углекислого газа (кмоль СО/кг топл)

УИсо.=С/12; водяного пара (кмоль Hfi/KC топл)

Мн.о = Н/2; кислорода (кмоль О/кг топл)

ЛГо. = 0,208(а -l)Lo; азота (кмоль М/кг топл)

MN. = 0,792aLo.

(12)

Общее количество продуктов полного сгорания жидкого топлива (кмоль пр. сг/кг топл)

= Мсо, + Мн.о + Мо, + AfN. = С/12 + Н/2 + (а -0.208) Ц. (13)

Количество отдельных компонентов продуктов сгорания газообразного топлива при а > 1:

углекислого газа (моль СО/моль топл)

Мсо.=;:я(С„Н,) . водяного пара (моль НгО/моль топл)

кислорода (моль Ог/моль топл)

Мо. = 0,208(a-l)L;; азота (моль N г/моль топл)

Mn, = 0,792aLo+,N2,

рде N2 - количество азота в топливе, моль.

Общее количество продуктов полного сгорания газообразного топлива (моль пр. сг/моль топл)

/Иг = Мсо, + Мн.о + Мо, + Mn, .

(15)

При неполном сгорании топлива (а< 1) продукты сгорания представляют собой смесь окиси углерода СО, углекислого газа СО2, водяного пара НгО.свободного водорода Нг и азота N2.

Количество отдельных компонентов продуктов неполного сгорания жидкого топлива:

углекислого газа (кмоль СО2/КГ топл) - 0,208L„:

12 1 +К

окиси углерода (кмоль СО/кг топл)

Мсо = 2

0,208Lo;

водяного пара (кмоль Н2О/КГ топл)

MH.o = --2/(i 0.208L«;

(16)

водорода (кмоль HJkt топл)

Мн. = 2К

1 -<

0,208L

•о»

азота (кмоль Nz/k? топл)

Mn. = 0,792aLo,

где К - постоянная величина, зависящая от отношения количества водорода к окиси углерода, содержащихся в продуктах сгорания (для бензина К = 0,45 ~- 0,50).

Общее количество продуктов неполного сгорания жидкого топлива кмоль пр. сг/кг топл)

М2 = Мсо, + Мсо + Мн,о + Мн, + Mn, = + + 0,792aLo • (17)

Зависимость количества горючей смеси (свежего заряда), продуктов сгорания и их составляющих от коэффициента избытка воздуха, в карбюраторном двигателе и в дизеле представлены на графиках (рис. 1 и 2).

Изменение количества молей рабочего тела при сгорании определяется как разность (кмоль см/кг топл):

ДМ = М2 - Ml.

(18)

Для жидкого топлива количество молей продуктов сгорания всегда больше, чем количество молей свежего заряда (горючей смеси). Приращение объема продуктов сгорания AM происходит вследствие увеличения суммарного количества молекул в результате химиче-, ских реакций распада молекул топлива и образования новых молекул. Рост числа молей продуктов сгорания - положительный фактор, так как увеличивает объем продуктов сгорания и, следовательно, способствует некоторому возрастанию полезной работы газов при их расширении.

Изменение количества молей ДМ в процессе сгорания газообразных топлив зависит от природы входящих в топливо углеводородов, их, количества, соотношения между количеством углеводородов, водорода, окиси углерода. Оно может быть как положительным, так в, отрицательным.

И1.,кмоль/кгтопя

М1,кмо/1ь/кг топл

0,7 0,8 0,9 1,0 V 12 а

Рис. 1. Зависимость количества горючей смеси (свежего заряда), продуктов сгорания и их составляющих от коэффициента избытка воздуха в карбюраторном двигателе (гИт = 110)

1,0 1,2 1, 1,6 1,8 2,0 2,1 2,4 а

Рис. 2. Зависимость количества горючей смеси (свежего заряда), продуктов сгорания и их составляющих от коэффициента избытка воздуха в дизеле

Относительное изменение объема при сгорании характеризуется величиной химического коэффициента молекулярного изменения горючей смеси [Хо, который представляет собой отношение количества молей продуктов сгорания к количеству молей горючей смеси

(Хо = Мг/Mi = 1 -f дм/Ml.

