3.2. Химические реакции при сгорании топлива

Для полного сгорания массовой или объемной единицы топлива необходимо вполне определенное количество воздуха, которое называется теоретически необходимым и определяется по элементарному составу топлива.

Для жидких топлив

(3.3)

или

(3.4)

где lо— теоретически необходимое количество воздуха в кг для сгорания 1 кг топлава, (кг возд/кг топл.); L₀ — теоретически необходимое количество воздуха в кмоль для сгорания 1 кг топлива, (кмоль возд/кг толл.); 0,23 — массовое содержание кислорода в 1 кг воздуха; 0,208 — объемное содержание кислорода в 1 кмоль воздуха. Причем

l₀= μ_ВL₀ , (3.5)

где μ_В = 28,96 кг/кмоль — масса 1 кмоль воздуха.

Для газообразных топлив

, (3.6)

где L’₀ — теоретически необходимое количество воздуха в молях или м³ для сгорания 1 моля или 1 м³ топлива (моль возд./моль топл., или м³ возд./м ³топл.).

В зависимости от условий работы двигателя, способа регулирования мощности, типа смесеобразования и условий сгорания топлива на каждую массовую или объемную единицу топлива приходится количество воздуха, которое может быть больше, равно или меньше теоретически необходимого для полного сгорания топлива.

Отношение действительного количества воздуха l (или L), участвующего в сгорании 1 кг топлива, к теоретически необходимому количеству воздуха l₀ (или L₀) называется коэффициентом избытка воздуха:

α=l/l₀= L/L₀ (3.7)

для различных двигателей при номинальной мощности принимаются следующие значения α:

Карбюратораые двигатели……………………………………………………0,80 —0,96

Двигатели с форкамерно-факельным зажиганием………………………….0,85—0,98и выше

Двигатели с искровым зажиганием и впрыском топлива…………..............0,85—1,30

Дизели с неразделенными камерами и объемным смесеобразованием……1,50—1,70

Дизели с неразделеяжыми камерами и пленочвнм смесеобразоваякем……1,50—1,60

Ввхрекамерне дизели…………………………………………………………..1,30—1,45

Предкамерные дизеля………………………………………………………….1,40—1,50

Дизели с наддувом………………………………………………………………1,30—2,2

В двигателях с наддувом, когда осуществляется продувка цилиндров воздухом, используют суммарный коэффициент избытка воздуха ;α_c =φ_пα (, где = 1,0 — 1,25 — коэффициент продувки четырехтактных двигателей.

Снижение α — один из эффективных путей форсировки рабочего процесса двигателя. Для заданой мощности двигателя уменьшение (до определенных пределов) коэффициента избытка воздуха приводит к меньшим размерам цилиндра. Однако с уменьшением величины α возникает неполнота сгорания топлива, ухудшается экономичность и увеличивается термическая напряженность двигателя. Практически полное сгорание топлива в двигателе возможно только при α > 1, тах как при α = 1 невозможно получить такую совершенную смесь топлива с воздухом, в которой каждая частица топлива была бы обеспечена необходимым количеством кислорода воздуха.

Горючая смесь (свежий заряд) в двигателях с воспламенением от искры состоит из воздуха и испарившегося топлива и определяется величиной

M₁= αL₀+1/m_Т, (3.8)

где М₁ —количество горючей смеси (кмоль гор.см/кгтопл.); m_Т, — молекулярная масса паров топлива, кг/кмоль.

Для различных топлив принимаются следующие значения m_Т, кг/кмоль: - для автомобильных бензинов 110 — 120;

- для дизельных топлив—180—200.

Величиной 1/m_Т при определении М₁ для двигателей с воспламенением от сжатия пренебрегают, как относительно малой по сравнению с объемом воздуха. Поэтому для этих двигателей

М₁= αL₀ (3.9)

Для газовых двигателей

М’₁= αL’₀ , (3.10)

где М’₁ — количество горючей смеси (моль гор.см/моль топл. или м³гор.см./ м³ топл.).

Для любого топлива масса горючей. смеси

m₁= αl₀+1 (3.11)

где m — массовое количество горючей смеси, кг гор.см/кг топлива.

При полном сгорании топлива (α ≥ 1) продукты сгорания состоят из углекислого газа СО₂, водяного пара Н₂О, избыточного кислорода О₂ и азота N₂.

Количество отдельных компонентов продуктов сгорания жидкого топлива при α ≥1:

-углекислого газа (кмоль СО₂/кг топл.

- водяного пара (кмоль Н₂О/кг топл)

- кислорода (кмольО₂/кг топл)

- азота (кмоль N₂/кг топл)

Общее количество продуктов полного сгорания жидкого топлива (кмоль пр.сг/кг топл.)

