2.1.3. Рабочая смесь, реакции горения и продукты сгорания

Компонентами рабочей смеси в цилиндре двигателя перед сго­ранием являются либо топливо, воздух и остаточные газы в бен­зиновых и газовых двигателях, либо воздух и остаточные газы в дизелях. Другими словами, рабочая смесь — это смесь свежего за­ряда с остаточными отработавшими газами.

В бензиновом и газовом двигателях воспламенение сжатой ра­бочей смеси происходит от искрового разряда, и далее протекает ее горение. В дизеле в сжатую и разогретую до высокой температу­ры рабочую смесь впрыскивается тонкораспыленное дизельное топ­ливо, и происходит его воспламенение и горение. Реакция горе­ния топлива — это химический процесс окисления компонентов топлива (соединения углерода и водорода топлива с кислородом). Окислителем при горении топлива служит кислород атмосферно­го воздуха. Образующиеся продукты сгорания топлива выполняют механическую работу в цилиндрах двигателя.

Процесс горения топлива в зависимости от количества кисло­рода в цилиндре двигателя может протекать по реакциям: полного сгорания

С + О2 = СО                                                            (2.1)

2 + О2 = 2Н2О                                                        (2.2)

неполного сгорания углерода

2С + О2 = 2СО                                                            (2.3)

При полном сгорании топлива образуются диоксид углерода (уг­лекислый газ) СОи вода Н2О. При неполном сгорании из-за недо­статка кислорода часть углерода не окисляется до конца и наряду с диоксидом углерода в полученных газообразных продуктах при­сутствует монооксид углерода СО (угарный газ). Кроме того, в продуктах горения содержатся другие компоненты несгоревшего топлива, а также кислород и азот воздуха, ряд их соединений. Но из-за незначительности содержания существенного влияния на тепловой баланс они не оказывают и в практических расчетах не учитываются.

Расчет реакций окисления углерода (2.1) и водорода (2.2) ве­дут с целью определить массу молекулярного кислорода G, кг, необходимую для полного сгорания 1 кг топлива.

С учетом относительных атомных и молекулярных масс компо­нентов реакции окисления углерода при сгорании 12 кг С расхо­дуется 32 кг О2, другими словами, для сжигания 1 кг С необходимо 32/12 = 2,67 кг О2. Аналогично для реакции окисления водорода при сгорании 2 кг Н2 расходуется 16 кг О2, т.е. для сжигания 1 кг Н2 необходимо 16/2 = 8 кг О2. Таким образом, для жидкого моторно­го топлива, содержащего углерод С, водород Н2 и кислород О2, массой gc + gH2+go2= 1кг масса молекулярного кислорода G, кг, необходимого для полного сгорания топлива, определяется как суммарная масса кислорода, необходимого для полного сгорания отдельных горючих компонентов топлива:

G= (2,67gc + gн2 + gо2)

где 2,67; 8 — масса кислорода, необходимого для полного сгора­ния соответственно углерода и водорода, кг/кг; gc, gH2, go2  масса соответствующих компонентов в жидком моторном топливе, кг.

С учетом того что молярная масса вещества, кг/моль, числен­но равна его относительной молекулярной массе, количество мо­лекулярного кислорода v, кмоль, необходимое для полного сго­рания горючих компонентов 1 кг топлива, составит

формула 1

где формула 2

— количество каждого из молекулярных компонентов— углерода, водорода, кислорода — в 1 кг моторного топ­ лива, кмоль.

Так как реально реакция горения протекает в воздухе, необхо­ дим пересчет на содержание кислорода в воздухе. В атмосферном воздухе содержится по объему 21 % O2, или по массе 23 % O2 при содержании азота 79 % по объему, или 77 % по массе. В тепловых расчетах двигателей принято, что нормальное состояние атмо­сферного воздуха характеризуется давлением P0 = 0,1033 МПа (обычно 0,1 МПа) и температурой 15 °С, или абсолютной темпе­ратурой Т0 = (273 + 15) К.

