Соотношение дизельного топлива и воздуха в двс: ДИЗЕЛЬ • Большая российская энциклопедия

ДИЗЕЛЬ • Большая российская энциклопедия

Авторы: М. Г. Шатров

ДИ́ЗЕЛЬ (ди­зель­ный дви­га­тель), порш­не­вой дви­га­тель внут­рен­не­го сго­ра­ния (ДВС) с впры­ски­ва­ни­ем то­п­ли­ва в ци­линдр, внутр. сме­се­об­ра­зо­ва­ни­ем (то­п­ли­во, воз­дух) и вос­пла­ме­не­ни­ем от сжа­тия. Д. на­зван по име­ни Р. Ди­зе­ля, по­стро­ив­ше­го пер­вый ди­зель­ный дви­га­тель (1897). Д. ра­бо­та­ет на жид­ком ди­зель­ном то­п­ли­ве, ко­то­рое зна­чи­тель­но де­шев­ле бен­зи­на. Су­ще­ст­ву­ют так­же га­зо­вые дви­га­те­ли, ра­бо­таю­щие по цик­лу Д., – га­зо­ди­зе­ли.

Ши­ро­кое при­ме­не­ние в осн. по­лу­чи­ли че­ты­рёх­такт­ные Д., где ра­бо­чие про­цес­сы со­вер­ша­ют­ся за 4 хо­да порш­ня (так­та). В 1-м так­те (пор­шень идёт вниз) в ци­линдр вса­сы­ва­ет­ся воз­дух, во 2-м (такт сжа­тия, пор­шень идёт вверх) воз­дух сжи­ма­ет­ся до дав­ле­ния 3,6–6 МПа, на­гре­ва­ясь при этом до темп-ры 700–900 К, в кон­це 2-го так­та начинаетcя впрыск жид­ко­го то­п­ли­ва в ци­линдр под дав­ле­ни­ем 10–22 МПа, ко­то­рое соз­да­ёт­ся то­п­лив­ны­ми на­со­са­ми вы­со­ко­го дав­ле­ния (тур­бо­над­дув). В 3-м так­те (ра­бо­чий ход, пор­шень идёт вниз) то­п­ли­во са­мо­вос­пла­ме­ня­ет­ся (макс. темп-ра дос­ти­га­ет 1800–2300 К) и го­рит при по­сто­ян­ном дав­ле­нии по ме­ре по­да­чи его в ци­линдр, на ос­таль­ной час­ти хо­да порш­ня про­ис­хо­дит рас­ши­ре­ние про­дук­тов сго­ра­ния. В 4-м так­те (пор­шень идёт вверх) осу­ще­ст­в­ля­ет­ся вы­пуск от­ра­бо­тав­ших про­дук­тов сго­ра­ния. Для на­дёж­но­го са­мо­вос­пла­ме­не­ния то­п­ли­ва сте­пень сжа­тия Д. вы­ше, чем у бен­зи­но­вых ДВС с ис­кро­вым за­жи­га­ни­ем, и со­став­ля­ет 16–23. Для ра­зо­гре­ва воз­ду­ха в ка­ме­ре сго­ра­ния в мо­мент за­пус­ка Д. ис­поль­зу­ют­ся све­чи на­ка­ли­ва­ния. В двух­такт­ном цик­ле ра­бо­чие хо­ды про­ис­хо­дят в два раза ча­ще.

Д. раз­ли­ча­ют по кон­ст­рук­ции ка­мер сго­ра­ния (КС). В Д. с не­раз­де­лён­ной ка­ме­рой (КС вы­пол­не­на в порш­не) то­п­ли­во впры­ски­ва­ет­ся в объ­ём КС на её стен­ки, а его па­ры́ за­хва­ты­ва­ют­ся вих­рем воз­ду­ха и хо­ро­шо пе­ре­ме­ши­ва­ют­ся. В КС ди­зе­ля го­ре­ние про­ис­хо­дит в отд. зо­нах, где то­п­ли­во и воз­дух пе­ре­ме­ша­ны в со­от­но­ше­нии от 1 : 14 до 1 : 24. Бла­го­да­ря та­ко­му сме­се­об­ра­зо­ва­нию ис­поль­зу­ют­ся бо­лее бед­ные сме­си, чем у бен­зи­но­вых ДВС, что обес­пе­чи­ва­ет бо­лее вы­со­кую эко­но­мич­ность Д. В раз­де­лён­ных КС сго­ра­ние на­чи­на­ет­ся в вих­ре­вой ка­ме­ре или в пред­ка­ме­ре, ко­то­рые рас­по­ла­га­ют­ся в го­лов­ке ци­лин­д­ра, а за­тем из-за рос­та дав­ле­ния в ней за­ряд пе­ре­те­ка­ет че­рез со­еди­нит. гор­ло­ви­ну в осн. ка­ме­ру (по­лость над порш­нем), где го­ре­ние про­дол­жа­ет­ся.

