Краткие теоретические сведения. Свойства жидких топлив Топливо Элементный (средний) состав 1 кг топлива Молекулярная масса μТ

Свойства жидких топлив

Топливо	Элементный (средний) состав 1 кг топлива	Молекулярная масса μ;Т, кг/кмоль	QH, кДж/кмоль
С	О	N
Автомобильный бензин	0,855	0,145	-	110 – 120
Дизельное	0,870	0,126	0,004	180 – 200
Дизельное моторное	0,870	0,125	0,005	220 – 280

 

Сгорание топлива представляет собой химическое соединение составных элементов топлива с кислородом:

 

С + О ₂ = СО ₂, 2 Н ₂ + О ₂ =2 Н ₂ О, (3.1)

 

при неполном сгорании углерода:

 

2 С + О ₂ = 2 СО. (3.2)

 

Для полного сгорания 1 кг топлива (состав С+Н+О = 1) требуется количество кислорода:

в киломолях

(3.3)

 

в килограммах

(3.4)

 

В окружающем воздухе кислорода по массе содержится примерно 23 %, а по объему 21 %. Поэтому количество воздуха, которое теоретически необходимо для сгорания топлива массой 1 кг и состава С + Н + О = 1, выражают стехиометрическим соотношением, кмоль,

 

(3.5)

или, кг

(3.6)

 

Кажущаяся молекулярная масса воздуха μ_В = 29 кг/кмоль, следовательно,

 

m ₀= μ_В М ₀ = 29 М ₀. ( 3.7)

 

Отношение количества воздуха m, действительно поступающего в цилиндр двигателя, к теоретически необходимому количеству m₀ называется коэффициентом избытка воздуха α:

 

, или . (3.8)

 

Если α < 1 (недостаток кислорода), смесь называют богатой, при α > 1 (избыток кислорода) смесь называют бедной.

При полном сгорании 1 кг топлива в двигателях с искровым зажиганием общее количество горючей смеси, кмоль, состоящей из паров топлива и воздуха,

 

, (3.9)

 

где μ_Т- молекулярная масса топлива (см. табл.1).

В дизелях из-за малого объема, занимаемого жидким топливом, величиной 1/μ_Тможно пренебречь, поэтому

 

М _Т = α М ₀. (3. 10)

 

При полном сгорании жидкого топлива (α > 1) продукты сгорания состоят из образовавшихся в результате реакции СО ₂, Н ₂ О, избыточного кислорода и азота. Количество отдельных составляющих продуктов сгора­ния, кмоль, определяется по следующим формулам:

 

; (3.11)

; (3.12)

 

, (3.13)

 

где 0,21 α М ₀ - количество поступившего кислорода, кмоль; 0,21 М ₀ – количество кислорода, принявшего участие в реакции, кмоль.

 

M_{N 2} = 0,79 α М ₀.

 

Общее количество продуктов сгорания М_ПС, кмоль, отнесенное к 1 кг топлива:

 

.

 

Подставляя в это выражение значения, , получим:

 

 

Для стехиометрического состава смеси (α = 1):

 

. (3.14)

 

Для значения α > 1 количество, кмоль, продуктов сгорания с учетом избыточного азота Δ Μ_{N 2} = 0,79(α – 1) M ₀ и избыточного кислорода Δ Μ_{О 2} = 0,21(α – 1) M ₀ в продуктах сгорания определится:

 

(3.15)

 

Масса продуктов сгорания G _ПС, кг, при сгорании 1 кг жидкого топлива

 

 

Тогда

(3.16)

 

При неполном сгорании жидкого топлива (α < 1) из-за недостатка
кислорода часть углерода топлива сгорает в окись углерода, а часть водорода не реагирует с кислородом.

Эксперименты показывают, что отношение числа молей водорода к окиси углерода примерно постоянно для данного топлива и не зависит от величины α. Обозначим это отношение через К.

 

(3.17)

 

Согласно опытным данным для бензинов, у которых Н/С = 0,17 – 0,19, К = 0,45 – 0,50, а при Н/С = 0,13, К = 0,30.

Вследствие неполноты сгорания топлива выделившееся количество теплоты уменьшается на доли не выделившейся теплоты находящихся в продуктах сгорания окиси углерода водорода (Δ Q ^Н) _CO и (Δ Q ^Н) _Н2. Суммарную долю не выделившейся теплоты (Δ Q ^Н)_хим = (Δ Q ^Н) _CO + (ΔQ^Н) _{Н 2} можно подсчитать по уравнению, Дж/кг

 

(Δ Q ^Н)_хим = А(1 – α) М ₀, (3.18)

 

где А =114· 10⁶ при К = 0,5 – 0,45 и А = 116·10⁶ при К = 0,3.

Опуская промежуточные выкладки, запишем выражение для компо­нентов, входящих в состав продуктов сгорания в случае α < 1. Количество каждого компонента, кмоль, определяется по следующим формулам:

 

(3.19)

(3.20)

(3.21)

(3.22)

(3.23)

 

В то время как массы, кг, продуктов сгорания и горючей смеси до сгорания одинаковы (G _ПС = G _T), количество молей продуктов сгорания и количество молей горючей смеси до сгорания неравны. Изменение количества молей смеси (Δ М) при сгорании происходит вследствие изменения числа молекул газообразных продуктов сгорания по сравнению с числом молекул горючей смеси до сгорания, т.е. Δ М = М _ПС – М _Т.

Изменение количества молей принято выражать относительной ве­личиной - теоретическим коэффициентом молекулярного изменения

 

(3.24)

Для бензиновых двигателей с искровым зажиганием

(3.25)

(3.26)

Для дизелей (α > 1)

. (3.27)