Уравнение реакции сгорания топлива в двигателе

Химические реакции сгорания бензинов

Рабочие тела и их свойства

Изучаемые вопросы:

Топлива, применяемые в автомобильных двигателях. Понятие о рабочем теле и его свойствах

В качестве топлив для двигателей с принудительным зажиганием используется жидкий продукт, получаемый в результате переработки сырой нефти, – бензин и горючие газы, основную часть которых составляют углеводороды.

Легкая фракция нефти, выкипающая до 205 ○ С, используется для производства топлив, называемых бензинами. Более тяжелые фракции с пределами выкипания до 350 ○ С служат основой для производства дизельных топлив. Фракционный состав топлива показывает процентное (по объему) содержание углеводородов, выкипающих до той или иной температуры. Различие во фракционном составе бензинов и дизельных топлив определило различие и в устройствах для образования горючей смеси, состоящей из воздуха (окислителя) и паров топлива, и способах воспламенения. Топливо и воздух в зависимости от физических свойств топлива вводятся в цилиндр двигателя совместно (бензиновый двигатель) или раздельно (дизель).

В двигателях с внешним смесеобразованием топливо, подаваемое вместе с воздухом через впускной клапан, должно легко испаряться и образовывать гомогенную смесь с поступающим воздухом.

Необходимо, чтобы топливо:

– обеспечивало быстрый и надежный пуск независимо от температуры наружного воздуха;

– позволяло осуществлять процесс сгорания без образования нагара и кокса на поверхности КС;

– способствовало уменьшению износов цилиндропоршневой группы (ЦПГ);

– обеспечивало полное сгорание и снижение токсических составляющих.

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

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

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

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

Уравнение реакции сгорания топлива в двигателе

Главное меню

Судовые двигатели

Процесс сгорания топлива — это процесс окисления молекул топлива. Степень полноты окисления определяет собой совершенство процесса сгорания и экономичность двигателя внутреннего сгорания. Процесс сгора­ния топлива в цилиндре двигателя является определяющим в достижении мощности и экономичности двигателем. Процессы наполнения и сжатия создают те условия, при которых последующий процесс сгорания топлива должен протекать наиболее эффективно. Результаты могочисленных ис­следований позволяют осветить физико-химические явления, сопровождаю­щие процесс сгорания. Установлено, что процесс сгорания смеси, подож­женной в одной точке, распространяется по всей массе смеси от места запала в виде тонкой пленки пламени (фронта пламени). Фронт пламени отделяет сгоревшую часть смеси от несгоревшей (свежей) части. Впереди фронта пла­мени несгоревшая смесь, а позади продукты сгорания смеси. При горении гомогенной, хорошо перемешанной с воздухом смеси процесс идет наиболее интенсивно, так как во фронте пламени развивается высокая температура, при которой скорость реакции достигает значительной величины. Если смесь неравномерно перемешана с воздухом, то скорость сгорания будет меньше. В этом случае она лимитируется скоростью диффузии молекул го­рючего и кислорода друг к другу. Толщина фронта пламени порядка 0,1 мм, однако в таком тонком слое успевают протекать процессы реакции сгорания и процессы диффузии. Выделяемое тепло реакций сгорания расходуется на подогрев до высокой температуры свежей смеси, находящейся перед фрон­том пламени. Движение газа, возникающее в результате процесса горения или искусственно вызванное, изменяет форму фронта пламени, увеличивает его поверхность, но не изменяет свойств любого элемента площади фронта. На единице поверхности фронта пламени данной смеси будет всегда ежесе­кундно сгорать одно и то же количество горючего. Общее же количество го­рючего, сгорающего в единицу времени, будет пропорционально площади фронта пламени. Таким образом, турбулизация смеси будет способствовать повышению сгорания количества горючего в единицу времени.

Количество граммов смеси, сгорающей в одну секунду на единице пло­щади фронта пламени, называется массовой скоростью сгорания.

Если обозначим массовую скорость сгорания ? _т , а площадь фронта пламени F _ф , то количество граммов смеси, которое будет сгорать в одну се­кунду на элементе площади фронта пламени dF _ф , будет равно ? _т dF _ф . Для этого необходимо, чтобы данное количество смеси ежесекундно подводилось к элементу площади фронта пламени dF _ф или сам фронт пламени переме­щался по направлению к несгоревшей свежей смеси. Линейная скорость перемещения данного элемента площади фронта пламени относительно не­сгоревшего газа (смеси) по направлению нор­мали к поверхности рассматриваемого элемен­та фронта пламени равна ? ₀ = ? _т /? ₀ где ? ₀ —плотность исходного холодного газа (смеси) и называется нормальной скоростью распро­странения пламени.

Наблюдения процессов сгорания в трубах показывают, что пока нет изменений в гид­родинамических условиях, форма фронта пла­мени сохраняется, а следовательно, количест­во сгорающего газа и скорость перемеще­ния фронта пламени остаются постоянными. При этом устойчивой формой фронта пламени является не плоская, а искривленная сферическая форма. Наблюдаемая скорость распространения пламени в трубе равна

где d — диаметр трубы.

Отсюда следует, что наблюдаемая скорость распространения пламени будет во столько раз больше нормальной, во сколько раз площадь фронта больше сечения трубы.

Опыты в трубах убедительно показывают, что изменения наблюдаемой скорости распространения пламени происходят по причине колебания га­зового столба или по причине увеличения поверхности фронта пламени вследствие изменения гидродинамических условий.

Если во фронте пламени идет реакция со скоростью ?, то выделенное тепло в результате этой реакции в единице объема смеси будет равно ?Q’, где Q’ — теплота реакции одной молекулы горючего.

Без учета потерь можно написать:

где q _к — количество тепла, передаваемое смеси конвекцией;

q _т — количество тепла, передаваемое смеси теплопроводностью.

Иными словами, все тепло, выделяемое реакцией, идет на подогрев ис­ходной холодной смеси.

Если будем откладывать по оси ординат (рис. 61) температуру смеси в слое горения и температуру подогрева, а по оси абсцисс — расстояние от слоя х, в котором достигается температура воспламенения Т’, то измене­ние температуры в смеси будет следующее.

Холодный газ (смесь) имеет начальную температуру Т ₀ . В зоне подог­рева движущаяся смесь в направлении положительных значений х подогре­вается до температуры Т’ (зона I). По достижении температуры Т’ смесь начинает реагировать, температура ее повышается (зона II). На каком-то расстоянии от начала координат вся смесь прореагировала и ее температура достигает максимальной величины (зона III), которая при отсутствии тепловых потерь далее будет постоянной.

Процесс сгорания горячей смеси в цилиндре двигателя обусловливается двумя явлениями: химическими процессами окисления и движением фронта пламени по пространству сгорания, зависящим от газодинамических фак­торов. Следовательно, для исследования и расчета процессов сгорания не­обходимо в общем случае применение как положений химической динамики, так и положений газодинамики. Исследования показали, что реальные хи­мические реакции представляют собой сложные процессы, слагающиеся из ряда элементарных стадий процесса.

Советские ученые (академик Н. Н. Семенов и его школа) впервые и наиболее глубоко исследовали кинетику сложных химических реакций и создали новую цепную теорию химических процессов.

Цепным химическим процессом является такой процесс, при котором конечный продукт процесса (реакции) получается за счет взаимодействия исходного реагента с промежуточным продуктом.

В общем случае скорость реакции определяется

Для процессов цепочно-теплового взрыва, к которым можно отнести и процессы сгорания, уравнение кинетики процесса имеет вид

Принимая реакцию окисления топлива (что наиболее вероятно) бимоле­кулярной можно скорость реакции выразить

На процесс сгорания топлива в цилиндре двигателя влияет целый ряд дополнительных факторов, учесть которые можно только опытным путем.

Исследование процесса сгорания в двигателях обычно сводится к опре­делению суммарного течения процесса сгорания, обусловливающего ско­рость тепловыделения.

Рассмотрение процесса сгорания по результирующим скоростям сгора­ния значительно упрощает анализ процесса преобразования химической энергии топлива в теплоту.

Каталог статей

Вычисления по химическим формулам и химическим уравнениям.

** Сделайте немного более сложный, но и более интересный расчет. Результат его окажется для вас неожиданным. Знаете ли вы, что обычный автомобиль потребляет кислорода в несколько раз больше, чем бензина? Причем не по объему (это бы нас не удивило), а по весу!

Давайте проверим. Молекулярная формула наиболее качественного бензина – С₈Н₁₈. Обычный бензин представляет собой смесь нескольких соединений, но мы специально возьмем самый хороший (образцовый) бензин, состоящий только из С₈Н₁₈. В двигателе внутреннего сгорания бензин реагирует с кислородом воздуха О₂. При этом выделяются углекислый газ, вода и большое количество тепловой энергии, которую двигатель преобразует в механическую.

Уравнение сгорания бензина выглядит так:

Обратите внимание: для сгорания 2 молекул бензина требуется 25 молекул кислорода! Конечно, молекула бензина тяжелее, но зато более легких молекул кислорода требуется очень много!

Бак легкового автомобиля обычно вмещает 40 л бензина Плотность бензина 0,7 кг/л. Следовательно, в полном баке находится 28 кг бензина. Попробуйте самостоятельно посчитать, сколько КИЛОГРАММОВ кислорода «съедает” автомобиль от заправки до заправки.

Результат будет таким: 98244 г или более 98 кг кислорода!

Кислород занимает в атмосфере примерно пятую часть, поэтому уничтожение такого его количества делает совершенно непригодным для дыхания примерно 350 кубических метров воздуха. Но этого мало: автомобиль выбросил в атмосферу значительное количество также непригодного для дыхания диоксида углерода СО₂.

Итак, ответ получился неожиданным, как мы и обещали: 98 кг «съеденного” автомобилем кислорода — это по весу в 3,5 раза больше израсходованного бензина (28 кг)! Надо учесть, что мощные грузовики и тяжелые автобусы расходуют кислорода гораздо больше уже потому, что тратят больше бензина на каждый километр пути.

Ежедневно на дороги выезжают миллионы автомобилей только в нашей стране. А сколько поднимается в небо самолетов, сколько огромных судовых двигателей на морях и реках не останавливается ни днем, ни ночью?

Запасы свободного кислорода на нашей планете возобновляются только зелеными растениями – водорослями, деревьями, кустарниками, травами. Невольно проникаешься уважением к этим живым лабораториям, которые ежедневно трудятся для того, чтобы не дать людям и животным задохнуться от недостатка кислорода.

Люди не собираются отказываться от удобств, связанных с бензиновыми двигателями, но в качестве платы за этот комфорт необходимо, по крайней мере, беречь растения, делиться с ними местом в той среде обитания, которую мы вместе занимаем.