3. Полное окисление (сгорание) топлива

При полном сгорании молекула топлива С_хН_yО_z окисляется до конечных продуктов: диоксида углерода СO₂ и водяного пара Н₂O. Уравнение окисления (исходные и конечные продукты реакции взяты в кмолях) имеет вид:

(1. 2)

х атомов С в 1 кмоле дают х кмолей ; у атомов Н в 1кмоле дают у/2 кмолей Н₂O.

Тепловые эффекты реакций полного окисления С до СO₂ и Н₂ до Н₂O равны (округленные значения):

С (графит)+ O₂=СO₂+394 МДж/кмоль С

Н₂ + 1/2O₂=Н2O (газ)+ 242 МДж/кмоль Н₂

При окислении С до СО

С (графит) + 1/2O₂=СO +111 МДж/кмоль С

При высоких температурах ТВС, соответствующих концу сгорания, происходят процессы диссоциации продуктов сгорания:

Н₂0 ↔ Н₂+1/2O₂ и

СО₂ ↔ СО + 1/2O₂

а также газов Н₂, O₂, N₂.

Эти процессы идут с поглощением теплоты и снижают количество теплоты, выделяющейся в цикле, а также эффективность ее использования.

Минимальное количество кислорода в топливовоздушной смеси, необходимое для полного сгорания топлива и определяемое на основании уравнения (1.1), называют стехиометрическим.

Стехиометрическое количество кислорода и при сгорании жидкого топлива, при наличии в нем кислорода равно:

в киломолях O₂ на 1 кг топлива

(1.3а)

в кг O₂ на 1 кг топлива

(1.3б)

Отметим, что в обычных товарных бензинах (не модифицированных) и дизельных топливах кислород отсутствует.

При , следовательно, для них

Стехиометрическое количество кислорода (в кмолях O₂ на кмоль топлива) при сгорании топлива

(1.3в)

4. Неполное окисление (сгорание) топлива

Если количество кислорода в ТВС меньше стехиометрического, то окисление будет неполным. При неполном окислении часть углерода С окисляется до СО (оксид углерода), а часть водорода Н₂ не сгорает вообще. В этом случае окисление молекулы идет по приведенному ниже уравнению

(1.4)

где — доля углерода, окислившегося до СО; — доля несгоревшего водорода.

Коэффициенты и в общем случае взаимосвязаны между собой.

С уменьшением количества кислорода в ТВС в продуктах сгорания увеличивается содержание СО и Н₂ и уменьшается содержание СO₂ и Н₂0. В предельном случае (полагая в продуктах сгорания будут содержаться только оксид углерода СО и несгоревший водород Н₂. Соответствующее уравнение окисления имеет вид (при отсутствии в топливе кислорода)

Количество кислорода М_O2 = х/2 (кмоль) является предельным и соответствует случаю, когда в ТВС число атомов кислорода равно числу атомов углерода х. При дальнейшем уменьшении содержания кислорода в ТВС в продуктах сгорания появляется несгоревший углерод (сажа).

Соотношение между M_H2 и М_СO. Из уравнения (1.4) следует, что соотношение между M_H2 и М_СO в продуктах неполного сгорания (из-за недостатка кислорода) имеет вид

( 1.5 а)

Экспериментальные данные показывают, что величину К= М_H2/М_СО можно приближенно выразить как функцию состава топлива g_H: g_C

(1.5б)

Так, для бензина состава g_H :g_C=0,145:0,855 К= 0,461, =0,453;

для бензина состава g_H :g_C =0,134:0,866 ,К = 0,44, .

Теплоту сгорания при неполном окислении Ни можно определить по тепловым эффектам реакций окисления С до СO₂ (Н_СО2), С до СО (Hсо) и Н2 до Н₂O (H_Н2O) и количеству образовавшихся продуктов сгорания согласно уравнению (1.4):

(1.6)

Соответственно химическая неполнота сгорания из-за недостатка кислорода равна

(1.7)

где К=М_H2/М_СO определяют по уравнению (1.5б).