Стехиометрический состав топлива, показатель качества сгорания.

Стехиометрический состав топлива, показатель качества сгорания.

Что такое стехиометрический состав смеси — о котором так много и часто говорят и
пишут в литературе?

  Стехиометрический состав — это теоретически верное соотношение топлива и

  воздуха, при котором в процессе горения кислород воздуха и топливо будут

  израсходованы полностью без остатка.

Неэтилированный бензин 14,7 : 1
Метанол (метиловый спирт) 6,5 : 1
Этанол (этиловый спирт) 9,0 : 1
Пропан (сжиженный газ) 15,7 : 1

Простая диаграмма может показать зависимость стехиометрического состава топлива  
и расхода топлива для двигателя внутреннего сгорания.
Соотношение воздух топливо либо коофициент избытка воздуха принято обозначать греческой буквой лямбда.

Как видно на графике расход топлива и мощность двигателя две зависящие
друг от друга кривые, глядя на которые смело можно сказать, что человек предложивший
Вам сделать карбюратор, который будет расходывать на полуторалитровом моторе 4 литра
бензина и при этом обеспечит максимальную динамику\мощность скорее всего шарлотан.

Как добиться нормальной стехиометрии смеси?

Самый простой способ это конечно ручная регулировка подачи смеси но на автомобиле 
это неприемлимо ввиду того что двигатель работает на неустановившихся режимах — постоянные 
ускорения и торможения, запуски двигателя, изменения нагрузки на двигатель. Именно поэтому
уже более 100 лет на автомобиле применяется карбюратор. Рассотрим простейший карбюратор

Карбюрато и подающий тракт состоят из следующих элементов:

1.Поплавок
2.Игольчатый клапан
3.Ось поплавка
4.Топливный жиклёр
5.Канал подачи топлива в дифузор
6.Дифузор
7.Дросельная заслонка
8.Поплавковая камера
9.Смесительная камера
10.Впускной коллектор
11.Впускной клапан

В таком карбюраторе состав смеси практически не изменяется с ростом оборотов двигателя и соответствено  
качество смеси регулируется всего лиш топливным жиклёром колличеством воздуха через дифзор и отверстием балансировки
поплавковой камеры соответственно применение такого карбюратора целесообразно лиш на двигателе с установившимися режимами
работы, тепичным примером такого карбюратора может являться карбюратор К22 автомобиля «Победа» и «Газ 21»
Со временем стали изменяться требования к динамике токсичностии мощности автомобилей и соответственно
системы подачи топлива стали усложняться, разработчики поняли
Главное — чем лучше сгорание — тем выше мощность.

Несколько графиков илюстрирующих протекающие в двигателе процессы.

Также большую роль в работе двигателя играет угол зажигания и октановое число применяемого
топлива, вот несколько графиков характеризующих эти показатели

Наибольшее давление в цилиндре

Влияние калильного зажигания

Работа двигателя с детонацией

Зависимость температуры выхлопныхгазов от от частоты вращения

Влияние опережения зажигания на параметры двигателя
Влияние октанового числа на температуры

Степень влияния систем карбюратора взависимости от открытия Дросельной заслонки.
В инжекторных системах определение стехиометрии осуществляет лямбда зон
(обратная связь) согласно показаний которого и происходит изменение состава смеси
и отказ которого влечёт за собой перерасход топлива, существуют также и карбюраторы
которые изменяют состав смеси по показаниям Лямбда зонда. График зависимости состава смеси по лямбде выглядит
приблизительно так:

Реклама от Яндекс

Хотим предложить Вам отдых и лечение на КМВ в здравницах:санаторий Кругозор,санаторий Шахтер,санаторий Семашко исанаторий Пятигорский Нарзан.

Вас ждет обслуживание высокого уровня и низкие цены. Спешите отдохнуть в этих санаториях.

