В качестве топлива в современных ДВС используются вещества, полученные в процессе переработки нефти. Эти вещества представляют собой химические соединения углерода (С) с водородом (Н). К ним относятся: бензин, лигроин, керосин, дизельное топливо. Процесс сгорания топлива нефтяного происхождения сводится к реакциям соединения углерода и водорода с кислородом, находящимся в воздухе.
Углеводородами называют вещества, состоящие всего из двух химических элементов — углерода и водорода. Можно предположить, что при таком «бедном» составе химические свойства углеводородов не должны сильно отличаться. На деле все оказывается не так. Важнейшей структурной особенностью углеводородов, как и многих других органических соединений, является наличие в них устойчивых углерод — углеродных связей. Углерод (С) единственный в своем ряде химический элемент, способный образовывать устойчивые цепочки из атомов, связанных между собой одинарными (простыми), двойными и тройными связями. Ни один другой химический элемент не способен к образованию подобных структур.
Углеводороды разделяют на четыре ряда характерных соединений:
• алканы (парафины);
• алкены (олефины);
• алкины (ацетилены);
• ароматические углеводороды.
Алканы (парафины) состоят из атомов углерода, связанных четырьмя простыми связями с атомами водорода и другими атомами углерода. В зависимости от места, занимаемого в структуре алкана, атом углерода может быть связан:
• с тремя атомами водорода и одним атомом углерода (рис. 10.3);
• с двумя атомами водорода и двумя атомами углерода;
• с одним атомом водорода и тремя атомами углерода.
Многие вещества из группы алканов находят широкое применение в повседневной жизни. Метан является главной составляющей частью природного газа, идущего на отопление домов, приготовление пищи и другие
Н3С — СН3
1Н-С-С-Н; ill; j Н___Н j
Рис. 10.3. Химический состав и структура этана
Пентан___________________
СН3СН2СН2СН2СН2
Г ннннн
I I I I I i ннннн
Рис. 10.4. Неразветв — ленная структура алкана
|
Изолентам I
|
|
Рис. 10.5. Разветвленная структура алкана |
Бытовые нужды. Пропан используется в тех местностях, где нет природного газа. Его транспортируют и хранят в жидком виде в переносных баллонах. Бутан находит применение в газовых зажигалках и баллонах для приготовления пищи. Алканы с числом атомов углерода от 5 до 12 входят в состав бензина.
В алканах атомы углерода могут соединяться в последовательную или разветвленную цепочку. Молекулы пентана (рис. 10.4) и изопентана (рис. 10.5) содержат одинаковое количество атомов углерода (пять) и водорода (двенадцать), но расположены они в них по-разному. Соединения, имеющие одинаковую формулу, но разные структуры, называются изомерами. Химический состав алканов можно записать общей формулой СпН2п+2.
Алкены (олефины) — это углеводороды, содержащие одну или несколько двойных углерод— углеродных связей (рис. 10.6). Они являются родственниками алканов. Наличие двойной связи приводит к тому, что каждый ал — кен содержит на два атома водорода меньше, чем соответствующий алкан. Так как алкены содержат меньше атомов водорода, чем необходимо для образования алкала, их относят к ненасыщенным углеводородам. Наличие двойной связи придает алкенам большую реакционную способность по сравнению с алканами. Простые (неразветвленные) алкены имеют общую эмпирическую формулу СпН2п•
Алкины (ацетилены) — это углеводороды, содержащие, по крайнее мере, одну тройную углерод —углеродную связь (рис. 10.7). Они образуют еще один ряд ненасыщенных углеводородов. Простейшие неразветвленные алкины имеют общую эмпирическую формулу CnH2n-n. По сравнению с алкенами они обладают еще большей реакционной способностью, поэтому не столь широко распространены в природе.
У ароматических углеводородов атомы углерода связаны между собой в плоскую циклическую (кольцевую) структуру (рис. 10.8). Эти углеводороды имеют очень большую ненасыщенность. По этой причине можно было бы ожидать их очень высокой реакционной способности, но в действительности их химические свойства совсем не похожи на свойства алкенов и алкинов. Ароматические углеводороды обладают достаточной устойчивостью.
Бензин представляет собой смесь летучих углеводородов, получаемую в результате переработки нефти. В зависимости от происхождения нефти он может, наряду с ал калами, содержать различные количества ароматических (циклических) углеводородов.
Н
[Двойная1» Н J с««ь! Н
Н \Этилен\ Н
Рис. Ю. в. Структура алкена [Тройная] | связь \
Н-сУс-Н
| Ацетилен \
Рис. 10.7. Структура алкина
Н ■ Н
W
I Бензол |
Н
Н
Рис. 10.8. Структура ароматического углеводорода
Продукт прямой переработки нефти — бензин, состоящий в основном из неразветвленных углеводородов, мало пригоден в качестве топлива для тепловых двигателей. Это обусловлено повышенной реакционной способностью неразветвленных углеводородов, что при окислении может вызвать отрицательные эффекты, в результате которых разрушится расширительная машина. Для исключения таких эффектов бензин, получаемый в результате прямой перегонки нефти, подвергают крекингу. В результате крекинга имеющиеся в бензине неразветвленные углеводороды превращаются в более разветвленные молекулы, происходит превращение некоторых фракций, обладающих низкой летучестью, во фракции с меньшей молекулярной массой, пригодные в качестве топлива для тепловых двигателей.
Углеводороды, входящие в состав жидкого топлива нефтяного происхождения, имеют в одной молекуле от 5 до 30 атомов углерода. В молекуле бензина содержится от 5 до 12 атомов углерода, а в керосине и дизельном топливе — до 30 атомов углерода. Чем больше атомов углерода содержится в молекуле топлива, тем оно тяжелее. Это объясняется тем, что атомная масса углерода в 12 раз больше атомной массы водорода.
Для определения энергетических показателей теплового двигателя и оценки его эффективности необходимо знать количество тепловой энергии, передаваемой рабочему телу в результате сгорания топлива. Так как при сгорании топлива рабочему телу передается энергия в тепловой форме, его параметры состояния (давление, объем и температура) будут изменяться. По изменению этих параметров можно определить количество тепловой энергии, переданной рабочему телу в процессе сгорания (окисления) топлива. Напомним, что в результате окисления (сгорания) топлива происходит изменение состава рабочего тела, что также вызывает некоторое изменение параметров рабочего тела. При рассмотрении идеализированных циклов такого эффекта не происходило. В реальных циклах его необходимо учитывать.
Для получения некоторого количества энергии в тепловой форме требуется сжечь определенное количество топлива. Для сгорания (окисления) топлива требуется кислород, который имеется в воздухе и который первоначально является рабочим телом. Топливо вступает в реакцию с кислородом в определенных соотношениях. Для полного окисления определенного количества топлива требуется строго определенное количество кислорода. Если кислорода недостаточно, то окислится не все топливо. В этом случае будет иметь место неполное сгорание топлива, что приведет к неполному преобразованию химической энергии топлива в тепловую энергию. Этого явления в тепловых двигателях допускать нельзя.
Так как в природе относительное количество кислорода в воздухе практически не изменяется, расчет можно вести по количеству воздуха, требуемого для сгорания топлива.
Количество кислорода (воздуха), требуемое для полного сгорания топлива можно определить на основании реакций, происходящих при его окислении. Для составления этих реакций необходимо знать химический (элементарный) состав топлива.
В состав органической части топлива нефтяного происхождения могут входить следующие химические элементы:
• углерод С;
• водород Н;
• сера S;
Основная часть тепловой энергии выделятся при окислении углерода, несколько меньшая часть — при окислении водорода. Сера нежелательна в составе топлива, так как при окислении выделяет незначительное количество тепловой энергии и образует вредные оксиды. Азот при окислении не выделяет тепловой энергии, а так как в составе топлива его очень мало, в теплотехнических расчетах он не учитывается.
Пусть имеется некоторая масса топлива, равная т кг. В этой массе углерод составляет С кг, водород — Н кг, сера — S кг, а кислород — От кг. Учитывая аддитивность массы (целое равно сумме составных частей), можно записать, что
Т (кг) = С (кг) + Н (кг) + S (кг) + От (кг), или, не указывая единиц измерения,
Ra = C + H + S + Om. (10.1)
Разделим правую и левую части выражения (10.1) на массу всего топлива га:
M C + H + S + O,,
Т га
Выражение (10.2) представим в виде
C + H + s+2= = li
Га га га га или _ _ _ _
C + H + S + Om = l. (10.3)
Величины С, Н, S, Ош представляют собой относительную массу каждого химического элемента в составе данной массы топлива.
Кислород От, имеющийся в незначительном количестве в топливе, принимает участие в окислении остальных составляющих этого топлива.
При составлении реакций окисления составляющих топлива следует учитывать, что в природе кислород и водород существуют в двухатомном виде, а углерод и сера в одноатомном.
Исходя из такого состава, реакции окисления компонентов топлива можно записать в виде:
2Н2 + 02 = 2Н20; (10.4)
С + 02 = С02; (10.5)
S + 02 = S02. (10.6)
Химические уравнения (10.4)-(10.6) можно интерпретировать следующим образом:
• две молекулы водорода, соединяясь с одной молекулой кислорода, образуют две молекулы воды (2Н20);
• одна молекула углерода, соединяясь с одной молекулой кислорода, образует одну молекулу диоксида углерода (С02);
• одна молекула серы, соединяясь с одной молекулой кислорода, образует одну молекулу диоксида серы (S02).
Химические уравнения (10.4)-(10.6) показывают, что в результате химической реакции из молекул одного «сорта» образовались молекулы другого «сорта». Одни связи между атомами, образующими молекулы, разорваны, а другие связи между атомами созданы. При разрыве межатомных связей затрачивается, а при их образовании высвобождается энергия в тепловой форме. Излишек тепловой энергии называется энергетическим (тепловым) эффектом (или теплотой) превращения (реакции).
Энергетические эффекты реакций — это большей частью величины порядка десятков тысяч джоулей на 1 моль. Очень часто тепловой эффект реакции включают в качестве слагаемого в химическую формулу реакции. Так, реакцию окисления углерода (графита) можно записать в виде
1 мольС +1 моль02 = 1 моль С02 + 394342 Дж,
Что означает выделение 394342 Дж энергии в тепловой форме при окислении 1 моль углерода. Реакция окисления водорода представляется в виде
2 моль Н +1 моль 02 = 2 моль Н20 + 569000 Дж.
Атомная масса водорода равна 1. Так как молекула водорода Н2 содержит два атома, то молекулярная масса водорода равна 2. Следовательно, 2 г водорода составляют 1 моль, а 2 кг водорода — 1 кмоль.
В уравнение (10.4) входят 2 моль водорода (2Н2), а поэтому 2 моль водорода составляют 4 г водорода или, соответственно, 2 кмоль водорода составляют 4 кг водорода. Уравнение (10.4) можно записать в виде
2 кмоль Н2 +1 кмоль 02 = 2 кмоль Н20 4 кг Н2 +1 кмоль 02 = 2 кмоль Н20
|
(10.7) |
Выражение (10.7) показывает, что для окисления 4 кг водорода требуется 1 кмоль кислорода, тогда для окисления 1 кг водорода требуется в 4
Раза меньше кислорода:
4 кг Н2 1 кмоль 02 __ 2 кмоль Н20 4 ~ 4 5
1 кг Н2 + 7 кмоль 02 = ^ кмоль Н20. (10.8)
4 2
Для окисления произвольной массы водорода (например, Н кг) требуется в Н раз больше кислорода:
Н кг (Н2) + Ц кг (02) = Ц кг (Н20). (10.9)
4 JL
На основании зависимости (10.5), рассуждая аналогично, можно записать, что
1 кмоль С +1 кмоль 02 = 1 кмоль С02. (10.10)
Атомная масса углерода равна 12, следовательно, 12 кг углерода соответствуют 1 кмоль. Выражение (10.10) в этом случае можно представить в виде
12 кг С + 1 кмоль 02 = 1 кмоль С02. (10.11)
Выражение (10.11) показывает, что для окисления 12 кг углерода требуется 1 кмоль кислорода. При этом образуется 1 кмоль диоксида углерода. Для окисления 1 кг углерода требуется в 12 раз меньше кислорода:
12 кг С 1 кмоль 02 __ 1 кмоль С02 12 12 ~ 12 ‘
1 кг С + -^г кмоль 02 — т~г кмоль С02. (10.12)
Для окисления произвольной массы углерода (например, С кг) требуется в С раз больше кислорода:
С С
С кг (С) + — кмоль (02) = — кмоль (С02). (10.13)
На основании зависимости (10.6) запишем:
1 кмоль S +1 кмоль 02 = 1 кмоль S02. (10.14)
Атомная масса серы равна 32. Молекула серы состоит из одного атома, поэтому молекулярная масса серы также равна 32. Следовательно, 1 кмоль серы равен 32 кг. Выражение (10.14) можно записать в виде
32 кг S +1 кмоль 02 = 1 кмоль S02. (10.15)
Для окисления 1 кг серы требуется в 32 раза меньше кислорода:
32 кг S 1 кмоль 02 __ 1 кмоль S02 32 32 ~~ 32 ‘
1 кг (S) + ^ кмоль (02) = кмоль (S02). (10.16)
OZ oZ
Для окисления произвольной массы серы (например, S кг) требуется в S раз больше кислорода:
S S
S кг (S) + — кмоль (02) = — кмоль (S02). (10.17)
Пусть в 1 кг топлива содержится С кг углерода, Н кг водорода, S кг серы и От кг кислорода, т. е.
С кг + Н кг + S кг + От кг = 1 кг. (10.18)
Из выражений (10.9), (10.13) и (10.17) видно, что для окисления С кг углерода, Н кг водорода, S кг серы требуется следующее количество кислорода:
|
Масса химического элемента |
Требуемое количество кислорода |
|
С кг углерода Н кг водорода S кг серы |
С/12 кг кислорода Н/4 кг кислорода S/32 кг кислорода |
Атомная масса кислорода равна 16. Молекула кислорода 02 содержит 2 атома, следовательно, молекулярная масса кислорода равна 32. Таким образом, 1 кмоль кислорода равен 32 кг. В 1 кг топлива содержится От килограмм кислорода, что равно От/32 киломоль. Этот кислород участвует в окислении топлива. Тогда для окисления топлива требуется забрать из воздуха несколько меньше кислорода.
Суммируя изложенное выше, получаем, что для окисления 1 кг топлива требуется следующее количество кислорода:
С Н S От Гкмоль кислорода] /тт\
12 4 32 32"= L 1 кг топлива J ‘ (1(Ш)
Выражение (10.19) позволяет определить количество кислорода, теоретически необходимого для полного окисления (сгорания) 1 кг топлива.
В топливе нефтяного происхождения содержится очень мало кислорода. Ниже представлено относительное количество каждого химического элемента в составе топлива нефтяного происхождения:
|
Топливо |
Относительное содержание |
||
|
Углерода |
Водорода |
Кислорода |
|
|
Бензин |
0.855 |
0.145 |
— |
|
Дизельное топливо |
0.870 |
0.126 |
0.004 |
Содержанием кислорода в дизельном топливе зачастую пренебрегают. Серу при переработке нефти стремятся полностью удалить из топлива.
Экспериментально установлено, что в воздухе содержится примерно 21% кислорода и 79% азота. Кислород для окисления топлива в расширительную машину поступает вместе с воздухом. Определим количество воздуха, теоретически необходимое для полного окисления (сгорания) 1 кг топлива:
NK On \ ["Кмоль воздуха] nnorVi
По ~~ 0.21 ~ 0.21 112+4+ 32 32 ) ‘ L 1 кг топлива J ‘
Исходя из элементарного состава бензина и дизельного топлива, выражение (10.20) представим в виде:
Б _ * /0.855 0.1454 Г кмоль воздуха"]
П° ~ 021 V 12 4 ) ‘ [ 1кг топлива J ‘ Д _ 1 /0.870 0.126 0.004 \ Г Кмоль воздуха!
П° ~~ 0.21 \ 12 4 32 /’ L 1кгтоплива J "
Кг
Молярная масса воздуха равна М = 28.97 ————— , т. е. 1 кмоль воздуха
Кмоль
Имеет массу, равную 28.97 кг. Для сгорания 1 кг топлива требуется теоретически следующая масса воздуха:
0.21 V12 4 32 32 /’ L 1кг топлива] v ‘
Величину п0 [моль, кмоль] следует понимать как количество воздуха, теоретически необходимого для сгорания (окисления) 1кг топлива. Величину т0 [г, кг] следует понимать как массу воздуха, теоретически необходимую для сгорания (окисления) 1кг топлива[30].
Определим массу воздуха, теоретически необходимую для полного сгорания 1 кг бензина (т%) и 1 кг дизельного топлива (mj):
Б М /С, Н\ 28.97 /0.855 , 0.1454 1>4QO га° =— [—— — ) = ( ) « 14.83 кг воздуха;
° 0.21V12 4/ 0.21 V 12 4 / w ‘
Д 28.97 /0.870,0.126 0.0044 = W ("12" 4—- 32~) * 14 35 КГ В03АуХа’
Таким образом, для полного сгорания 1 кг бензина требуется 14.83 кг воздуха, а для сгорания 1 кг дизельного топлива —14.35 кг воздуха. Под теоретически необходимым количеством воздуха понимается такое его количество, которое обеспечивает окисление всех молекул топлива так, что в воздухе не остается свободных молекул кислорода.
Исходя из полученных выше результатов, говорят, что для сгорания 1 части бензина требуется 15 частей воздуха. В теории ДВС указывается, что нормальная смесь бензина с воздухом характеризуется отношением 1:15.
В цилиндре дизельного двигателя В-46 сгорает за один цикл примерно 0.195 г 0.2 г) топлива. Определим массу воздуха, теоретически потребную для сгорания этой порции топлива. Если для сгорания 1 кг дизельного топлива теоретически требуется 14.35 кг воздуха, то для сгорания 1 г топлива требуется в 1000 раз меньше, т. е. 14.35 г воздуха. Величина 0.195 г примерно в 5 раз меньше 1 г топлива, поэтому для сгорания 0.195 г топлива требуется в 5 раз меньше воздуха, чем для сгорания 1 г топлива:
Д 14.35 [г воздуха] 0 г,
То =———————————- g —- «З г воздуха].
5
В действительности в цилиндр дизельного двигателя подается большая масса воздуха, чем требуется теоретически. Это обусловлено, в первую очередь, особенностью сгорания дизельного топлива в этих двигателях.
Дизельное топливо по сравнению с бензином более тяжелое. Оно труднее испаряется, поэтому хуже перемешивается с воздухом. Если смесь бензина с воздухом готовится вне цилиндра двигателя, то смесь дизельного топлива с воздухом готовится непосредственно внутри цилиндра, поэтому для смесеобразования недостаточно времени. В цилиндр дизельное топливо впрыскивается. Если в цилиндр дизельного двигателя подать ровно столько воздуха, сколько теоретически требуется для полного сгорания впрыснутого топлива, из-за отмеченных выше обстоятельств топливо полностью не сгорит. Энергия в тепловой форме полностью не выделится. Эффективность такого двигателя будет крайне низкой. Для полного сгорания топлива в цилиндр дизельного двигателя подается большее количество воздуха, чем требуется теоретически.
Отношение действительного количества воздуха пд к теоретически необходимому количеству п0 для полного сгорания топлива называется коэффициентом избытка воздуха
А — — — Шд П0 т0
Из выражения (10.22) определим действительное количество (массу) воздуха, требуемое для полного сгорания топлива:
Пд = ап0; (10.23)
Гад = ат0. (10.24)
Подставляя выражения (10.20) и (10.21) в выражения (10.23) и (10.24), получим (для дизельного топлива):
TOC \o "1-3" \h \z а /С Н Ош\ [Кмоль воздуха] , .
Пд = 0^1 Ll2 + 4 " "32" j ‘ [ Кг топлива J 5 (1°’25) АМ /С Н От\ [Кгвоздуха] ( .
Т» — 0Л1 112 "+ 4- И") ‘ 1кг топлива]’ (1°’26)
Для бензина выражения (10.25) и (10.26) будут иметь вид:
[Кмоль воздуха! fl0 т
Пд 0.2lVl2+J’ I кг топлива J’ [™М)
= НЧ Г кг воздуха 1
Д 0.21 \12 4/’ 1кг топлива] v }
До сгорания топлива в цилиндре находится воздух, состоящий из азота и кислорода. Парами топлива, как правило, пренебрегают. При сгорании топлива в цилиндре расширительной машины происходит изменение состава рабочего тела (образуется новая смесь газов). В результате сгорания топлива в цилиндре двигателя будут находиться:
• азот N2, не принимающий участия в окислении топлива;
• избыточный кислород Ог, не принявший участия в окислении топлива;
• водяной пар Н20 [выражение (10.4)];
• диоксид углерода СО2 [выражение (10.5)];
• диоксид серы SO2 [выражение (10.6)].
|
(10.22) |
Определим количество каждого компонента рабочего тела, образующегося после сгорания 1 кг топлива:
• водяного пара [выражение (10.9)]
Д
Пи2о = КМОЛЬ (Н20); (10.29)
Z
• диоксид углерода [выражение (10.13)]
Q
Псо2 = Y2 кмоль (с°2); (10.30)
• диоксид серы [выражение (10.17)]
G
Nso2 = ^ кмоль (S02). (10.31)
Общее количество рабочего тела после сгорания 1 кг топлива составит ГСсг = ГСНаО + ГССОа + nSOa + + nNa i [кМОЛь]. (10.32)
Определим избыточное количество воздуха (если для сгорания топлива его подается больше, чем требуется теоретически)
An = пд — п0 = а-п0 — п0 = п0(а — 1), [кмоль]. (10.33)
В этом избыточном воздухе содержится следующее количество кислорода:
П02 = 0.21Дп = 0.21по(о; — 1), [кмоль]. (10.34)
Так как азот не участвует в окислении топлива, то он полностью остается в составе рабочего тела:
NNa = 0.79пд = 0.79а • п0, [кмоль]. (10.35)
Подставляя выражения (10.29), (10.30), (10.31), (10.34) и (10.35) в выражение (10.32), получим при а > 1:
Псг = f + S + ^ + °’21(а ~ 1)По + °’79а’По =
При а = 1 равенство (10.36) будет иметь вид
Псг = | + § + ^ + 0.79по. (10.37)
В процессах сжатия, сгорания и расширения масса рабочего тела не изменяется, так как цилиндр расширительной машины не сообщается с окружающей средой. Масса рабочего тела после сгорания топлива равна массе рабочего тела до сгорания топлива. Закон сохранения массы утверждает, что суммарная масса всех продуктов реакции совпадает с суммарной массой всех реагентов.
В химических реакциях атомы вещества не создаются и не разрушаются, а только перегруппируются. В соответствии с законом сохранения массы можно утверждать, что масса образующихся продуктов сгорания топлива в смеси с воздухом равна суммарной массе топлива и воздуха до начала реакции окисления.
В процессе окисления топлива химический состав рабочего тела изменяется. Атомы и молекулы веществ в ходе реакции окисления группируются по-иному, образуя другое рабочее тело. Молярная масса рабочего тела (смеси газов) после сгорания топлива не равна молярной массе рабочего тела до сгорания топлива, так как молекулы и атомы перегруппировались. Количество вещества определяется по формуле
Т
П=М’
Где га — масса вещества; М —молярная масса вещества (масса 1моль).
Молярная масса вещества зависит от количества и вида атомов, образующих молекулы вещества, поэтому при сгорании топлива величина молярной массы М вещества изменяется. Из приведенной выше зависимости следует, что при изменении молярной массы М и неизменной массе вещества т — idem его количество п изменяется, то есть п0 Ф псг. Так как количество (но не масса) рабочего тела в процессе сгорания топлива изменяется, это приводит к изменению параметров его состояния. Преобразуем выражение (10.36) к виду
Псг = S + I+ ^ + аПо " 021 По’ (10’38)
Выражение (10.20) запишем в виде
(Ю.39)
Подставим выражение (10.39) в выражение (10.38):
„ _ С Н S ^ „ с н s om _
|
Пт = |
~12 z 3212_32 "32" ~~ Н . О
= ап0 + 1 + -^. (10.40)
До начала сгорания топлива в цилиндре расширительной машины находится смесь топлива и воздуха. Количество воздуха равно пд — ап0. Количество окисляемого (сгораемого) топлива равно
Rrt
Ш’
Где т — масса сгораемого топлива; МТ — молярная масса топлива.
До начала сгорания топлива в цилиндре расширительной машины находится рабочего тела в количестве
П1=пд + пт = ап0 + tj — . (10.41)
Определим приращение количества рабочего тела в результате сгорания топлива
Д, Н, Om т
Дп = псг — щ = ап0 + — + — — ап0 — — =
4 32 Мш
В практических расчетах наличием топлива в составе рабочего тела пренебрегают, так как его количество мало по сравнению с воздухом. По этой причине выражение (10.42) можно записать в виде
+ (10.43)
Для оценки степени приращения количества рабочего тела в результате сгорания топлива профессор Мазинг Е. К. ввел понятие теоретического (химического) коэффициента молекулярного изменения /?0, представляющего собой отношение количества газообразных продуктов, образующихся в результате сгорания топлива, к количеству воздуха, поступающего в цилиндр расширительной машины теплового двигателя до сгорания топлива:
, Н. От Н . От ~
130 = ^= ° ^ + = 1 + (10.44)
П 1 ап0 ап0 32ап0
Выражение (10.44) справедливо для дизельного топлива, так как в нем содержится свободный кислород. При использовании бензина выражение (10.44) будет иметь вид
Как отмечалось ранее, современные тепловые двигатели (ДВС) работают по условно замкнутому циклу. Эта условность заключается в том, что отработавшее рабочее тело (смесь газов) в определенные моменты времени выбрасывают из цилиндра расширительной машины и впускают новую порцию воздуха (смеси воздуха с топливом). В результате такой смены рабочего тела обеспечивается сгорание новой порции топлива в последующем цикле и понижение температуры рабочего тела перед сжатием (температура поступающего рабочего тела значительно ниже температуры выбрасываемого рабочего тела). Выброс отработавшего рабочего тела и впуск нового называют процессом газообмена теплового двигателя. В процессе газообмена в цилиндре расширительной машины все же остается часть отработавшего рабочего тела, так называемые остаточные газы. Наличие остаточных газов в цилиндре двигателя нежелательно, так как ухудшает качество процесса газообмена, от которого зависит протекание реакции окисления топлива.
Качество очистки цилиндра расширительной машины от отработавших газов оценивается относительной величиной называемой коэффициентом остаточных газов: п „
Vocr = — = —, (10.46)
Til OLUo
Где Пост — количество остаточных газов в цилиндре расширительной машины после процесса газообмена; щ — количество воздуха, поступающего в цилиндр расширительной машины в процессе газообмена.
До сгорания топлива в цилиндре расширительной машины находится следующее количество рабочего тела:
A = rii+ Пост = аи0 + Пост. (10.47)
После сгорания топлива в цилиндре расширительной машины будет находиться уже следующее количество рабочего тела:
^Псг + rw (10.48)
Действительный коэффициент молекулярного изменения рабочего тела в результате сгорания топлива будет равен
^=В==псг + пост (Ю.49)
A Til + Пост
С учетом зависимости (10.44) выражение (10.49) можно записать в виде
П1 + Пост
Преобразуем выражение (10.50) следующим образом:
Ftpttl + Пост ф Пост
П1
Подставляя выражение (10.46) в выражение (10.51), получим
/?=^о + ГУост (1052)
1 "Г Т^ост
Таким образом, если рабочее тело в цилиндре расширительной машины нагревать и охлаждать через стенки (как это предусматривалось при рассмотрении идеализированных циклов), то его количество не будет изменяться, так как не изменяется его химический состав. В реальных условиях количество (но не масса) рабочего тела, находящегося в цилиндре расширительной машины, изменяется, так как изменяется его химический состав в результате сгорания (окисления) топлива.
Так как при сгорании топлива увеличивается температура Т и количество п рабочего тела, то правая часть в уравнении состояния идеального газа
PV = nRT (10.53)
Увеличивается. Левая часть (произведение pV) выражения (10.53) тоже должна увеличиваться. Произведение pV представляет сбой работу (энергию) в механической форме, совершаемую рабочим телом над окружающей средой. Таким образом, изменение количества (но не массы) рабочего тела в процессе сгорания топлива способствует увеличению его энергетических возможностей.
Действительный коэффициент молекулярного изменения рабочего тела в тепловых двигателях с образованием горючей смеси вне цилиндра расширительной машины равен 1.07… 1.111, а в двигателях с образованием горючей смеси внутри цилиндра расширительной машины[31] —1.03… 1.04.
Эти данные показывают, что рабочее тело в двигателе с внешним смесеобразованием при сгорании топлива претерпевает большие молекулярные изменения, чем в двигателе с внутренним смесеобразованием.
Выражение (10.44) показывает, что чем меньше коэффициент избытка воздуха а, тем больше теоретический коэффициент молекулярного изменения рабочего тела Д>• Из выражения (10.52) видно, что с увеличением теоретического коэффициента молекулярного изменения Д> увеличивается действительный коэффициент молекулярного изменения рабочего тела. Чем больше действительный коэффициент молекулярного изменения, тем больше увеличивается количество п (но не масса) рабочего тела при сгорании топлива. С уменьшением коэффициента избытка воздуха а энергетические возможности рабочего тела увеличиваются в связи с действием отмеченных выше факторов.
В двигателях с внешним смесеобразованием сгорание топлива (бензина) происходит при а —> 1, а в двигателях с внутренним смесеобразованием — при а = 1.3… 1.6. Такое различие обусловлено тем, что бензин легче испаряется, а на образование горючей смеси отводится больше времени, чем в двигателях с внутренним смесеобразованием.
При а > 1 смесь топлива и воздуха называют обедненной, так как в ней в действительности может сгореть большее количество топлива. Такие смеси применяют в дизельных двигателях с целью обеспечения полноты сгорания топлива. Из-за плохого смесеобразования в этих двигателях при малых а (уже при а = 1.1… 1.2) невозможно обеспечить полного сгорания топлива.
При а < 1 смесь топлива и воздуха называют обогащенной, так как в ней не может сгореть все подаваемое топливо. В бензиновых двигателях возможно сгорание топлива (бензина) при а = 0.85… 0.95.
При а = 1 смесь топлива с воздухом называют нормальной. Как уже отмечалось, нормальная смесь состоит из 1 части топлива (по массе) и 15 частей воздуха.
Чрезмерное обогащение (а < 1) или обеднение (а > 1) горючей смеси может привести к тому, что топливо в цилиндре расширительной машины гореть не будет. Это обстоятельство следует учитывать при разработке тепловых двигателей (ДВС).
Диапазон воспламеняемости бензина в смеси с воздухом сравнительно узок и находится в пределах 0.4 ^ а ^ 1.4. В некоторых случаях конструктивными способами можно расширить пределы воспламеняемости бензина в смеси с воздухом.
Химический состав продуктов сгорания топлива при а < 1 (неполное сгорание топлива) несколько отличается от химического состава продуктов сгорания при а ^ 1 (полное сгорание).
В случае неполного сгорания топлива (а < 1) в продуктах сгорания (рабочем теле) дополнительно содержится оксид углерода СО. При неполном сгорании топлива количество каждого компонента в смеси отработавших газов определяют по формулам:
1-а
С пло1-"
Псо2= 2 -°Л2ТТкП°
1 — а
ТЬ н
|
1 — а ^0 = 0.42^-^710 Я |
|
NHa = 0.42А; |
|
П0\ |
|
1 + А: |
ПН2О = —0Л2к——:п0; NNa = 0.79а • пс; к = — 1 1 +К Псо