Расчет процесса сгорания топлива

Расчет процесса сгорания производится на основе анализа молекулярных изменений воздушного заряда и топлива при сгорании с использованием эмпирических данных по опыту работы созданных ранее конструкций дизелей. Расчет носит приближенный характер и ставит своей конечной целью определение параметров рабочего цикла в точке Z. Предварительно для расчета параметров в конце процесса сгорания необходимо знать: количество воздуха, потребное для сжигания подаваемого в цилиндр топлива; количество молей продуктов сгорания и их теплоемкость. Рассмотрим порядок определения этих величин.

Определение количества воздуха, необходимого для сгорания топлива

Жидкое нефтяное топливо, используемое в дизелях, состоит из углерода С, водорода H, кислорода О, серы S, золы и других негорючих соединений. Обычно весовой состав каждого из элементов находится в пределах:

С = 0,84 — 0,88;
H = 0,11 — 0,14;
S = 0,0001 — 0,05;
O = 0,00005 — 0,03

Примем, что 1 кг топлива состоит из С кг углерода, H кг водорода, S кг серы и О кг кислорода:

1 кг = C + H + S + O

Химические реакции полного окисления элементов запишутся в виде:

C + O2 = CO2

2H2 + O2 = 2H2 O

S + O2 = SO2

С учетом молекулярных весов эти реакции можно записать в весовых или мольных долях:

12 кг C + 32 кг O2 = 44 кг CO2

4 кг H + 32 кг O2 = 36 кг H2O

32 кг S + 32 кг O2 = 64 кг SO2

Или:

12 кг C + 1 кмоль O2 = 1 кмоль CO2

4 кг H2 + 1 кмоль O2 = 2 кмоля H2O

32 кг S + 1 кмоль O2 = 1 кмоль SO2

Для 1 кг каждого элемента формулы примут вид:

1 кг C + 1/12 кмоля O2 = 1/12 кмоля CO2

1 кг H2 + 1/4 кмоля O2 = 1/12 кмоля H2 O

1 кг S + 1/32 кмоля O2 = 1/32 кмоля SO2

Если каждого элемента будет содержаться С, H и S кг соответственно, то окончательно можно записать:

C кг C + C/12 кмоля O2 = C/12 кмоля CO2

H кг H2 + H/4 кмоля H2O = H/2 кмоля H2O

S кг S + S/32 кмоля O2 = S/32 кмоля SO2

Как видно из уравнений (1), при сгорании углерода и серы количество молей газов равно количеству молей кислорода, вступившего в реакцию. При сгорании водорода происходит увеличение в 2 раза числа молей водяного пара по сравнению с числом молей потребного на окисление кислорода. Общее количество молей кислорода воздуха, необходимое для сгорания 1 кг топлива, равно:

Lo2 = C/12 + H/4 + S/32 — O/32 кмолей O2 / кг топлива,
где O/32 — количество молей кислорода, содержащееся в топливе.

Учитывая, что мольная (объемная) доля кислорода в воздухе составляет примерно 0,21, потребное количество воздуха составит:

L0 = (1/0.21) (C/12 + H/4 + S/32 — O/32) кмоль возд./ кг топл.,
L0 — теоретически необходимое количество воздуха для полного сгорания 1 кг топлива.

В весовых единицах теоретически необходимое количество воздуха равно:

Lo ‘ = μb ⋅ Lo кг возд/кг топлива

где μв = 28, 97 кг/кмоль — среднемольный вес воздуха.

Приняв для дизельного топлива среднего состава весовое соотношение элементов равным:

С = 0,87;
H = 0,126;
О = 0,004

Gолучим:

  • L0 = 0,495 кмолей воздуха/кг топлива;
  • L0′ = 14,3 кг воздуха/кг топлива.

Заметим, что при нормальных условиях это количество воздуха имеет объем, равный: L ≈ 11,1 м3 воздуха/кг топлива.

В дизелях количество воздуха L, подаваемого в цилиндр для сгорания 1 кг топлива, больше теоретически необходимого. Необходимость увеличенной подачи воздуха определяется неравномерным распределением топлива в объеме камеры сгорания (в результате чего в одних точках объема — недостаток, в других — избыток кислорода воздуха), желанием улучшить полноту сгорания и уменьшить температуру в точках z и b цикла. Отношение действительного количества воздуха, находящегося в камере сгорания, к теоретически необходимому называется коэффициентом избытка воздуха при сгорании:

α = L/Lo = L’/L’o

Полное сгорание топлива в цилиндре возможно только при α > 1, В этом случае продукты сгорания представляют собой смесь “чистых” продуктов сгорания и избыточного воздуха. Обычно коэффициент избытка воздуха на сгорание находится в пределах:

  • α = 1,8 ÷ 2,1 — малооборотные дизели без наддува;
  • α = 1,6 ÷ 2,3 — малооборотные дизели с наддувом;
  • α = 1,3 ÷ 1,7 — высокооборотные дизели без наддува;
  • α = 1,5 ÷ 1,9 — высокооборотные дизели с наддувом;
  • α = 0,85 ÷ 1,2 — карбюраторные двигатели.

Более низкие α у высокооборотных дизелей объясняются большой однородностью смеси (особенно в двигателях с разделенными камерами сгорания), возможностью работы с большей форсировкой по температуре. У дизелей с наддувом α увеличивается для снижения максимальной и средней температуры цикла и уменьшения температуры цилиндропоршневой группы. У длинноходовых МОД удалось снизить избыток воздуха на сгорание до α = 1,6 ÷ 1.8.

Смотрите также:

б) Определение коэффициента молекулярного изменения при сгорании

в) Определение теплоемкости продуктов сгорания

г) Вывод уравнения сгорания

д) Анализ уравнения сгорания

Март, 04, 2015 1706 0
Читайте также