Рассмотрим соотношение компонентов в двухкомпонентном топливе. Горючее содержит преимущественно элементы с электроположительной валентностью (С, Н, AI, В и др.), а окислитель - с электроотрицательной валентностью: О, CI, F и др. Окислитель и горючее применяют в определенном соотношении. Для обеспечения полного сгорания одного моля горючего - полного замещения валентностей горючих элементов валентностями окислительных элементов - требуется молей окислителя. Величину (молей окислителя/моль горючего) называют мольным стехиометрическим соотношением компонентов топлива.
Число свободных (незамещенных) электроположительных валентностей в одной молекуле горючего составляет , число свободных электроотрицательных валентностей в одной молекуле окислителя - , где
vi - валентность, - число атомов химического элемента в условной молекуле горючего и окислителя.
Тогда . (3.4)
Значению соответствует массовое стехиометрическое соотношение (кг окислителя/кг горючего) и объемное стехиометрическое соотношение (м3 окислителя/м3 горючего) компонентов топлива. Из определения следует, что , (3.5)
Рассмотрим пример вычисления стехиометрического соотношения компонентов топлива. Значение валентности некоторых элементов приведены в таблице 3.1.
Таблица 3.1
Элемент | О | Н | С | N | F | Al |
-2 | 1 | 4 | 0 | -1 | 3 |
Топливо: окислитель - азотная кислота , молярная масса = 63,
горючее - этиловый спирт , молярная масса =46.
, , по (3.4) и (3.5) получим:
, .
Действительное соотношение компонентов в топливе ( или ) отличается от стехиометрического. Отношение величин или соответствующее стехиометрическому значению называют коэффициентом избытка окислителя:
(3.6)
Рассмотрим интервалы , используемые в ЖРД.
Рис 3.3 Зависимость температуры сгорания от
Интервалы изменения в агрегатах ЖРД:
<1 0,1-0,25 - отрицательный кислородный баланс - жидкостные генераторы газа (ЖГГ), жидкостные ракетные двигатели малой тяги (ЖРДМТ),
1,0 (0.5 - 0.95) - маршевые двигатели,
>1 10-20 - ЖГТ (положительный кислородный баланс).
В соответствии с реакционной способностью окислителя и горючего топлива разделяют на самовоспламеняющиеся и несамовоспламеняющиеся. Самовос-пламеняющиеся компоненты топлива во всем диапазоне эксплуатационных температур и давлений реагируют при контакте в жидкой фазе с выделением теплоты. Разогрев горючей смеси инициирует предпламенные экзотермические реакции, которые разогревают топлива до температуры кипения и выше, и происходит воспламенение. Характеризуются временем задержки воспламенения - временем от момента соприкосновения горючего и окислителя в жидкой фазе до появления пламени.
При несамовоспламеняющихся топливных парах специальной системой в момент запуска двигателя создается воспламенительный факел. От него воспламеняются первые порции топлива, поступающие в камеру, а последующие поджигаются продуктами сгорания предшествующих. По интервалу температур сохранения жидкого состояния топлива или их компоненты подразделяют на высококипящие и низкокипящие. Высококипящие - это компоненты, температура кипения которых выше 298 К. При эксплуатации на земле в обычных условиях они представляют собой жидкость и хранятся без потерь на испарение (или с малыми потерями). Низкокипящие компоненты при атмосферном давлении имеют температуру кипения ниже 298 К и находятся в газообразном состоянии.
Среди низкокипящих выделяют группу криогенных компонентов, температура кипения которых ниже 120 К. Такой компонент нельзя хранить как жидкость без принятия специальных мер. Криогенными являются сжиженные газы: кислород, водород, фтор, метан, пропан и др. Для уменьшения потерь на испарение и увеличения плотности возможно применение криогенного компонента в шугообразном (от англ. sugar) состоянии - в виде подвижной двухфазной смеси твердой и жидкой фаз этого компонента.
По физической и химической стойкости в течение длительного времени различают топлива длительного хранения или стабильные и топлива кратковременного хранения. Компоненты стабильных топлив имеют при максимальной температуре в условиях эксплуатации давление насыщенного пара ниже допустимого по условиям прочности баков, допускают хранение в баках ракеты без существенных потерь.
Окончательно сформулируем требования к жидким топливам:
Высокая баллистическая эффективность - большой удельный импульс и большая плотность топлива.
