Лекция №4 Топлива для ЭУТТ. Химические реакции окисления. Приготовление и состав топливно-воздушных смесей используемых для ЭУТТ. Продукты сгорания
В качестве топлива для ДВС используется природный и искусственные газы или жидкие топлива. Из жидких топлив широко используется бензин, керосин и дизельное топливо (солярка).
Топливо для ДВС - представляет собой сумму предельных и непредельных углеводородных соединений.
Его структурный состав. В составе 1 кг топлива находится С кг - углерода, Н кг - водорода и О кг – кислорода
С + Н + О т = 1 кг топлива
Основные свойства топлива.
Испаряемость – определяется температурной шкалой, при которой обеспечивается 10% - испарения, 50% - испарения, 90% - испарения и температурой кипения (для бензинов).
Детонационная стойкость – представляет собой стойкость топлива в составе топливно-воздушной смеси против появления детонационного сгорания. С учетом условий физико-химического процесса сгорания детонационная стойкость оценивается октановым числом.
Октановое число топлива – представляется, как процентное содержание изооктана в смеси с н. гептаном, которая эквивалентна по своей детонационной стойкости испытываемому топливу. Изооктан используется как эталон, которому присвоено октановое число равное 100 единицам.
Воспламеняемость топлива - представляет собой легкость воспламенения топлива в составе топливно-воздушной смеси при его контакте с горячим воздухом и температурой равной температуре самовоспламенения.
Легкость воспламенения определяется интервалом времени задержки воспламенения. Воспламеняемость топлива оценивается цетановым числом. Цетановое число представляется как процентное содержание цетана, (ЦЧ=100), в смеси с α - метил нафталином (ЦЧ=0), которая по своему периоду задержки воспламенения эквивалентна испытываемому топливу, в тех же условиях.
Чем выше цетановое число, тем меньше период задержки воспламенения топлива в составе топливно-воздушной смеси.
В соответствии с конечными реакциями химического окисления элементов составляющих углеводородное топливо для ДВС
С + О2 = СО2
и
Н2 + 0,5О2 = Н2О
легко определить, что для сжигания С кг углерода в составе одного килограмма топлива требуется 
кислорода
Для сжигания Н кг водорода в составе 1кг топлива требуется 
кислорода.
При расчетах в кмолях на 
углерода требуется 
кмоль кислорода
На Hкг водорода требуется 
кмоль кислорода
Из таких соотношений следует, что наименьшее количество кислорода необходимого для обеспечения полного сгорания 1 кг топлива составляет:
где От - массовое количество кислорода в составе 1 кг топлива.
В реальных условиях в качестве окислителя используется кислород в составе воздуха. Количество кислорода в составе воздуха составляет ≈ 23% по массе и ≈ 20,8% по объему. Таким образом, теоретическое количество воздуха необходимое для сгорания 1 кг топлива определится из выражения, в кг
или в молях
Согласно элементарного состава в 1 кг бензина содержится 0,855 кг углерода (С) и 0,145 кг водорода (Н2). В составе 1 кг топлива для дизельных двигателей содержится 0,87 кг углерода (С), 0,126 кг водорода (Н2) и 0,004 кг (кислорода).
Следовательно, для полного сжигания 1 кг бензина требуется lо =14,95 кг воздуха, для сжигания 1 кг дизельного топлива lо =14,45 кг воздуха.
Качество топлива определяется теплотой сгорания топлива. Это количество выделившейся теплоты при полном сгорании единицы массы (или единицы объема) топлива.
При анализе и расчетах принимается низшая теплота сгорания Hu.
Для бензина Hu составляет 43930 
.
Для дизельного топлива Hu=42500
.
Смотреть технические характеристики топлива.
Состав свежей и рабочей смеси
В зависимости от типа смесеобразования, условий, режима работы двигателя и выполнения механических регулировок элементов системы питания, действительное количество воздуха, которое поступает на каждый кг потребляемого топлива может быть меньше, равно или больше теоретически необходимого.
Соотношение воздуха и топлива в составе приготавливаемой топливно-воздушной смеси оценивается коэффициентом избытка воздуха - α.
Коэффициент избытка воздуха определяется как отношение действительного количества воздуха приходящегося на каждый кг расходуемого топлива к количеству воздуха, которое теоретически необходимо для обеспечения полного сгорания 1 кг топлива - lо.
При действительном соотношении воздуха и топлива 14,95: 1, коэффициент избытка воздуха приравнивается единице α = 1.
При увеличенной подаче топлива, когда на каждый его кг, воздуха приходится меньше lо, l < lо коэффициент избытка воздуха становится меньше единицы (α<1) и смесь называют обогащенной или богатой по топливу.
При α > 1, когда топлива поступает меньше и количество воздуха приходящегося на каждый килограмм топлива становится больше чем lо, т. е l >lо, смесь называют обедненной или бедной по топливу.
Предельные значения изменения состава смеси определяются, для бензиновых двигателей, предельными значениями надежного воспламенения от электрической искры высокого напряжения и составляют α = 0.7…1.3.
Для дизельных двигателей, с учетом особенностей организации смесеобразования и воспламенения топливно-воздушной смеси, коэффициент избытка воздуха α изменяется в более широких пределах α = 1,25…5 и более. Более широкие пределы изменения состава смеси для дизельных двигателей позволяют использовать качественное регулирование мощности.
Свежая смесь образуется в процессе перемешивания воздуха и паров топлива на участке движения и поступления в цилиндр.
После поступления в цилиндр свежая смесь перемешивается с оставшимися в объеме цилиндра отработавшими газами и образуется рабочая смесь.
Доля присутствия в составе рабочей смеси остаточных газов оценивается коэффициентом остаточных газов - γr.
Коэффициент остаточных газов определяется отношением количества молей остаточных газов Мr в составе рабочей смеси к количеству молей свежей смеси - М1
.
Количество и состав рабочей смеси определяется из условий состава свежей смеси 
и 
.
Количество свежей смеси в кмолях:
;
Для дизельных двигателей можно принять:
.
Количество и состав рабочей смеси после завершения процесса сгорания (продуктов сгорания) будет также зависеть от коэффициента избытка воздуха. При 
общее количество и состав продуктов сгорания в расчете сгорания 1кг топлива составит:
По отдельным составляющим:
При 
По отдельным компонентам:
Анализ приведенных зависимостей показывает, что число молей продуктов сгорания, после завершения процесса сгорания, становится несколько больше, чем количество молей свежей смеси 
. Это происходит в результате увеличения объема при сгорании водорода и углерода в 
при 
и перехода кислорода топлива в составе дизельного топлива в газообразное состояние.
Изменение количества молей продуктов сгорания при окислении топлива оценивается коэффициентом молекулярного изменения.
Действительный коэффициент молекулярного изменения с учетом присутствия в рабочей смеси остаточных газов определяется, соответственно, из выражения:
