Аналитическое определение количества продуктов сгорания

Аналитическое определение количества продуктов сгорания

Предполагается, что в отработавших газах двигателей содержится свыше двухсот различных углеводородов, в то же время ряд теоретических расчетов показывает, что углеводороды в продуктах сгорания полностью отсутствуют. Результаты исследований показывают, что вблизи сравнительно холодных стенок камеры сгорания происходит гашение пламени и замедление реакции горения, что способствует образованию углеводородов в продуктах сгорания.

Известно, что в двигателях внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия количество горючей смеси Мl, определяется величиной коэффициента избытка воздуха α и теоретически необходимым количеством воздуха для сгорания топлива массой один килограмм L0 кмоль/кг:
Мl = α L0. (4.13)
Для дизельного топлива состава С + Н + S + O = 1 величина L0 определяется стехиометрическим соотношением, кмоль/кг:
L0 = 0,397С + 1.19Н + 0,149S — 0,149O, (4.14)
где С, Н, S, О — доли горючих элементов в составе топлива.

Продукты полного сгорания топлива при α = 1 состоят из углекислого газа (СО2), водяного пара (Н2О), окиси серы (SО2), избыточного кислорода (О2) и азота (N2), поступившего с воздухом. Для одного килограмма жидкого топлива с учетом полного сгорания количество продуктов сгорания составит, кмоль:

МСО2 = 0,083С; (4.15)
МH2О = 0,5Н; (4.16)
МO2 = 0,21 (α — 1) L0; (4.17)
MSO2 = 0,0312S; (4.18)
MN2 = 0,79 α L0. (4.19)

Общее количество продуктов сгорания M2 определится, кмоль

M2 = МСО2 + МH2О+ МO2+ MSO2+ MN2 = MO +(α — 1) L0, (4.20)
где MO — количество продуктов сгорания, получающихся при сгорании 1 кг топлива с теоретически необходимым количеством воздуха α = 1, кмоль/кг.

При выполнении теоретических расчетов по выражениям (4.15-4.19) предполагают содержание серы в топливе равным нулю, тогда для топлива различного элементарного состава, который учитывается характеристикой топлива:
β = 2,37(Н — 0,125·О)/С, (4.21)

количество продуктов сгорания определится, кмоль:
МСО2 = 0,083С; (4.22)
МH2О = 0,5Н; (4.23)
МO2 = 0,105С(α -1) (0,79 + β); (4.24)
МN2 = 0,105 α С(0,79 + β); (4.25)
М2 = 0,5Н-0,502С[α (0,79 + β) — 0,21 β]. (4.26)
При условии полного сгорания коэффициент избытка воздуха α не влияет на абсолютное количество СО2 и Н2О, содержащихся в продуктах сгорания. С увеличением коэффициента избытка воздуха в продуктах сгорания возрастает количество двухатомных газов (N2 и О2), а следовательно, и величина М2, т.е. меняется объемный состав продуктов сгорания, %:
Δ СО2 =100 МСО2/М2; (4.27)
Δ H2О = 100 МH2О /М2; (4.28)
Δ O2 = 100 МO2/М2; (4.29)
Δ N2 = 100 МN2/М2. (4. 30)

Качество сгорания топлива в этом случае оценивается результатам анализа выхлопных газов с помощью контрольного уравнения
(ΔСО2)С+(ΔO2)С = 0,21 — β(Δ СО2)C, (4.31)
где (Δ СО2)С , (Δ O2)С — объемные доли сухих продуктов сгорания.

При неполном сгорании углерода топлива правая часть уравнения (4.31) будет больше левой, обратное неравенство теоретически невозможно и требует повторения анализа. Применение формулы (4.31) возможно при наличии контролыю-измерительной аппаратуры, позволяющей оценить доли (Δ СО2)С и (Δ O2)С.

При полном сгорании жидкого топлива в воздухе при α ≤ 1 количество сухих продуктов сгорания определится, кмоль
(М2)с = 0,00879С[α (0,79 + β) — 0,21β]. (4.32)
Объемные доли отдельных компонентов сухих продуктов сгорания составят:
(Δ СО2)С = 0,166/[α (0,79 + β)-0,21 β]; (4.33)
(Δ O2)С = 0,21(α -1)(0,79+ β)/[α (0,79 + β)-0,21 β]; (4.34)
(Δ N2)С = 0,79α (0,79 + β)/[α ((0,79 + β) — 0,21 β (4.35)

Расчет количества продуктов полного сгорания топлива для i-й позиции контроллера машиниста тепловоза проводится по выражениям, кг/ч:
МСО2 = 0.83 С Nei bei mCO2; (4.36)
МH2О = 0,5Н Nei bei mH2О; (4.37)
МO2 = 0,21(α -1)L0 Nei bei mО2; (4.38)
MSO2 = 0,0312 S Nei bei mSО2; (4.39)
МN2 = 0,79α L0 Nei bei mN2, (4.40)
где mCO2, mH2О, mО2, mSО2, mN2 — молярные массы СО2, Н2О, О2, SО2, N2 соответственно, 44,011; 18,016; 32,000; 64,066; 28,016, кг/кмоль;
bei — удельный эффективный расход топлива на i-й позиции контроллера машиниста, кг/кВт.ч;
Nei — эффективная мощность на i-й позиции контроллера машиниста, кВт.

Причиной неполного сгорания топлива в дизелях является местный недостаток кислорода в зоне горения вследствие несовершенства смесеобразования или недостаточности времени для сгорания переобедненной смеси. В этом случае продукты сгорания состоят из углекислого газа (СО2), окиси углерода (СО), водяного пара (Н2О), водорода (Н2), азота (N2) и его окислов (NО, NO2); небольшого количества метана (СН4), следов других углеводородов (СnНm) и свободного кислорода (О2).

Анализ продуктов неполного сгорания, проведенный рядом исследователей, показал, что отношение содержания водорода к содержанию окиси углерода практически не зависит от коэффициента избытка воздуха, т.е. К = МH2/МCO= f(α) = const. Величина коэффициента К зависит от отношения Н/С в топливе и может быть представлена зависимостью:
K = -12,01(Н/С)2 + 7,22(Н/С) — 0,436. (4.41)

При расчете состава продуктов неполного сгорания пренебрегают содержанием кислорода, метана и других углеводородов и принимают продукты сгорания, состоящими из пяти компонентов — СО2, СО, Н2О, О2, N2.
Для расчета используется система уравнений:
МC O 2 + MC O = 0,083С; (4.42)
МH 2 0 + MH2 = 0,5 H; (4.43)
МCO2+0,5МCO+0,5МH20=0,21L0+0,0312O; (4.44)
МN2 = 0,79α L0; (4.45)
МH2 = КМCO. (4.46)
Решение системы уравнений (4.42)-(4.46) для определенных значений К, т.е. для определенного состава топлива, имеет вид:
МCO = 0,42L0(1 — α)/(1 + К); (4.47)
МC O 2 = 0,083С — 0,42 L0 (1 — α)/(1 + K); (4.48)
МH2= 0,42К L0 (1 — α )/(1+K); (4.49)
MH2O = 0,5H – 0,42KL0(1- α )/(1+K); (4.50)
МN2 = 0,79 α L0. (4.51)
Выражения (4.47) — (4.51) позволяют определить количество продуктов сгорания только при общем недостатке воздуха, т.е. при α < 1. Для условий локального недостатка кислорода выполнить расчет количества продуктов сгорания топлива, используя выражения (4.47) — (4.51), практически невозможно.

Существует несколько методик определения продуктов сгорания топлива дизельных двигателей, каждая из которых имеет свои положительные и отрицательные стороны.

Сравнительная оценка методов расчета продуктов сгорания топлива выполнена на примере дизеля 10Д100:

  • метод 1 — расчет продуктов сгорания по условию полного сгорания топлива при α ≥ 1;
  • метод 2 — расчет продуктов сгорания по условию полного сгорания топлива при α = 1;
  • метод 3 — расчет количества вредных выбросов с учетом временных (допустимых) норм выбросов;
  • метод 4 — расчет количества вредных выбросов с учетом удельных норм выбросов;
  • метод 5 — расчет вредных выбросов по нормативной документации пунктов экологического контроля (ПЭК) локомотивных депо.

Анализ данных показывает:

  • каждый из рассмотренных методов оценивает достаточно узкий перечень вредных выбросов (продуктов сгорания) в отработавших газах тепловозных дизелей, в основном, это окислы азота (NOx, NO2, NО), окись углерода (СО), окислы серы (SО2) и сажа (C);
  • значения допустимых норм выбросов углерода (сажи) в отработавших газах по названным методам отличаются друг от друга более чем на 120 процентов;
  • величина допустимых норм выбросов окислов серы в отработавших газах (SО2 = 3,15 кг/ч) значительно ниже теоретических значений, полученных при условии полного окисления топлива в SО2;
  • для всех экспериментальных методов в нормативных документах содержатся предельно допустимые значения вредных выбросов для определенного режима нагрузки двигателя;
  • нормирование количества вредных выбросов по доле эффективной мощности Ne при номинальной нагрузке является неточным, так как уровень настройки дизелей в локомотивных депо (даже на номинальном режиме) не является одинаковым;
  • отсутствуют контрольные параметры, характеризующие протекание рабочего процесса в цилиндрах дизеля и качество работы системы наддува (например: температура газов на выходе из цилиндра; температура газов перед турбокомпрессором; максимальное давление сгорания; максимальная температура сгорания и т.д.);
  • использование приборных методов контроля требует значительных капитальных и эксплуатационных затрат, связанных с восстановлением свойств контрольных датчиков и периодической аттестацией прибора;
  • отсутствие контрольных параметров не позволяет использовать результаты экологического контроля в качестве диагностических параметров для оценки технического состояния дизеля, не позволяет наметить пути воздействия па системы дизеля с целью уменьшения количества вредных выбросов.

Более точные значения удельных выбросов в отработавших газах тепловозных дизельных двигателей можно получить при расчете равновесного состава продуктов сгорания, когда используется четыре уравнения материального баланса, составленные на основе неизменности отношения количества атомов отдельных элементов в ходе происходящих химических реакций.