Химические реакции сгорания бензинов

Как известно, жидкое топливо, применяющееся в ДВС, обычно состоит из углерода С, водорода Н и кислорода О. Кроме того, в топливе содержится незначительное количество серы, азота и других веществ, которыми в расчете можно пренебречь.

Если элементарный состав можно охарактеризовать весовыми долями, то

С+Н+О=1кг.

Теоретическое количество воздуха, необходимое для сгорания топлива такого состава:

кмоль/кг топл (4)

. (5)

Ни в карбюраторном, ни в газовом, ни в дизельном двигателе невозможно получить такую идеальную смесь топлива с теоретически необходимым количеством воздуха, при котором каждая частичка топлива нашла бы нужное для ее полного сгорания количество кислорода.

В бензиновых двигателях на некоторых режимах отношение , а в дизельных - , где отношение a носит название коэффициента избытка воздуха для сгорания. В бензиновых двигателях с воспламенением однородной смеси и полностью открытой дроссельной заслонкой наибольшая экономичность и устойчивость протекания рабочего процесса достигается при a = 1,1…1,3.

Максимальная мощность этих двигателей обеспечивается при некотором обогащении смеси (a= 0,85…0,9). Устойчивая работа на малых нагрузках и ХХ (холостых ходах) требует большого обогащения смеси. При a <1 из-за недостатка кислорода топливо не сгорает полностью, вследствие чего происходит неполное выделение теплоты при сгорании и в отработавших газах появляются продукты неполного окисления (СН, Н, СН₄ и др.).

Полное сгорание топлива при a>1

Жидкое топливо

Горючая смесь до начала сгорания в карбюраторных двигателях состоит из молекул воздуха и испарившегося топлива, поэтому, если через m_m обозначить молекулярный вес паров топлива, то количество кг/моль горючей смеси на 1 кг топлива выразится величиной

M₁ = aL_o + кмоль/кг топл. (6)

В газовых двигателях горючая смесь состоит из топлива и воздуха

М₁ = 1+ aL_o м³/м³топл. (7)

При полном сгорании топлива продукты сгорания состоят: из СО₂ (углекислый газ), Н₂О (водяной пар), О₂ (избыточный кислород), N₂ (азот).

М₂ = Мсо₂ + Мн₂о + Мо₂ +М_N2 . (8)

Количество отдельных составляющих:

Мсо₂ =C/12 , кмоль/кг топл, Мн₂о = H/2, кмоль/кг топл. ,

Мо₂ = 0,21L_o (a-1), кмоль/кг топл. ,

М_N2 = 0,79aL_o , кмоль/кг топл .

После преобразования получим

М₂ = C/12+ H/2+aL_o - 0,21L_o . (9)

Подставив , будем иметь в кмоль

М₂ = aL_o+1/4(H+O/8). (10)

Определим количество продуктов сгорания через характеристику топлива:

М₂ = , где J = .

Для стехиометрического состава смеси (a = 1) Мо₂ = 0;

М_{2 (a=1)}= C/12 + H/2 + 0.79aL_o . (11)

Для любого значения a>1 количество продуктов сгорания в кмоль составляет:

М₂= М_{2 (a=1)}+(a-1)L_o ; (12)

G₂ = C + 9H + 0,23(a-1)l_o+ 0,79aL_o = G₁. (13)

Газообразное топливо

Определим количество продуктов сгорания газообразного топлива. Для 1 моля (или 1м³) газообразного топлива имеем количество отдельных составляющих:

Мсо₂ =Sn(C_nH_mO_r);

Мн₂о =S m/2(C_nH_mO_r);

Мо₂= 0,21 (a-1)L_o;

М_N2 = 0,79aL_o + N₂ .

При сгорании 1 моля (1м³) газообразного топлива количество продуктов сгорания составит

М₂ = S(n +m/2) C_nH_mO_raL_o – 0,21aL_o +N₂,

учитывая, что S C_nH_mO_r + N₂ =1 получим

М_2(a>1) = S ( L_o,

М_2(a=1) S _2,

М_2(a>1)=М_2(a=1)+ (a-1)L_o,

где (a-1)L_o – избыточное количество воздуха, не принимавшее участие в сгорании.

В то время, как весовое количество продуктов сгорания остается равным сумме весов воздуха и топлива до сгорания, количество кмоль М₂ не равно кмоль горючей смеси, т. е. М₁. В результате сгорания в процессе химической реакции происходит распад одних молекул и образование других новых.