∑М_i = С/12+ Н/2+(α - 0,208)L₀ (3.13)

Количество отдельных компонентов продуктов сгорания газообраз-ного топлива при α ≥1:

-углекислого газа (моль СО₂/моль топл.)

;

-водяного пара (моль Н₂О/моль топл.)

(3.14)

- кислорода (моль О₂/моль топл.)

- азота (моль N₂ /моль топл.)

где N₂ — количество азота в топливе, моль.

Общее количество продуктов полного сгорания газообразяого топлива (моль пр.сг/моль топл.)

M ₂^' =∑M^'_i (3.15)

При неполном сгорании топлива (α <1) продукты сгорания представляют собой смесь оксида углерода СО, углекислого газа СО₂, водяного пара Н₂О, свободного водорода Н и азота N₂.

Количество отдельных компонентов продуктов неполного сгорания жидкого топлива:

- углекислого газа (моль СО₂/кг топл.)

;

- оксида углерода (кмоль СО/кг топл.)

- водяного пара (кмоль Н₂О/кг топл.)

- водорода (кмоль Н₂/кг топл.)

- азота (кмоль N₂ кг топл.)

где К — постоянная величина, зависящая от отношения количества водорода к оксиду углерода, содержащихся в продуктах сгорания (для бензина К= 0,45…0,50).

Зависимость количества горючей смеси (свежего заряда), продуктов сгорания и их составляющих от коэффициента избытка воздуха в бензиновом двигателе и в дизеле представлена на графиках (рис. 3.1 и 3.2).

Общее количество продуктов неполного сгорания жидкого топлива (кмоль пр.сг/кг топл)

M₂=∑M_i=С/12+Н/2+0,792αL₀ (3.16)

Изменение количества молей рабочего тела при сгорании определяется как разность (кмоль см./кг топл):

ΔМ=М₂ – М₁ (3.18)

Для жидкого топлива количество молей продуктов сгорания всегда больше, чем количество молей свежего заряда (горючей смеси). Приращение объема продуктов сгорания ΔМ происходит вследствие увеличения суммарного количества молекул в результате химических реакций распада молекул топлива и образования новых молекул. Рост числа молей продуктов сгорания — положительный фактор, так как увеличивает объем продуктов сгорания и, следовательно, способствует некоторому возрастанию полезной работы газов при их расширении.

Изменение количества молей ΔМ’ в процессе сгорания газообразных топлив зависит от природы входящих в топливо углеводородов, их количества, соотношения между количеством углеводородов, водорода, оксида углерода. Оно может быть как положительным, так и отрицательным.

Относительное изменение объема при сгорания характеризуется величиной химического коэффициента молекулярного изменения горючей смеси, который представляет собой отношение количества молей продуктов сгорания к количеству молей горючей смеси.

μ₀=М₂/М₁=1+ΔM/M₁ (3.19)

Величина μ₀, для жидких топлив всегда больше единицы и возрастает с уменьшением коэффициента избытка воздуха (рис. 3.3). Излом кривой в точке, соответствующей α=1, получается вследствие прекращения выделения оксида углерода СО и полного сгорания углерода топлива с образованием углекислого газа СО₂

В цилиндре реального двигателя в сгорании участвует не горючая смесь, а так называемая рабочая смесь, которая состоит из свежего заряда (горючей смеси) М₁ и остаточных газов М_r, т. е. части продуктов сгорания, не удаленной из цилиндра в процессе выпуска.

Относительное количество остаточных газов характеризуется коэффициентом остаточных газов

γ_r=M_r/M₁ (3.20)

Изменение объема при сгорании рабочей смеси (горючая смесь+остаточные газы) учитывает действительный коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси, который представляет собой отношение общего количества молей газов в цилиндре после сгорания (М₂+М_r) к числу молей до сгорания (М₁+М_r):

μ= (М₂ + М_r)/(М₁ + М_r) = (μ₀+γ_r)/(1 + γ_r). (3.21)

Из выражений (3.21) следует, что действительный коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси μ зависят от коэффициента остаточных газов γ_r и химического коэффициента молекулярного изменения горючей смеси μ₀. В свою очередь μ₀ зависит от состава топлива и коэффициента избытка воздуха α .

Наибольшее влияние на изменение величины μ (рис. 3.4) оказывает именно коэффициент избытка воздуха α. С уменьшением α действительный коэф- фициент молекулярного изменения рабочей смеси растет и особенно интен- сивно при обогащении смеси (α>1).

Величина μ изменяется в пределах:

Для бензиновых двигателей………………………………………. 1,02—1,12

Для дизелей………………………………………………………….1,01—1,06

ЛЕКЦИЯ 11