Краткие теоретические сведения. Свойства жидких топлив Топливо Элементный (средний) состав 1 кг топлива

Свойства жидких топлив

Топливо	Элементный (средний) состав 1 кг топлива	Молекулярная масса μТ, кг/кмоль	QH, кДж/кмоль
С	О	N
Автомобильный бензин	0,855	0,145	-	110 – 120
Дизельное	0,870	0,126	0,004	180 – 200
Дизельное моторное	0,870	0,125	0,005	220 – 280

Сгорание топлива представляет собой химическое соединение составных элементов топлива с кислородом:

С + О₂ = СО₂, 2Н₂ + О₂ =2Н₂О, (3.1)

при неполном сгорании углерода:

2С + О₂ = 2СО. (3.2)

Для полного сгорания 1 кг топлива (состав С+Н+О = 1) требуется количество кислорода:

в киломолях

(3.3)

в килограммах

(3.4)

В окружающем воздухе кислорода по массе содержится примерно 23 %, а по объему 21 %. Поэтому количество воздуха, которое теоретически необходимо для сгорания топлива массой 1 кг и состава С + Н + О = 1, выражают стехиометрическим соотношением, кмоль,

(3.5)

или, кг

(3.6)

Кажущаяся молекулярная масса воздуха μ_В = 29 кг/кмоль, следовательно,

m₀= μ_ВМ₀ = 29М₀.(3.7)

Отношение количества воздуха m, действительно поступающего в цилиндр двигателя, к теоретически необходимому количеству m₀ называется коэффициентом избытка воздуха α:

, или . (3.8)

Если α < 1 (недостаток кислорода), смесь называют богатой, при α > 1 (избыток кислорода) смесь называют бедной.

При полном сгорании 1 кг топлива в двигателях с искровым зажиганием общее количество горючей смеси, кмоль, состоящей из паров топлива и воздуха,

, (3.9)

где μ_Т- молекулярная масса топлива (см. табл.1).

В дизелях из-за малого объема, занимаемого жидким топливом, величиной 1/μ_Тможно пренебречь, поэтому

М_Т = α М₀. (3.10)

При полном сгорании жидкого топлива (α > 1) продукты сгорания состоят из образовавшихся в результате реакции СО₂, Н₂О, избыточного кислорода и азота. Количество отдельных составляющих продуктов сгора­ния, кмоль, определяется по следующим формулам:

; (3.11)

; (3.12)

, (3.13)

где 0,21α М₀ - количество поступившего кислорода, кмоль; 0,21 М₀ – количество кислорода, принявшего участие в реакции, кмоль.

M_N2 = 0,79 α М₀.

Общее количество продуктов сгорания М_ПС, кмоль, отнесенное к 1 кг топлива:

.

Подставляя в это выражение значения, , получим:

Для стехиометрического состава смеси (α = 1):

. (3.14)

Для значения α > 1 количество, кмоль, продуктов сгорания с учетом избыточного азота ΔΜ_N2 = 0,79(α – 1)M₀ и избыточного кислорода ΔΜ_О2 = 0,21(α – 1)M₀ в продуктах сгорания определится:

(3.15)

Масса продуктов сгорания G_ПС, кг, при сгорании 1 кг жидкого топлива

Тогда

(3.16)

При неполном сгорании жидкого топлива (α < 1) из-за недостатка
кислорода часть углерода топлива сгорает в окись углерода, а часть водорода не реагирует с кислородом.

Эксперименты показывают, что отношение числа молей водорода к окиси углерода примерно постоянно для данного топлива и не зависит от величины α. Обозначим это отношение через К.

(3.17)

Согласно опытным данным для бензинов, у которых Н/С = 0,17 – 0,19, К= 0,45 – 0,50, а при Н/С = 0,13, К= 0,30.

Вследствие неполноты сгорания топлива выделившееся количество теплоты уменьшается на доли не выделившейся теплоты находящихся в продуктах сгорания окиси углерода водорода (ΔQ^Н)_CO и (ΔQ^Н)_Н2. Суммарную долю не выделившейся теплоты (ΔQ^Н)_хим = (ΔQ^Н)_CO + (ΔQ^Н)_Н2 можно подсчитать по уравнению, Дж/кг

(ΔQ^Н)_хим = А(1 – α)М₀, (3.18)

где А =114· 10⁶ при К = 0,5 – 0,45 и А = 116·10⁶ при К = 0,3.

Опуская промежуточные выкладки, запишем выражение для компо­нентов, входящих в состав продуктов сгорания в случае α < 1. Количество каждого компонента, кмоль, определяется по следующим формулам:

(3.19)

(3.20)

(3.21)

(3.22)

(3.23)

В то время как массы, кг, продуктов сгорания и горючей смеси до сгорания одинаковы (G_ПС = G_T), количество молей продуктов сгорания и количество молей горючей смеси до сгорания неравны. Изменение количества молей смеси (ΔМ) при сгорании происходит вследствие изменения числа молекул газообразных продуктов сгорания по сравнению с числом молекул горючей смеси до сгорания, т.е. ΔМ = М_ПС – М_Т.