(19)

1,20

1,10

Величина щ для жидких топлив всегда больше единицы и возрастает с уменьшением коэффициента избытка воздуха (рис. 3). Излом кривой в точке, соответствующей а = 1, получается вследствие прекращения выделения окиси углерода СО и полного сгорания углерода топлива с образованием углекислого газа СОг.

В цилиндре реального двигателя в сгорании участвует не горючая смесь, а так называемая рабочая смесь, которая состоит из свежего заряда (горючей смеси) Ml и остаточных газов М. т. е. части продуктов сгорания, не удаленной из цилиндра в процессе выпуска.

Относительное количество остаточных газов характеризуется коэффициентом остаточных газов

у, = /W.,/Mi. (20)

0,6 0,8 1,0 и 1,6 1,8 2.0 2,2 2,4 к

РИс, 3. Зависимость химического коэффициента молекулярного изменении горючей смеси от коэффициента избытка воздуха:

; i смесь беВзина с воздухом; 2 - смесь днзельногб топлива с воздухом

t,tl

1.1 в

1,09

1,07

1,05

иОЧ 1,6 1,8

1,03 1,02

- =т

о, во

0.90

Изменение объема при сгорании рабочей смеси (горючая смесь + остаточные газы) учитывает действительный коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси, который представляет собой отношение общего количества молей газов в цилиндре после сгорания (Ма -f Mr) к числу молей до сгорания (Ml + Mr):

{i=(M2+M,)/(Mi-fM,) = = (!o + V.)/(H-V.). (21)

Из выражения (21) следует, что действительный коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси \и зависит от коэффициента остаточных газов у г И химического коэффициента молекулярного изменения горючей смеси \io- В свою очередь топлива и коэффициента избытка воздуха а.

Наибольшее влияние на изменение величины (рис. 4) оказывает именно коэффициент избытка воздуха а. С уменьшением а действительный коэф)ициент молекулярного изменения рабочей смеси растет и особенно интенсивно при обогащении-смеси (а< 1).

Величина [х изменяется в пределах:

Для карбюраторных двигателей ........... 1,02-1,12

Для дизелей.................... 1,01-1,06

§ 3. ТЕПЛОТА СГОРАНИЯ ТОПЛИВА И ТОПЛИВОВОЗДУШНЫХ СМЕСЕЙ

Теплотой сгорания топлива называют то количество теплоты, которое выделяется при полном сгорании объемной или массовой единицы топлива.

Различают высшую Но и низшую Ни теплоту сгорания топлива. Под высшей теплотой сгорания понимается то коли честно теплоты, которое выделяется при полном сгорании топлива, включая теплоту конденсации водяных паров при охлаждении продуктов сгорания.

Под низшей теплотой сгорания понимается количество теплоты, которое выделяется при полном сгорании топлива, нобез учета теплоты конденсации водяного пара. Яц меньше высшей теплоты сгорания Но на величину скрытой теплоты рарообразования

0.02 0,03 0,Oif 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09 0,10

Рис. 4. Зависимость коэффициента молекулярного изменения рабочей смеси от коэ4)фициента остаточных газов, состава топлива и коэффициента избытка воздуха:

-бензин;--•--дизельное топливо

(Хо зависит от состава

воды. Так как в двигателях внутреннего сгорания выпуск отработавших газов происходит при температуре выше температуры конденсации водяного пара, то для практической оценки тепловой ценности топлива обычно служит низшая теплота сгорания топлива.

Если известен элементарный состав жидкого топлива, то для приближенного определения его низшей теплоты сгорания (МДж/кг) обычно пользуются формулой Д. И. Менделеева

>„ = 33,91С -f 125,60 Н - 10,89(0 - S) - 2,51(9 Н + W), (22)

где W - количество водяных паров в продуктах сгорания массовой или объемной единицы топлива.

Для газообразного топлива его низшая теплота сгорания (МДж/м)

Ни = 12,8СО + 10,8Н2 + 35,7Н4 + бЬ.ОСН + 59,5 + 63,ЗСгНв + + 90,9СзН8 + 119,7С,Н„ + 146,2QHi2. (23)

Примерные значения низшей теплоты сгорания автотракторных топлив Ни приведены ниже:

Топливо ..... Бензин

Ни.......44.0 МДж/кг

Дизельное Природный Пропан Бутан газ

42,5 35,0 85,5 П2,0

МДж/кг МДж/мЗ МДж/мз МДж/мЗ

Для более полной характеристики тепловой оценки топлива необходимо иметь не только теплоту сгорания самого топлива, но и теплоту сгорания топливовоздушных смесей. Отношение теплоты сгорания единицы топлива к общему количеству горючей смеси принято называть теплотой сгорания горючей смеси. При отношении

Ни к единице объема Мгор.смЛ»/кмоль (кмоль) Ягор.см будет выра-

жена в МДж/кмоль гор. см, а к единице массы - в МДж/кг гор. см.

гор. см

= HjMi или

0,4- 0,6 0,8 1,0 . 7,2

Рис. 5. Зависимость теплоты сгорания топливо-воздушной смеси от коэффициента избытка воздуха:

/-смесь воздуха с бензином, Н =44 МДж/кг;

2 - смесь воздуха о дизельным топливом, = 42.5 МДж/кг

Hrov.cu = Hjmi. (24)

В двигателях, работающих при а< 1, имеет место Химическая неполнота сгорания топлива (МДж/кг) из-за недостатка кислорода

ДЯ„ = 119,95(1-а) L„.

(25)

Следовательно, формула (24) при а< 1 примет вид

/гор.см = AHuVMi или Ягрр.си {Ни- АНиМЩ- (26)

На рис. 5 представлены зависимости теплоты сгорания топливо-воздушных смесей от коэффициента избытк]а воздуха а. Необходимо отметить, что теплота сгорания горючей смеси не пропорциональна теплоте сгорания топлива. При одинаковых значениях а теплота сгорания смеси дизельного топлива с воздухом несколько выше теплоты сгорания смеси бензина с воздухом. Это объясняется ЧрасМф!"» тем, что для полного сгорания единицы дизельного топлива требуется меньшее количество воздуха, чем для сгорания такого же количества бензина. (Так как в процессе сгорания участвует не горючая смесь, а рабочая (горючая смесь -f остаточные газы), то целесообразно теплоту сгорания топлива относить к общему количеству рабочей смеси (МДж/ кмоль раб. см): , при а > 1

ft4 а,8

1,0 1.г 1Л i,s 1,8 к

Рис. 6. Зависимости теплоты сгорания рабочей смеси от коэффициента избытка воздуха и коэффициента остаточных газов:

/раб.см = HjiMi + Mr) =

= „/[Л1Л1+V.)]. (27) при а < 1

Яра-.» = ( и- АЯ„)/[М, (1 + у г)]-

= 44 МДж/кг; 2 - смесь воздуха, остаточных газов и дизельного топлива. - 42.5 МДж/кг

(28)

Из уравнений (27) и (28) следует, что теплота сгорания рабочей смеси меняется пропорционально изменению теплоты сгорания горючей смеси. При одинаковых значениях коэффициента избытка воздуха теплота сгорания рабочей смеси увеличивается при уменьшении коэффициента остаточных газов (рис 4 Это положение справедливо как для бензина, так и для дизельного топлива.

§ 4. ТЕПЛОЕМКОСТЬ ГАЗОВ

Средней теплоемкостью рабочего тела называется отношение количества теплоты, сообщаемой телу в заданном процессе, к изменению температуры при условии, что разность температур является конечной величиной. Величина теплоемкости зависит от температуры и давления тела, его физических свойств и характера процесса.

Для расчетов рабочих процессов двигателей обычно пользуются средними мольными теплоемкостями при постоянном объеме тсу