Благоприятные экологические свойства - нетоксичность компонентов и продуктов сгорания.
Неагрессивность компонентов топлива - отсутствие коррозионного действия на конструкционные металлы и разрушающего действия на неметаллические материалы.
Высокая температура кипения, низкая температура замерзания компонентов.
Малое значение вязкости (для условий подачи и смесеобразования), большая теплоемкость и теплопроводность компонентов (важно для организации тепловой защиты).
Высокая химическая и физическая стабильность компонентов в условиях хранения и применения ракеты.
Низкая стоимость компонентов - для справки: тонна жидкого водорода может стоить 10 000$.
Взрывобезопасность.
Продукты сгорания должны находиться в камере в газообразном состоянии. Ни одно топливо всем этим требованиям удовлетворить не может и проектировщики находят компромиссные решения в соответствии с целями создания ракетного комплекса путем проработки различных вариантов рецептур и имеющегося опыта создания и эксплуатации изделий.
Начнем с самого главного – с Km0. Это соотношение очень важно для ракетного двигателя, т.к. топливо в нем может гореть по-разному. Все таки – это не обычное горение дров в камине, где в качестве окислителя выступает кислород воздуха. Горение топлива в камере ракетного двигателя – это, в первую очередь, химическая реакция окисления с выделением тепла. А протекание химических реакций существенно зависит от того, сколько веществ (их соотношение) вступает в реакцию. Значение Km0 зависит от валентности, которую могут проявлять химические элементы в теоретической форме уравнения химической реакции. Пример для ЖРТ: АТ+НДМГ. Важный параметр-коэффициент избытка окислителя (обозн. греческой “α” с индексом «ок.») и массовое соотношение компонентов Kм. Kм=(dmок./dt)/(dmг../dt), т.е. отношение массового расхода окислителя к массовому расходу горючего. Он специфичен для каждого топлива.
Классификация химических топлив для ракетных двигателей
Воспользуйтесь нашими услугами
Глоссарий
В идеальном случае представляет собой стехиометрическое соотношение окислителя и горючего, т.е. показывает сколько кг окислителя нужно для окисления 1 кг горючего. Однако реальные значения отличаются от идеальных. Соотношение реального Kм к идеальному и есть коэффициент избытка окислителя.
Как правило αок.<=1. И вот почему. Зависимости Tk( αок.) и Iуд.( αок.) нелинейны и для многих топлив последняя имеет максимум при αок. не при стехиометрическом соотношении компонентов, т.е макс. значения Iуд. получаются при некотором снижении количества окислителя по отношению к стехиометрическому.
Требования к ЖРТ:
Эти требования классический пример «Лебедь рак и щука», которые тянут в разные стороны:
С точки зрения эксплуатации:
Сюда также добавляются дополнительные требования, из-за которых следует искать КОНСЕНСУСЫ и КОМПРОМИСЫ:
Самовоспламеняемость компонентов иногда нужна, иногда вредна. Бывает ещё, что и взрываются.
С точки зрения эксплуатации:
Как видно требований много и зачастую они противоречивы. Очень большое значение для ЖРД РН имеет плотность топлива. Если объяснять на пальцах, то для первых ступеней выгоднее использовать топливо пусть и с меньшим Iуд, но с большей плотностью. Это объясняется тем фактом, что расход ЖРД первой ступени выше, чем последующих (массу надо поднимать большую).
Поэтому приоритетной становится задача снижения объемов, а значит и массы баков 1-й ступени. Поэтому на 1-х ступенях практически всегда используют керосин (Saturn V, РН «Энергия»), который хоть и уступает тому же водороду по удельному импульсу, но значительно превосходит его по плотности. На более высоких ступенях на первое место выходит Iуд.
Классификация ЖРТ-чаще всего по давлению насыщенных паров или температуре тройной точки, а проще говоря температуре кипения при нормальном давлении.
Видно, что ЖРД снаружи (арматура) полностью залит теплоизоляционным материалом.
По взаимодействию компонентов при контакте различают самовоспламеняющиеся(СТК), ограниченно-самовоспламеняющиеся (ОСТК) и несамовоспламеняющиеся ТК (НТК).
СТК: если при контакте окислителя и топлива в жидком состоянии они воспламеняются (во всем диапазоне эксплуатационных давлений и температур).