Тогда для нормальных условий теоретически необходимое ко­личество молекулярного кислорода воздуха V0, кмоль, для полно­го сгорания 1 кг горючих компонентов топлива составит

формула 3

Зная количество v0, вычислим теоретическую массу воздуха l0, кг, необходимую для полного сгорания горючих компонентов топлива:

lо = mbvo = 29vo,

где mb — средняя молярная масса воздуха, равная 29 кг/кмоль.

Полное сгорание топлива с теоретически необходимым коли­чеством воздуха является частным случаем, и в действительности масса воздуха в рабочей смеси может быть как больше, так и мень­ше теоретически необходимой.

Содержание воздуха в рабочей смеси может быть разным в за­висимости от режима работы ДВС, при этом широко использует­ся такое важное понятие, как коэффициент избытка воздуха.

Коэффициент избытка воздуха α— отношение действительной массы воздуха lд или действительного числа киломолей молеку­лярного кислорода воздуха vд в рабочей смеси к теоретически не­обходимым массе l0 или количеству молекулярного кислорода воз­духа v0 для полного сгорания, т.е.

формула 4

Коэффициент избытка воздуха характеризует качество рабочей смеси:

α = 1 — нормальная смесь;

α > 1 — бедная смесь (полное сгорание топлива);

α < 1 — богатая смесь (неполное сгорание топлива).

Для двигателей коэффициент избытка воздуха а находится в следующих пределах:

Бензиновые двигатели ………….0,8…1,2

Дизели:

без наддува ………………………..1,2…1,65

с наддувом……………………………. До 2,1

Количество молекулярных компонентов свежего заряда, кмоль, для дизелей

V1=αvo

для бензиновых двигателей

формула 5

где Mт — молекулярная масса топлива.

Для бензина Mтб= 114, для дизельного топлива Мтд.т=186, по­этому величиной 1 /Мт можно пренебречь.

При впуске в цилиндр двигателя поступает число киломолей v, молекулярных компонентов свежего заряда. При полном сгорании топлива, что возможно, когда α ≥1, продуктами сгорания явля­ются С02, Н20, N2 и 02, т.е. образуется v2, кмоль, молекулярных компонентов продуктов сгорания, большее, чем V1

V2 =VС02 + VН20 + VN2 + VO2

и изменение количества молекулярных компонентов горючей сме­ си, кмоль, после сгорания топлива составит

ΔV=V2-V1

При неполном сгорании (α < 1) часть углерода С сгорает непол­ностью, т.е. окисляется не до СO2, а до СО.

Коэффициент молекулярного изменения горючей смеси характе­ризует относительное изменение объема горючей смеси при сго­рании топлива, т.е. отношение количества молекулярных компо­нентов продуктов сгорания V2 к количеству молекулярных компо­нентов V, свежего заряда:

формула 6

Увеличение объема продуктов сгорания по сравнению с объе­мом горючей смеси объясняется рядом причин, а именно: жид­кий кислород топлива переходит в газообразное состояние; объем водяного пара, образующегося в процессе горения (см. уравнение (2.2)), в 2 раза больше объема кислорода, необходимого для этого. То же относится и к реакции (2.3). Увеличенный объем продуктов сгорания по сравнению с объемом горючей смеси обеспечивает большую степень сжатия газов и большую эффективность работы двигателя. Однако в коэффициенте молекулярного изменения го­рючей смеси µ0 не учитывается влияние остаточных газов, нахо­дящихся в цилиндре. Это влияние учтено в коэффициенте моле­кулярного изменения рабочей смеси.

Коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси — отноше­ние общего объема газов после сгорания рабочей смеси к объему рабочей смеси до сгорания:

формула 4

где vr — количество компонентов остаточных газов, кмоль.

Для дизелей µ= 1,05, для бензиновых двигателей µ=1,08. Про­цессы, совершаемые в цилиндре двигателя в периоды тактов впус­ка, сжатия, расширения и выпуска, протекают по разным зако­нам. Теория рабочего процесса ДВС позволяет рассчитывать ос­новные параметры рабочего цикла в характерные моменты его протекания. Этот расчет называется тепловым расчетом ДВС.