Топлива для ЭУТТ. Химические реакции ... В качестве топлива для ДВС используется природный и искусственные

Лекция №4 Топлива для ЭУТТ. Химические реакции окисления.
Приготовление и состав топливно-воздушных смесей используемых для
ЭУТТ. Продукты сгорания
В качестве топлива для ДВС используется природный и искусственные
газы или жидкие топлива. Из жидких топлив широко используется бензин,
керосин и дизельное топливо (солярка).
Топливо для ДВС - представляет собой сумму предельных и
непредельных углеводородных соединений.
Его структурный состав. В составе 1 кг топлива находится С кг углерода, Н кг - водорода и О кг – кислорода
С + Н + О т = 1 кг топлива
Основные свойства топлива.
Испаряемость – определяется температурной шкалой, при которой
обеспечивается 10% - испарения, 50% - испарения, 90% - испарения и
температурой кипения (для бензинов).
Детонационная стойкость – представляет собой стойкость топлива в
составе топливно-воздушной смеси против появления детонационного
сгорания. С учетом условий физико-химического процесса сгорания
детонационная стойкость оценивается октановым числом.
Октановое число топлива – представляется, как процентное содержание
изооктана в смеси с н. гептаном, которая эквивалентна по своей
детонационной стойкости испытываемому топливу. Изооктан используется
как эталон, которому присвоено октановое число равное 100 единицам.
Воспламеняемость
топлива
представляет
собой
легкость
воспламенения топлива в составе топливно-воздушной смеси при его
контакте с горячим воздухом и температурой равной температуре
самовоспламенения.
Легкость воспламенения определяется интервалом времени задержки
воспламенения. Воспламеняемость топлива оценивается цетановым числом.
Цетановое число представляется как процентное содержание цетана,
(ЦЧ=100), в смеси с  - метил нафталином (ЦЧ=0), которая по своему
периоду задержки воспламенения эквивалентна испытываемому топливу, в
тех же условиях.
Чем выше цетановое число, тем меньше период задержки
воспламенения топлива в составе топливно-воздушной смеси.
В соответствии с конечными реакциями химического окисления
элементов составляющих углеводородное топливо для ДВС
С + О2 = СО2
и
Н2 + 0,5О2 = Н2О
легко определить, что для сжигания С кг углерода в составе одного
килограмма топлива требуется
8
кислорода
3 С кг
8
11
С (С )  3 С (О )  3 С (СО ).
кг
кг
2
кг
2
Для сжигания Н кг водорода в составе 1кг топлива требуется 8 H кг
Н (Н
кг
2
)  8 Н кг (О2)  9 Н кг ( Н 2 О ).
кислорода.
При расчетах в кмолях на
С
кг
углерода требуется
C
кмоль кислорода
12
С
С
С (С )  12 кмоль(О )  12 кмоль(СО )
кг
2
На Hкг водорода требуется
Н (Н
кг
2
)
Н
4
2
H
кмоль кислорода
4
кмоль (О2) 
Н
2
кмоль ( Н 2 О ).
Из таких соотношений следует, что наименьшее количество кислорода
необходимого для обеспечения полного сгорания 1 кг топлива составляет:
где От - массовое количество кислорода в составе 1 кг топлива.
8
 8 H  OT
3C
кг кислорода
,
кг топлива
В реальных условиях в качестве окислителя используется кислород в
составе воздуха. Количество кислорода в составе воздуха составляет  23%
по массе и  20,8% по объему. Таким образом, теоретическое количество
воздуха необходимое для сгорания 1 кг топлива определится из выражения, в
кг

O

1 8
 кг воздуха
 C  8 H  OT 
0,23  3
 кг топлива
или в молях
1  C H OT  кмоль воздуха
L 


о 0,21  12
4
32  кг топлива

Согласно элементарного состава в 1 кг бензина содержится 0,855 кг
углерода (С) и 0,145 кг водорода (Н2). В составе 1 кг топлива для дизельных
двигателей содержится 0,87 кг углерода (С), 0,126 кг водорода (Н2) и 0,004 кг
(кислорода).
Следовательно, для полного сжигания 1 кг бензина требуется о =14,95
кг воздуха, для сжигания 1 кг дизельного топлива о =14,45 кг воздуха.
Качество топлива определяется теплотой сгорания топлива. Это
количество выделившейся теплоты при полном сгорании единицы массы
(или единицы объема) топлива.
При анализе и расчетах принимается низшая теплота сгорания Hu.
Для бензина Hu составляет 43930
кДж
.
кг (топлива)
Для дизельного топлива Hu=42500
кДж
.
кг (топлива)
Смотреть технические характеристики топлива.
Состав свежей и рабочей смеси
В зависимости от типа смесеобразования, условий, режима работы
двигателя и выполнения механических регулировок элементов системы
питания, действительное количество воздуха, которое поступает на каждый
кг потребляемого топлива может быть меньше, равно или больше
теоретически необходимого.
Соотношение воздуха и топлива в составе приготавливаемой топливновоздушной смеси оценивается коэффициентом избытка воздуха - .
Коэффициент избытка воздуха определяется как отношение
действительного количества воздуха приходящегося на каждый кг
расходуемого топлива к количеству воздуха, которое теоретически
необходимо для обеспечения полного сгорания 1 кг топлива - о.

Gвд 1



Gт  о  о
При действительном соотношении воздуха и топлива 14,95: 1,
коэффициент избытка воздуха приравнивается единице  = 1.
При увеличенной подаче топлива, когда на каждый его кг, воздуха
приходится меньше о,  < о коэффициент избытка воздуха становится
меньше единицы (<1) и смесь называют обогащенной или богатой по
топливу.
При  > 1, когда топлива поступает меньше и количество воздуха
приходящегося на каждый килограмм топлива становится больше чем о, т. е
 >о, смесь называют обедненной или бедной по топливу.
Предельные значения изменения состава смеси определяются, для
бензиновых двигателей, предельными значениями надежного воспламенения
от электрической искры высокого напряжения и составляют  = 0.7…1.3.
Для дизельных двигателей, с учетом особенностей организации
смесеобразования
и
воспламенения
топливно-воздушной
смеси,
коэффициент избытка воздуха  изменяется в более широких пределах  =
1,25…5 и более. Более широкие пределы изменения состава смеси для
дизельных двигателей позволяют использовать качественное регулирование
мощности.
Свежая смесь образуется в процессе перемешивания воздуха и паров
топлива на участке движения и поступления в цилиндр.
После поступления в цилиндр свежая смесь перемешивается с
оставшимися в объеме цилиндра отработавшими газами и образуется рабочая
смесь.
Доля присутствия в составе рабочей смеси остаточных газов
оценивается коэффициентом остаточных газов - r.
Коэффициент остаточных газов определяется отношением количества
молей остаточных газов Мr в составе рабочей смеси к количеству молей
свежей смеси - М1
Mr
.
M1
r 
Количество и состав рабочей смеси определяется из условий состава
свежей смеси   1 и   1 .
Количество свежей смеси в кмолях:
1
М 1    L0  ;

т
Для дизельных двигателей можно принять:
М 1    L0 .
Количество и состав рабочей смеси после завершения процесса
сгорания (продуктов сгорания) будет также зависеть от коэффициента
избытка воздуха. При   1 общее количество и состав продуктов сгорания в
расчете сгорания 1кг топлива составит:
M
2
M
CO2
M
M
H 2O
O2
M
N2
По отдельным составляющим:
M CO

2
MH O
C
12

2
МО
2
MN
кмоль
H
кмоль
2
 0,21  (  1)  L0
 0.79    L0
2
кмоль
кмоль
При   1
M
2
M
CO
M
CO2
M
H 2O
M
H2
M
По отдельным компонентам:
M CO
 0.42 
M CO

2
C
12
1

1  k L0
 0.42 
1

1  k L0
кмоль
кмоль
N2
MH
 0.42  k 
2
MH O
2
MN
2

H
2
1

1  k L0
 0.42  k 
 0.79    L0
кмоль
1

1  k L0
моль
кмоль
Анализ приведенных зависимостей показывает, что число молей
продуктов сгорания, после завершения процесса сгорания, становится
несколько больше, чем количество молей свежей смеси M 1 . Это происходит
в результате увеличения объема при сгорании водорода и углерода в CO
при   1 и перехода кислорода топлива в составе дизельного топлива в
газообразное состояние.
Изменение количества молей продуктов сгорания при окислении
топлива оценивается коэффициентом молекулярного изменения.
 M
0
M
2
 1
1
M M
M
2
1
;
1
Действительный коэффициент молекулярного изменения с учетом
присутствия в рабочей смеси остаточных газов определяется,
соответственно, из выражения:

д

 
1
0
r
r
;