10.4 Топливо и его химические реакции при сгорании Для одного килограмма жидкого топлива, состоящего из углерода (С), водорода (Н) и кислорода (От) при отсутствии серы можно написать С + Н + От = 1 кг. При сгорании топлива (полном) предполагается, что в результате реакции С, Н, с кислородом воздуха образуется СО 2 и Н 2 О С + О 2 = СО 2 2Н 2 + О 2 = 2Н 2 О. При расчете исходных и конечных продуктов реакции в массовых единицах получим: для С кг /С/ С кг /С/ + 8/3С кг /О 2 / = 11/3С кг /СО 2 / ; (10.1) для Н кг /Н 2 Н кг /Н 2 / + 8Н кг /О 2 / = 9Н кг /Н 2 О/. (10.2)

Наименьшее количество кислорода О 0, которое необходимо подвести извне к топливу для полного его окисления, называется теоретически необходимым количеством кислорода. Из уравнений (4.1) и (4.2) следует, что для полного сгорания 1 кг топлива необходимо кислорода О 0 = 8/3С + 8Н – О т кг. В воздухе кислорода содержится 23% по массе, а по объему 21%. Воздуха для окисления 1кг топлива необходимо кг (10.3) или кмоль. (10.4) Кажущаяся молекулярная масса воздуха, следовательно

В ДВС количество действительно потребляемого воздуха может быть меньше, больше или равно, что оценивается коэффициентом избытка воздуха : При стехиометрической смеси, ; если 1, смесь бедная. В бензиновых ДВС при полной открытой дроссельной заслонке наибольшая экономичность достигается при = 1,1-1,3. Максимальная мощность достигается при= 0,85-0,9.

Для различных двигателей при номинальной мощности принимают следующие значения : Карбюраторные двигатели Двигатели с форкамерно-факельным зажиганием Двигатели с искровым зажиганием и впрыском топлива Дизели с нераздельными камерами и объемным смесеобразованием Дизели с неразделенными камерами и пленочным смесеобразованием Вихрекамерные дизели Предкамерные дизели Дизели с наддувом 0,8 - 0,96 0,85 – 0,98 и выше 0,85 – 1,3 1,5 – 1,7 1,5 – 1,6 1,3 – 1,45 1,4 – 1,5 1,3 – 2,2

На рис. 4.1 показана примерная зависимость от нагрузки. Рис – карбюраторный двигатель, 2 – дизель В дизелях, в которых применяется качественное регулирование, от 5 при малых нагрузках до = 1,4-1,25 при полной нагрузке.

Горючая смесь и состав продуктов сгорания при >1 (полное сгорание) При полном сгорании 1 кг топлива в карбюраторном двигателе общее количество горючей смеси, состоящей из паров топлива и воздуха, составляет кмоль, (10.5) где µ т - молекулярная масса топлива.

Таблица 10.3 Элементный состав и характеристика бензина и дизельного топлива

В дизеле, так как топливно-воздушная смесь образуется в камере сгорания и из за малого объема, занимаемого жидким топливом, молекулярную массу топлива не учитывают. Тогда кмоль. Для любого топлива масса смеси кг. В случае полного сгорания ( >1) продукты сгорания состоят из углекислого газа, водяного пара, избыточного кислорода и азота. Общее количество продуктов сгорания, отнесенное к 1 кг топлива кмоль. (10.6)

Количество отдельных составляющих продуктов сгорания определяется по следующим уравнениям: кмоль; (10.7) кмоль; (10.8) кмоль. (10.9) где - масса поступившего кислорода, кмоль; - масса кислорода, принявшего участие в реакции, кмоль.

После подстановки в уравнение (10.6) выражений (4.7) – (4.9) находим:. (10.10) кмоль. (10.11) Для стехиометрического состава смеси (= 1) ; кмоль. Тогда для любого >1 кмоль. Масса продуктов сгорания при сгорании 1 кг жидкого топлива кг.(10.12)

Масса продуктов сгорания остается равной сумме масс воздуха и топлива до сгорания, а М 2 в общем случае не равноМ 1, то есть при одинаковых температуре и давлении объем продуктов сгорания может быть не равным объему горючей смеси до сгорания. Изменение объема смеси при сгорании происходит вследствие изменения числа молекул газообразных продуктов сгорания по сравнению с числом молекул горючей смеси до сгорания, из-за изменения объема при сгорании водорода, а также вследствие перехода кислорода топлива в газообразное состояние.

Изменение определяется как разность. Для дизелей кмоль. (10.13) Для ДВС с внешним смесеобразованием кмоль. (10.14)

Относительное изменение объема при сгорании горючей смеси характеризуется коэффициентом молекулярного изменения свежей смеси, который представляет собой отношение количества продуктов сгорания к количеству горючей смеси до сгорания, то есть. Для дизеля. Для карбюраторного двигателя.

На рис.10.4 показана зависимость от. Рис Зависимость коэффициента от коэффи- циента : 1 – бензин; 2 – дизельное топливо

Анализ отработавших газов, когда

Общее количество продуктов сгорания кмоль. (10.17) Изменение объема при неполном сгорании (10.18)

В отличие от полного сгорания в этом случае изменение объема зависит не только от содержания в топливе водорода, но также и от содержания углерода, так как при сгорании углерода в СО происходит изменение объема, в то время как при сгорании углерода в СО2 изменения объема нет. Принятая предпосылка о составе продуктов сгорания справедлива только при уменьшении до. при котором весь углерод топлива сгорает в СО и. При дальнейшем уменьшении часть углерода совершенно не будет окисляться и в продуктах сгорания появиться сажа. Для бензина при и.

Качество топлива определяется теплотой сгорания, т.е. количеством выделившейся теплоты при полном сгорании массовой (для жидкого) или объемной (для газообразного) единицы топлива. Определяют высшую Н и низшую H – теплоту сгорания, которые отличаются приростом теплоты при конденсации водяного пара, учитываемую в Н. Связь между ними Дж/кг По формуле Менделеева (для любого жидкого топлива) Дж/кг.(10.19)

Контрольные вопросы: 1)Какое количество углерода и водорода содержится в одном кг жидкого топлива? 2)Какое количество воздуха необходимо для сгорания одного кг бензина? 3)Что такое коэффициент избытка воздуха ? 4)Как отличается для бензинового и дизельного топлива? 5)Какова низшая теплота сгорания бензина? 6)Чем отличается низшая и высшая теплота сгорания? 7)Что такое богатая и бедная смесь? 8)Какова величина цетанового числа отечественных дизельных топлив? 9)При каких условиях в отработанных газах появляется CO?