2. Физико-химические основы процесса сгорания топливо-воздушных смесей в различных теплоэнергетических установках.

Окисление (сгорание) топлива. Элементный состав топлива пред­ставляет массовые доли отдельных его составляющих. В одном ки­лограмме топлива содержится: g_C углерода, g_H водорода, g_O кисло­рода. Связь между количеством исходных продуктов (топлива и воздуха) и продуктов сгорания может быть найдена из уравнений химической реакции.

Полное окисление углеводородного топлива предполагает полу­чение конечных продуктов: диоксида углерода С0₂ и водяного пара Н₂0. Минимальное количество кислорода, необходимое для полного сгорания топлива, называют стехиометрическим. Коэф­фициент избытка воздуха такой смеси α=1.

При неполном окислении топлива часть углерода окисляется лишь до СО (оксида углерода), а часть водорода не сгорает.

Стехиометрическое количество воздуха, необходимое для пол­ного сгорания 1 кг топлива при 23 %-м по массе содержании кис­лорода в воздухе, получим через элементный состав топлива:

Двигатели с искровым зажиганием работают при α= 0,7... 1,3, а дизели — при среднем α>1,5. Следует отметить, что при смесеоб­разовании в дизелях есть зоны с α < 1, поэтому в процессе сгора­ния может образовываться несгоревший углерод.

Го­рение топлива представляет собой экзотермическую реакцию, которая идет с выделением теплоты. Высшая теплота сгорания топлива Н_B определяет полный тепловой эффект реакций с уче­том конденсации водяных паров, образующихся при сгорании. В поршневых ДВС продукты сгорания не охлаждаются до темпера­туры, при которой происходит конденсация водяного пара. По­этому в расчетах двигателя используют низшую теплоту сгорания Н_и. Для двигателя с искровым зажиганием Н_и = 44 МДж/кг, для дизеля Н_и = 42,5 МДж/кг.

3. Продукты сгорания и их влияние на окружающую среду. Способы обезвреживания продуктов сгорания.

Состав продуктов сгорания. При α = 1 топливо должно сгорать полностью, отработавшие газы содержать азот N₂ и продукты пол­ного сгорания С0₂ и Н₂0, а при α > 1 — еще и избыточный кис­лород O₂.

При α < 1 отработавшие газы включают азот N₂, продукты пол­ного (С0₂ и Н₂0) и неполного сгорания СО и Н₂.

В продуктах сгорания также имеются и другие компоненты: оксиды азота и серы, несгоревшие углеводороды, оксиды свинца и др., количество которых в отработавших газах относительно мало, и они не оказывают воздействия на энергетические показатели двигателя, однако существенно влияют на его экологические ха­рактеристики.

Экологические свойства топлив улучшаются при уменьшении в них ароматических углеводородов и серы.

В дизелях при уменьшении α возрастают количество выделяю­щейся теплоты и температура сгорания, что ведет к увеличению образования NO_X. Рост содержания СО при приближении α к 1, обусловлен ухудшением смесеобразования и неполнотой сгора­ния. При больших значениях α рост СО связан с существенным уменьшением скорости реакции и температуры сгорания, что приводит к неполному окислению, несмотря на избыток 0₂.

В двигателях с искровым зажиганием при уменьшении α < 1, увеличивается содержание СО и Н₂, а также несгоревших углево­дородов С_xН_у. Максимум N0_x достигается при некотором избытке кислорода (α = 1,05...1,1) и достаточно высокой температуре сго­рания.

Основные компоненты, содержащиеся в отработавших газах ДВС, представлены в табл. 2.1.

Таблица 2.1. Основные компоненты отработавших газов, % N_xO_у

Двигатели	N2	02	Н20(пар)	С02	СО	NxOу	CxHy	С (сажа)
Бензиновые	74-77	0,3-0,8	3-5,5	5-12	5-10	До 0,8	0,2-3	До 0,4
Дизели	76-78	2-18	0,5-4	1-10	0,02-5	До 0,5	До 0,5	До 1,1