Топливовоздушная смесь: что это, описание, свойства

Бензин и необходимый для его сгорания воздух поступают в цилиндры ДВС в виде топливовоздушной смеси. Топливовоздушная смесь — это смесь мельчайших частиц бензина с атмосферным воздухом, которую получают тщательным перемешиванием этих двух компонентов. Ясно, что до перемешивания бензин должен быть распылен, а затем и испарен еще до момента воспламенения.

Различают три способа смесеобразования для поршневых двигателей: внутренний способ, когда процесс перемешивания происходит непосредственно в объеме цилиндра; внешний способ — когда смесь получают вне объема цилиндра, например во впускном коллекторе; и смешанный, или комбинированный способ смесеобразования, при котором первый этап перемешивания протекает вне цилиндра, а второй — внутри цилиндра.

Для бензиновых ДВС самым распространенным является способ внешнего смесеобразования. Бензин перед смешиванием с воздухом распыляется либо пульверизацией, либо впрыском под давлением. Процесс пульверизации реализуется в карбюраторах, а процесс впрыска с помощью специальных устройств впрыска, которые называются форсунками.

Для внешнего смесеобразования требуется легко испаряемое топливо, к которому относятся сжиженные горючие газы и бензин. Бензин — это продукт перегонки нефти. Состоит бензин на 85% из углерода и на 15% из водорода и относится к легким углеводородным топливам. В смеси с воздухом пары бензина образуют не только горючие, но и взрывные смеси, что в основном определяется весовым соотношением бензина и воздуха, а также их парциальным давлением и температурой в смеси.

Соотношение 1/14,7 для бензина и воздуха является стехиометрическим, так как оно соответствует законам строгого количестаенного соотношения масс веществ, участвующих в химической реакции горения.

Следует иметь в виду, что топливовоздушная смесь, приготовленная внешним способом смесеобразования, еще не является топливовоздушным зарядом для поршневого двигателя. От мнксерной зоны (места образования смеси) и до камеры сгорания в цилиндре топливовоздушная смесь многократно изменяет свое агрегатное состояние под действием чередующихся изменений давления и температуры.

Как следствие, часть паров бензина переходит обратно в жидкое состояние охлаждаясь или снова образуется пар при соприкосновении бензиновых пленок с горячими стенками впускной системы и цилиндра. В результате в камеру сгорания поступает не стехиометрическая смесь, даже если она идеально приготовлена в миксерной зоне, а смесь, отличающаяся от оптимального состава в сторону уменьшения или в сторону увеличения количества бензина.

Из сказанного ясно, что по весовому составу топливо-воздушная смесь, приготовленная вне цилиндра, может заметно отличаться от смеси, сжатой к моменту воспламенения в камере сгорания. Это обстоятельство является главным недостатком способа внешнего смесеобразования, который приводит к дополнительным потерям бензина, к потере устойчивости работы двигателя при изменении его режимов, а также к дополнительным конструктивным сложностям системы приготовления и впуска топливо-воздушной смеси.

Для того чтобы поддерживать состав топливовоздушного заряда близким к стехиометрическому, процессом приготовления топливовоздушной смеси приходится постоянно управлять путем увеличения или уменьшения количества подаваемого в систему смесеобразования бензина. Наиболее качественно это реализуется в современных системах впрыска бензина с электронным управлением электромагнитными форсунками.

В реальных автомобильных двигателях стехиометрическое соотношение в горючей смеси «бензин-воздух» часто нарушается. Это зависит от реальных режимов и условий работы ДВС. Если бензина в горючей смеси становится больше, то говорят, что смесь обогащена, или богатая. Если меньше — то смесь обедненная, или бедная. Однако в теорию двигателя введен не коэффициент избытка или недостатка бензина, а коэффициент избытка воздуха а (альфа).

Коэффициент а определяется как отношение действительно выгоревшего количества воздуха МдкМ0 — теоретически необходимому при полном сгорании данной порции бензина, т. е. а = Мд/М0. При стехиометрическом соотношении, когда бензин и воздух находятся в смеси в пропорции примерно один к пятнадцати, коэффициент избытка воздуха а (альфа) принимают равным единице, и смесь считают нормальной (Мд= М0). Обогащение или обеднение горючей смеси для бензиновых двигателей допустимо лишь в определенных пределах. Если состав горючей смеси по коэффициенту а выходит за диапазон 0,7 < а < 1,35, то рабочая смесь в классическом ДВС вообще не воспламеняется. Таким образом, указанный диапазон изменения а является граничным рабочим интервалом для обогащения или обеднения горючей смеси.

В указанном интервале для а сгорание рабочей горючей смеси происходит по-разному. Сгорание бедной смеси (а > 1) может привести к неустойчивости процесса сгорания (особенно при а > 1,25). А это в свою очередь приводит к перебоям в работе ДВС за счет пропусков воспламенения на переходных режимах. Наибольшей скорости сгорания рабочей смеси соответствует а = 0,8-0,9.

Но когда выжигается чрезмерно богатая смесь (а < 0,8), появляется вероятность неполного сгорания бензина. Несгоревший бензин частично выбрасывается с отработавшими газами в атмосферу, а частично (в виде тонких пленок) сползает по стенкам цилиндров в масляный картер, что приводит к ускоренному износу деталей двигателя. Кроме того при недостатке кислорода интенсивно образуется угарный газ СО.

Однако при незначительном обогащении или обеднении горючей смеси имеют место положительные эффекты.

Так, обедненная смесь на средних и умеренно увеличенных нагрузках дает заметную экономию топлива. Обогащение смеси на высоких оборотах форсирует двигатель, и он начинает отдавать максимальную мощность.

При рассмотрении работы поршневого ДВС было указано, что после сгорания топливовоздушного заряда в камере сгорания в цилиндре образуется рабочее тело в виде сильно разогретых отработавших газов, которые являются продуктами химической реакции горения.

Исходными компонентами реакции горения являются: кислород 02, азот N2, разнообразные инертные примеси Р„ и водяной пар Н20 (все это составляющие компоненты окружающей атмосферы), а также углерод С и водород Н, два последних компонента — составляющие части бензина.

В результате сгорания исходных компонентов образуются следующие отходные продукты химической реакции горения: окись углерода С02, окислы азота N0X, газообразные инертные примеси Рх, частично несгоревший бензин в виде радикала углеводородных соединений СН, не вступивший в реакцию горения молекулярный кислород 02 и не полностью окисленный углерод в виде угарного газа СО, а также водяной пар Н20 и химически пассивный атмосферный азот N2.

Отходные продукты реакции горения и есть отработавшие выхлопные газы бензинового поршневого двигателя.

Следует также отметить, что в состав отработавших газов могут входить свинцовые соединения, так как они иногда добавляются в бензин с целью повышения его антидетонационных свойств.

Концентрация угарного газа в выхлопных газах современных бензиновых ДВС может достигать 6-8% по объему. Концентрацию СМ и NO„ чаще выражают в миллионных долях (ч/млн) в объеме выхлопных газов.

Главным устройством на двигателе, которое ответственно за процентный состав токсичных веществ в отработавших газах, является система приготовления и канализации рабочей горючей смеси — система топливного питания. Именно под воздействием этой системы в топливовоздушном заряде может изменяться коэффициент избытка воздуха а (альфа), а от неконтролируемого изменения этого коэффициента в значительной степени изменяется концентрация вредных веществ в отработавших газах.

Рейтинг

( 1 оценка, среднее 5 из 5 )

Как соотношение воздух-топливо влияет на полноту сгорания?

Во второй части этой серии статей, посвященной управлению горением промышленных источников тепла, мы рассматриваем соотношение воздух-топливо и баланс использования избыточного воздуха для сжигания горючих материалов при минимизации энергии от подъема дымовой трубы в промышленных источниках тепла. В части I «Стехиометрическое сгорание и его влияние на КПД котла» мы обсудили стехиометрическое сгорание, теоретическое положение об оптимальном количестве смеси кислорода и топлива для производства максимально возможного тепла при достижении максимальной эффективности сгорания.

