочего объема цилиндра работы будут зависеть от состава используемой горючей смеси.

Теплотворность стехиометрических горючих смесей для отдельных топлив приведена в таблице:

Топливо	Hu МДж/кг МДж/м3	Hсм МДж/кмоль	H'см МДж/м3
Бензин	44	83,86	3,74
Дизельное топливо	42,5	84,15	3,76
Этанол	26,9	81.18	3,63
Бутан	112,0	80,18	3,58
Пропан	85,5	79.13	3,53
Природный газ	31,8	76.20	3,40

Сравнение теплотворности горючих смесей для разных топлив с одинаковым коэффициентом избытка воздуха показывает, что они мало отличаются друг от друга и не пропорциональны различиям в низшей теплотворности топлив. Это обстоятельство объясняется тем, что стехиометрическое соотношение зависит от тех же величин, что и теплотворность топлива (состав горючего и окислителя), кроме того, L₀ примерно пропорционально H_u. Чем больше горючих элементов в топливе, тем больше воздуха нужно для их окисления.

Выражение для H_см справедливо лишь для случаев полного сгорания топлива, т.е. для стехиометрических и обедненных смесей. При использовании обогащенных смесей, когда часть горючих элементов топлива окисляется не полностью, тепловыделение в результате сгорания топлива будет не полным. Уменьшение теплоты сгорания топлива в этом случае будет равно теплоте, выделяемой при догорании продуктов неполного сгорания Н₂ и СО, содержащихся в продуктах сгорания. При вычислении теплотворности обогащенных горючих смесей низшую теплотворность топлива необходимо уменьшить на величину химической неполноты сгорания - ΔH_u. Под этим понятием подразумевают, количество невыделившегося тепла при сжигании обогащенной смеси вследствие недостатка кислорода. Следовательно, для определения теплотворности обогащенных горючих смесей следует использовать выражения:

H_см = H_u - ΔH_u/M₁ [МДж/кмоль]

H'_см = H_u - ΔH_u/22,4M₁ [МДж/м³].

Значение ΔH_u может быть определено по известному содержанию в продуктах сгорания горючих компонентов и теплоте их окисления.

Известно, что:

2СО + О₂ = 2СО₂ + 565,22 МДж;

2Н₂ + О₂ = 2Н₂О + 481,48 МДж.

Это означает, что при окислении 1 кмоль СО выделяется 565,22/2 = 282,61 МДж тепла, а для Н₂ эта величина составляет 481,48/2 = 240,74 МДж. При известных М_СО и М_Н2 потери теплоты от химической неполноты сгорания составят в МДж/кг_т:

ΔH_u = 282,61 М_СО + 240.74 М_Н2.

Имея в виду, что:

M_CO = 2(1- α /1+K) 0,21 L₀,

M_H2 = K M_CO,

Получим в МДж/кг_т:

ΔH_u = 2(1- α /1+K) 0,21 L₀ (282,61 + 240,74К).

Для бензина при К = 0,5 и обогащенной смеси в МДж/кг_т:

ΔH_u = 57,78(1 – α).