Это свойство хорошо с точки зрения упрощения системы поджига, но очень плохо когда компоненты могут подтечь где-нибудь в другом месте, а не в форсуночной головке.
Пример: АТ+НДМГ.
ОСТК: для самовоспламенния которых нужно принимать специальные меры.
Несамовоспламеняющиеся топлива требуют поджига-«классические» пары керосин+кислород и водород+кислород.
НТК: всё ясно без слов.Требуется либо катализатор, либо постоянный поджиг (или температура и/или давление и т.д.), либо третий компонент. Идеальны для «протечек» и транспортировки.
По количеству компонентов ЖРТ разделяют на 1 компонентные топлива и 2-х компонентные (иногда бывает еще и 3-й вспомогательный компонент). 3. Температура кипения — 90,16 К
Самый простой и давно используемый окислитель. Имеет приемлемую плотность. Используется практически со всеми горючим, при этом удельный импульс удовлетворяет большинство потребителей:
Очень низкая коррозионная активность. Производство давно освоено, стоимость небольшая — менее $0,1 (по моему дешевле литра молока в разы). Недостатки:
Криогенный-необходимо захолаживание и постоянная дозаправка для компенсации потерь перед стартом.
На фото: створки защитных устройств заправочного автостыка керосина (ЗУ-2), за 2 минуты до окончания циклограммы при выполнении операции ЗАКРЫТЬ ЗУ из-за обледенения не полностью закрылись. Одновременно из-за обледенения не прошел сигнал о съезде ТУА с пусковой установки. Пуск проведен на следующий день.
Трудно использовать в качестве охладителя.
Агрегат-заправщик РБ жидким кислородом снят с колес и установлен на фундаменте. 3. Температура кипения — 85,16 К.
Это прекрасный окислитель с точки зрения химии. Его можно даже использовать
для окисления кислорода или воды. Расчеты показывают, что максимальный теоретический Iуд можно получить на паре F2-Be (бериллий)-порядка 6000 м/с!
Но…
Чрезвычайно коррозионно активен, токсичен, склонен к взрывам при контакте с окисляющимися материалами. Криогенен. Любой продукт сгорания также имеет почти те же «грехи»: жутко коррозионны и токсичны. Для пары F2-h3 Iуд=4020 м/с!
Но представьте себе что останется от стартовой после запуска? Лужа? Н2+F=h3F2-фтороводород. Смешивается с водой в любом отношении с образованием фтороводородной (плавиковой) кислоты. А использованию его в ЖРД КА невозможно из-за сложностей хранения. Одно время к фтору относились как к перспективному веществу, но и в ХХI веке нет ни одного известного серийного фторного ЖРД. Уж больно неприятный он в обращении.
То же относится и к остальным жидким галогенам, например к хлору. 3. Температура разложения — 423 К
Перекись водорода для роскошных волос и еще 14 секретов применения.
И его используют (но редко) в качестве окислителя. Причина: на 1 молекулу кислорода образуется две молекулы воды+имеет низкий импульс. Нестоек, склонен к разложению, что при используемой концентрации (95%) приводит фактически к взрыву. Однако благодаря этому свойству активно используется как однокомпонентное топливо на КА (например на ИСЗ AST-1) или в качестве вспомогательного топлива для привода ТНА.
По большому счёту на этом список более-менее реальных окислителей исчерпывается. Акцентирую внимание на HClО4. Как самостоятельные окислители на основе хлорной кислоты представляют интерес только: моногидрат (Н2О+ClО4)-твёрдое кристаллическое вещество и дигидрат (2НО+НСlО4)-плотная вязкая жидкость.Хлорная кислота (которая из-за Iуд сама по себе бесперспективна), при этом представляет интерес в качестве добавки к окислителям, гарантирующей надёжность самовоспламенения топлива. 3. Температура кипения — 423-588 К
Керосин является на самом деле смесью из различных углеводородов, поэтому появляются страшные дроби (в хим формуле) и «размазанная» температура кипения.
Удобное высококипящее горючее. Используется давно и успешно в советских двигателях и в авиации.Именно на нем до сих пор летают «Союзы». Малотоксичен (пить настоятельно не рекомендую), стабилен. И всё же керосин излишне токсичен. А ведь находятся люди, которые им что только ни лечат! Минздрав против!
