Тема № 9 Основы теории горения

Процесс сгорания топлива в цилиндре ДВС является основным, ради которого осуществляются все остальные (подготовительные) процессы. От качества его протекания во многом зависят выходные оценочные показатели мотора. Поэтому для понимания теории ДВС, конструктивных особенностей того или иного двигателя и тенденций развития моторостроения совершенно необходимо знать основы теории горения.

Изучение процессов горения топливовоздушных смесей в условиях цилиндра ДВС связано не только с химическими явлениями, но и с газодинамическими, термодинамическими, а также с процессами тепло- и массообмена. Поэтому при создании новых моделей двигателей в основном используют результаты экспериментальных исследований. Однако многие положения теории горения, предполагающей некоторые упрощения, позволяют делать ценные выводы, весьма полезные при изучении ДВС и разработке их новых моделей.

Основоположником теории горения с полным правом можно считать М.В. Ломоносова, который первым показал, что горение есть химический процесс взаимодействия топлива с воздухом, а не результат работы мифического флогистона.

Большой вклад в теорию горения внёс советский академик, лауреат Нобелевской премии Н.Н. Семёнов, разработавший основы теории цепных химических реакций и теорию теплового взрыва.

9.1 Основные параметры горения топлива

Для полного сгорания топлива необходимо определённое количество окислителя, которое называют теоретически необходимым. Так полное сгорание 1 кг углеводородного топлива требует следующего теоретически необходимой массы воздуха

, кг воздуха / кг топлива, (10.1)

где C, H, O - массовое содержание соответственно углерода, водорода и кислорода в 1 кг топлива;

0,23 - относительное массовое содержание кислорода в воздухе.

Например, для полного сгорания 1 кг бензина надо m_в.0 = 14,9 кг воздуха, а для полного сгорания 1 кг дизельного топлива m_в.0 = 14,5 кг воздуха.

Полное сжигание 1 киломоля топлива возможно при следующем количестве киломолей воздуха

_в.0 = m_в.0 / m_{ в} , (10.2)

где m_{ в} = 29 кг/кмоль - мольная масса воздуха.

Горючая смесь, в которой на 1 кг паров топлива имеется ровно m_в.0 килограмм воздуха, называется стехиометрической. В зависимости от режима работы двигателя действительное количество воздуха в цилиндре может отличаться от теоретически необходимого. Поэтому для оценки качества горючей смеси используется специальный параметр, называемый коэффициентом избытка воздуха  - это отношение действительного количества воздуха m_в в цилиндре к теоретически необходимому количеству m_в.0 для полного сгорания имеющегося там топлива:

 = m_в / m_в.0. (10.3)

При  < 1 смесь обогащённая, то есть в ней недостаёт воздуха для полного сгорания имеющегося топлива. И наоборот, при  > 1 смесь обеднённая, то есть в ней имеется излишек воздуха для полного сгорания наличного топлива. Для стехиометрической смеси  = 1.

Тот или иной вид топлива в зависимости от  имеет верхний и нижний пороги воспламеняемости. Например, при давлении p = 0,1 МПа и температуре T = 40 С смесь автобензина с воздухом может воспламениться только в диапазоне 1,1 >  > 0,65. При тех же параметрах для дизтоплива диапазон воспламенимости меньше 1,05 >  > 0,82, для метана больше 1,85 >  > 0,4. С увеличением давления и температуры диапазон воспламенимости расширяется.

Коэффициент избытка воздуха смеси существенно влияет на количество теплоты, выделяемой при горении.

Требуемая масса горючей смеси (ГС) в расчёте на 1 кг топлива определяется зависимостью

m₁ =  m_в.0 + 1, кг ГС / кг топ. (10.4)

Относительное количество исходных веществ реакции (киломолей горючей смеси на килограмм топлива) можно оценить как

M₁ =  _в.0 + 1 / m_{ т}, кмоль ГС / кг топ., (10.5)

где m_{ т} - мольная масса топлива.

Ориентировочно количество (кмоль) отработавших газов (ОГ) на 1 кг топлива равно:

M₂ = C / 12 + H / 2 + 0,78  _в.0 , кмоль ОГ / кг топ. при  < 1; (10.6)

M₂ = C / 12 + H / 2 + ( – 0,21) _в.0 , кмоль ОГ / кг топ. при   1, (10.7)

где C, H - относительное объёмное содержание углерода и водорода в топливе;