Хімічні реакції при згорянні палива

Для повного згоряння палива необхідно визначити кількість повітря, що називається

теоретично необхідною і визначається за елементарним складом палива.

Кількість повітря, що теоретично необхідна для згоряння 1 кг рідкогопалива l ₀, кг/кг, і L ₀,

кмоль/кг:

⎛ 8

⎞

l

= ⎜

+ −

C ₈ H O

⎟

/ 0,23,

⎝ 3

⎠

⎛ C H O ⎞

L ₀= ⎝⎜₁₂+₄−₃₂⎟⎠^/0,208,

де 0,23 – масовий вміст кисню у 1 кг повітря,

0,208 – об’ємний вміст кисню у 1 кмоль повітря.

Ці дві величини зв'язані між собою співвідношенням:

l₀ = μ п ^·L0 ^,

де μ п – удавана молярна маса повітря, кг/кмоль, μ п = 28,96 кг/кмоль.

Теоретично для згоряння 1 кг палива потрібно 14,95 кг повітря (для бензину) і 14,45 кг

(для ДП).

Кількість повітря, що теоретично необхідна для згоряння 1 кг газоподібногопалива

(суміші газів С_xH_yO_z) L ₀ Г _,кмоль/кмоль (м³/м³):

Г =

∑

⎛⎛

+ −

⎞

⎟ ⋅

⎞

⎜

i

i

L

x^yz_CH O

,

0,208

⎝⎜⎜

⎝

i

4 2 ⎠

x y z ⎟⎟⎠

де xi, yi, zi – число атомів відповідно вуглецю, водню і кисню в молекулі i- того компонента

палива;

C_xH_yO_z – об'ємна частка i- того компонента у паливі.

Длягазодизелів кількість повітря, теоретично необхідне для згоряння 1 кг суміші

газоподібногоірідкогопалива L ₀ ГД _,кмоль/кмоль (м³/м³):

L ₀ ГД ₌ L ₀ Г ₊ gТ ^· L ₀.

Відношення дійсної кількості повітря до тієї, що теоретично необхідна для спалювання 1

кг палива називається коефіцієнтомнадлишкуповітря (2.5)α:

α = l/l₀ = L/L₀.

У закордонній практиці (у останні роки і у вітчизняній) коефіцієнт надлишку повітря

позначається літерою λ.

Коефіцієнт надлишку повітря на номінальномурежимі(2.6) знаходиться в межах:

- для карбюраторних і бензинових з центральним впорскуванням: α = 0,85ч0,96;

- для бензинових з розподіленим і безпосереднім впорскуванням: α = 0,9ч1,3;

- те ж при наявності каталітичного нейтралізатора: α = 0,96ч0,98;

- для дизелів з нерозділеною камерою згоряння:

- для вихрокамерних дизелів:

- для передкамерних дизелів:

- для дизелів з наддувом:

- для газових двигунів:

- для газодизелів:

α = 1,5ч1,7;

α = 1,3ч1,45;

α = 1,4ч1,5;

α = 1,3ч2,2;

α ≈ 1;

α = 1,6ч2,0.

Навіть при α = 1 неможливо домогтися повного згоряння палива, тому звичайно α > 1.

Зниження коефіцієнта надлишку повітря α веде до підвищення потужності двигуна, однак, при

цьому підвищується його теплова напруженість і знижується економічність. Для сучасних

бензинових ДВЗ ефективна робота каталітичних нейтралізаторів вимагає дотримання α = 1±0,5%

на усіх режимах.

Кількість пальної суміші (1.30) M ₁, кмоль/кг (кмоль/кмоль), визначається за формулами:

- для бензинових двигунів, кмоль/кг

- для дизельних двигунів, кмоль/кг

- для газових і газодизельних двигунів, кмоль/кмоль

M ₁ = α· L ₀ + 1/ mп ^;

M ₁ = α· L ₀;

M ₁ = α· LГ ₀ +1,

де mп – молекулярна маса парів палива, кг/кмоль, mп = 110ч120 кг/кмоль. Для дизельних

двигунів масу пальної суміші приймають без обліку маси палива, тому що

паливо в камеру згоряння надходить тільки після процесу стиску.

