Тема 3. Паливо і основи згоряння палива.

1. Робочі тіла у ДВЗ.

2. Палива та їх властивості.

3. Склад та кількість свіжого заряду і продуктів згоряння. Коефіцієнт надлишку повітря.

4. Змінювання об'єму при згорянні палива.

Самостійно:

Двигуни, що працюють на рідкому і газовому паливі.

1.Робочими тілами в ДВЗ називаються речовини, за допомогою яких теплота, що виділяється в циліндрі під час згоряння палива, перетворюється в механічну роботу, а саме: паливо, повітря і продукти згоряння.

2.В автомобільних ДВЗ застосовуються рідкі й газові види палива, основну частину яких становлять вуглеводні. Проводяться експерименти щодо застосування твердого палива у вигляді кам'яновугільного пилу або його суспензії з рідким паливом.

Рідкі палива виробляють в основному з нафти. Це бензини, дизельні і моторні палива, газові конденсати, що є сумішами різних вуглеводнів. Невелику кількість рідких палив отримують переробкою кам'яного вугілля й сланців, синтезом горючих газів, з рослинних продуктів і відходів сільськогосподарськоговиробництва та харчової промисловості.

Основними видами рідкого палива для ДВЗ з іскровим запалюванням є

бензини, а для дизелів—дизельні палива.

Газові палива - В автомобільних ДВЗ застосовуються стиснутий природний газ, який складається в основному з метану СН4 і зріджений нафтовий газ, до якого входять в основному пропан С3Н8 і бутан С4H10.

3. В розрахунках згорання склад палива записують у вигляді спрощеної формули елементарного складу, до якої входять масові частки елементів, що містяться в 1 кг палива:

gС + gH + gО = 1 кг

Наприклад, для дизельного палива:

0,870 кгС+0,126 кг Н+0,004 кгО =1 кг.

Для бензину: 0,855кгС+0,145кгН+0кгО = 1кг

Теплота згоряння є важливим показником палива. Вона характеризується

кількістю теплоти, що виділяється при повному згорянні одиниці палива.

Розрізняють три види теплоти згоряння: найвища, найнижча і активна.

Хімічні реакції згорання.

Розглядають реакції згорання кожного компоненту, що входить до складу палива. Розрахунок виконують в кіломолях або кілограмах.

Кіломоль – кількість речовини, маса якої в кілограмах чисельно рівна її молекулярній масі. Маса 1 кмоля Н2=2кг, 1 кмоля С = 12кг,

1 кмоля О2= 32кг.

Реакція повного згорання вуглецю: С + О2 = СО2.

Виразимо її вкіломолях: 1кмоС + 1кмоО2 = 1кмоСО2.

Або в кілограмах: 12кгС +32кгО2 = 44 кгСО2, а для 1 кг вуглецю:

1кгС + 8/3кгО2 = 11/3кгСО2. (1)

Звідси виходить, що для згорання 1 кг вуглецю потрібно 8/3 кг кисню (2,66 кг)і в результаті утвориться 11/3 кг (3,66 кг) вуглекислого газу.

Реакція повного згорання водню: 2Н2+О2 = 2Н2О.

Виразимо її вкіломолях: 2 кмоН2+1кмоО2 = 2кмоН2О.

Або в кілограмах: 4кгН2+32кгО2 = 36кгН2О, для 1 кг водню:

1кгН2+8кгО2 = 9кгН2О. (2)

Звідси виходить, що для згорання 1 кг

водню потрібно 8 кг кисню і в результаті утвориться 9 кг водяної пари.

Для визначення кількості кисню, необхідної для згорання 1 кг палива

потрібно праву і ліву частини рівнянь 1 і 2 помножити відповідно на С і Н – частки вуглецю і водню в 1 кг палива.

СкгС + (8/3) С кгО2 = (11/3) С кгСО2. (3)

НкгН2+8 Н кгО2 = 9 Н кгН2О. (4)

Теоретично необхідна кількість повітря для повного згорання 1 кг палива. Мінімальна кількість кисню, необхідна для згорання 1 кг палива:

Ом = (8/3) С + 8Н – Оп, кг (5)

В двигунах використовується повітря, що містить по масі 23% кисню:

lo = (1/0,23) [(8/3)С + 8Н – Оп ] кг (6)

Неповне згорання палива відбувається при недостачі кисню.

2 С + О2 = 2СО або

24 кг С + 32 кг О2 = 56 кг СО (7)

Частку вуглецю, що згоріла в СО позначимо φ. Тоді частка вуглецю С палива, що згоріло в СО складе φС кг, а в СО2 – (1-φ)С, кг Звідси частка вуглецю, що згорів с СО2 буде:

(1-φ)С кг (С) + (8/3) (1-φ)С кг(О2) = (11/3) (1-φ)С кг (СО2) (8)

частка вуглецю, що згорів с СО буде:

φС кг (С) + (4/3) φС кг (О2) = (7/3) φС кг (СО) (9)

Якщо припустити, що водень згорає повністтю, то реакція його горіння буде визначатись рівнянням 2.

Необхідна кількість повітря для згорання 1 кг палива буде:

lo = (1/0,23) [(4/3) (2- φ)С + 8Н – Оп ] кг (10)

Коефіцієнт надлишку повітря.

Відношення дійсної кількості повітря, що вводиться в циліндр двигуна, до теоретично необхідної називається кокфіцієнтом надлишку повітря.

α = lд / lo (11)

де lд – дійсна масова кількість повітря, що бере участь в згоранні 1 кг палива.

В двигунах з іскровим запалюванням α = 0,85…1,15,

В дизельних двигунах α = 1,3…5,0, в газових – 1,1…1,3.

Якщо відомо α , то частку вуглецю, що згорає в СО (при α менше 1) можна визначити:

φ = 2 (1 - α ) (1+3Н/С) (12)

Кількість свіжого заряду і продуктів згоряння.

У бензинових двигунах свіжий заряд складається із суміші повітря і пари палива, і називається горючою сумішшю. Кількість свіжого заряду М1 (у кіломолях), що припадає на 1 кг палива, у бензинових ДВЗ виражається формулою:

М1 = α Lo + 1/μп (13)

де μп – молярна маса палива.

Lo – теоретично необхідна кількість повітря для згорання 1 кг палива в кіломолях.

У циліндри дизеля надходить повітря, тому 1/ μп= 0; Отже

М1 = α Lo (14)

При повному згорянні рідкого палива (при α >1) утворюються вуглекис-

лий газ СО2 і водяна пара Н2О. Крім того, в продуктах повного згоряння міститься азот N2 і надлишковий кисень О2.

Кількість продуктів повного згоряння М2 (у кіломолях), що утворюються з 1 кг палива, складає

М2 = МСО2 + МН2О + MN2, + MО2. (15)

МСО2 = gC/12; MH2O = gH/2

Кількість азоту й кисню відповідно дорівнює:

MN2 = 0,79aL0; МО2 = 0,21 (а — 1) L0.

Підставивши ці залежності в рівняння (15), дістаємо:

M2 = C/12 + H/2 + 0.79α L0 + 0.21(α – 1) L0,

Після перетворень:

M2 = α L0 + H/4 + Оп/32 кмоль. (16)

При неповному згорянні рідкого палива (при а< 1) утворюються вуглекислий газ СО2, окис вуглецю CO і водяна пара Н2О. У продуктах згоряння міститься також азот N2. Тоді кількість продуктів неповного згоряння 1 кг паливаскладає