Изменение количества молей принято выражать относительной ве­личиной - теоретическим коэффициентом молекулярного изменения

(3.24)

Для бензиновых двигателей с искровым зажиганием

(3.25)

(3.26)

Для дизелей (α > 1)

. (3.27)

Примеры и задачи

Пример 1. Определить количество воздуха, участвующего в сгорании 1 кг бензина А-92 (С = 0,855; Н = 0,145) при коэффициенте избытка воздуха a = 0,9 в кмолях и килограммах.

Решение:

Количество воздуха, участвующего в сгорании 1 кг бензина

Пример 2. Определить суммарное количество продуктов сгорания 1 кг бензина А-92 (С = 0,855; Н = 0,145) при коэффициенте избытка воздуха a = 0,9 в кмолях, а также теоретический коэффициент молекулярного изменения. Отношение количества молей не прореагировавшего водорода к числу молей окиси углерода К= 0,5:

Решение:

Суммарное количество продуктов сгорания, которое получается при сгорании горючей смеси:

М_ПС = М_СО + М_СО2 + М_Н2 + М_Н2О + М_N2

Количество отдельных составляющих продуктов сгорания:

Изменение количества молей смеси

Теоретический коэффициент молекулярного изменения μ₀:

Задачи для самостоятельного решения:

1. Рассчитать теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг дизельного топлива (С = 0,870; Н = 0,126; О = 0,004) в кмолях и килограммах.Определить действительное количество воздуха, участвующего в горении, если коэффициент избытка воздуха a = 1,4

Ответ: Необходимое количество воздуха М₀ = 0,495 кмоль/кг; m₀ = 14,452 кг/кг. Действительное количество воздуха, участвующего в горении 0,693 кмоль/кг и 20,233 кг/кг.

2. Определить количество молей газа, участвующего в горении дизельного топлива с составом, приведенным в задаче 1, общее количество молей продуктов сгорания и теоретический коэффициент молекулярного изменения. Объем, занимаемый каплями дизельного топлива пренебречь.

Ответ: Количество молей газа, участвующего в горении дизельного топлива 0,693 кмоль/кг; общее количество молей продуктов сгорания 0,960 кмоль/кг; теоретический коэффициент молекулярного изменения 1,385.

3.3. Контрольные вопросы:

1. От чего зависит скорость распространения пламени в процессе сгорания?

2. В чем отличие нормального и турбулентного пламени?

3. Что такое детонационное горение?

4. Что характеризует октановое число? Как оно определяется?

5. Что такое «самовоспламенение» топлива? Что такое цетановое число и как оно определяется?

РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

Основная литература

1.Луканин В.Н. Двигатели внутреннего сгорания : учебник для вузов [Гриф Минобрнауки РФ] : в 3-х кн.Кн.1 : Теория рабочих процессов / В.Н.Луканин, К.А.Морозов, А.С.Хачиян [и др.] ; под ред. В.Н. Луканина, М.Г. Шатрова.- 4-е изд., перераб. и доп. - М. : Высшая школа, 2012. - 479 с.

2. Луканин В.Н. Теплотехника : учебник для вузов [Гриф Минобрнауки РФ] / В.Н. Луканин, М.Г., М.Г.Шатров [и др.] ; под ред. В.Н.Луканина. - 5-е изд., перераб. и доп. - М. : Академия, 2009. - 671 с.

3. Шатров М.Г. Автомобильные двигатели : учебник для вузов [Гриф Минобрнауки РФ] / М.Г.Шатров, К.А.Морозов [и др.] ; под. ред. М.Г.Шатрова. – М.: Издательский центр «Академия», 2010. – 464 с.

4. Скачкова С.С. Термодинамика и рабочие процессы двигателей внутреннего сгорания : учебное пособие для вузов [Гриф УМО] : в 2 ч. Ч. 1: Основы термодинамики и теплообмена / С.С. Скачкова, Т.Г. Михайлова. - Екатеринбург: Изд-во ФГАУ ВПО «Рос. Гос. проф.-пед. ун-т», 2010. - 158 с.

Дополнительная литература

1.Железко Б.Е. Термодинамика, теплопередача и двигатели внутреннего сгорания : учебник для вузов [Гриф Минобрнауки РФ] / Б.Е. Железко, В.М. Адамов [и др.] . - Мн. : Высшая школа., 1985. - 271 с.

2. Колчин А.И.Расчет автомобильных и тракторных двигателей: учебник для вузов учебник для вузов [Гриф Минобрнауки РФ] / А.И. Колчин,
В.П. Демидов. – М. : Высшая школа, 2002. - 496 с.

3. Кудинов В.А. Техническая термодинамика : учебное пособие для вузов [Гриф УМО] / Кудинов В.А., Карташов Э.М. – М : Высшая школа, 2007. - 261 с.

Задания и методические указания

к выполнению практических работ по дисциплине

«Транспортная энергетика»

Подписано в печать Формат 60х84/16. Бумага для множ. аппаратов.

Печать плоская. Усл.печ.л. Уч.-изд.л. Тираж экз. Заказ

ФГАОУ ВПО «Российский государственный профессионально-педагогический университет». Екатеринбург, ул. Машиностроителей, 11.

Ризограф ФГАОУ ВПО РГППУ. Екатеринбург, ул. Машиностроителей, 11.