Кон­ст­рук­ции Д. мно­го­об­раз­ны. На ма­нев­ро­вых те­п­ло­во­зах и су­дах при­ме­ня­ют V-об­раз­ные 12-ци­лин­д­ро­вые Д. с во­дя­ным ох­ла­ж­де­ни­ем и га­зо­тур­бин­ным над­ду­вом. В ка­че­ст­ве осн. те­п­ло­воз­ных дви­га­те­лей ис­поль­зу­ют­ся вер­ти­каль­ные ряд­ные двух­такт­ные Д. с пря­мо­точ­ной про­дув­кой. Су­до­вые Д. час­то де­ла­ют крейц­копф­но­го ти­па (см. Крейц­копф­ный дви­га­тель). Д. ино­гда вы­пол­ня­ют без ко­лен­ча­то­го ва­ла (см. Сво­бод­но­порш­не­вой ге­не­ра­тор га­за). Д. яв­ля­ют­ся наи­бо­лее эко­но­мич­ны­ми те­п­ло­вы­ми дви­га­те­ля­ми из-за при­ме­не­ния бо­лее бед­ной то­п­ли­вом ра­бо­чей сме­си и бо­лее вы­со­кой сте­пе­ни сжа­тия. Ди­зель­ный дви­га­тель име­ет кпд 0,31–0,45. Удель­ный рас­ход то­п­ли­ва луч­ших Д. со­став­ля­ет ок. 190 г/(кВт·ч), а для боль­шин­ст­ва ти­пов не пре­вы­ша­ет 270 г/(кВт·ч) на но­ми­наль­ной мощ­но­сти. Д. при­ме­няют в ав­то­мо­би­лях, до­рож­но-стро­ит. и с.-х. ма­ши­нах, те­п­ло­во­зах и су­дах, в са­мо­ход­ной во­ен. тех­ни­ке (тан­ки, ра­кет­ные ус­та­нов­ки), на ди­зель­ных элек­тро­стан­ци­ях. Со­вер­шен­ст­во­ва­ние Д. осу­ще­ст­в­ля­ет­ся пу­тём по­вы­ше­ния мощ­но­сти за счёт при­ме­не­ния тур­бо­над­ду­ва и ис­поль­зо­ва­ния аль­тер­на­тив­ных то­п­лив.

Система контроля соотношения «воздух/топливо» для газодизельных двигателей.

Исторически сложилось, что газодизельные решения должны быть максимально простыми и дешевыми. Такой подход диктовался прежде всего экономическими соображениями так, как конверсии подвергались восновном бывшие в употребление машины с маленьким остаточным сроком службы. И он безусловно оправдан. Не стоит забывать и о надежности, по настоящему надежны только простые решения.

Каждое новшество и усложнение систем с большим трудом пробивало себе дорогу в жизнь. Первое поколение газодиельных систем не имело даже средств контроля подачи дизельного топлива ( эмуляция педали или упраление давлением для топливной аппаратуры common rail ). Однако, производителям и клиентам достаточно быстро стало понятно, что без уменьшения количества подаваемого топлива практически не возможно добится замещения выше 40%. И системы эмуляции нажатия на педаль газа стали использоваться в газодизельных комплектах повсеместно.

 Очередным претендентом на новый стандарт «де факто» для газодизельных систем является воздушная заслонка.  

Для понимания причины важность регулирования количества подаваемого воздуха придется немного углубится в теорию.

Понятие о регулировании ДВС ( качественное и количественное регулирование ). [1]

Первый способ регулирования ДВС — изменение массы свежего заряда, поступающего в цилиндр двигателя. В этом случае для понижения мощности двигателя уменьшают массу свежего заряда без изменения состава горючей смеси. Такой способ регулирования называется количественным регулированием и практически осуществляется путем установки дополнительного сопротивления в виде дроссельной заслонки во впускном трубопроводе. В результате дросселирования свежего заряда давление его уменьшается. Чем больше прикрыто проходное сечение, тем выше сопротивление впуска и меньше наполнение цилиндра, а следовательно, развиваемая двигателем мощность.
Существенным недостатком количественного регулирования является увеличение насосных потерь вследствие дросселирования и значительное снижение давления в конце сжатия при работе на малых нагрузках. К преимуществу этогоспособа регулирования следует отнести то, что при этом можно выбрать рациональный коэффициент избытка воздуха, обеспечивающий хорошее сгорание топлива на всех режимах работы двигателя.

При втором способе регулирования — остается постоянным количество воздуха,поступающего в цилиндр, но меняется расходвпрыскиваемого через форсунку топлива, что приводит к изменению качества горючей смеси, а следовательно, теплоты сгорания горючей смесии развиваемой двигателем мощности. Этот способ регулирования называется качественным регулированием. Ввиду того, что расход воздуха, поступающего в цилиндр, с изменением нагрузки остается постоянным, при качественном регулировании давление ра в цилиндре в конце впуска, давление рс в конце сжатия и температура Тс в конце сжатия при одной и той же частоте вращения не меняются.
Значительное изменение состава горючей смеси при качественном регулировании обусловливает невозможность его применения в двигателях с внешним смесеобразованием: при увеличении коэффициента избытка воздуха обедняется горючая смесь, что приводит к понижению скорости сгорания, мощности и ухудшениюэкономичности двигателя. При слишком обедненной смеси появляются пропуски зажигания, работа двигателя становится неустойчивой и возможна его остановка.Специфические особенности образования рабочей смеси и процесса сгоранияв дизелях определяют возможность быстрого воспламенения и полного сгорания топлива при больших коэффициентах избытка воздуха.
Третьим способом является способ регулирования, применяемый в газовых двигателях — так называемое смешанное регулирование. При смешанном регулировании увеличения или уменьшения мощности в области больших нагрузок достигают путем изменения состава смеси в пределах допустимых значений а, в области малых нагрузок — путем изменения расхода смеси.