Узнайте, как наш расходомер может улучшить управление энергопотреблением.

Соотношение воздух-топливо и избыток воздуха

Эффективность сгорания зависит от использования правильного количества воздуха для потребления топлива.

При технологическом нагреве на топливе крупнейшим источником потерь энергии является выхлопная труба, поэтому управление воздушным потоком имеет важное значение для эффективности сгорания. Когда топливо сгорает в присутствии кислорода, оно превращается в углекислый газ, воду и тепло. Рассмотрим сжигание метана (CH ₄ ).

CH ₄ + 2O ₂ → CO ₂ + 2H ₂ O + Тепло (1,013 БТЕ/фут ³ )

Воздух содержит приблизительно 21% азота и 71% кислорода. В этом случае реакция полного сгорания принимает вид: /фут ³ )

Требуемое количество воздуха зависит от типа топлива. В идеале вы хотели бы добавить достаточное количество кислорода, чтобы потреблять все топливо, чтобы выбрасывалось мало горючих веществ или вообще не выбрасывалось, при этом сводя к минимуму избыток воздуха, чтобы предотвратить потерю энергии из дымовой трубы.

Соотношение воздух-топливо определяет количество воздуха, необходимое для сжигания определенного топлива.

Соотношение воздух-топливо определяет количество воздуха, необходимого для сжигания определенного топлива. Обычными видами топлива, используемыми в процессе сжигания, являются нефть (№ 2, 4 и 6), дизельное топливо, бензин, природный газ, пропан и древесина — соотношения для обычных газов, жидкого и твердого топлива указаны в таблицах 1.1 и 1.2.

Оптимизация соотношения воздух-топливо

Существует баланс между потерями энергии из-за использования слишком большого количества воздуха и потерями энергии из-за слишком богатой работы в любом процессе сгорания. Наилучшая эффективность сгорания достигается при оптимальном соотношении воздуха и топлива, и контроль этого обеспечивает максимальную эффективность. Горелка на жидком и газовом топливе достигает этого желаемого баланса в большинстве сценариев, работая при 105–120 % оптимального теоретического воздуха. Для горелок, работающих на природном газе, требуется стехиометрический воздух 90,4–11 футов ³ / 1,0 фута ³ природного газа или соотношение воздух-газ примерно 10:1. В этом случае имеется избыточный уровень кислорода 2%.

В зоне горения трудно измерить избыток воздуха. Однако в стеке его можно легко измерить с помощью анализаторов кислорода. Работа с 5%-20% избытка воздуха будет соответствовать измерению содержания кислорода в дымовой трубе от 1% до 3%.

Идеальное соотношение воздух-топливо зависит от различных рабочих нагрузок. Тюнинг – это действие по установлению желаемого соотношения воздух-топливо при различных условиях эксплуатации. Это может быть достигнуто при оценке специфики дымовой трубы: температуры, концентрации кислорода, угарного газа и выбросов NO _x .

В третьей части этой серии из пяти частей мы рассматриваем анализ кислорода и горючих газов в дымовых газах, а также различные потоки воздуха и топлива перед сжиганием, чтобы повысить эффективность сгорания промышленных котлов, парогенераторов, печей, печей, плавильных печей, и технологические нагреватели.

Если вам интересно прочитать технический документ Sage Metering по этой теме, см. раздел Эффективность сгорания и тепловые массовые расходомеры.

