7. Состав и количество продуктов сгорания

Полное сгорание . При сгорании топлива в воздухе при теоретически имеет место полное его окисление в соответствии с уравнением (1.2). Продукты сгорания включают СO₂, Н₂O, N₂ и избыточный кислород O₂ (последний только при а > 1). Процентное содержание азота N₂ принимают равным 79%, содержание диоксида углерода СO₂ в воздухе (~0,03%) при расчетах не учитывают. Количество М₂ киломолей продуктов сгорания на 1 кг топлива равно

М₂ = М_СO2 + M_H2O + M_N2 + M_O2. (2.6а)

Значения величин М_СО2 и М_Н2O берут из уравнения (1.2), М_СО2 =х, М_H2O=у/2; используя уравнения (1)

М_СО2= gc /12; М_Н2О= g_H/2; M_N2 = 0,79 Lo; M_O2=0,21( -1)Lo.

Тогда

(2.6б)

Обозначим количество продуктов сгорания при =l (M2) .

Тогда

М₂ = (M2) +( )Lo, (2.6в)

где (M2) =g_C/12+g_H/2 + 0,79Lo.

Неполное сгорание ( ). Состав продуктов сгорания жидкого топлива при согласно (1.4) включает (в кмоль/кг топлива) Мсо₂, Мсо, М_H2O, М_Н2 и азот M_N2=0,79 Lo. Тогда

М₂=0,79 Lo +M_H2+M_H2O + М_CO+М_CO2. (2.7)

Из уравнения (1.4) следует, что на образование молекул СО и СO₂ требуется одинаковое количество атомов углерода, т. е.

М_СO+М_СO2 = φх+(1 — φ)х=х.

Аналогично, при частичном окислении водорода

Тогда

(2.8)

Для определения содержания компонентов Мсо₂, Мсо, М_H2O, М_Н2 используют уравнения (2.8), соотношение K= М_Н2/Mco и уравнения баланса кислорода, приведенные ниже.

Составим баланс кислорода, содержащегося в воздухе (M_O2=0,21 Lo) и согласно уравнению (1.4) использованного для образования продуктов сгорания М_СО, М_СО2, М_Н2О, выражая количество кислорода (в кмолях) через количество продуктов сгорания (в кмолях):

окисление С до СО: φх/2O₂~φхСО,

окисление С до СO₂: (1 — φ)хO₂ ~ (1 — φ)хСO₂,

окисление Н до Н₂O: ( 1–– φ ) O₂~( 1–– φ ) H₂O,

Запишем баланс кислорода

(2.9)

Решая совместно уравнения (2.8) и (2.9) при условии L₀ =(g_C/12+ g_H/4)/0.21, получим

(3)

Уравнение (2.7) для расчета величины М₂ запишем в виде

(3.1а)

или

. (3.1б)

Приведенные выше расчеты продуктов сгорания включают компоненты, оказывающие существенное влияние на энергетические и экономические показатели. Содержание других продуктов сгорания (оксиды азота, свинца и серы, несгоревшие углеводороды и др.) вследствие относительно малого содержания в ОГ не учитывается в энергетических расчетах, но они оказывают существенное воздействие на экологические характеристики.

Изменение молярного состава и объема рабочего тела при сгорании Объемы исходных компонентов и продуктов их сгорания могут отличаться из-за различия молярного состава свежего заряда M₁ и продуктов сгорания М₂. Изменение количества вещества при сгорании (в кмолях) равно М= М₂—М₁ и оценивается теоретическим коэффициентом молярного изменения

Приведем расчетные зависимости µ₀ для Двигателя с искровым зажиганием.

Двигатель с искровым зажиганием

(3.2a)

при α < 1

(3.2б)

При полном сгорании (α 1) приращение и увеличение объема продуктов сгорания (в кмолях) происходят только из-за образования из одной молекулы O₂ двух молекул Н₂O при окислении водорода. При неполном сгорании (α<1) прирост объема M больше, чем при , так как кроме окисления Н₂ в Н₂0 (одна молекула O₂ — две молекулы Н₂0) происходит неполное окисление С в СО (одна молекула O₂ — две молекулы СО). Для бензина и дизельного

топлива и уменьшается с ростом α.

Для двигателя с ДсИЗ (рис. 4, б) при α<1, как и следует из приведенных соотношений, имеет место увеличение содержания СО и Н2, а также несгоревших углеводородов С_хН_y . Максимум NO_x достигается при

, т. е. при некотором избытке кислорода и достаточно высокой температуре сгорания.

Состав продуктов сгорания оказывает непосредственное влияние

на показатели рабочего цикла. Так, термический КПД увеличивается с ростом показателя адиабаты продуктов сгорания, который, в свою очередь, растет с уменьшением относительной доли трехатомных газов (Н₂O и СO₂) в продуктах сгорания. Соответственно работа цикла и мощность будет тем больше, чем больше коэффициент молярного изменения , т. е. больше увеличение объема при сгорании.

Рис.5. Изменение характеристик ТВС и продуктов сгорания в зависимости от α:

1 — доля трехатомных газов в продуктах сгорания бензина АИ-93; 2 — доля углерода в продуктах сгорания бензина АИ-93; 3 — показатель адиабаты К продуктов сгорания бензина АИ-93; 4 — коэффициент молярного изменения для бензина АИ-93;

Изменение указанных и ряда других величин для продуктов сгорания бензина и дизельного топлива в зависимости от показано на рис. 5. Из рисунка видно, что с ростом α теоретический коэффициент молярного изменения монотонно уменьшается, стремясь при . Доля трехатомных газов в продуктах сгорания бензина в области богатых смесей ( ) падает с уменьшением α, а показатель адиабаты продуктов сгорания бензина при этом растет. В области бедных смесей (α>1) доля трехатомных газов в продуктах сгорания бензина топлива монотонно уменьшается, а показатель адиабаты возрастает. Увеличение последнего ведет при прочих равных условиях к росту КПД соответствующего термодинамического цикла.