Коэффициент избытка топлива

2.2 Оксиды серы

Суммарное количество оксидов серы MSO2, выбрасываемых в атмосферу с дымовыми газами (г/с, т/год), вычисляют по формуле

где В — расход натурального топлива за рассматриваемый период, г/с (т/год);

Sr- содержание серы в топливе на рабочую массу, %;


η’SO2 — доля оксидов серы, связываемых летучей золой в котле;

η»SO2_доля оксидов серы, улавливаемых в мокром золоуловителе попутно с улавливанием твердых частиц.

Ориентировочные значения η’SO2при сжигании различных видов топлива составляют:

                                                      Топливо                                    η’SO2

торф……………………………………………………………………………….. 0,15

сланцы эстонские и ленинградские…………………………………. 0,8

сланцы других месторождений………………………………………… 0,5

экибастузский уголь……………………………………………………….. 0,02

березовские угли Канско-Ачинского бассейна

для топок с твердым шлакоудалением……………….. 0,5

для топок с жидким шлакоудалением………………… 0,2

другие угли Канско-Ачинского бассейна

для топок с твердым шлакоудалением……………….. 0,2

для топок с жидким шлакоудалением……………….. 0,05

угли других месторождений…………………………………………….. 0,1

мазут……………………………………………………………………………… 0,02

газ……………………………………………………………………………………. 0

Доля оксидов серы (η»SO2), улавливаемых в сухих золоуловителях, принимается равной нулю. В мокрых золоуловителях эта доля зависит от общей щелочности орошающей воды и от приведенной сернистости топлива Sпр.

                                                                             (36)

При характерных для эксплуатации удельных расходах воды на орошение золоуловителей 0,1 — 0,15 дм3/нм3η»SO2определяется по рисунку Приложения .

При наличии в топливе сероводорода к значению содержания серы на рабочую массу Sr в формуле () прибавляется величина

ΔSr= 0,94 · H2S,                                                                  (37)

где H2S- содержание на рабочую массу сероводорода в топливе, %.

Примечание. — При разработке нормативов предельно допустимых и временно согласованных выбросов (ПДВ, ВСВ) рекомендуется применять балансово-расчетный метод, позволяющий более точно учесть выбросы диоксида серы. Это связано с тем, что сера распределена в топливе неравномерно. При определении максимальных выбросов в граммах в секунду используются максимальные значения Sr фактически использовавшегося топлива. При определении валовых выбросов в тоннах в год используются среднегодовые значения Sr.

Определение количества воздуха, необходимого для сгорания топлива

Жидкое нефтяное топливо, используемое в дизелях, состоит из углерода С, водорода H, кислорода О, серы S, золы и других негорючих соединений. Обычно весовой состав каждого из элементов находится в пределах:

С = 0,84 — 0,88;H = 0,11 — 0,14;S = 0,0001 — 0,05;O = 0,00005 — 0,03

Примем, что 1 кг топлива состоит из С кг углерода, H кг водорода, S кг серы и О кг кислорода:

1 кг = C + H + S + O

Химические реакции полного окисления элементов запишутся в виде:

C + O2 = CO2

2H2 + O2 = 2H2 O


S + O2 = SO2

С учетом молекулярных весов эти реакции можно записать в весовых или мольных долях:

12 кг C + 32 кг O2 = 44 кг CO2

4 кг H + 32 кг O2 = 36 кг H2O

32 кг S + 32 кг O2 = 64 кг SO2

Или:

12 кг C + 1 кмоль O2 = 1 кмоль CO2

4 кг H2 + 1 кмоль O2 = 2 кмоля H2O

32 кг S + 1 кмоль O2 = 1 кмоль SO2

Для 1 кг каждого элемента формулы примут вид:

1 кг C + 1/12 кмоля O2 = 1/12 кмоля CO2

1 кг H2 + 1/4 кмоля O2 = 1/12 кмоля H2 O

1 кг S + 1/32 кмоля O2 = 1/32 кмоля SO2

Если каждого элемента будет содержаться С, H и S кг соответственно, то окончательно можно записать:

C кг C + C/12 кмоля O2 = C/12 кмоля CO2

H кг H2 + H/4 кмоля H2O = H/2 кмоля H2O

S кг S + S/32 кмоля O2 = S/32 кмоля SO2

Как видно из уравнений (1), при сгорании углерода и серы количество молей газов равно количеству молей кислорода, вступившего в реакцию. При сгорании водорода происходит увеличение в 2 раза числа молей водяного пара по сравнению с числом молей потребного на окисление кислорода. Общее количество молей кислорода воздуха, необходимое для сгорания 1 кг топлива, равно:

Lo2 = C/12 + H/4 + S/32 — O/32 кмолей O2 / кг топлива,где O/32 — количество молей кислорода, содержащееся в топливе.

Учитывая, что мольная (объемная) доля кислорода в воздухе составляет примерно 0,21, потребное количество воздуха составит:

L = (1/0.21) (C/12 + H/4 + S/32 — O/32) кмоль возд./ кг топл.,L — теоретически необходимое количество воздуха для полного сгорания 1 кг топлива.

В весовых единицах теоретически необходимое количество воздуха равно:


Lo ‘ = μb ⋅ Lo кг возд/кг топлива

где μв = 28, 97 кг/кмоль — среднемольный вес воздуха.

Приняв для дизельного топлива среднего состава весовое соотношение элементов равным:

С = 0,87;H = 0,126;О = 0,004

Gолучим:

  • L = 0,495 кмолей воздуха/кг топлива;
  • L0′ = 14,3 кг воздуха/кг топлива.

Заметим, что при нормальных условиях это количество воздуха имеет объем, равный: L ≈ 11,1 м3 воздуха/кг топлива.

В дизелях количество воздуха L, подаваемого в цилиндр для сгорания 1 кг топлива, больше теоретически необходимого. Необходимость увеличенной подачи воздуха определяется неравномерным распределением топлива в объеме камеры сгорания (в результате чего в одних точках объема — недостаток, в других — избыток кислорода воздуха), желанием улучшить полноту сгорания и уменьшить температуру в точках z и b цикла. Отношение действительного количества воздуха, находящегося в камере сгорания, к теоретически необходимому называется коэффициентом избытка воздуха при сгорании:

α = L/Lo = L’/L’o

Полное сгорание топлива в цилиндре возможно только при α > 1, В этом случае продукты сгорания представляют собой смесь “чистых” продуктов сгорания и избыточного воздуха. Обычно коэффициент избытка воздуха на сгорание находится в пределах:

  • α = 1,8 ÷ 2,1 — малооборотные дизели без наддува;
  • α = 1,6 ÷ 2,3 — малооборотные дизели с наддувом;
  • α = 1,3 ÷ 1,7 — высокооборотные дизели без наддува;
  • α = 1,5 ÷ 1,9 — высокооборотные дизели с наддувом;
  • α = 0,85 ÷ 1,2 — карбюраторные двигатели.

Более низкие α у высокооборотных дизелей объясняются большой однородностью смеси (особенно в двигателях с разделенными камерами сгорания), возможностью работы с большей форсировкой по температуре. У дизелей с наддувом α увеличивается для снижения максимальной и средней температуры цикла и уменьшения температуры цилиндропоршневой группы. У длинноходовых МОД удалось снизить избыток воздуха на сгорание до α = 1,6 ÷ 1.8.

Коэффициент избытка воздуха и выбросы вредных веществ бензиновыми двигателями

Все важные параметры двигателя зависят от коэффициента избытка воздуха. Из-за очень сложных химических и физических процессов сгорания конструктивные параметры двигателя в плане мощности, крутящего момента, расхода топлива и выбросов вредных веществ, всегда являются суммой большого числа компромиссов. Если в камере сгорания образуется небольшое количество вредных веществ, то можно повысить эффективность систем очистки отработавших газов (например, катализатора). Основной проблемой всех высокооборотных ДВС является очень маленький интервал, в котором все сложные процессы должны протекать по возможности оптимально.

На рисунке показана зависимость отдельных компонентов отработавших газов от коэффициента избытка воздуха.

Ниже приведены важнейшие условия образования вредных выбросов и зависимость мощности двигателя от коэффициента избытка воздуха. При этом рассматривается только обычный рабочий диапазон традиционных бензиновых двигателей и — для упрощения понимания — только тенденции характеристик. У двигателей с непосредственным впрыском топлива выбросы углеводородов и NOх смещаются в диапазон более бедных смесей.

Мощность

Бензиновые двигатели развивают максимальную мощность при Л=0,9, так как при этом используется почти весь всасываемый кислород. Но одновременно большая часть компонентов топлива не сгорает. При Л >1 мощность снижается, так как неизрасходованному кислороду не с чем реагировать. Расход топлива при этом падает, так как почти все топливо сгорает.

Оксид углерода (СО)

Оксид углерода всегда образуется при недостатке кислорода, которого не хватает для полного сгорания топлива и превращения его в углекислый газ. Теоретически, начиная с Л = 1, доля СО в отработавших газах должна быть равна нулю. Но поскольку сгорание происходит в закрытой системе и на охлаждаемых стенках камеры сгорания окисление прерывается, кроме того, сгорание происходит с задержкой, а в «мертвых зонах» (например, зазор в области огневой перемычки) не происходит вовсе, то в бедной смеси также образуется оксид углерода.

Углеводороды (СН)

В диапазоне Л<1 для полного сгорания топлива и превращения углеводородных соединений в углекислый газ и воду не хватает кислорода. Минимум выбросов углеводородов приходится на диапазон А от 1,1 до 1,2. При еще более бедной смеси пропуски зажигания и задержка сгорания снова приводят к увеличению выбросов углеводородов.

Окислы азота (NOх)

Повышенные выбросы оксидов азота всегда происходят при сгорании более бедной смеси. Максимальный выброс оксидов азота происходит при Л=1,1. Для образования окислов азота необходимы два условия:

  1. высокая температура сгорания, при которой активизируется содержащийся в воздухе инертный азот;
  2. свободный кислород, который уже не может вступить в реакцию с углеродом и водородом.

Должны всегда выполняться оба условия. Они достигаются при коэффициенте избытка воздуха, составляющем около 1,1.


Ориентировочные значения для компонентов ОГ

В таблице приведены общие ориентировочные значения для компонентов ОГ при безупречно работающей системе подготовки смеси. Часто уже по результатам измерения и грамотного анализа состава ОГ можно выполнить первичную диагностику и оценку ее погрешности. Поскольку отдельные компоненты ОГ образуются лишь при определенных условиях, можно ограничить объем диагностических работ. Обработка блоков измеряемых величин в режиме 1 системы OBD еще больше сужает круг неисправностей. Окислы азота при измерении ОГ на СТО не учитываются. Выбросы окислов азота должны измеряться под нагрузкой (с целью повышения температуры) на мощном испытательном стенде. Методы для вычисления количества окислов азота по другим компонентам ОГ слишком неточны и до сих пор не нашли применения.

Коэффициент избытка воздуха λ

В качестве показателя отличия фактического состава смеси от теоретически необходимого массового отношения (14,7:1) был выбран коэффициент избытка воздуха λ (лямбда). Коэффициент λ равен отношения массы по­даваемого в двигатель воздуха к массе воз­духа, необходимой для обеспечения стехио­метрического состава смеси.

λ = 1: масса подаваемого в двигатель воз­духа равна теоретически необходимой массе.

λ < 1: недостаток воздуха и, следова­тельно, богатая топливно-воздушная смесь. Максимальная выходная мощность двига­теля имеет место при λ = 0,85 — 0,95.

λ > 1: имеет место избыток воздуха, т.е. смесь становится обедненной. При работе на бедной смеси эффективная мощность двигателя падает, при этом обеспечивается снижение расхода топлива. Максимально до­пустимое значение λ — «предел возникновения пропусков зажигания при обеднении смеси» в значительной степени зависит от конструкции двигателя и используемой системы смесео­бразования. При использовании такой смеси она долго не воспламеняется, а процесс сго­рания происходит с нарушениями, сопрово­ждаемыми неравномерной работой двигателя.

На двигателях с искровым зажиганием (SI) и впрыском топлива во впускной трубопро­вод, при постоянной выходной мощности двигателя, минимальный расход топлива достигается в зависимости от двигателя при избытке воздуха 20 — 50 % (λ = 1,2 -1,5).

На рис. «Влияние коэффициента избытка воздуха на содержание токсичных веществ в отработанных газах» показаны зависимости удель­ного расхода топлива, а также содержания различных токсичных веществ в отработавших газах от коэффициента избытка воздуха (при постоянной выходной мощности двигателя). Из этих графиков видно, что нельзя выбрать идеальное значение коэффициента λ, при ко­тором все рассматриваемые показатели были бы в максимальной степени приемлемы. Для двигателей с впрыском топлива во впускной трубопровод для обеспечения «оптималь­ного» расхода топлива при «оптимальной» эффективной мощности приемлемым явля­ется значение λ в диапазоне 0,9-1,1.

В двигателях с прямым впрыском топлива и послойным распределением заряда смеси имеют место иные условия сгорания топлива, поэтому предел обеднения смеси наступает при значительно более высоких значениях λ. В диапазоне частичных нагрузок эти двигатели могут работать при значительно более высо­ком коэффициенте избытка воздуха (до λ = 4).

Для нормальной работы трехкомпонентного каталитического нейтрализатора необходимо точное соблюдение λ = 1 при нормальной рабочей температуре двигателя. Выполнение этого условия возможно при обеспечении точ­ной дозировки массы поступающего воздуха, включая и возможные добавки.

Для получения оптимального процесса сгорания в двигателях с системой впрыска то­плива во впускной трубопровод необходимо обеспечивать не только впрыск точного коли­чества топлива, но и однородность топливо­воздушной смеси, что достигается эффектив­ным распылением топлива. Если эти условия не соблюдаются, во впускном трубопроводе или на стенках камеры сгорания образуются большие капли топлива, которые полностью не сгорают, что приводит к повышенным вы­бросам несгоревших углеводородов.

Коэффициент избытка воздуха

При сгорании топлива в цилиндрах двигателя происходят очень сложные химические и физические процессы. Процесс сгорания, как правило, протекает в несколько этапов (взрыв, расширение фронта пламени, диффузионное сгорание) и на него влияет множество специфичных факторов и цепных реакций. В упрощенном виде процесс сгорания можно представить как окисление. Для сгорания 1 кг топлива необходима определенная масса кислорода. Зная состав топлива и содержание кислорода в воздухе (20,6% = 0,23 кг кислорода на 1 кг воздуха), можно рассчитать, так называемый, минимальный расход воздуха, необходимый для полного сгорания топлива.

Для точного расчета необходим химический элементарный анализ топлива по пропорциям масс углерода, водорода, серы и кислорода. В среднем для полного сгорания 1 кг топлива требуется 14,7 кг воздуха (Л =1).

Однако сгорание топлива в двигателе происходит не с теоретически минимальным расходом воздуха, а с фактическим расходом воздуха, поступившего в двигатель. Отношение количества воздуха, поступившего в двигатель, к количеству воздуха, которое теоретически необходимо для полного сгорания топлива, называют коэффициентом избытка воздуха и обозначают Л.

Коэффициент избытка воздуха — центральная величина во всей моторной технике, системах управлении двигателем и OBD. Она определяется следующими значениями:

  • Л = 1 — теоретическая, идеальная, стехиометрическая горючая смесь;
  • Л > 1 — избыток воздуха или недостаток топлива (бедная смесь);
  • Л <1 — недостаток воздуха или избыток топлива (богатая смесь).

Для воспламенения в цилиндрах двигателя внутреннего сгорания смесь должна иметь определенные пропорции топлива и воздуха. Воспламенение и сгорание возможно лишь в определенных пределах воспламеняемости. Реальные пределы воспламеняемости у бензиновых и дизельных двигателей сильно различаются.

Возможные пределы воспламеняемости у обычных бензиновых двигателей находятся в диапазоне Л от 0,65 до 1,5.

При некоторых технологиях непосредственного впрыска, таких как GDI и FSI, может быть достигнуто значение 3,0.

Возможные пределы воспламеняемости у дизельных двигателей находятся в диапазоне Л от 1,1 до 7,0.

У современных дизельных двигателей с непосредственным впрыском топлива этот показатель может достигать 10,0 при работе на холостом ходу.

Коэффициент избытка воздуха в различных топливосжигающих устройствах и двигателях

Зависимости мощности и удельного расхода топлива для ДВС с искровым зажиганием от коэффициента избытка воздуха

Двигатели внутреннего сгорания

Коэффициент избытка воздуха α{\displaystyle \alpha } всегда для стехиометрической смеси равен единице. Но практически в двигателях внутреннего сгорания (ДВС) этот коэффициент отличается от 1. Так например, оптимальный с точки зрения экономичности α{\displaystyle \alpha } для двигателей с искровым зажиганием 1,03—1,05, это превышение обусловлено тем, что из-за несовершенства смешения топлива с воздухом в карбюраторе или цилиндре двигателя с впрыском топлива для полного сгорания топлива необходимо небольшое увеличение α{\displaystyle \alpha }. С другой стороны, наибольшая мощность двигателя при прочих равных достигается при работе на более богатых смесях (α=,83…0,88{\displaystyle \alpha =0,83…0,88} На рисунке показаны зависимости мощности и экономичности двигателя с искровым зажиганием от α{\displaystyle \alpha } и соотношения воздух/топливо для бензина при некоторых значениях α{\displaystyle \alpha }. Так, для бензина стехиометрическое соотношение воздух/топливо по массе составляет 14,7, для смеси пропан-бутан это соотношение равно 15,6.

В современных двигателях поддержание α{\displaystyle \alpha } близкого к оптимальному осуществляется с помощью автоматической системы управления соотношением топливо/воздух. Основным датчиком в таких системах служит датчик концентрации свободного кислорода в выхлопных газах двигателя — так называемый лямбда-зонд.

В дизельных двигателях для исключения сильного сажеобразования α{\displaystyle \alpha } поддерживают на уровне 1,1…1,3.

Газовые турбины

В камере сгорания газовой турбины, например двигателя самолёта α{\displaystyle \alpha } поддерживается близким к 1. Но перед лопатками турбины для снижения температуры газа из соображений жаропрочности лопаток газ из камеры сгорания разбавляется воздухом, отбираемым от компрессора турбины, что снижает его температуру от приблизительно 1600 °C до 1300…1400 °C, поэтому α{\displaystyle \alpha } в выхлопных газах турбины α{\displaystyle \alpha } значительно больше 1 и достигает 5.

Промышленные, отопительные и бытовые котлы

α{\displaystyle \alpha } в таких котлах существенно зависит от вида топлива. В газовых котлах небольшой мощности или производительности α{\displaystyle \alpha } составляет 1,2…1,4, в крупных энергетических котлах сжигающих природный газ — 1,03…1,1. В котлах, работающих на жидком и твёрдом топливе для полноты сгорания α{\displaystyle \alpha } поддерживается в пределах от 1,5 до 2…3.


С этим читают