Ниже рассматривается случай сгорания топлива в воздухе, состоящем из 21% (по объёму) кислорода и 79% инертных газов, в основном - азота.
Количество воздуха, которое теоретически необходимо для сгорания топлива состава
C+H-f 0=-1 кг,
выражается из стехиометрических соотношений величиной
1 / С W о \ о"02Г (тг" Х"" 32 ) <5ь сг топлива, (19)
i -
0,21-12
Эту формулу можно преобразовать так: г
Lq = -jg (0,79 + р) кг моль 1кг топлива. (20)
где величина р называется характеристикой топлива при сжигании в атмосферном воздухе и зависит как от элементарного состава топлива, так и от содержания кислорода в воздухе
3-0.79 /тт О
H---)=2,37-(21)
Из выражения (21) видно, что величина пропорциональна отношению количества кислорода, подведенного к топливу для сгорания водорода, к количеству кислорода, затрачиваемому на сгорание углерода. При этом предполагается, что кислород, содержащийся в топливе, уже соединен с водородом. Значения р для нефтяных топлив лежат в пределах 0,33-0,42.
Так как для каждого химического соединения вида С„НО, входящего в состав газообразного топлива, реакцию сгорания можно написать в виде
1 кг моль С„НО, + + ---5") 2 моль = п кг моль COg +
+ -кгмольиО, (22)
то выражение для количества воздуха, теоретически необходимого для сгорания 1 кгмоль (м) газообразного топлива состава
2 С„НО, + N2=1 кг моль {м),
имеет вид
"оИ" (" Т---nrnr <г моль I кг моль или м1м топлива. (23)
Сгорание топлива с теоретически необходимым количеством воздуха является частным случаем сгорания. В зависимости от способа регулирования мощности, условий работы двигателя (различные нагрузочные и скоростные режимы), способа смесеобразования и условий сгорания топлива соотношение
между количеством воздуха и количеством топлива, поступающим в цилиндр, может изменяться. На каждый килограмм топлива количество воздуха необходимого для сгорания, может быть больше или меньше теоретически необходимого Lq. В обоих случаях (при LLq) отношение действительного количества воздуха L к теоретически необходимому Lq называется коэффициентом избытка воздуха.
При коэффициенте избытка воздуха а = 1 в действительности все введенное топливо не сгорает до коне*1ных продуктов окисления. Это происходит вследствие невозможности получения такой совершенной смеси топлива с теоретически необходимым количеством воздуха, в котором каждая частица топлива была бы обеспечена необходимым для ее сгорания количеством кислорода. Полное сгорание топлива возможно только при а > 1. Поэтому большая часть двигателей внутреннего сгорания работает с а>1. Однако в бензиновых двигателях автомобильного и авиационного типов, а также в двигателях со впрыском топлива и принудительным зажиганием при некоторых режимах работы коэффициент избытка воздуха может быть а = 1 или а< 1. Топливо при этих режимах сгорает только частично, и экономичность двигателя ухудшается.
Сгорание, при котором все горючие части топлива превращаются в конечные продукты окисления, называется полным сгоранием топлива. Если при полном сгорании топлива в продуктах сгорания отсутствует кислород, то такое сгорание называется совершенны м. Теоретически оно возможно при а = 1.
В настоящем разделе рассматривается полное сгорание топлива при а > 1 и предельный случай такого сгорания - совершенное сгорание при а = 1.
Горючая смесь до начала сгорания в карбюраторных двигателях состоит из воздуха и испарившегося топлива. Если через m-j- обозначить молекулярный вес топлива, то количество килограмм-мйлей горючей смеси на 1 кг топлива выразится величиной
yWj = aLp -Ь кг моль 1кг топлива. (25)
В газовых двигателях горючая смесь до начала сгорания состоит из топлива и воздуха, т. е.
Mi=\-{-aLQ кгмоль/кгмоль или м/м топлива. (26)
В двигателях с воспламенением от сжатия и в калоризаторных двигателях объемом жидкого топлива, впрыск которого начинается в самом конце хода сжатия, можно пренебречь по сравнению с объемом воздуха поэтому для этого типа двигателей
Ml -(xLq кгмоль/кг топлива. (27)
Продукты полного сгорания топлива состоят из углекислого газа COg, водяного пара HgO, избыточного кислорода Og и азота Ng, поступившего с воздухом. Для жидкого топлива указанного ранее элементарного состава
При удельном весе дизельного топлива 0,88 (удельный объем 0,00114 жАсг) и при Lo = 0,495 кгмоль/кг топлива даже в случае а =1 объем жидкого топлива составляет 0,00114 л---: - Л
22 4-0 495 " 0,01% от объема воздуха при 0° С.
количество килограмм-хмолей этих компонентов продуктов сгорания выражается следующим образом:
Мсог = -]2 жо/гь/кг топлива; Н
Mi[o = -Y кгмоль1кг топлива;
Мо, = 0,21 (а - 1) Lo = {2-079 ~) ( + кгмоль1кг топлива;
= 0,79aLo = 2-Q2\ кгмоль/кг топлива.
т. е.
= + 4 + 0,21 (а - I) 1о -Ь 0,79аЛо = aLo +
H.-f
Н С g (0.79 4-р)-0.21 р 2 12 0,21.0.79
(28)
Общее количество продуктов сгорания определяется как сумма
Величина представляет собой количество продуктов сгорания, получающееся при сгорании 1 кг топлива принятого состава с теоретически необходимым количеством воздуха (а = 1), а величина (а - I)Lo кгмоль1кг топлива - избыточное количество воздуха, находящееся в продуктах сгорания, величина которого зависит от а.
Выражение (31) показывает, что продукты сгорания 1 кг топлива определенного состава при различных значениях а представляют собой смесь одного и того же количества продуктов сгорания при а = 1 с тем или иным количеством избыточного воздуха.
В то время как весовое количество продуктов сгорания остается равным сумме весов воздуха и топлива до сгорания, количество кгмоль, как видно из выражения (30), в общем случае не равно количеству килограмм-молей горючей смеси, т. е. не равно Mj. Такое изменение объема смеси при ее сгорании происходит вследствие изменения числа молекул газообразных продуктов сгорания по сравнению с числом молекул рабочей смеси до сгорания.
Изменение количества килограмм-молей рабочего тела при сгорании определяется как разность
Д М -= - М.
Для двигателей с воспламенением от сжатия подстановка в эту формулу выражений* (30) и (27) дает
