Состав топлив, воздуха и выхлопных газов.

Рабочая смесь – смесь топлива, воздуха и остаточных газов.

Процесс образования рабочей смеси представляет совокупность процессов распыливания топлива и его перемешивания с поступившим в цилиндр двигателя свежим воздухом и газами, оставшимися в нем от предыдущего цикла.

Процессы смесеобразования и сгорания схематически изображены на схеме (рисунок 1). Они частично перекрывают друг друга, т.е. резкой границы между ними нет.

Рисунок 1 Схематическое изображение процессов смесеобразования и сгорания

 

В автотракторных ДВС могут применяться следующие способы образования рабочей смеси:

- внешний (ДсИЗ);

- внутренний (дизели и ДсИЗ с впрыском бензина в цилиндр);

- комбинированный (дизели с двухфазной топливоподачей и др.).

Способ смесеобразования во многом определяет протекание процесса сгорания топлива. Вместе с тем следует отметить, что основные химические реакции не зависят от способа смесеобразования.

Топливо состоит в основном из углерода (С), водорода (Н₂) и кислорода. В 1 кг дизельного топлива примерно содержится: углерода - 0,87 кг, водорода - 0,126 кг, кислорода - 0,004 кг. Общую формулу молекул топлива можно записать в виде С_пH_2п+2.

Если для общности рассуждений принять, что в одном кг топлива содержится У кг углерода, В кг водорода и К кг кислорода, то можно записать:

У + В + К = 1 кг

Процесс сгорания топлива – это процесс окисления его составных элементов (углерод и водород) кислородом.

Горение углерода: С + О₂ = СО₂,

т.е. для сгорания 1 кг – атома С требуется 1 кмоль О₂.

Справка: Кмоль (или килограмм-молекула) газа – количество кг газа, численно равное молекулярной массе газа. Например, масса одного кмоля кислорода – 32 кг, водорода - 2 кг.

Из уравнения также видно, что из 1 кмоля О₂ образуется 1 кмоль СО₂. Отметим, что согласно закону Авогадро, 1 кмоль любого газа при одинаковых условиях занимает одинаковый объем. Следовательно, при горении углерода объем газа до сгорания оказывается равным объему газа после сгорания (объемом углерода, входящего в состав жидкого топлива пренебрегаем).

Заметим, что при недостатке кислорода углерод сгорает не полностью, образуя окись углерода СО (угарный газ).

Учтя, что 1 кг-атом углерода равен 12 кг, составим пропорцию:

на 12 кг С требуется 1 кмоль О₂;

на У кг С (содержащиеся в 1 кг топлива) требуется Х кмоль О₂.

Отсюда получаем, что для полного сгорания углерода 1 кг топлива требуется Х=У/12 кмолей О₂

Горение водорода: 2Н₂ + О₂ = 2Н₂О

Для водорода 1 кмоль = 2 кг.

Составив ту же пропорцию:

на 4 кг Н₂ требуется 1 кмоль О₂;

на В кг Н₂ требуется Z кмоль О₂,

получим: кмолей О₂, т.е для сгорания водорода требуется В/4 кмолей кислорода.

Из уравнения сгорания водорода также следует, что при сгорании водорода при затрате 1 кмоль О₂ образуется 2 кмоля паров воды, т.е. число молей газов возрастает в 2 раза. Следовательно, объем увеличивается в 2 раза (объемом водорода в объеме топлива пренебрегаем). Это означает, кроме всего проче

го, и то, что при использовании в качестве топлива водорода, если бы даже тепло не выделялось, давление все равно бы поднималось и работа совершалась (из-за увеличения объема газа).

Общее количество кислорода, необходимого для полного сгорания одного кг топлива, получим сложив количества кислорода на сгорание углерода и водорода и вычтя кислород, находящийся в самом топливе (К/32) и вступающий затем в реакции окисления.

Для полного сгорания 1 кг топлива потребуется кислорода (кмолей):

, (1)

где: - число кмолей кислорода, содержащегося в 1 кг самого топлива.

Справка: В настоящее время во всем мире на сжигание добываемого топлива расходуется ежегодно 6 млрд. тонн кислорода. На дыхание затрачивается 700 млн тонн.

=28,95× L_o, кг воздуха/кг топлива.

Для среднего содержания элементов топлива (У=0,87 кг, В=0,126 кг и К=0,004 кг) находим:

В пересчете на нормальные условия (760 мм рт.ст. и 0°С) такое количество занимает объем:

, м³ воздуха/кг топлива.

1 кмоль воздуха содержит 0,21 кмоля О₂ (закон Авогадро).

Составим пропорцию для определения количества кмолей воздуха (L_o), необходимого для полного сжигания 1 кг топлива:

в 1 кмоле воздуха - 0,21 кмоля О₂;

в L_o кмоле воздуха - K’ кмоля О₂.

Отсюда получаем L_o (в кмоль воздуха на 1 кг топлива):

, (2)

Учитывая, что для воздуха: 1 кмоль» 28,95 кг, можно вычислить и массу воздуха, необходимую для обеспечения полного сгорания 1 кг топлива ():