Лекция № 4 4 Топливо и его химические реакции при сгорании

Лекция № 4
4 Топливо и его химические реакции при
сгорании
Для одного килограмма жидкого топлива, состоящего из
углерода (С), водорода (Н) и кислорода (От) при отсутствии серы
можно написать
С + Н + От = 1 кг.
При сгорании топлива (полном) предполагается, что в
результате реакции С, Н, с О воздуха образуется СО2 и
Н2О
С + О2 = СО2
2Н2 + О2 = 2Н2О.
При расчете исходных и конечных продуктов реакции в массовых и
для Нкг /Н2/единицах получим:
/Н2/12 кг С + 32 кг О2 = 44 кг 2Н2О;
4 кг Н2 + 32 кг О2 = 32 кг Н2О.
Соответственно для Скг /С/
Скг /С/ + 8/3Скг /О2/ = 11/3Скг /СО2/
и для Нкг
Нкг /Н2/ + 8Нкг /О2/ = 9Нкг /Н2О/.
(4.1)
(4.2)
Наименьшее количество кислорода О0, которое необходимо
подвести извне к топливу для полного его окисления,
называется теоретически необходимым количеством кислорода.
Из уравнений (4.1) и (4.2) следует, что для полного сгорания 1
кг топлива необходимо кислорода
О0 = 8/3С + 8Н – От кг.
В воздухе кислорода содержится 23% по массе, а по
объему 21%. Воздуху для окисления топлива необходимо
l0 
1 8

 С  8Н  От  кг
0,23  3

или
(4.3)
кг.
L0 
1  С Н От 

 

0,21  12 4 32  кмоль.
(4.4)
,97
Кажущаяся молекулярная масса воздуха  0  ,28следовательно
l0   0  L0  28,97 L0
В ДВС количество действительно потребляемого воздуха
может быть меньше, больше или равно L0, что оценивается  :

L
L0
  1 ; если  <1, смесь богатая,
При стехиометрической смеси L  L0
>1,
смесь
бедная.
В
бензиновых
ДВС
при полной открытой

дроссельной заслонке наибольшая экономичность достигается

при
= 1,1-1,3. Максимальная мощность достигается при
 = 0,85-0,9.
Для различных двигателей при
принимают следующие значения :
номинальной
Карбюраторные двигатели
Двигатели
с
форкамерно-факельным
зажиганием
Двигатели с искровым зажиганием и
впрыском топлива
Дизели с нераздельными камерами и
объемным смесеобразованием
Дизели с неразделенными камерами и
пленочным смесеобразованием
Вихрекамерные дизели
Предкамерные дизели
Дизели с наддувом
мощности
0,8 - 0,96
0,85 – 0,98 и
выше
0,85 – 1,3
1,5 – 1,7
1,5 – 1,6
1,3 – 1,45
1,4 – 1,5
1,3 – 2,2
На рис. 4.1 показана примерная зависимость от нагрузки.
Рис. 4.1
1 – карбюраторный двигатель, 2 – дизель
В дизелях, в которых применяется качественное
регулирование,
= 1,4-1,25 при полной
от 5 при малых нагрузках до 
нагрузке.

Горючая смесь и состав продуктов сгорания
при  >1 (полное сгорание)
При полном сгорании 1 кг топлива в карбюраторном двигателе общее
количество горючей смеси, состоящей из паров топлива и воздуха,
составляет
М 1  L0 
1
т
кмоль,
где - молекулярная масса топлива.
(4.5)
Таблица 4.1
Элементарный состав и характеристика бензина и дизельного топлива
В дизеле, так как топливно-воздушная
смесь образуется в камере сгорания и из за
малого объема, занимаемого жидким
топливом, молекулярную массу топлива не
учитывают. Тогда
М 1  L0 кмоль.
Для любого топлива масса смеси
G1  1  l0 кг.
В случае полного сгорания (>1) продукты
сгорания состоят из углекислого газа,
водяного пара, избыточного кислорода и
азота. Общее количество продуктов сгорания,
отнесенное к 1 кг топлива
М 2  М СО  М Н О  М О  М N
кмоль. (4.6)
2
2
2
2
Количество отдельных составляющих
продуктов сгорания определяется по
следующим уравнениям:
С
кмоль;
(4.7)
М СО2 
М Н 2О
12
Н

2
М О 2  0,21  1L0
кмоль;
(4.8)
кмоль.
(4.9)
где 0,21L0 - масса поступившего кислорода,
кмоль;
0,21L0 - масса кислорода, принявшего участие в
реакции, кмоль.
После подстановки в уравнение (4.6)
выражений (4.7) – (4.9) находим:
.
М2 
C H
C H
  0,21  1L0  0,79L0     L0  0,21L0
12 2
12 2
М 2  L0 
С Н С Н От
   
 L0 
12 2 12 4 32
Н
От
8
(4.10)
кмоль. (4.11)
4
Для стехиометрического состава смеси (= 1)
М О2  0
;
C H
( М )     0,79 L кмоль.
12 2
Тогда для любого >1
М 2  М 2  1    1L0 кмоль.
Масса продуктов сгорания при сгорании 1 кг
жидкого топлива
11
G2  C  9 Н  0,23  1l0  0,77l0  G1 кг.
3
2
1
0
Масса продуктов сгорания остается равной
сумме масс воздуха и топлива до сгорания, а
в общем случае не равно , то есть при
одинаковых температуре и давлении объем
продуктов сгорания может быть не равным
объему
горючей
смеси
до
сгорания.
Изменение объема смеси при сгорании
происходит вследствие изменения числа
молекул газообразных продуктов сгорания по
сравнению с числом молекул горючей смеси
до сгорания, из-за изменения объема при
сгорании водорода, а также вследствие
перехода кислорода топлива в газообразное
состояние.
Изменение определяется как разность
М  М 2  М 1 .
Для дизелей
O 
Н O

M  L0   Н  T  / 4  L0   T
8 
4 32

кмоль.
(4.13)
Для ДВС с внешним смесеобразованием
М 
Н От
1


4 32  т
кмоль.
(4.14)
Относительное изменение объема при
сгорании горючей смеси характеризуется
коэффициентом молекулярного изменения
свежей смеси , который представляет собой
отношение количества продуктов сгорания к
количеству горючей смеси до сгорания, то
M
M
есть
 
 1
M
M
.
H O

Для дизеля
  1  4 32
L
.
Для карбюраторного двигателя
2
0
1
1
T
0
0
H OT 1


4 32  т
0  1 
1
 L0 
т
.
На рис.4.2 показана зависимость  0 от  .
Рис. 4.2. Зависимость коэффициента  0 от коэффициента  :
1 – бензин; 2 – дизельное топливо
Анализ отработавших газов, когда <1, показывает, что
отношение числа молей водорода и окиси углерода
примерно постоянно для данного топлива и не зависит от .
Обозначим это соотношение через
М Н2
к
М СО .
Согласно опытам для бензинов, у которых Н/С = 0,170,19, отношение , а в случае Н/С = 0,13 .
Продукты сгорания состоят из компонент: СО2, СО, Н2,
Н2О, N2. Химическая реакция углерода с кислородом в
случае неполного сгорания.
2С + О2 = 2СО;
1 кг /С/ + 4/3 кг /О2/ = 7/3 кг /СО/.
Обозначая через долю углерода /С/ топлива, сгоревшего
в СО, получим
С кг /С/ + 4/3 С кг /О2/ = 7/3 С кг /СО/.
(4.15)
или
С кг /С/ + С/24 кмоль /О2/ = С/12 кмоль /СО/. (4.16)
Общее количество продуктов сгорания
С Н
М 2  1    0,79L0
12 2
кмоль.
(4.18)
Изменение объема при неполном
сгорании
С Н
1
М  М 2  М 1    0,79L0  L0 

12 2
т
Н От
1
 0,211   L0  

кмоль.
4 32  т
(4.19)
В отличие от полного сгорания в этом случае
изменение объема М зависит не только от
содержания в топливе водорода, но также и от
содержания углерода, так как при сгорании
углерода в СО происходит изменение объема, в то
время как при сгорании углерода в СО2 изменения
объема нет.
Принятая предпосылка о составе продуктов
сгорания справедлива только при уменьшении  до
. предельное при котором весь углерод топлива
сгорает в СО и М СО2  0 . При дальнейшем
уменьшении часть углерода совершенно не будет
окисляться и в продуктах сгорания появиться сажа.
Для бензина при   0,4 и  пр  0,5 .
Качество топлива определяется теплотой
сгорания, т.е. количеством выделившейся
теплоты при полном сгорании массовой (для
жидкого) или объемной (для газообразного)
единицы топлива.
Определяют высшую Нo и низшую H u–
теплоту сгорания, которые отличаются
приростом теплоты при конденсации водяного
пара, учитываемую в Н o.
Связь между ними Hи  Н  2,512 10 9Н  W  дж/кг
По формуле Менделеева Ни (для любого
жидкого топлива)
Ни  34,013С  125,6Н  10,9О  S   2,519Н  W   10 6 дж/кг.
6
0
Контрольные вопросы:
1)Какое количество углерода и водорода
содержится в одном кг жидкого топлива?
2)Какое количество воздуха необходимо для
сгорания одного кг бензина?
3)Что такое коэффициент избытка воздуха  ?
4)Как отличается  для бензинового и дизельного
топлива?
5)Какова низшая теплота сгорания бензина?
6)Чем отличается низшая и высшая теплота
сгорания?
7)Что такое богатая и бедная смесь?
8)Какова
величина
цетанового
числа
отечественных дизельных топлив?
9)При каких условиях в отработанных газах
появляется CO?