Эффективность сжигания котлов объяснена

Стоихиометрическое воздействие сгорания на эффективность котла

Анализ дымового газа и воздушный поток — Эффективность сгорания

Массовый поток, давление в дифференцированном потоке. Расходомер для эффективности сгорания | Промышленные котлы

Боб Стейнберг

Боб Стейнберг — основатель, президент и главный исполнительный директор Sage Metering. Он является автором «Отраслевого руководства по использованию тепловых массовых расходомеров: добыча нефти и газа, управление отходами, сталь». Steinberg имеет более чем 40-летний опыт работы с инструментами. До создания Sage Metering в 2002 году он руководил продажами тепловых массовых расходомеров в компаниях Kurz Instruments, Sierra Instruments и Eldridge Products. В Weston Instruments Стейнберг работал инженером по маркетингу продукции. Он имеет степень бакалавра и бакалавра наук Университета Рутгерса.

Как рассчитать стехиометрическое соотношение воздух-топливо

Двигатели внутреннего сгорания сжигают топливо для создания кинетической энергии. Сгорание топлива в основном представляет собой реакцию топлива с кислородом воздуха. Количество кислорода, присутствующего в цилиндре, является ограничивающим фактором для количества топлива, которое может быть сожжено. Если топлива слишком много, не все топливо будет сожжено, а несгоревшее топливо будет выталкиваться через выпускной клапан.

При сборке двигателя очень важно знать соотношение воздух-топливо, при котором используется весь доступный кислород для полного сжигания топлива или, по крайней мере, до максимально возможного значения. Это соотношение называется 9.0099 стехиометрическое соотношение воздух-топливо .

Теоретически такое соотношение будет существовать только для стехиометрической смеси, которая является идеальной смесью и на практике эта смесь до сих пор ни для одной машины не формировалась. Поскольку каждый цикл сгорания в ДВС недолговечен, добиться идеального соотношения становится практически невозможно. Однако близкое к нему соотношение воздух-топливо может быть достигнуто за счет модификации конструкции двигателя и использования соответствующих присадок и катализаторов для контроля давления и температуры топлива.

Процесс сжигания топлива происходит в очень жарких условиях и под давлением, и во избежание любых небезопасных последствий выполняются операции с избыточным воздухом. Избыточный уровень воздуха контролирует различные факторы, такие как изменение состава топлива, доступность кислорода и давление, которые могут привести к взрыву.

Расходомеры топлива или расходомеры воздуха используются для измерения соотношения воздуха и топлива в двигателях. Широкополосные кислородные датчики используются для измерения соотношения воздух-топливо в ДВС. В основном существует два типа ленточных датчиков, в зависимости от назначения и типа двигателя. Для тяжелых и многоцелевых двигателей целесообразно использовать широкий датчик. Для общих диагностических целей больше всего подходит узкополосный датчик. Усовершенствованные анализаторы и датчики соотношения топлива помогают контролировать работу двигателя и настраивать его в соответствии с требованиями.

Расчет соотношения

Соотношение воздух-топливо — это характеристика топлива и химический состав топлива, определяющая значение этого отношения. Большинство видов топлива, которые мы используем в двигателях внутреннего сгорания, представляют собой углеводороды, и их сжигание, очевидно, приведет к выделению водорода и углерода в виде остатков, а также тепла и давления. Ниже приведен пример реакции окисления метана (природного газа) в качестве топлива.

Ch5 + 2(O2) → CO2 + 2(h30)

Если мы посмотрим на атомных весов атомов, из которых состоят октан и кислород, мы получим следующие числа:

Углерод (C) = 12,01

Кислород (O) = 16 1,008

• Итак, 1 молекула метана имеет молекулярную массу: 1 * 12,01 + 4 * 1,008 = 16,042

• Одна молекула кислорода весит: 2 * 16 = 32

  3

• 2 Масса кислорода тогда: 2 * 32 / 1 * 16,042 = 64 / 16,042

• Итак, нам нужно 3,99 кг кислорода на каждый 1 кг топлива

• Поскольку 23,2 массовых процента воздуха на самом деле составляет кислород, нам нужно: 3,99 * 100/23,2 = 17,2 кг воздуха на каждый 1 кг метана .