Каким должен быть состав горючей смеси на различных режимах работы двигателя? Почему?

Состав горючей смеси

Горючая смесь состоит из паров топлива и воздуха.

Рабочий процесс в цилиндрах бензинового двигателя протекает очень быстро, каждый такт в двигателе, работающим с числом оборотов коленчатого вала 2000 об/мин, совершается за 0,015 сек.

Горение жидкого топлива происходит относительно медленно, а необходимо, чтобы сгорание топлива в цилиндре происходило за более короткое время, чем совершается какой-либо такт. Повысить скорость сгорания до 25-30 м/сек можно лишь при том условии, если жидкое топливо будет размельчено на мельчайшие капельки, а затем испарено. Образование мельчайших капелек достигается распыливанием и испарением топлива, а быстрое сгорание происходит благодаря тщательному перемешиванию этих паров с необходимым количеством воздуха.

Для полного сгорания топлива необходимо строго определенное количество кислорода, находящегося в воздухе. Если воздуха будет недостаточно, то все топливо сгореть не сможет, при избытке воздуха топливо сгорает все, но еще остается неиспользованная часть кислорода в воздухе.

Для полного сгорания топлива необходимо строго определенное количество кислорода, находящегося в воздухе. Если воздуха будет недостаточно, то все топливо сгореть не сможет, при избытке воздуха топливо сгорает все, но еще остается неиспользованная часть кислорода в воздухе.

Установлено, что для сгорания 1 кг топлива необходимо иметь 15 кг воздуха. Смесь такого состава носит название нормальной (стехиометрической). Однако при соотношении 1:15 полного сгорания топлива не происходит и часть его бесцельно теряется.

Для полного сгорания соотношение топлива и воздуха должно быть 1:17 – 1:18, такая смесь носит название обедненной. Вследствие избытка воздуха в обедненной смеси понижается ее теплотворная способность, что приводит к понижению скорости сгорания и снижению мощности двигателя.

Для повышения мощности двигателя смесь должна гореть с наибольшей скоростью, а это возможно при соотношении топлива и воздуха 1:13, такая смесь называется обогащенной. При таком составе смеси полного сгорания топлива не происходит и экономичность двигателя ухудшается, зато удается получить от него наибольшую мощность.

При соотношении топлива и воздуха меньше 1:13 скорость горения уменьшается, экономичность двигателя и его мощность снижается. Смесь такого состава называют богатой. Если соотношение топлива и воздуха в смеси больше 1:18, скорость ее горения также резко снижается, что также приводит к потере экономичности и мощности. Смесь такого состава называется бедной.

Когда содержание воздуха в смеси менее 6 кг на 1 кг топлива или более 20 кг на 1 кг топлива, горючая смесь в цилиндрах не воспламеняется.

В работающем двигателе обычно различают пять основных режимов: пуск холодного двигателя, работа на малых оборотах (холостой ход), работа при частичных нагрузках (средние нагрузки), работа при полных нагрузках и работа при резком увеличении нагрузки или числа оборотов. Для каждого из режимов состав смеси должен быть разным.

При пуске холодного двигателя условия смесеобразования очень плохие: двигатель холодный, большая часть топлива конденсируется на стенках цилиндров и во впускном трубопроводе, а скорость потока воздуха невелика, так как коленчатый вал двигателя проворачивается с небольшим числом оборотов. Для обеспечения пуска холодного двигателя смесь должна быть богатой с тем, чтобы возместить ту часть топлива, которая конденсируется на стенках цилиндров.

При малых оборотах холостого хода условия смесеобразования также плохие вследствие недостаточной очистки цилиндров от отработавших газов. Количество смеси при этом режиме должно быть невелико, но по качественному составу она должна быть обогащенной.

При средних нагрузках от двигателя полной мощности не требуется и для экономии топлива смесь должна быть обедненной, т.е. такой, которая полностью сгорает.

При полных нагрузках смесь должна обладать наибольшей скоростью сгорания с тем, чтобы от двигателя получить наибольшую мощность. Этим условиям удовлетворяет обогащенная смесь, но при этом двигатель работает менее экономично, чем при средних нагрузках.

При резком увеличении нагрузки или числа оборотов коленчатого вала смесь должна быть обогащенной, в противном случае двигатель остановится.

Коэффициент избытка воздуха в различных топливосжигающих устройствах и двигателях[ | ]

Зависимости мощности и удельного расхода топлива для ДВС с искровым зажиганием от коэффициента избытка воздуха

Двигатели внутреннего сгорания[ | ]

Коэффициент избытка воздуха α {displaystyle alpha } всегда для стехиометрической смеси равен единице. Но практически в двигателях внутреннего сгорания (ДВС) этот коэффициент отличается от 1. Так например, оптимальный с точки зрения экономичности α {displaystyle alpha } для двигателей с искровым зажиганием 1,03—1,05, это превышение обусловлено тем, что из-за несовершенства смешения топлива с воздухом в карбюраторе или цилиндре двигателя с впрыском топлива для полного сгорания топлива необходимо небольшое увеличение α {displaystyle alpha } . С другой стороны, наибольшая мощность двигателя при прочих равных достигается при работе на более богатых смесях ( α = 0 , 83…0 , 88 {displaystyle alpha =0,83…0,88} На рисунке показаны зависимости мощности и экономичности двигателя с искровым зажиганием от α {displaystyle alpha } и соотношения воздух/топливо для бензина при некоторых значениях α {displaystyle alpha } . Так, для бензина стехиометрическое соотношение воздух/топливо по массе составляет 14,7, для смеси пропан-бутан это соотношение равно 15,6.

В современных двигателях поддержание α {displaystyle alpha } близкого к оптимальному осуществляется с помощью автоматической системы управления соотношением топливо/воздух. Основным датчиком в таких системах служит датчик концентрации свободного кислорода в выхлопных газах двигателя — так называемый лямбда-зонд.

В дизельных двигателях для исключения сильного сажеобразования α {displaystyle alpha } поддерживают на уровне 1,1…1,3[2].

Газовые турбины[ | ]

В камере сгорания газовой турбины, например двигателя самолёта α {displaystyle alpha } поддерживается близким к 1. Но перед лопатками турбины для снижения температуры газа из соображений жаропрочности лопаток газ из камеры сгорания разбавляется воздухом, отбираемым от компрессора турбины, что снижает его температуру от приблизительно 1600 °C до 1300…1400 °C, поэтому α {displaystyle alpha } в выхлопных газах турбины α {displaystyle alpha } значительно больше 1 и достигает 5.

Промышленные, отопительные и бытовые котлы[ | ]

α {displaystyle alpha } в таких котлах существенно зависит от вида топлива. В газовых котлах небольшой мощности или производительности α {displaystyle alpha } составляет 1,2…1,4, в крупных энергетических котлах сжигающих природный газ — 1,03…1,1. В котлах, работающих на жидком и твёрдом топливе для полноты сгорания α {displaystyle alpha } поддерживается в пределах от 1,5 до 2…3.

Влияние нарушения состава рабочей смеси на работу двигателя

Неисправности системы питания заключаются в образовании смеси несоответствующего качества и повышенном расходе топлива. К наиболее часто встречающимся неисправностям системы питания относится образование богатой или бедной горючей смеси.

Богатая рабочая смесь обладает пониженной скоростью горения и вызывает перегрев двигателя, работа его при этом сопровождается резкими хлопками в глушителе. Хлопки появляются в результате неполного сгорания смеси в цилиндре (не хватает кислорода воздуха), и догорание ее происходит в глушителе, сопровождающееся черным дымом.

Длительная работа двигателя на богатой смеси приводит к перерасходу топлива и большому отложению нагара на стенках камеры сгорания и электродах свечей зажигания. Образованию богатой горючей смеси способствует уменьшение количества поступающего воздуха или увеличение количества поступающего топлива.

Бедная горючая смесь также обладает пониженной скоростью сгорания, двигатель перегревается, и его работа сопровождается резкими хлопками во впускном трубопроводе. Хлопки появляются в результате того, что смесь еще догорает в цилиндре, когда уже открыт впускной клапан и пламя распространяется во впускной трубопровод.

Длительная работа двигателя на бедной смеси также вызывает перерасход топлива вследствие того, что мощность двигателя в этом случае падает и чаще приходится пользоваться пониженными передачами. Образованию бедной горючей смеси способствует либо уменьшение количества поступающего топлива, либо увеличение количества поступающего воздуха.

Детонация и самовоспламенение

При нормальных условиях сгорание рабочей смеси в цилиндрах двигателя происходит со скоростью 25-30 м/сек и давление в цилиндре нарастает плавно. Двигатель работает в нормальном тепловом режиме, без стуков и отказов.

При применении топлива более низкого качества, перегреве двигателя, установке очень раннего момента воспламенения смесь начинает гореть со скоростью, доходящей до 2000 м/сек. Такое взрывное сгорание смеси называется детонацией. При детонационном сгорании давление в отдельных частях цилиндра резко возрастает, появляются металлические стуки, мощность двигателя падает, появляется черный дым из глушителя. Наиболее вредно явление детонации сказывается на состоянии деталей кривошипно-шатунного механизма, где возможно разрушение отдельных деталей.

Склонность топлива к детонации условно оценивают октановым числом. Чем выше октановое число, тем топливо меньше склонно к детонации. Бензин с более высоким октановым числом применяют для двигателей с более высокой степенью сжатия.

Детонационное сгорание смеси иногда ошибочно путают с самовоспламенением или калильным зажиганием. Самовоспламенение может наступить в цилиндрах перегретого двигателя в тот момент, когда электрическая искра еще не поступила в цилиндр, а также при воспламенении от раскаленных частиц нагара или электродов свечи. Как в том, так и в другом случае смесь горит с нормальной скоростью. Обычно это явление наблюдается при выключении зажигания, когда двигатель еще продолжает некоторое время работать.

Горючее — конденсированное вещество неизвестного строения, но с известным элементным составом

О

Горючее — индивидуальное химическое соединение

В этом случае теоретический объем воздуха VB° определяют непосредственно из уравнения материального баланса с помощью известного следствия из закона Авогадро. Рассмотрим расчет на примере ацетона. Уравнение реакции горения ацетона в воздухе:

С3Н60 + 4 (02 + 3,76N2) = 3C02 +ЗН20 + 4-3,76N2. По уравнению на 1 кмоль ацетона расходуется 4(1+3,76) = 19,04 кмоля

воздуха, значит, пв° = 19,04 кмоль/кмоль ацетона (или м /м для пара). Известно, что 1 кмоль газа при нормальных условиях занимает объем 22,4 м , поэтому необходимый объем воздуха на 1 кмоль ацетона будет равен:

VB° = 22,4-19,04 — 426,5 (м3 /кмоль). Молекулярная масса ацетона Мац= 12-3+6+16=58 (г/моль), т.е. масса 1 кмоля равна 58 кг. Отсюда, в расчете на 1 кг ацетона

VB° = 426,5/58 = 7,35 (м3/кг). В таблице 1 приведены результаты выполненных вычислений.

Теоретический расход воздуха на горение ацетона

Таблица 1

Как видно из таблицы, величина VB° зависит от ее размерности. В общем виде ход приведенных вычислений можно записать с помощью простых формул:

пв° = р-(1 + 3,76) = 4,76-0 ( кмоль/кмоль), где (3 — стехиометрический коэффициент воздуха (кислорода) в уравнении материального баланса.

VB° = 22,4-4,76-(3 = 106,6-р (м3 /кмоль), VB°= 106,6 (3/МГ (м3/кг), где Мг — молекулярная (атомная) масса горючего (кг/кмоль).

Если нужно привести теоретический объем воздуха к условиям, отличным от нормальных, то используется известная формула объединенного газового закона:

P0Vb°/T° = PVb7T ,

° ° 5

где Т =273 К, Р =1 х 10 Па, Р и Т — заданные давление и температура.

Такими веществами являются, например, древесина, торф, каменный уголь, полимеры и др. При их горении кислород воздуха расходуется на окисление элементов С, Н, S и др. Здесь при определении VB° необходимо обязательно учитывать кислород, содержащийся в самом веществе.

Теоретический объем воздуха для конденсированного вещества равен сумме теоретических объемов воздуха на горение каждого элемента:

VB° — VB°[C] • [С] /100 + VB°[H] -[Н] /100 + VB°[S] -[S] /100 — VB°[0] -[О] /100 (м3/кг),

где VB°[ , ] — теоретические объемы воздуха, необходимые для горения элементов С, Н и S (м 3/кг);

VB°[o] — объем воздуха, в котором содержится 1 кг кислорода (м /кг);

[С], [Н], [S], [О] —
содержание элементов в горючем веществе (%масс.) соответственно.
Теоретическое количество воздуха для каждого элемента определяется с помощью рассмотренных ранее выражений.

Наиболее распространенные горючие газовые смеси — ископаемые (природный, попутный нефтяной) и промышленные (доменный, коксовый,

генераторный и т.п.) газы. Они содержат СН4, С2Н6, Н20, СО, Н2, N2 и другие вещества. Состав газов выражается обычно в объемных процентах. Алгоритм расчета объема воздуха для полного сгорания таких смесей: 1) для каждого горючего компонента находят (см. выше) теоретический объем воздуха с учетом его концентрации в смеси; полученные величины суммируются:

Е А (Р, ~(Рог

где Pi — стехиометрический коэффициент при воздухе в уравнении горения i-го компонента горючей смеси;

ф, и фо2 —
концентрации i-го горючего компонента и кислорода в
смеси ( % об.); к — число горючих компонентов в смеси. На реальных пожарах количество участвующего в открытом горении воздуха больше теоретического.

Коэффициент избытка воздуха а — отношение объема воздуха, практически расходуемого на горение, к теоретическому объему, необходимому для полного сгорания:

а = VBnp / VB°.

Коэффициент избытка воздуха показывает, во сколько раз реальный расход воздуха больше теоретического. Удля горючих смесей стехиометрического состава коэффициент избытка воздуха а = 1, т.е. реальный расход воздуха, приведенный к нормальным условиям, равен теоретическому. При а > 1 горючую смесь называют бедной по горючему компоненту, а при а < 1 — богатой. В бедной смеси имеется избыток воздуха, который не расходуется и переходит в продукты горения. Разность между практическим и теоретическим объемами называется избытком воздуха. Его можно вычислить по формуле:

AVB=VBnp-VB°.

Диффузионное горение большинства горючих материалов возможно только до определенной пороговой концентрации кислорода (для большинства органических веществ до 12-16 % об. 02). Зная содержание кислорода в продуктах горения фог»г, можно определить коэффициент избытка воздуха на реальном пожаре:

а = 21/(21 -ф02пг) и далее — практический расход воздуха на горение.