Продукты сгорания горючих смесей.
В течение действительного цикла рабочее тело не остается постоянным, а претерпевает физические и химические превращения. При этом меняются и теплофизические свойства рабочего тела, учитываемые при расчете рабочих процессов. Поэтому, при проведении расчетов необходимо знать состав, а отсюда и свойства рабочего тела на каждом этапе протекания цикла.
В процессе сжатия рабочим телом является свежий заряд, при расчете обычно предполагается, что это воздух. Количество свежего заряда, приготовленн6ого из единицы топлива (1 кг или 1 кмоль), составляет:
для двигателя с внешним смесеобразованием на жидком топливе
G1 = αl0 + 1 [кг смеси / кг топл.]
или
M1 = αL0 + 1/mт [кмоль смеси / кг топл.],( 18)
где тт – молекулярная масса топлива.
В газовом двигателе с внешним смесеобразованием из 1 кмоль топлива получается
M1 = αL0 + 1 [кмоль смеси / кмоль топл.]. ( 19 )
Для двигателя с внутренним смесеобразованием (впрыск и испарение топлива в конце сжатия)
G1 = αl0 [кг воздуха / кг топл.],
или
M1 = αL0. [кмоль воздуха / кг топл.]. ( 20 )
В процессе расширения рабочим телом являются продукты сгорания, их состав зависит от состава исходной горючей смеси.
Продукты сгорания стехиометрических и обедненных смесей
При полном сгорании жидкого топлива, когда α≥ 1, образуются следующие основные продукты сгорания: CO2 и Н2О – продукты полного сгорания углерода и водорода, содержащихся в топливе, N2 – азот воздуха и O2 – свободный кислород воздуха.
Суммарное количество продуктов сгорания 1 кг топлива равно:
M2 = MCO2 + MN2 + MO2 + MH2O.
Подставив в правую часть уравнения значения слагаемых в кмоль/кг топл. получим количество кмоль каждого из компонентов продуктов сгорания получающихся при сжигании 1 кг топлива:
MCO2 = C/12;
MH2O = H/2;
MO2 = 0,21αL0 – 0,21L0 = 0,21L0(α – 1);
MN2 = 0,79αL0,
получим в кмоль/кг топл.:
M2 = C/12 + H/2 + 0,21L0 (α – 1) + 0,79αL0 =
= C/12 + H/2 - 0,21L0 + αL0 = C/12 + H/2 + L0 (α – 0,21). ( 21 )
Или: M2 = M0 + (α – 1)L0 , ( 22 ) где
M0 = C/12+H/2+0,79L0 , ( 23 )
M0 – количество кмоль продуктов сгорания стехиометрической смеси из единицы топлива.
При отсутствии утечек рабочего тела из рабочей камеры масса его в процессе сгорания не меняется, но в результате сгорания происходит изменение (для жидких топлив обычно увеличение) количества кмоль газов, т.е. их объема:
ΔM = M2 – M1.
Это увеличение зависит от состава топлива и коэффициента избытка воздуха.
Для ДВС с внешним смесеобразованием
ΔM = (21) – (18) = C/12 + H/2 + L0 (α – 0,21) - αL0 - 1/mт = H/4 + O/32 – 1/mт. (24)
Для дизельных ДВС
ΔM = (21) – (20) = H/4 + O/32. (25)
Анализ выражений для ΔM показывает:
1. ΔM не зависит от α;
2. ΔM зависит лишь от H и O (отношение 1/mт практически не влияет т.к. mт более 100);
3. для жидких топлив ΔM больше нуля.
Отношение количества кмоль продуктов сгорания М2 к количеству кмоль смеси до сгорания М1 называется коэффициентом молекулярного изменения свежей смеси (μ0):
μ0 = M2/M1 = 1 + ΔM/M1.
Для двигателей с внешним смесеобразованием
μ0 = 1 +[(H/4+O/32-1/mт ) / (αL0 + 1/mт)], (26 )
для двигателей с внутренним смесеобразованием
μ0 = 1 + [(H/4+O/32)/(αL0 )]. (27 )
Если вести расчет имея в виду, что реально в цилиндре перед сгоранием находится рабочая смесь (т.е. свежий заряд в смеси с остаточными газами), то коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси μ нужно вычислять с учетом этого обстоятельства. Он может быть вычислен как:
μ =( M2 + Mr )/( M1 + Mr) =( μ0 + γr )/(1 + γr).
Здесь:
Mr – количество остаточных газов, находящихся в рабочей смеси;
γr = Mr / M1 - коэффициент остаточных газов.
В двигателях жидкого топлива коэффициент молекулярного изменения всегда больше единицы, с уменьшением α он растет.
Увеличение количества кмоль газов при сгорании, оцениваемое коэффициентом молекулярного изменения, вызывает увеличение полезной работы при расширении продуктов сгорания в цилиндре, что повышает мощность двигателя. Следовательно, чем выше коэффициент молекулярного изменения, тем больше мощность, развиваемая двигателем.
1 – бензин; 2 – этанол
При использовании газообразного топлива в стехиометрических или обедненных смесях состав продуктов сгорания в кмоль/кмольт вычисляется с помощью следующих выражений:
MCO2= Σn(CnHmOr);
MH2O= Σ(m/2) (CnHmOr);
MO2=0,21 (α – 1) L0;
MN2=0,79 α L0 + N2.
Суммируя количество всех компонентов, получим в кмоль/кмольт:
M2 = Σ(n+m/2) (CnHmOr) + 0,21(α – 1)L0 + 0,79 α L0 + N2.
Так как Σ(CnHmOr) + N2 = 1, а
L0 = (1/0,21) Σ (n+m/4-r/2) (CnHmOr),
можно записать:
M2 = 1 + α L0 + Σ (m/4 + r/2 - 1) CnHmOr , ( 28 )
или: M2 = M0 + (α – 1)L0 ,
где M0 = Σn(CnHmOr) + Σ(m/4) (CnHmOr) + 0,79L0 . ( 29 )
M0 – количество продуктов сгорания стехиометрической смеси,
(α – 1) L0 – количество воздуха, оставшегося в продуктах сгорания.
Изменение количества кмоль в результате сгорания:
ΔM = M2 – M1 = Σ (m/4 + r/2 - 1) CnHmOr. ( 30 )
Из анализа полученного выражения можно сделать следующие выводы:
1. В результате сгорания свежего заряда на газообразном топливе число кмоль рабочего тела может как увеличиваться, так и уменьшаться.
2. Величина изменения зависит от состава входящих в топливо газов.
Коэффициент молекулярного изменения свежей смеси (μ0) при использовании газообразного топлива вычисляется с помощью того же выражения, что и для случая использования жидкого топлива.