Понятие о стехеометрическом соотношении. Процессы сгорания дизельного топлива

Стехиометрическая горючая смесь — смесь окислителя и горючего, в которой окислителя ровно столько, сколько необходимо для полного окисления горючего.[3]

Стехиометрическая смесь обеспечивает полное сгорание топлива без остатка избыточного окислителя в продуктах горения. Исходя из содержнания C и h3 в ДТ можно вычислить, что для сгорания 1 кг дизельного топлива требуется 14,5 кг воздуха, а для сгорания 1 кг чистого метана 17,2 кг воздуха.

Практически же для полного сгорания в цилиндры дизеля подается воздуха СУЩЕСТВЕННО больше, чем теоретически необходимо. Это вызывается тем, что дизельное топливо даже при самых современных технологиях распыления, остается каплей, но не молекулой ( см. иллюстрацию ниже [2]).

Горение этой капли осуществляется только в очень маленьклм «шарике» воздуха вокруг этой капли. Дизелю всегда нехватает воздуха, по этому на дизелях и нет воздушных залонок ( на самом деле иногда бывают, для исключения белого дымления при запуске или для обеспечения каких-то экзотических режимов, связанных с экологическими требованиями.) Собственно из этой вечной нехватки и вытекает качественное регулирование дизельных двигателей.

Для количественного измерения качества горючей смеси используется соотношение воздух-топливо (air fuel ratio, AFR). AFR = масска в кг воздуха/масса в кг толива.

На режимах малой нагрузке AFR высокооборотных транспортных дизелей может доходить до значений 100 и выше. По мере увеличения нагрузки на двигатель AFR стремится приблизится к стехимометрическому, но все равно превышает его. Занчения AFR соответсвующие подлинной стехиометрии можно увидеть на дизелельном двигатели только в короткие моменты, когда подача топлива резко возрасла, а турбонагнетатель не успел еще раскрутится и подать достаточное количество воздуха.

Процессы сгорания композитного топлива в газодизельном двигателе.

При реализации класического газодизельного цикла без возможности регулирования количества подаваемого воздуха в режимах малых нагрузок сгорание газзообразного топлива проходит в условиях сверхобедненной смеси. По причинам снижения температуры сгорания и скорости сгорания такой смеси наблюдается существенное недогорание газового топлива с последующем выбрасывания его излишков через выхлопной коллектор.

Потери тепла вследствии недогорания топлива в двигателе ГД100 [4]

Кроме яления недогорания, при определенных режимах работы ДВС может возникать явление срыва процесса сгорания сильно обедненной газо-воздушной смеси, что выражается в неприятных звуках и скачкообразному изменению тяги.

Реализация системы управления количеством подаваемого воздуха для газодизельных двигателей.

На практике возможно 2 варианта.

Вариант 1. Воздушная заслонка может быть установлена непосредствено перед входным коллектором, реализуя классическую схему количественного регулирования. Преиимуществом данного подхода является возможность работать на смесях благоприятного состава во всем диапазоне рабочих характеристик газодизельного двигателя. Миниусы такого подхода заключаются в резком снижении топливной эффективности двигателя на малых нагрузках.

Вариант 2. Воздушная заслонка установлена в обход турбины для организации сброса избыточного давления с выхода на вход турбонагнетателя. Реализуется специфический вариант смешанного регулирования с элементами количественного и качественного регулирования в зависимости от режима работы газодизельного двигателя.

Сравнительные результаты применения Врианта 1 и Варианта 2 для дизельного двигателя CUMMINS ISF 2.8 на режиме хлостого хода:

Режимы	Потребление ДТ	Потребление газа
Дизель	1.5	0
Вариант 1	0.5	3
Вариант 2	1	1
Вариант 1 ( без подачи газа)	1. 7	0
Вариант 2 ( без подачи газа)	1.5	0

Выводы и практические рекомендации.

Система контроля подаваемого топлива для газодизельных двигателей позволяет снизить количество потребляемого газа необходимого для замещения 1 л ДТ примерно на 20% с 1.2 нм3 на 1 ДТ, до 1 нм3 на 1 л ДТ, что позволяет при сохранении замещения увеличить пробег ТС на одной заправке. Улучшение словий сгорания природит к росту замещещения дизельного топлива газовым на 10-15% по сравнению с обычными газодизельными системами.

Для практического применения в газодизельных двигателях предпочтительным представляется Вариант2, по следующим соображениям:

• Несмотря на невозможность обагащения смеси на режимах с малым давлением наддува, общая топливная эффективность газодизельного двигателя не ухудшается.
• Подача газа перед турбиной создает идеальную гомогенную смесь, что улучшает условия сгорания.
• Конструктивная простота исполнения.
• Большая взрывопожаро безопасность.

Июнь 2020 года. Абакумов А.М.