Он так же требует осторожности в обращении: авария пассажирского самолёта Существенные плюсы: сравнительно недорог, освоен в производстве.
Пара керосин-кислород идеальна для первой ступени. Ее удельный импульс на земле 3283 м/с, пустотный 3475 м/с. Недостатки. Относительно малая плотность. Именно с целью повышения плотности были разработаны синтин (СССР) и RJ-5 (США).
Синтез синтина. Имеет склонность к отложению смолистых осадков в магистралях и тракте охлаждения, что в последнем случае не лучшим образом сказывается на охлаждении. 3. Температура кипения — 112 К
Рассматривается как перспективное топливо, в особенности в последнее время, как альтернатива керосину и водороду. Недорог, распространен, устойчив, малотоксичен. По сравнению с водородом имеет более высокую температуру кипения, а удельный импульс в паре с кислородом выше, чем у керосина: ок. 3234 м/с на земле и ок. 3500 м/с в пустоте. Неплохой охладитель. Недостатки. Низкая плотность (вдвое ниже чем у керосина). При некоторых режимах горения может разлагаться с выделением углерода в твердой фазе, что может привести к падению импульса из-за двухфазности течения и резкому ухудшению режима охлаждения в камере из-за отложения сажи на стенках КС. Вероятно это наиболее перспективное горючее. В последнее время идут активные НИОКР в области его применения (наряду с пропаном и природным газом) даже в направлении модификации уже сущ. ЖРД (в частности такие работы были проведены над РД-0120). Или-Raptor:
К этой же группе можно отнести пропан и природный газ. 3. Температура кипения — 20,46 К
Использование пары LOX-Lh3 предложено еще Циолковским. С точки зрения термодинамики идеальное рабочее тело как для самого ЖРД, так и для турбины ТНА. Отличный охладитель, при чем как в жидком, так и в газообразном состоянии. Последний факт позволяет не особо бояться кипения водорода в тракте охлаждения и использовать газифицированный таким образом водород для привода турбины. Такая схема реализована в Aerojet Rocketdyne RL-10-просто шикарный (с инженерной точки зрения) движок:
Наш аналог (даже лучше, т.к. моложе): РД-0146 (Д, ДМ)—безгазогенераторный жидкостный ракетный двигатель, разработанный Конструкторским бюро химавтоматики в Воронеже.
Особенно эффективен с сопловым насадком из материала «Граурис». Высокий удельный импульс-в паре с кислородом 3840 м/с. (Из реально используемых это самый высокий показатель). Эти факторы обуславливают пристальный интерес к этому горючему. Экологически чист в паре с экологически чистыми окислителями. Распространен, практически неограниченные запасы. Освоен в производстве. етоксичен. Однако есть очень много ложек дегтя в этой бочке мёда.
1. Чрезвычайно низкая плотность. Все видели огромные водородные баки Энергии и Шаттла. Из-за низкой плотности применим на верхних ступенях РН. Кроме того низкая плотность ставит непростую задачу для насосов — как правило насосы водорода многоступенчатые для того что бы обеспечить нужный массовый расход и при этом не кавитировать.
По этой же причине приходится ставить т.н. бустерные насосы сразу за заборным устройством в баках дабы облегчить жизнь основному ТНА. Насосы водорода для оптимальных режимов требуют также очень высокой частоты вращения.
2. Низкая температура. Перед заправкой необходимо проводить многочасовое захолаживание баков и всего тракта. Я, кстати, видел результаты цифрового моделирования подачи водорода в «теплый» бак. Весьма мучительное занятие — он то начинает заполнять, то испаряется и выталкивает все обратно. Также низкая температура кипения затрудняет хранение.
3. Жидкий водород обладает некоторыми свойствами газа-жидкость сжимаема. Это накладывает дополнительные трудности в проектировании магистралей, циклограммы работы, и особенно насосов.
4. Из-за своего малого молекулярного веса очень проницаем. Это означает, что герметизировать полости с водородом довольно трудно. Ну что, скажете вы, неразъемные соединения можно загерметизировать. Но дело даже не в соединениях трубопроводов. Проблема в том, что на ТНА все щели не замажешь герметиком — там применяются неконтактные уплотнения, особенно на высокооборотных ТНА. И тут эта проблема в купе с огнеопасностью смеси с кислородом встает довольно остро.
5. Большинство металлов имеют свойство поглощать водород — т.н. процесс наводораживания. При этом металл охрупчается, т.е. его св-ва как КМ ухудшаются (а тут еще и низкая температура). Поэтому зачастую поверхности, контактирующие с водородом защищают покрытием, как правило серебром. 3. Температура кипения — 336 К
Широко используется на военных двигателях в следствие своей долгохранимости. Имеет более высокий импульс по сравнению с гидразином — с N2O4 3115 м/с на земле и 3291 м/с пустотный. Самовоспламенятся с азотными окислителями. Освоен в производстве в СССР. Любимое топливо В.П.Глушко. Не любимое топливо моего ОЗК.
Могу написать целую статью про его гадкие свойства (на основе эксплуатации ЗРК С-200). Используется как правило с азотными окислителями в ЖРД МБР и КА. Недостатки: крайне токсичен.Такая же «вонючка». На порядок дороже керосина.
Плотность и удельный импульс с основными окислителями ниже керосина с теми же окислителями. Для повышения плотности часто используют в смеси с гидразином-т.н. аэрозин-50, где 50-это процентное соотношение НДМГ.В силу освоенности производства более распространен в СССР.
По поводу гидразиновых топлив. «Забыты» монометилгидразин, метилгидразин и пр. Они не так распространены. Главное достоинство горючих группы гидразина-долгохранимость при использовании высококипящих окислителей. Работать с ними очень неприятно-токсичны горючие, агрессивные окислители, токсичны продукты сгорания. На профессиональном жаргоне эти топлива называют «вонючими» или «вонючками». Можно с высокой степенью уверенности сказать, что если на РН стоят «вонючие» двигатели, то «до замужества» она была боевой ракетой (МБР).
В последнее время в связи с переходом военных на использование РДТТ, как более удобных в эксплуатации, значение этих топлив снизилось. Их «экологическая» ниша в космонавтике сужается до использования в ДУ КА, где долгохранимость является одним из важных требований.
Итог: рассмотрены основные используемые топлива. Наиболее распространенными парами на настоящий момент являются:
Каковы перспективы дальнейшего развития в этой области? Вероятно выгоднее доводить ЖРД на уже освоенных топливах, чем начинать НИОКР в области новых топлив, особенно сильно экзотических, как например фтор или пентаборан (сильно токсичен, самовоспламеняется на воздухе и пр. Повышением конструктивного совершенства можно пока добиться неплохих, а главное быстрых результатов. Например керосин-кислородные движки: РД-107 Iуд.з= 2450 м/с, а у РД-170 Iуд.з= 3028 м/с.
Это при одинаковом топливе! Улучшение импульса на 600 м/с добились за счет более совершенной схемы и конструкции. Есть еще резервы у химии! Использование же многих экзотических топлив сопряжено со многими сложными, а иногда и нерешаемыми проблемами. Например как в 60-х, так и в 80-х, да и сейчас фтор остается в качестве «перспективных» окислителей (так сказать «в вечных женихах»).
Т.е. на протяжении 30 лет к нему не подступится, в первую очередь из-за токсичности продуктов сгорания. Активно начинают «щупать» прежде всего метан. Ведь особых эксплуатационных трудностей он не вызывает, позволяет неплохо поднять давление в камере (до 40 МПа по нек-м источникам) и получить хорошие характеристики. То же самое можно сказать в отношении пропана и природного газа. Еще одним интересным направлением в сторону усовершенствования топлив является металлизация горючих: в горючее добавляются частицы металла-алюминия, бериллия и т. п. Проблемы в данном случае следующие: подача такого топлива, его распыл и двухфазность течения продуктов сгорания. Дальше теории и возможно экспериментов дело пока похоже не пошло.
Использование эффекта свободных радикалов- хорошая персепектива. Детонационное горение- возможность для рывка. Кроме использования новых топлив усовершенствуют уже распространенные в направлении повышения плотности. Для криогенных топлив пробуют использования шуги, т.е. взвеси твердых частиц компонента в жидкой фазе.
Другой метод-переохлаждение криогенных компонентов, использование их при температуре значительно ниже Ткип. Это позволяет повысить их плотность. Я знаю, что с кислородом в СССР это неплохо получается. