Меню
Предыдущая     |         Содержание     |    следующая

Автомобильные двигатели

Химические реакции при сгорании топлива

Сгорание топлива в цилиндре двигателя является сложным химическим процессом. Опуская все промежуточные стадии процесса сгорания, рассмотрим конечные химические реакции элементов, входящих в состав топлив, с кислородом воздуха.

Химические реакции при полном сгорании жидкого топлива. Элементарный состав топлив определяют по уравнению (36).

При полном сгорании топлива предполагается, что в результате реакций углерода и водорода с кислородом воздуха образуются соответственно углекислый газ и водяной пар. В этом случае окисление углерода и водорода топлива соответствует химическим уравнениям:

При расчетах исходных и конечных продуктов реакции в массовых единицах получим: для С кг I С I

При расчете в кмоль

Из уравнений (40) и (41) видно, что в результате реакции углерода с кислородом объем числа молей конечных продуктов реакции С02 равен объему участвующего в реакции кислорода. Реакции водорода с кислородом приводят к двукратному увеличению объема (числа молей) водяного пара по сравнению с израсходованным кислородом.

Определение теоретически необходимого количества воздуха при полном сгорании жидкого топлива. Наименьшее количество кислорода О0, которое требуется подвести извне к топливу для полного его окисления, называется теоретически необходимым количеством кислорода. Из уравнений (38) и (39) следует, что для полного сгорания 1 кг топлива нужно следующее количество кислорода при расчете:

или по уравнениям (40) и (41) при расчете в кмоль

В двигателях внутреннего сгорания необходимый для сгорания кислород содержится в воздухе, который вводят в цилиндр в процессе впуска. Учитывая, что кислорода в воздухе по массе содержится приблизительно 23 %, а по объему 21 %, получим соответственно теоретически необходимое количество воздуха для сгорания

1 кг топлива в кг:

или в кмоль

следовательно:

для сгорания стехиометрического состава смеси может быть найдено через характеристику топлива 6, которая определяется по формуле

Характеристика топлива р" при его сгорании в атмосферном воздухе зависит от элементарного состава топлива и количества кислорода в воздухе.

После некоторых преобразований формула (45) при расчете

(в кмоль) примет вид

приведены в табл. 5.

" молей 02, и в результате образуется m/z молей И20. Тогда с учетом наличия кислорода Ог в данном газе реакция окисления компонента выражается уравнением

с кислородом на основании формулы (49) имеет вид

определится из выражения

объемные доли отдельных компонентов в газообразном топливе.

Коэффициент избытка воздуха. В автомобильном двигателе в зависимости от типа смесеобразования, условий воспламенения и сгорания топлива и режима работы количество действительно потребляемого воздуха может быть больше теоретически необходимого для полного сгорания, равно ему или меньше.

в кмоль) к количеству воздуха, теоретически необходимому для сгорания 1 кг топлива, называется коэффициентом избытка воздуха и обозначается через а:

или

(избыток кислорода), смесь называют бедной.

из-за недостатка кислорода

).

В дизелях, в которых применяется качественное регулирование, коэффициент а в зависимости от нагрузки меняется в широких пределах (от 5 и более при малой нагрузке до 1,41,25 при полной). На рис. 18 приведены кривые зависимости коэффициента а от нагрузки двигателя.

хг, часто используют при анализе рабочего процесса двигателя и называют топливовоздушным отношением.

(полное сгорание). В двигателе с искровым зажиганием воздух и топливо в виде горючей смеси поступают в цилиндр в процессе впуска. При полном сгорании 1 кг топлива общее количество горючей смеси (в кмоль), состоящей из паров топлива и воздуха,

где рт молекулярная масса топлива (см. табл. 5).

В дизеле топливовоздушная смесь образуется в камере сгорания за время впрыска топлива в конце процесса сжатия и в течение процесса сгорания. Вследствие этого, а также из-за малого объема, занимаемого лекулярную массу топлива не учитывают,

Для газообразного топлива (в кмоль или м3)

Для любого топлива масса смеси (в кг)

Количество отдельных составляющих продуктов сгорания (в кмоль) определяется по следующим уравнениям:

масса кислорода, принявшего участие в реакции, кмоль.

получим (в кмоль)

После подстановки в уравнение (57) выражений (58) (60) и (62) находим:

его значение из выражения (45), будем иметь (в кмоль)

Определим количество продуктов сгорания (в кмоль) через характеристику топлива. Из формул (58), (59), (61) и (62) имеем

После соответствующих преобразований получим

количество продуктов сгорания (в кмоль)

соответственно массы избыточного азота и кислорода в продуктах сгорания в зависимости от коэффициента избытка воздуха.

Масса продуктов сгорания (в кг) при сгорании 1 кг жидкого топлива

Определим количество продуктов сгорания при сгорании газообразного топлива. Для 1 моля (или 1 м3) газообразного топлива имеем количество отдельных составляющих (в моль или м3)

где N2 количество азота в топливе, моль или м3.

При сгорании 1 моля или 1 м3 газообразного топлива количество продуктов сгорания (в моль или м3)

из формулы (50), тогда

где Мо в моль или м3.

Учитывая, что

получим (в моль или м3)

из уравнения (74) имеем

тогда

показывает, что отношение числа молей водорода и окиси углерода примерно постоянно для данного топлива и не зависит от величины а. Обозначим это отношение через

Химическая реакция углерода с кислородом при неполном сгорании имеет вид

получим

или

объем продуктов сгорания увеличивается в 2 раза по сравнению с объемом кислорода, принявшего участие в сгорании.

) количество продук-

тов сгорания (в кмоль)

Количество водяных паров в продуктах сгорания в случае неполного сгорания определяется из уравнения

Количество свободного водорода (в кмоль) в продуктах сгорания

Суммарное количество водяных паров и водорода в продуктах сгорания (в кмоль)

С учетом азота, содержащегося в воздухе, общее количество продуктов сгорания из уравнений (82) и (85) (в кмоль)

через характеристику топлива [уравнение

, количество участвующего в реакции кислорода, необходимое для сгорания углерода

углерода в СО

водорода

Общее количество кислорода, участвующего в реакции,

Из уравнений (82), (85) и (79) имеем

После подстановки выражений (92) и (93) в уравнение (91) получим

или

или

Количество каждого компонента (в кмоль), входящего в состав продуктов сгорания, определяют по следующим формулам, полученным соответственно из выражений (79), (92), (93) и (95):

Количество азота

, частицы сажи твердый фильтрат, состоящий главным образом из твердого углерода С.

тепловой эффект реакции снижается в результате образования из части углерода СО. Присутствие этих компонентов крайне нежелательно, так как они обладают токсическими свойствами. Удаленные из цилиндра двигателя с отработавшими газами указанные компоненты загрязняют воздушный бассейн и вредно сказываются на здоровье людей. Поэтому в последнее время уделяется особое внимание обезвреживанию выбрасываемых в атмосферу отработавших газов. К числу токсичных составляющих продуктов сгорания необходимо отнести также окислы свинца, образующиеся при сгорании этилированного бензина (см. табл. 2).

альдегиды и сажа являются результатом неполного сгорания и термического разложения углеводородов даже тогда, когда имеется избыток кислорода. Количество указанных компонентов зависит от характера протекания промежуточных химических реакций.

однако ее концентрация сравнительно невелика.

в продуктах сгорания объясняется наличием пристеночных зон "в камере сгорания, где вследствие соприкосновения заряда со стенками, имеющими сравнительно низкие температуры, происходит гашение пламени.

Альдегиды получаются в тот период, когда процесс окисления протекает при низких температурах. Такое явление наблюдается при пуске, а также на рабочих режимах в тех зонах, где горящая смесь охлаждается сравнительно холодными поверхностями, ограничивающими камеру сгорания. В дизеле, где впрыск топлива начинается непосредственно перед началом сгорания, альдегиды образуются при так называемых предпламенных реакциях, протекающих в период подготовки топливовоздушной смеси к сгоранию (см. гл. VI). Работа дизеля на сильно обедненной смеси, характерная для малых нагрузок, а также сгорание последней порции топлива в бензиновых двигателях, когда используется специальный метод организации процесса сгорания (послойное смесеобразование), приводит к образованию альдегидов.

в различных зонах камеры

, наряду со сгоранием происходит распад топлива и выделяется углерод (сажа). В карбюраторных двигателях состав смеси однородный (гомогенный), и сажа при нормальной работе двигателя образуется практически в незначительных количествах.

Окислы азота получаются при наличии атомарного кислорода в тех зонах камеры сгорания, в которых резко повышается температура в результате химической реакции окисления углеводородов топлива. Количество образующейся окиси азота зависит от содержания азота и кислорода в продуктах сгорания.

определяется условиями протекания обменной диффузии продуктов сгорания с атмосферным воздухом.

в продуктах сгорания при работе двигателя с искровым зажиганием без нагрузки холостой ход (ГОСТ 1653370) и на содержание дыма в отработавших газах дизелей (ГОСТ 1902573).

Состав продуктов сгорания. В зависимости от того, какие требования ставят при определении состава продуктов сгорания, выбирают соответствующую аппаратуру и методику анализа. Аппаратуре и методике анализа газовых проб посвящена специальная литература.

На рис. 19 приведены кривые содержания продуктов сгорания в отработавших газах дизеля и карбюраторного двигателя в зависимости от а. Изменение коэффициента а зависит от нагрузки двигателя.

в пересчете на сухую массу (рис. 19, а)

", когда нагрузка

увеличивается.

2 резко возрастает и в продуктах сгорания имеется небольшое количество кислорода, не участвовавшего в сгорании.

когда процесс сгорания ухудшается.

Реклама