Список использованной литературы

[1] А. С. Орлин, Устройство и работа поршневых и комбинированных двигателей. 1990. сс. 38–40.
[2] L. Bravo, C. Ivey, D. Kim, и S. Bose, «High-fidelity simulation of atomization in diesel engine sprays», 2014, сс. 89–98.
[3] https://ru.wikipedia.org/wiki/Стехиометрическая_горючая_смесь
[4] К. И. Генкин, Газовые двигатели. Машиностроение, 1977. c. 142

Соотношение воздух-топливо – x-engineer.org

Содержание

• Определение соотношения воздух-топливо
• Формула соотношения воздух-топливо
• Соотношение воздух-топливо для различных видов топлива
• Как рассчитывается стехиометрическое соотношение воздух-топливо отношение
• Соотношение воздух-топливо и мощность двигателя
• Калькулятор соотношения воздух-топливо
• Влияние соотношения воздух-топливо на выбросы двигателя
• Лямбда-регулирование сгорания с обратной связью

Определение соотношения воздух-топливо

Тепловые двигатели используют топливо и кислород (из воздуха) для производства энергии посредством сгорания. Для обеспечения процесса сгорания в камеру сгорания необходимо подавать определенное количество топлива и воздуха. полное сгорание происходит, когда все топливо сгорает, в выхлопных газах не будет несгоревшего топлива.

Соотношение воздух-топливо определяется как соотношение воздуха и топлива в смеси, приготовленной для сжигания. Например, если у нас есть смесь метана и воздуха с соотношением воздух-топливо 17,5, это означает, что в смеси у нас 17,5 кг воздуха и 1 кг метана.

Идеальное (теоретическое) соотношение воздух-топливо для полного сгорания называется стехиометрическим соотношением воздух-топливо . Для бензинового (бензинового) двигателя стехиометрическое соотношение воздух-топливо составляет около 14,7: 1. Это значит, что для полного сгорания 1 кг топлива нам потребуется 14,7 кг воздуха. Возгорание возможно, даже если АТР отличается от стехиометрического. Для процесса сгорания в бензиновом двигателе минимальное значение AFR составляет около 6:1, а максимальное может достигать 20:1.

Когда соотношение топливовоздушной смеси выше стехиометрического соотношения, смесь топливовоздушной смеси называется обедненной . Когда соотношение воздух-топливо ниже стехиометрического соотношения, воздушно-топливная смесь называется богатой . Например, для бензинового двигателя AFR 16,5:1 соответствует обедненной смеси, а 13,7:1 – богатой смеси.

Назад

Формула соотношения воздух-топливо

В контексте двигателей внутреннего сгорания соотношение воздух-топливо (AF или AFR) определяется как соотношение между массой воздуха m _a и масса топлива m _f , используемая двигателем при работе:

\[\bbox[#FFFF9D]{AFR = \frac{m_a}{m_f}} \tag{1} \]

Обратное отношение называется соотношением топлива и воздуха (FA или FAR) и рассчитывается как:

\[FAR = \frac{m_f}{m_a} = \frac{1}{AFR} \tag{1 }\]

Назад

Соотношение воздух-топливо для различных видов топлива

В таблице ниже мы можем увидеть стехиометрическое соотношение воздух-топливо для нескольких ископаемых видов топлива.

1

1

. этанола, нам нужно 9кг воздуха, а для сжигания 1 кг дизельного топлива необходимо 14,5 кг воздуха.

Искровое зажигание (SI) Двигатели обычно работают на бензине (бензине) топлива. AFR двигателей SI колеблется в диапазоне от 12:1 (богатая смесь) до 20:1 (бедная смесь) в зависимости от режима работы двигателя (температура, частота вращения, нагрузка и т. д.). Современные двигатели внутреннего сгорания работают, насколько это возможно, в пределах стехиометрического AFR (в основном из-за доочистки газа). В таблице ниже вы можете увидеть пример AFR двигателя SI, функции частоты вращения двигателя и крутящего момента.

Изображение: Пример зависимости соотношения воздух-топливо (AFR) от частоты вращения и крутящего момента двигателя

Воспламенение от сжатия (CI) Двигатели обычно работают на дизельном топливе. Из-за характера процесса сгорания двигатели с системой внутреннего сгорания всегда работают на бедных смесях с AFR от 18: 1 до 70: 1. Основное отличие от двигателей SI заключается в том, что двигатели CI работают на стратифицированных (неоднородных) воздушно-топливных смесях, а SI работают на гомогенных смесях (в случае двигателей с портовым впрыском).

Приведенная выше таблица вводится в сценарий Scilab, после чего создается контурный график.

 EngSpd_rpm_X = [500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 6500];
EngTq_Nm_Y = [10;20;30;40;50;60;70;80;90;100;110;120;130;140];
EngAFR_rat_Z = [14 14,7 16,4 17,5 19,8 19,8 18,8 18,1 18,1 18,1 18,1 18,1 18,1;
                14 14,7 14,7 16,4 16,4 16,4 16,5 16,8 16,8 16,8 16,8 16,8 16,8;
                14 14,7 14,7 14,7 14,7 14,7 14,7 15,7 15,7 15,3 14,9 14,914,9;
                14,2 14,7 14,7 14,7 14,7 14,7 14,7 14,7 14,7 13,9 13,3 13,3 13,3;
                14,7 14,7 14,7 14,7 14,7 14,7 14,7 14,7 14,7 14,5 12,9 12,9 12,9;
                14,7 14,7 14,7 14,7 14,7 14,7 14,7 14,7 14,3 13,3 12,6 12,1 11,8;
                14,7 14,7 14,7 14,7 14,7 14,7 14,7 14,7 13,6 12,9 12,2 11,8 11,3;
                14,1 14,2 14,7 14,7 14,7 14,7 14,7 14,7 13,3 12,5 11,9 11,4 10,9;
                13,4 13,4 13,8 14,3 14,3 14,7 14,7 13,6 13,1 12,2 11,5 11,1 10,7;
                13,4 13,4 13,4 13,4 13,4 13,6 13,6 12,1 12,1 11,6 11,2 10,8 10,5;
                13,4 13,4 13,4 13,4 13,1 13,1 13,1 11,8 11,8 11,2 10,7 10,5 10,3;
                13,4 13,4 13,4 13,4 12,912,9 12,5 11,6 11,3 10,5 10,4 10,3 10,2;
                13,4 13,4 13,4 13,4 12,9 12,9 12,5 11,6 11,3 10,5 10,4 10,3 10,2;
                13,4 13,4 13,4 13,4 12,9 12,9 12,5 11,6 11,3 10,5 10,4 10,3 10,2];
контур(EngSpd_rpm_X,EngTq_Nm_Y,EngAFR_rat_Z',30)
сетка()
xlabel('Обороты двигателя [об/мин]')
ylabel('Момент двигателя [Нм]')
название('x-engineer. org')
 

Выполнение приведенных выше инструкций Scilab создаст следующий контурный график:

Изображение: контурный график воздуха и топлива в Scilab

Назад

Как рассчитывается стехиометрическое соотношение воздух-топливо

Чтобы понять, как рассчитывается стехиометрическое соотношение воздух-топливо, нам нужно рассмотреть процесс сгорания топлива. Горение – это в основном химическая реакция (называемая окислением ), в которой топливо смешивается с кислородом и образуется двуокись углерода (CO ₂ ), вода (H ₂ O) и энергия (тепло). Учтите, что для того, чтобы произошла реакция окисления, нужна энергия активации (искра или высокая температура). Кроме того, чистая реакция сильно экзотермична (с выделением тепла).

\[\text{Топливо}+\text{Кислород}\xrightarrow[высокая \text{ } температура \text{ (CI)}]{искра \text{ (SI)}} \text{Углекислый газ} + \ text{Вода} + \text{Энергия}\]
Пример 1. Для лучшего понимания рассмотрим реакцию окисления метана . Это довольно распространенная химическая реакция, так как метан является основным компонентом природного газа (в пропорции около 94 %).

Шаг 1 . Напишите химическую реакцию (окисление)

\[CH_4 + O_2 \rightarrow CO_2 + H_2O\]

Шаг 2 . Сбалансируйте уравнение

\[CH_4 + {\color{Red} 2} \cdot O_2 \rightarrow CO_2 +{\color{Red} 2} \cdot H_2O\]

Шаг 3 . Запишите стандартный атомный вес для каждого атома

\[ \begin{split}
\text{Водород} &= 1,008 \text{ а.е.м.}\\
\text{Углерод} &= 12,011 \text{ а.е.м.}\\
\text{Кислород} &= 15,999 \text{ а.е.м.}
\end{split} \]

Шаг 4 . Рассчитайте массу топлива, которое составляет 1 моль метана, состоящего из 1 атома углерода и 4 атомов водорода.

\[m_f =12,011 + 4 \cdot 1,008 = 16,043 \text{g}\]

Шаг 5 . Вычислите массу кислорода, состоящего из 2 молей, каждый из которых состоит из 2 атомов кислорода.

\[m_o =2 \cdot 15,999 \cdot 2= 63,996 \text{ g}\]

Шаг 6 . Рассчитайте необходимую массу воздуха, содержащего расчетную массу кислорода, принимая во внимание, что воздух содержит около 21 % кислорода.

\[m_a = \frac{100}{21} \cdot m_o=\frac{100}{21} \cdot 63,996 = 304,743 \text{g}\]

Шаг 7 . Рассчитайте соотношение воздух-топливо, используя уравнение (1)

\[AFR = \frac{m_a}{m_f} = \frac{304,743}{16,043} = 18,995 \]

Расчетное значение AFR для метана не совсем соответствует указанному в литература. Разница может заключаться в том, что в нашем примере мы сделали несколько допущений (воздух содержит только 21 % кислорода, продукты сгорания – только углекислый газ и вода).
Пример 2. Тот же метод можно применить для сжигания бензина. Учитывая, что бензин состоит из изооктана (C ₈ H ₁₈ ), рассчитайте стехиометрическое соотношение воздух-топливо для бензина .

Шаг 1 . Напишите химическую реакцию (окисление)

\[C_{8}H_{18} + O_2 \rightarrow CO_2 + H_2O\]

Этап 2 . Сбалансируйте уравнение

\[C_{8}H_{18} + {\color{Red} {12,5}} \cdot O_2 \rightarrow {\color{Red} 8} \cdot CO_2 +{\color{Red} 9} \cdot H_2O\]

Шаг 3 . Запишите стандартный атомный вес для каждого атома

\[ \begin{split}
\text{Водород} &= 1,008 \text{ а.е.м.}\\
\text{Углерод} &= 12,011 \text{ а.е.м.}\\
\text{Кислород} &= 15,999 \text{ а.е.м.}
\end{split} \]

Шаг 4 . Рассчитайте массу топлива, которое составляет 1 моль изооктана, состоящего из 8 атомов углерода и 18 атомов водорода.

\[m_f =8 \cdot 12,011 + 18 \cdot 1,008 = 114,232 \text{g}\]

Шаг 5 . Вычислите массу кислорода, который состоит из 12,5 молей, каждый моль состоит из 2 атомов кислорода.

\[m_o =12,5 \cdot 15,999 \cdot 2= 399,975 \text{g}\]

Шаг 6 . Рассчитайте необходимую массу воздуха, содержащего расчетную массу кислорода, принимая во внимание, что воздух содержит около 21 % кислорода.

\[m_a = \frac{100}{21} \cdot m_o=\frac{100}{21} \cdot 399,975 = 1904,643 \text{g}\]

Шаг 7 . Рассчитайте соотношение воздух-топливо, используя уравнение (1)

\[AFR = \frac{m_a}{m_f} = \frac{1904,643}{114,232} = 16,673 \]

Опять же, расчетное стехиометрическое соотношение воздух-топливо для бензина равно несколько отличается от приведенного в литературе. Таким образом, результат приемлемый, так как мы сделали много допущений (бензин содержит только изооктан, воздух содержит только кислород в пропорции 21 %, единственные продукты сгорания – углекислый газ и вода, горение идеальное).

Назад

Лямбда соотношение воздух-топливо

Мы увидели, что такое и как рассчитать стехиометрическое (идеальное) соотношение воздух-топливо. В реальности двигатели внутреннего сгорания работают не именно с идеальным AFR, а с близкими к нему значениями. Таким образом, мы будем иметь идеальное и фактическое соотношение AFR воздух-топливо. Соотношение между фактическим соотношением воздух-топливо (AFR _{, фактическое} ) и идеальным/стехиометрическим соотношением воздух-топливо (AFR _{, идеальное} ) называется эквивалентным соотношением воздух-топливо 9.0028 или лямбда (λ).

\[\bbox[#FFFF9D]{\lambda = \frac{AFR_{actual}}{AFR_{ideal}}} \tag{3}\]

Например, идеальное соотношение воздух-топливо для бензина ( бензиновый) двигатель 14,7:1. Если фактическое/реальное значение AFR равно 13,5, коэффициент эквивалентности лямбда будет равен:

\[\lambda = \frac{13,5}{14,7} = 0,92\]

В зависимости от значения лямбда двигатель запускается с обедненной, стехиометрической или богатой воздушно-топливной смесью.

Fuel	Chemical formula	AFR
Methanol	CH 3 OH	6.47:1
Ethanol	C 2 H 5 OH	9:1
Butanol	C 4 H 9 OH	11.2:1
Diesel	C 12 H 23	14.5:1
Gasoline	C 8 H 18	14.7:1
Propane	C 3 H 8	15.67:1
Метан	CH 4	17.19: 1
Водород	H 2	34.3: 1
34.3: 1

Коэффициент эквивалентности	Тип воздушно-топливной смеси	Описание
λ < 1,00	Богатое количество воздуха недостаточно для полного сгорания	после сгорания в выхлопных газах присутствует несгоревшее топливо
λ = 1,00	Стехиометрический (идеальный)	Масса воздуха точна для полного сгорания топлива; после сгорания нет избыточного кислорода в выхлопе и нет несгоревшего топлива
λ > 1,00	Постная	Кислорода больше, чем требуется для полного сжигания топлива; после сгорания в выхлопных газах присутствует избыток кислорода

В зависимости от вида топлива (бензин или дизель) и типа впрыска (прямой или непрямой) двигатель внутреннего сгорания может работать на бедной, стехиометрической или богатой смеси топливные смеси.

Изображение: 3-цилиндровый бензиновый двигатель Ecoboost с непосредственным впрыском топлива (лямбда-карта)
Кредит: Ford

Например, 3-цилиндровый двигатель Ford Ecoboost работает со стехиометрическим соотношением воздух-топливо на холостом ходу и средних оборотах двигателя и во всем диапазоне нагрузок, а также с обогащенной топливно-воздушной смесью на высоких оборотах и ​​нагрузке. Причина, по которой он работает с обогащенной смесью при высоких оборотах двигателя и нагрузке, заключается в охлаждении двигателя . Дополнительное топливо (которое останется несгоревшим) впрыскивается для поглощения тепла (путем испарения), тем самым снижая температуру в камере сгорания.

Изображение: Дизельный двигатель (лямбда-карта)
Авторы и права: wtz.de

Двигатель с воспламенением от сжатия (дизельный) работает все время на обедненной воздушно-топливной смеси , значение коэффициента эквивалентности (λ) зависит от рабочая точка (скорость и крутящий момент). Причиной этого является принцип работы дизеля: регулирование нагрузки не за счет массы воздуха (которого всегда в избытке), а за счет массы топлива (времени впрыска).

Помните, что стехиометрический коэффициент эквивалентности (λ = 1,00) означает соотношение воздух-топливо 14,7:1 для бензиновых двигателей и 14,5:1 для дизельных двигателей.

Назад

Соотношение воздух-топливо и мощность двигателя

Мощность двигателя и расход топлива сильно зависят от соотношения воздух-топливо. Для бензинового двигателя наименьший расход топлива достигается при обедненной смеси AFR. Основная причина заключается в том, что кислорода достаточно для полного сжигания всего топлива, что выражается в механической работе. С другой стороны, максимальная мощность достигается при обогащении топливно-воздушных смесей. Как объяснялось ранее, подача большего количества топлива в цилиндр при высокой нагрузке двигателя и скорости охлаждает камеру сгорания (за счет испарения топлива и поглощения тепла), что позволяет двигателю развивать максимальный крутящий момент двигателя и, следовательно, максимальную мощность.

Изображение: Функция мощности двигателя и расхода топлива от соотношения воздух-топливо (лямбда)

На рисунке выше видно, что мы не можем получить максимальную мощность двигателя и наименьший расход топлива при одном и том же соотношении воздух-топливо. Наименьший расход топлива (наилучшая экономия топлива) достигается при использовании бедных воздушно-топливных смесей с AFR 15,4: 1 и коэффициентом эквивалентности (λ) 1,05. Максимальная мощность двигателя достигается при обогащении топливно-воздушных смесей с AFR 12,6:1 и коэффициентом эквивалентности (λ) 0,86. При стехиометрической топливовоздушной смеси (λ = 1) существует компромисс между максимальной мощностью двигателя и минимальным расходом топлива.

Двигатели с воспламенением от сжатия (дизельные) всегда работают на бедных воздушно-топливных смесях (λ > 1,00). Большинство современных дизельных двигателей работают с λ между 1,65 и 1,10. Максимальная эффективность (наименьший расход топлива) достигается при λ = 1,65. Увеличение количества топлива выше этого значения (приблизительно к 1,10) приведет к увеличению количества сажи (несгоревших частиц топлива).

Р. Дуглас провел интересное исследование двухтактных двигателей. В своей докторской диссертации « Исследования замкнутого цикла двухтактного двигателя 93;
график (lmbd_g, eff_lmbd_g, ‘b’, ‘Ширина линии’, 2)
держать
график (lmbd_d, eff_lmbd_d, ‘r’, ‘Ширина линии’, 2)
сетка()
xlabel(‘$\лямбда\текст{[-]}$’)
ylabel(‘$\eta_{\lambda} \text{[-]}$’)
название(‘x-engineer. org’)
легенда(‘бензин’,’дизель’,4)

Выполнение приведенных выше инструкций Scilab выводит следующее графическое окно.

Изображение: Функция эффективности сгорания от коэффициента эквивалентности

Как вы видите, двигатель с воспламенением от сжатия (дизельный) при стехиометрическом соотношении воздух-топливо имеет очень низкую эффективность сгорания. Наилучшая полнота сгорания достигается при λ = 2,00 для дизельных двигателей и λ = 1,12 для двигателей с искровым зажиганием (бензиновых).

Go back

Air fuel ratio calculator

m a [g]	Fuel type MethanolEthanolButanolDieselGasolinePropaneMethaneHydrogen	λ [-]
m f [g]		η λ [%]

Наблюдение : Эффективность сгорания рассчитывается только для дизельного топлива и бензина (бензин) с использованием уравнений (4) и (5). Для других видов топлива расчет полноты сгорания недоступен (NA).

Назад

Влияние соотношения воздух-топливо на выбросы двигателя

Выбросы выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания сильно зависят от соотношения воздух-топливо (коэффициент эквивалентности). Основные выбросы отработавших газов в ДВС приведены в таблице ниже.

Эмиссия выхлопного газа	Описание
CO	Углеродный окись
HC	770
HC	777070	HC	7777070
HC	7777070
HC	7770
HC	7770
HC	770
	0089
NOx	оксиды азота
Сажа	частицы несгоревшего топлива CO и HC в основном образуются при обогащении воздушно-топливной смеси, а NOx — при обедненной смеси. Итак, не существует фиксированной воздушно-топливной смеси, для которой мы можем получить минимум для всех выбросов выхлопных газов. Изображение: функция эффективности катализатора бензинового двигателя от соотношения воздух-топливо Трехкомпонентный катализатор (TWC), используемый в бензиновых двигателях, имеет максимальную эффективность, когда двигатель работает в узком диапазоне вокруг стехиометрического соотношения воздух-топливо. TWC преобразует от 50 до 90 % углеводородов и от 90 до 99 % окиси углерода и оксидов азота при работе двигателя с λ = 1,00. Вернуться назад Лямбда-регулирование сгорания с замкнутым контуром Чтобы соответствовать нормам по выбросам отработавших газов, для двигателей внутреннего сгорания (особенно бензиновых) крайне важно иметь точный контроль соотношения воздух-топливо. Поэтому все современные двигатели внутреннего сгорания имеют замкнутый контур управления соотношением воздух-топливо (лямбда) . Изображение: Двигатель внутреннего сгорания с замкнутым контуром лямбда-регулирования (бензиновые двигатели) Датчик массового расхода воздуха Первичный катализатор Вторичный катализатор Топливная форсунка Верхний лямбда-зонд (кислород) Нижний лямбда-зонд датчик контур подачи топлива впускной коллектор выпускной коллектор Важным компонентом для работы системы является лямбда-зонд (кислород) . Этот датчик измеряет уровень молекул кислорода в выхлопных газах и отправляет информацию в электронный блок управления двигателем (ECU). Основываясь на показаниях датчика кислорода, ЭБУ бензинового двигателя регулирует уровень массы топлива, чтобы поддерживать соотношение воздух-топливо на стехиометрическом уровне (λ = 1,00). Например (бензиновые двигатели), если уровень молекул кислорода выше порога стехиометрического уровня (поэтому мы имеем обедненную смесь), то при следующем цикле впрыска количество впрыскиваемого топлива будет увеличено, чтобы использовать лишний воздух. Имейте в виду, что двигатель всегда будет переходить с обедненной смеси до богатой смеси между циклами впрыска, что даст «среднее» стехиометрическое соотношение воздушно-топливных смесей. Для дизельных двигателей, поскольку они всегда работают на бедной топливной смеси, лямбда-регулирование осуществляется другим способом. Конечная цель осталась прежней — контроль выбросов выхлопных газов. Если у вас есть какие-либо вопросы или замечания относительно этого урока, пожалуйста, используйте форму комментариев ниже. Не забудьте поставить лайк, поделиться и подписаться! Дизельный двигатель Дизельный двигатель Дизельный двигатель внутреннего сгорания отличается от бензинового цикла Отто тем, что для воспламенения топлива используется более высокая степень сжатия топлива, а не свеча зажигания («воспламенение от сжатия», а не «искровое зажигание»). Стандартный воздушный цикл дизельного двигателя В дизельном двигателе воздух адиабатически сжимается со степенью сжатия, обычно от 15 до 20. Это сжатие повышает температуру до температуры воспламенения топливной смеси, которая образуется путем впрыскивания топлива после сжатия воздуха. Идеальный воздушный стандартный цикл моделируется как обратимое адиабатическое сжатие, за которым следует процесс сгорания при постоянном давлении, затем адиабатическое расширение в виде рабочего такта и изоволюметрический выпуск. Новый заряд воздуха всасывается в конце выхлопа, как показано процессами а-е-а на диаграмме. Поскольку такты сжатия и рабочего хода этого идеализированного цикла являются адиабатическими, КПД можно рассчитать на основе процессов постоянного давления и постоянного объема. Входная и выходная энергии и КПД могут быть рассчитаны по температурам и удельной теплоемкости: Эту эффективность удобно выразить через степень сжатия r C = V 1 /V 2 и степень расширения r E = V 1 /V 4 . КПД можно записать как , и это можно преобразовать в форму . Для стандартного воздушного двигателя с γ = 1,4, степенью сжатия r C = 15 и степенью расширения r E = 5 это дает идеальный КПД дизеля 56%. Для дизельного цикла, для которого γ = со степенью сжатия r C = и коэффициент расширения r E = , идеальный КПД цикла η = % Предполагая, что давление на впуске P a находится при атмосферном давлении, 101,3 кПа = 0 фунтов на квадратный дюйм*, адиабатическое сжатие создаст давление P b = P a r C γ = кПа = psig*. Температура, создаваемая сжатием, равна T b = T a r C γ-1 что для начальной температуры T a = K = °C дает температуру T b = K = °C Дизельный цикл зависит от того, достаточно ли высока эта температура для воспламенения топлива при его впрыске. *psi манометрическое давление в фунтах на квадратный дюйм. Обычные манометры в США измеряют превышение давления в фунтах на квадратный дюйм по сравнению с атмосферным давлением. Подробнее о дизельном цикле Индекс Концепции тепловых двигателей Артикул Devins Гл. 4   Гиперфизика***** Термодинамика R Ступица Назад Стандартный воздушный цикл дизельного двигателя Поскольку такты сжатия и рабочего хода этого идеализированного цикла являются адиабатическими, КПД можно рассчитать на основе процессов постоянного давления и постоянного объема. Входная и выходная энергии и КПД могут быть рассчитаны по температурам и удельной теплоемкости: Эту эффективность удобно выразить через степень сжатия r C = V 1 /V 2 и степень расширения r E = V 1 /V 3 . Эффективность может быть выражена в единицах удельной теплоемкости и температуры. Теперь, используя закон идеального газа PV=nRT и γ = C P /C V , можно записать Теперь, используя тот факт, что V a = V d = V 1 и P c = P b из диаграммы Деление числителя и знаменателя на V 1 P c Теперь с использованием адиабатического условия PV γ = константа, КПД можно записать Расчет Index Heat engine concepts References Devins Ch 4 Wark and Richards Ch 15   HyperPhysics***** Thermodynamics R Nave Назад Стандартный воздушный цикл дизельного двигателя Термин «воспламенение от сжатия» обычно используется в технической литературе для описания современных двигателей, обычно называемых «дизельными двигателями». Leave a ReplyCancel Reply Name  * Email  * Website Add Comment Отправить комментарий