Кількість продуктів згоряння для рідкихпалив Mі ^,кмоль/кг, визначається за формулами:

а) При повному згорянні палива (α ≥ 1, виділяються вуглекислий газ СО 2, водяний пар

Н ₂ О, надлишковий кисень О ₂, азот N ₂):

M_CO

M_H 2 ^O

=

=

C

H

;

;

M

O

=

0,208 (

⋅ α − ⋅ L

1);

M_N 2

=

α

0,792 ⋅ ⋅ L ₀.

o

тоді загальна кількість продуктів згоряння M 2, кмоль/кг:

C H

M

= + + (α −

12 2

0,208)

⋅

L_O.

б) При неповному згорянні палива (α < 1, виділяються чадний газ СО, вуглекислий газ

СО ₂, вільний водень Н ₂, водяний пар Н ₂ О, азот N ₂):

L

M

=

0,416 ⋅ (1)

;

CO

C_M

−α ⋅₁+

C

K

L ₀

M_CO

= −

CO

= −

⋅

0,416 ⋅ (1)

− α ⋅₁+ K

;

M

H

=

α

− ⋅

0,416 ⋅ (1)

K L

1 + K

;

M

H ₂ O

H_M

= −

H

H

= −

α

− ⋅

0,416 ⋅ (1)

⋅

K L ₀

1 + K

;

M_N 2

=

α

0,792 ⋅ ⋅ L ₀.

де K – постійна для бензину, що обумовлена відношенням кількості водню до окису

вуглецю в продуктах неповного згоряння: K = 0,45ч0,50;

тоді загальна кількість продуктів згоряння M ₂, кмоль/кг:

C H

M ₂= + +

α

0,792 ⋅ ⋅ L_O.

12 2

Кількість продуктів згоряння для газовихпалив Mі ^,кмоль/кмоль (м³/м³):

M_CO

= ∑ x_i ⋅ C_xH_yO_z;

i

M_H 2 ^O = ∑ ^y ⋅ C_xH_yO_z;

M

O

=

0,208 ⋅ (α − ⋅ LГ

1);

M

=

⋅α ⋅ Г +

N

0,792

L ₀ N_T.

де NТ – частка азоту в 1 м³палива, NТ = 0 для СНГ, NТ = 0,04 для КПГ;

тоді загальна кількість продуктів згоряння M 2, кмоль/кмоль (м³/м³):

M ₂= M_CO

+ M_H 2 ^O + M_N

+ M_O 2^.

Кількість продуктів згоряння для газодизелів Mі ^,кмоль/кмоль (м³/м³):

M_CO 2⁼∑ x_i ⋅ C_xH_yO_z + ^C ⋅ g_T;

i

M_HO

= ∑ ^y ⋅ C_xH_yO_z + ^H ⋅ g

T

;

M

=

⋅ α

0,208 (

−1) ⋅ LГ −

0,208

⋅ ⋅

g L;

M

O

=

Г

⋅α ⋅ Г +

T

N

0,792

Г

L ₀ N_T.

де NТ – частка азоту в 1 м³палива, NТ = 0 для СНГ, NТ = 0,04 для КПГ;

тоді загальна кількість продуктів згоряння M ₂, кмоль/кмоль (м³/м³):

M ₂= M_CO

+ M_HO ⁺ M_N

+ M_O.

Дляусіхвидівпалив:

- зміна кількості молей при згорянні Δ M, кмоль/кг (кмоль/кмоль):

Δ M = M 2 - M 1;

- відносна зміна об'єму суміші μ ₀:

μ₀ = M ₂/ M ₁.

Ця величина завжди більше одиниці, і її залежність від коефіцієнта надлишку повітря α

має вид, що представлений на рис. 2.2.

Рисунок 2.2. Коефіцієнт молекулярної зміни робочої суміші

Дійсний коефіцієнт молекулярної зміни робочої суміші (1.31) враховує наявність

залишкових газів і обчислюється з вираження:

μ = μ + γ_,

O r

де γ_r – коефіцієнт залишкових газів.

+ γ

1 _r

Значення дійсного коефіцієнта молекулярної зміни робочої суміші на номінальному

режимі для різних типів ДВЗ полягають у межах:

- бензинові

- дизельні

- газові

μ = 1,02ч1,12;

μ = 1,01 ч 1,06;

μ = 0,92 ч 0,96.

2.3. Теплота згоряння палива

У розрахунках прийнято теплоту вимірювати в питомих одиницях – Дж/кг для рідких

палив та Дж/м³для газоподібних. Теплота згоряння може також вимірюватися у англо-

американських одиницях British Thermal Units (ВTU, Британська теплова одиниця):

1 BTU = 252 кал = 1055 Дж = 2,93 · 10^-4кВт·год.

Длярідкихпаливнижчу (чисту)теплотузгорянняпалива (2.7) H_U, МДж/кг,

визначають за формулою Менделєєва:

H_U = 33,91· C + 125,6· H – 10,89·(O - S) – 2,51·(9· H + W),

де С, Н, О, S, W – масові частки вуглецю, водню, кисню, сірки і вологи в 1 кг палива.

Длягазоподібнихпалив обчислюють нижчу теплоту згоряння 1м³газу QU, МДж/м³:

Q_U = 12,8· CO +10,8· H ₂+35,7· CH ₄+56,0· C ₂ H ₂+59,5· C ₂ H ₄+63,3· C ₂ H ₆+

+90,9· C ₃ H ₈+119,7· C ₄ H ₁₀+146,2· C ₅ H ₁₂,

де CO, H ₂, CH ₄, C ₂ H ₂, C ₂ H ₄, C ₂ H ₆, C ₃ H ₈, C ₄ H ₁₀, C ₅ H ₁₂ – об'ємні частки відповідних

компонентів у 1 м³палива.

Длягазодизелів обчислюють загальну теплоту згоряння рідкого і газового палива H_UГД _,

МДж/кмоль:

Н_UГД =

⋅

⋅

22,4 Q_U + g H

T U

,

де gТ – маса рідкого палива, що приходиться на 1 кмоль газового палива, кг/кмоль:

22,4 ⋅ _Q

g_T

=

H_U

U

q

⋅₁−

q

,

де q – відносна частина теплоти, що вноситься рідким паливом, від загальної кількості

тепла. На номінальному режимі величину q приймають у межах q = 0,05ч0,2.

Теплота згоряння пальної суміші для рідкихпалив Hпал.сум. ^, МДж/кмоль:

Hпал.сум. = HU / M 1.

Якщо α < 1, то втрата теплоти Δ HU, МДж/кг, через неповноту згоряння складе:

Δ H_U = 119,95·(1 - α)· L ₀.

Теплота згоряння пальної суміші для газовихпалив Hпал.сум., МДж/кмоль:

22,4 ⋅ Q

H

сум

пал..

=

M ₁

U

.

Теплота згоряння пальної суміші для газодизелів Hпал.сум., МДж/кмоль:

⋅

⋅

H

сум

пал..

=

22,4 Q_U + g H

Т U

M ₁

.

Залишкові гази завжди зменшують теплоту згоряння пальної суміші, тому дійсне

значення теплоти згоряння робочої суміші Нроб.сум, кДж/кмоль, визначається за виразами:

- для бензинових двигунів:

H

роб сум

..

= 103 ⋅

H

U

− Δ H

⋅ + γ

U

;

- для дизелів:

M ₁

(1

r

)

H

=

10³⋅ H

U

;

- для газових двигунів:

сум_M

роб..

⋅ (1 + γ

⋅ ⋅

r

)

H

=

22,4 10³

Q

U

;

- для газодизелів:

сум

роб..

M ₁

⋅ (1 + γ

r

)

10³⋅ H ГД

H

=

роб. сум. _M

U

⋅ (1 + γ

r

)

.