Анализ процессов сгорания

Как уже было показано, для полного сгорания 1 кг топлива требуется m ₀ кг воздуха (теоретически необходимое количество воздуха). Величина m ₀ достаточна для полного сгорания топлива, если оно хорошо перемешано. В действительности такое перемешивание в двигателях не осуществляется и количество воздуха, требуемого для полного сгорания 1 кг топлива, больше теоретически необходимого. Отношение количества воздуха m, действительно поступающего в цилиндр двигателя, к теоретически необходимому количеству m₀ называется коэффициентом избытка воздуха α:

, или . (4.15)

Если α < 1 (недостаток кислорода), смесь называют богатой, при α > 1 (избыток кислорода) смесь называют бедной.

В двигателях с искровым зажиганием достаточно устойчивое протекание процесса сгорания достигается при α = 1, 1 – 1, 3. Максимальная мощность этих двигателей имеет место при некотором обогащении смеси (α = 0, 85 – 0, 9). Устойчивая работа на малых нагрузках и холостом ходу требует большего обогащения смеси. При α < 1 из-за недостатка кислорода топливо не сгорает полностью и в отработанных газах появляются продукты неполного окисления (СО, Н, NO_X, углеводороды и др.). В дизелях коэффициент α в зависимости от нагрузки меняется в широких пределах (от 5 и более при малой до 1, 4 – 1, 25 при полной нагрузке).

При работе на богатой смеси мощность двигателя уменьшается, возрастают потери тепла с недожогом топлива, скорость сгорания падает. При использовании бедной смеси мощность и экономические показатели также снижаются из-за уменьшения скорости горения.

Горючие смеси с коэффициентом избытка воздуха менее 0, 4 и более 1, 35 не воспламеняются.

При полном сгорании 1 кг топлива в двигателях с искровым зажиганием общее количество горючей смеси, кмоль, состоящей из паров топлива и воздуха,

, (4.16)

где μ _Т- молекулярная масса топлива (см. табл.1).

В дизелях из-за малого объема, занимаемого жидким топливом, величиной 1/μ _Тможно пренебречь, поэтому

М _Т = α М ₀. (4. 17)

При полном сгорании жидкого топлива (α > 1) продукты сгорания состоят из образовавшихся в результате реакции СО ₂, Н ₂ О, избыточного кислорода и азота. Количество отдельных составляющих продуктов сгора­ния, кмоль, определяется по следующим формулам:

; (4.18)

; (4.19)

, (4.20)

где 0, 21 α М ₀ – количество поступившего кислорода, кмоль; 0, 21 М ₀ – количество кислорода, принявшего участие в реакции, кмоль.

M_{N 2} = 0, 79 α М ₀.

Общее количество продуктов сгорания М_ПС, кмоль, отнесенное к 1 кг топлива:

.

Подставляя в это выражение значения, , получим:

Для стехиометрического состава смеси (α = 1):

. (4.21)

Для значения α > 1 количество, кмоль, продуктов сгорания с учетом избыточного азота Δ Μ _{N 2} = 0, 79(α – 1) M ₀ и избыточного кислорода Δ Μ _{О 2} = 0, 21(α – 1) M ₀ в продуктах сгорания определится:

(4.22)

Масса продуктов сгорания G _ПС, кг, при сгорании 1 кг жидкого топлива

Тогда

(4.23)

При неполном сгорании жидкого топлива (α < 1) из-за недостатка кислорода часть углерода топлива сгорает в окись углерода, а часть водорода не реагирует с кислородом.

Эксперименты показывают, что отношение числа молей водорода к окиси углерода примерно постоянно для данного топлива и не зависит от величины α. Обозначим это отношение через К.

(4.24)

Согласно опытным данным для бензинов, у которых Н/С = 0, 17 – 0, 19, К = 0, 45 – 0, 50, а при Н/С = 0, 13, К = 0, 30.

Вследствие неполноты сгорания топлива выделившееся количество теплоты уменьшается на доли не выделившейся теплоты находящихся в продуктах сгорания окиси углерода водорода (Δ Q ^Н) _CO и (Δ Q ^Н) _Н2. Суммарную долю не выделившейся теплоты (Δ Q ^Н)_хим = (Δ Q ^Н) _CO + (Δ Q^Н) _{Н 2} можно подсчитать по уравнению, Дж/кг

(Δ Q ^Н)_хим = А(1 – α) М ₀, (4.25)

где А =114· 10⁶ при К = 0, 5 – 0, 45 и А = 116· 10⁶ при К = 0, 3.

Опуская промежуточные выкладки, запишем выражение для компо­нентов, входящих в состав продуктов сгорания в случае α < 1. Количество каждого компонента, кмоль, определяется по следующим формулам:

(4.26)

(4.27)

(4.28)

(4.29)

(4.30)

В то время как массы, кг, продуктов сгорания и горючей смеси до сгорания одинаковы (G _ПС = G _T), количество молей продуктов сгорания и количество молей горючей смеси до сгорания неравны. Изменение количества молей смеси (Δ М) при сгорании происходит вследствие изменения числа молекул газообразных продуктов сгорания по сравнению с числом молекул горючей смеси до сгорания, т.е. Δ М = М _ПС – М _Т.

Изменение количества молей принято выражать относительной величиной - теоретическим коэффициентом молекулярного изменения

(4.31)

Для бензиновых двигателей с искровым зажиганием

(4.32)

(4.33)

Для дизелей (α > 1)

. (4.34)

Вопросы для самопроверки

1. Что такое коэффициент избытка воздуха?

2. Почему двигатели с искровым зажиганием и дизели работают с разными коэффициентами избытка воздуха?

3. Какая топливная смесь называется богатой, а какая – бедной?

4. Что такое неполное сгорание?

5. каков состав продуктов сгорания?