DМ = М₂ –М₁.

Для карбюраторных двигателей DМ = H/4+O/32-1/m.

Относительное изменение объема при сгорании характеризуется химическим коэффициентом молекулярного изменения

m_о = ;

(m)₀ a>1 = ; (m)_0a<1 = . (14)

Для газообразного топлива можно написать

DМ =М₁ – М₂ = S [m/4 + r/2 -1]C_nH_mO_r . (15)

Для газообразных топлив в уравнение m₀ необходимо подставить DМ со своим знаком.

Увеличение объема при сгорании жидкого топлива, характеризуемое величинами DМ и m₀, является положительным фактором, ибо дает соответствующее увеличение механической работы в цилиндре двигателя при расширении продуктов сгорания.

В отличие от жидкого топлива при сгорании газообразного топлива:

– возможно как увеличение, так и уменьшение объема,

– изменение объема зависит от содержания в топливе окиси углерода, водорода и тяжелых углеводородов.

Тяжелые углеводороды вида C_nH_2n при своем сгорании дают увеличение объема (DМ>0) в том случае, если n>2, и не дают изменение объема (DМ=0) при n=2. Что же касается общего изменения объема при сгорании газообразного топлива, содержащего в своем составе тяжелые углеводороды вида C_nH_m при n>2, то знак DМ зависит от процентного содержания этих углеводородов в топливе. Так как их содержание обычно незначительно по сравнению с содержанием СО и Н₂, то практически при сгорании генераторного газа всегда наблюдается уменьшение объема (DМ<0).

При условии полного сгорания a не влияет на абсолютные количества СО₂ и Н₂О, содержащиеся в продуктах сгорания. Однако, с увеличением a в продуктах сгорания увеличивается количество двухатомных газов (N₂ и О₂), а следовательно, увеличивается и М₂. Вследствие этого в зависимости от изменения a меняется объемный состав продуктов сгорания.

Неполное сгорание топлива a<1

Получение от карбюраторного двигателя максимальной мощности приводит к необходимости работы на переобогащенной смеси с недостатком воздуха при a<1. При этом увеличение мощности происходит за счет ухудшения экономичности и сопровождается неполнотой сгорания топлива.

В этом случае, когда горючая смесь настолько переобогащена топливом, что в продуктах сгорания отсутствует углекислый газ, к продуктам сгорания добавляется некоторое количество свободного углерода, которое не прореагировало с кислородом воздуха. Этот свободный углерод поступает в выхлоп в виде сажи. При этом падает мощность двигателя, ухудшается его экономичность, и работа его становится неустойчивой. То критическое значение a, при котором весь углерод сгорает в окись углерода, т. е. при котором теоретически не образуется в выхлопном газе сажа, обозначается a_кр и равно ~ 0,67…0,72.

В случае же, если горючую смесь необходимо обогащать, то из-за недостатка кислорода часть углерода топлива сгорает в окись углерода, а часть водорода не реагирует с кислородом. Анализ остаточных газов показывает, что отношение молей водорода и окиси углерода примерно постоянно для данного топлива и не зависит от a.

Это отношение К= у бензинов при H/C= 0,17…0,19 ,

K = 0,42…0,50 , при H/C = 0,13 , K =0,3.

Реакция углерода с кислородом при неполном сгорании 2С +О₂ = 2СО

1кг/C/ + .

Обозначив через j долю углерода /C/ топлива, сгоревшего в СО, получим

jС_кг /C/ + .

При сгорании углерода частично в СО₂ и СО количество продуктов сгорания (кмоль) следующее:

Мсо₂ + Мсо = .

Количество свободного водорода (кмоль) в продуктах сгорания

Мн₂ = , где j₁ – доля свободного водорода.

Суммарное количество водяных паров и водорода в продуктах сгорания

Мн₂о + Мн₂ = .

Количество водяных паров в продуктах сгорания

Мн₂о = , где 1-j₁ – доля водорода, окисленного в Н₂О.

С учётом азота в воздухе общее количество продуктов сгорания

(М₂)_a<=1 = .

При неполном сгорании общее количество кислорода, участвующее в реакции, равно 0,21aL_o O/32.

Количество каждого компонента (кмоль), входящего в состав продуктов сгорания определяют по формулам:

Мсо = 0,42 ;

Мсо₂ = ;

Мн₂ = 0,42К ;

Мн₂о = ;

М_N2 = 0,79aL_o.