ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ И СГОРАНИЕ ТОПЛИВА

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

Н 1

Алкилъная

{метальная)

Н-с-н

Группа

Н I нн i 1 1 1 1

Н

-mri

Н Н Н Н!

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;

• кислород О;

• азот N.

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,,

= 1. (10.2)

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


Ваш отзыв

Рубрика: Основы теории тепловых процессов и машин

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *