Określanie ilości składników spalin podczas spalania mieszanek bogatych

ZESZYTY NAUKOWE POLITECHNIKI ŚLĄSKIEJ 1 9 8 8

S e r i a : TRANSPORT z . 6 Nr k o l . 908

J a c e k MAĆKOWSKI

OKREŚLANIE ILOŚCI SKŁADNIKÓW SPALIN PODCZAS SPALANIA MIESZANEK BOGATYCH

S t r e s z c z e n i e : C ią g le r o z w i j a j ą c e s i ę podstaw ow e g a ł ę z i e n a u k i umo- ż l i w i a j ą c o r a z d o k ła d n i e js z e w y z n a c z e n ie w a r to ś c i p a ra m e tró w z n a jd u ­ j ą c y c h z a s to s o w a n ie w ró ż n y c h d z ie d z in a c h t e c h n i k i .

A n a liz a s p a l i n w y k a z a ła , t e s t o s u n e k l i c z b y m o li w odoru do l i c z b y m o ll t l e n k u w ęg la j e s t d la danego p a liw a w a r t o ś c i ą s t a ł ą i d la m ie­

s z a n e k b o g a ty c h n i e z a l e ż y od w s p ó łc z y n n ik a zm ian p o w ie t r z a .

W a r t y k u l e w y k o rz y sta n o pod an y p r z e z P r o f . Chowacha s t o s u n e k l i c z ­ b y m o ll t l e n k u w ęgla z a w a rte g o w s p a l i n a c h s i ln i k ó w s p a lin o w y c h do o k r e ś l e n i a i l o ś c i m o li p o s z c z e g ó ln y c h s k ła d n ik ó w s p a l i n , o trz y m a n y c h z e s p a l e n i a 1 kg b e n z y n y . O b lic z e n ia p rz e p ro w a d z o n o w f u n k c j i zm ie­

n ia j ą c e g o s i ę w s p ó łc z y n n ik a s k ł a d u m i e s z a n k i . W yniki o b l i c z e ń porów ­ nano z w ynikam i o b l i c z e ń sto so w an y m i d a w n ie j. P rze p ro w a d z o n a k o r e k t a u m o ż liw ia b a r d z i e j p r e c y z y j n e o k r e ś l e n i e n p . e n e r g i i w e w n ę trz n e j s p a ­ l i n , a t a p r z y c z y n i a s i ę do z w ię k s z e n ia d o k ła d n o ś c i o b l i c z e ń c i e p l ­ n y c h p r o c e s u s p a l a n i a .

O b lic z e n ia c i e p l n e p r o c e s u s p a l a n i a , w y k o rzy sty w an e d a w n ie j do w y zn acza­

n i a n i e k t ó r y c h p a ra m e tró w k o n s tr u k c y jn y c h s i l n i k a , o b e c n ie u s t ą p i ł y c a łk o w i­

c ie m odelow aniu s p a l a n i a . Mogą je d n a k n a d a l być w y k o rzy sty w an e do a n a l i z y n i e k t ó r y c h z a g a d n ie ń t e o r e t y c z n y c h .

Jednym z problem ów w y s tę p u ją c y c h w c z a s i e o b l i c z e ń j e s t o k r e ś l e n i e i l o ś ­ c i m o li p o s z c z e g ó ln y c h s k ła d n ik ó w s p a l i n w y s tę p u ją c y c h p o d c z a s s p a l a n i a m ie sz a n e k b o g a ty c h (oc > 1 ) .

P rz e p ro w a d z o n e r o z w a ż a n ia d o ty c z ą s p a l a n i a 1 kg b en zy n y o s k ł a d z i e e l e ­ m entarnym C = 0 ,8 8 5 i H = 0 ,1 4 5 .

W s i l n i k a c h o ZI p r z y zupełnym s p a l e n i u 1 kg b en zy n y p o w s ta je M1 k m o li m ie s z a n k i s k ł a d a j ą c e j s i ę z p a r b en zy n y i p o w ie tr z a :

g d z ie :

OC - w s p ó łc z y n n ik n a d m ia ru p o w i e t r z a , - ś r e d n i a m asa c z ą s te c z k o w a b e n z y n y ,

Lq - t e o r e t y c z n a i l o ś ć p o w ie tr z a p o tr z e b n a do s p a l e n i a 1 kg b e n z y n y

1__ (C . Hn

¡7 72T ( I Z + V (1)

W o b l i c z e n i a c h c ie p l n y c h z a k ła d a s i ę , ż e p r z y zupełnym s p a l e n i u m ie s z a n ­ k i u b o g ie j oc > 1 p ro d u k ta m i s p a l a n i a s ą t y l k o CO.,, H20 , 02 i N j.

O gólna i l o ś ć p ro d u k tó w s p a l a n i a w k m olach o d n ie s io n a do 1 kg b e n zy n y wyno­

s i :

M2 = MC02 + MH20 + M0 2 + MN2 ^

I l o ś ć p o s z c z e g ó ln y c h sk ład o w y ch p ro d u k tó w s p a l a n i a w k m o lach o k r e ś l a s i ę wg n a s t ę p u ją c y c h rów nań:

M c

n C02 ” T2 »

m - H

mh 2o " 1 '

Mq2 - 0 ,2 1 a . L0 - 0 ,2 1 L0 = 0 ,2 1 LQ (oc - 1 ) ,

g d z ie :

0 ,2 1 OCLq - masa d o p ły w a ją c e g o t l e n u w k m o lach , 0 ,2 1 Lq - m asa t l e n u u c z e s tn ic z ą c e g o w r e a k c j i ,

MN2 - 0 .7 9 oc LQ

P o d s t a w i a ją c o trz y m a n e s k ł a d n i k i do ró w n a n ia (2 ) i sum ując możemy o g ó ln ą i l o ś ć p ro d u k tó w s p a l a n i a M2 p r z e d s ta w ić w t e n s p o s ó b :

M2 = TZ + 2 + a L o - ° > 21 Lo

M2 = T2 + 1 + Lo ( a - 0 - 2 1 >

l u b p o d s ta w i a ją c w m ie js c e 0 ,2 1 LQ ró w n a n ie (1 )

M2 - OC Lq + £ .

D la s t e c h io m e tr y c z n e g o s k ła d u m ie s z a n k i oC= 1 , Mg = 0 , a zatem ró w n a n ie (2 ) w ygląda n a s t ę p u j ą c o :

<M2>a = 1 - T 2 + 2 + ° > 79 * Lo *

O k r e ś l a n i e I l o ś c i , s k ł a d n i k ó w s p a l i n . . 87

Można t e ż I l o ś ó p ro d u k tó w s p a l a n i a p r z y oc > 1 p r z e d s ta w ić w n a s t ę p u j ą c y sp o s ó b :

(M2 )0 i > i = ^ o c - i + ° » 79 (<* ' 1) L0 + ° * 21 (o c _ 1) L0

(M2 )0C>1 = (m2 )0£=1 ♦ ( o c - 1) L0 ,

g d z ie

0 ,7 9 ( o t - 1) Lq i 0 ,2 1 (oc - 1.) Lq w y r a ż a ją n a d m ie rn e i l o ś ć i a z o tu i t l e ­ nu w p r o d u k ta c h s p a l a n i a u z a le ż n io n e od w s p ó łc z y n n ik a n a d m ia ru p o w ie ­ t r z a OC .

O b lic z e n ia i l o ś c i m o li s p a l i n p r z y s p a l a n i u z nadm iarem p o w ie tr z a s ą znane od p r z e s z ł o d w u d z ie s tu l a t i d o k ła d n o ś ć i c h j e s t w y s ta r c z a j ą c a d la te g o t y ­ pu o b l i c z e ń . N a to m ia s t o b l i c z e n i a p rz e p ro w a d z o n e p r z y n ie d o m ia r z e p o w ie tr z a w y k a z a ły d o ść i s t o t n e r ó ż n i c e z danymi d o ś w ia d c z a ln y m i.

O k r e ś l e n ie i l o ś c i p o s z c z e g ó ln y c h s k ła d n ik ó w s p a l i n p r z y oc > 1 odbyw ało s i ę d o ty c h c z a s n a j c z ę ś c i e j z n a s t ę p u j ą c y c h wzorów:

Mcq = 0 ,4 2 (1 - OC) Lq ,

c

MC02 “ TZ - MC0 '

M H

”h20 2 *

MN2 “ 0 ,7 9 a Lo •

P rz y n ie z u p e łn y m s p a l a n i u c z ę ś ć w ęgla z a w a rte g o w p a l i w i e s p a l a s i ę na t l e ­ nek w ę g la , a c z ę ś ć w odoru n i e r e a g u j e z tl e n e m , a za te m w s p a l i n a c h p o w in ie n z n a le ź ć s i ę w olny w o d ó r. A n a liz a gazów p r z y OC < 1 w y k a z a ła , że s to s u n e k l i c z b y m o li w odoru do l i c z b y m o ll t l e n k u w ęg la j e s t d la danego p a liw a s t a ł y i n ie z a l e ż y od w i e l k o ś c i w s p ó łc z y n n ik a n a d m ia ru p o w ie tr z a o c .

r -i H

Z godnie z d o ś w ia d c z e n ia m i |1J d la b e n z y n o s to s u n k u ^ = 0 ,1 7 - 0 ,1 9 s t o -

«h2

su n ek k « n — wyno-si 0 ,4 5 - 0 , 5 . CO

W yniki t e u m o ż liw iły p r z e p r o w a d z e n ie n a s t ę p u ją c y c h ro z w a ż a ń .

C hem iczna r e a k c j a w ęgla z tle n e m p r z y n ie z u p e łn y m s p a l a n i u ma p o s t a ć :

2 C + 0 2 - 2 CO

1 kg (C) + £ kg ( 0 2 ) = \ kg (CO)

O z n a c z a ją c p r z e z 0 i l o ś ć w ęglu ~) w p a l i w i e z a m ie n io n e g o na CO otrzym am y:

0 C kg (C) + £ 0 C kg ( 0 2 ) = Z 0 kg ( C O )

l u b

0 C kg ( C ) + kmol ( 0 2 ) = 0 kmol (CO ).

Z o s t a t n i e g o ró w n a n ia w id a ć , że p r z y s p a l e n i u w ęg la na CO o b j ę t o ś ć p ro d u k ­ tów s p a l a n i a j e s t 2 r a z y w ię k s z a w p o ró w n a n iu z o b j ę t o ś c i ą t l e n u u c z e s t n i ­ c z ą c e g o w s p a l a n i u .

P r z y s p a l a n i u w ęg la c z ę śc io w o na C02 i CO i l o ś ć p ro d u k tó w s p a l a n i a w k m o lach w y n o si:

MC02 + MC0 = 1 7 (1 ‘ + = T ?

I l o ś ć p a r y w odnej w p r o d u k ta c h s p a l a n i a w p rz y p a d k u n ie z u p e łn e g o s p a l a n i a o k r e ś l a s i ę rów naniem :

1 - 0.

(1 - 0 r ) H kg (H2 ) + — ^ ^ H kmol ,

g d z i e :

0^ - i l o ś ć w olnego w odoru,

(1 - 0 ,|) - i l o ś ć w odoru u t l e n i o n e g o na H.,0.

I l o ś ć w olnego w odoru w k m olach w p r o d u k ta c h s p a l a n i a w y n o si:

mh2 - i r H •

Sumar yczna i l o ś ć p a r y w odnej i wodoru w p r o d u k t a c h s p a l a n i a w k m olach wy­

n o s i :

MH20 + % - 2 H + ^ H = |

O k r e ś l a n i e i l o ś c i s k ł a d n i k ó w s p a l i n . 89 A zate m z u w z g lę d n ie n ie m a z o tu z a w a rte g o w p o w ie tr z u o g ó ln a i l o ś ć p r o ­ duktów s p a l a n i a w k m olach p r z y oC < 1 w y n o si:

W yrażenie t o w r ó ż n y c h p o s t a c i a c h s p o ty k a s i ę w k r a j o w e j l i t e r a t u r z e . W p rz y p a d k u n ie z u p e łn e g o s p a l a n i a , p r z y ot < 1 , i l o ś ć u c z e s t n ic z ą c e g o w r e a k c j i t l e n u k o n ie c z n a do s p a l a n i a w ęg la w CO., w y n o si:

(1 - 0 ) ^ = Mcc,2 ,

w ę g la w CO:

‘CO

w odoru:

H Mfl?0 (1 - 0 , ) g - — § -

C a łk o w ita i l o ś ć t l e n u u c z e s t n ic z ą c e g o w r e a k c j i w y n ie s i e :

M,CO.

M “ HO

+ + - 4 - “ ° . 21 OC . (3)

A le p o n iew aż

MC02 + MC0 = T2 • to MC02 = TZ “ MC0

mh20 + mh2 = ■? » t o mh 2o ”

7

P o d s ta w i a ją c do o s t a t n i e g o w y ra ż e n ia

otrzym am y i l o ś ć k m o li p a r y w odnej

mh 2o = 7 ~ kMC0 *

O becnie ró w n a n ie (3 ) możemy p r z e d s t a w i ć w p o s t a c i u m o ż l iw ia j ą c e j w y zn acze­

n i e i l o ś c i k m o li t l e n k u w ęg la M^0

a po p r z e k s z t a ł c e n i u i u p o rz ą d k o w a n iu :

Y 2 + 2 j - 0 , 2 1 o e L 0 = ^ Mco (1 + k ) ,

a p o n iew aż

T 1 / C . Hv C H _ r

o “ + 15 I * 0 (2 1 o

0 ,2 1 Lq - 0 ,2 1 a Lq = \ Mcq (1 + k ) ,

0 ,2 1 Lq (1 - a ) - \ Mcq (1 + k ) ,

za te m i l o ś c i k ażd eg o z e s k ła d n ik ó w s p a l i n p r z y ot < "1 w km olach można o k r e ­ ś l i ć z n a s t ę p u ją c y c h rów nań:

MC0 = °> 42 Lo f i r i j •

mco2 “ T2 “ Mco •

MH2 = K • Mco *

% o ■ i - m co •

N a to m ia s t i l o ś ć a z o tu

% ■ ° ’ 79 « Lo ‘

O k r e ś l a n i e I l o ś c i s k ł a d n i k ó w s p a l i n 91

Rys. 1 . Z a le ż n o ś ć S k ła d u s p a l i n (u z y s k a n y c h z e s p a l a n i a 1 kg b e n z y n y ) od w s p ó łc z y n n ik a n a d m ia ru p o w ie tr z a oe:

--- o b l i c z e n i a wg now ej m etody _ _ _ _ _ o b l i c z e n i a v g s t a r e j m etody

F ig , 1 . C o m bustion g a s c o n t e n t s ( o b t a i n e d fro m 1 kg o f p e t r o l ) a s a f u n c t i o n o f c o e f f i c i e n t ot

--- new m ethod _ _ _ _ _ o ld m ethod

T a b e la 1 W yniki o b l i c z e ń p o s z c z e g ó l n y c h . s k ła d n ik ó w s p a l i n

w k m olach (nowa m eto d a)

— ---

M

oc ~~— -.. ...

^

1 0 0 ,0 7 3 7 0 ,0 7 2 5 0

0 ,9 0 ,0 1 4 4 0 ,0 5 6 6 0 ,0 6 5 3 0 ,0 0 7 2

0 , 8 0 ,0 2 8 9 0 ,0 4 4 6 0 ,0 5 8 1 0 ,0 1 4 4

0 ,7 0 ,0 4 3 5 0 ,0 3 0 2 0 ,0 5 0 8 . 0 ,0 2 1 7

0 , 6 0 ,0 5 7 8 0 ,0 1 5 9 0 ,0 4 3 6 0 ,0 2 8 9

T a b e la 2 W yniki o b l i c z e ń p o s z c z e g ó ln y c h s k ła d n ik ó w s p a l i n

w k m o lach ( s t a r a m eto d a)

0( MC0 mco2 mh2o

1 0 0 ,0 7 3 7 0 ,0 7 2 5

0 , 9 0 ,0 2 1 7 0 ,0 5 2 0 0 ,0 7 2 5

0 , 8 0 ,0 4 3 3 0 ,0 3 0 4 0 ,0 7 2 5

0 , 7 0 ,0 6 5 0 0 ,0 1 8 7 0 ,0 7 2 5

0 , 6 0 ,0 8 6 7 - 0 ,0 0 3 0 ,0 7 2 5

P rz y z a ł o ż e n i u s k ł a d u e le m e n ta r n e g o p a liw a t e o r e t y c z n a i l o ś ć p o w ie tr z a p o tr z e b n a do s p a l a n i a 1 kg b en zy n y w y n o si:

<= 0 ,5 1 6 km ola .

P rz y jm u ją c d la b e n zy n H= 0 ,1 9 ,- otrzym am y k = 0 , 5 . W yniki o b l i c z e ń s t a r ą i nową m etodą p o s z c z e g ó ln y c h sk ła d n ik ó w s p a l i n z a m ie sz c z o n o w t a b . 1 1 2 , a na r y s . 1 p r z e d s ta w io n o p o ró w n a n ie i l o ś c i p o s z c z e g ó ln y c h s k ła d n ik ó w o b l i ­ czo n e ró żn y m i m eto d am i.

P rz e p ro w a d z o n a k o r e k t a u m o ż liw iła b a r d z i e j p r e c y z y j n e o k r e ś l e n i e e n e r g i i w e w n ę trz n e j c z y p o je m n o ś c i c i e p l n e j s p a l i n n ie z b ę d n y c h do w y z n a c z e n ia te m ­ p e r a t u r y k o ń ca s p a l a n i a , s z c z e g ó l n i e p r z y m ie s z a n k a c h b o g a ty c h .

O k r e ś l a n i e i l o ś c i s k ł a d n i k ó w s p a l i n . 93

LITERATURA

[i] Chowach M .S .: S i l n i k i samochodowe. M a s z g iz 1977.

R e c e n z e n t :

Doc. d r h a b . i n ż . S t a n i s ł a w J a r n u s z k i e w i c z

Wpłynęło do R e d a k c j i 2 6 .0 9 . 1 9 8 6

OnPEAEJIEHHE KOJIHHECTBA COCTABHHX RACTEii BHXJI0I1HHX TA30B BO BPEMH CrOPAHHH BOrATIiX CMECEA

P e 3 ¡o m e

B C T a T b e H c n o i i b

30

3

30

1

6

3

3

0

3

03

3

3

6

3

30

DEFINITION OF WASTE GAS COMPONENTS DURING RICH MIXTURE COMBUSTION

S u m m a r y

Waste g a s e s a n a l y s i s p r o v e d t h a t t h e r a t i o o f t h e mole number f o r h y d r o - g e n and t h e one o f c a r b o n monexide i s t h e c o n s t a n t f o r e a c h f u e l and f o r t h e r i c h m i x t u r e s d o e s n o t depend on t h e c o e f f i c i e n t o f a i r c h a n g e s . The Chowach’ s r a t i o c o n t a i n e d i n t h e w a s t e g a s e s were u s e d t o f i n e t h e number o f m o l e s o f a l l com p o n en ts o f w a s t e g a s e s o b t a i n e d fr om c o m p u s t i o n o f 1 kg o f p e t r o l . C o m p u t a ti o n s a r e made i n t h e f u n c t i o n o f c h a n g e s o f t h e c o e f f i ­ c i e n t o f m i x t u r e c o n t e n t s . The r e s u l t s a r e compared w i t h t h e p r e v i o u s r e ­ s u l t s . T h i s c o r r e c t i o n e n a b l e s a c c u r a t e d e f i n i t i o n o f i n n e r e n e r g y o f w a s t e g a s e s , and t h e same t h e i n c r e a s e o f a c c u r a c y o f h e a t c o m p u t a t i o n o f t h e com­

b u s t i o n p r o c e s s .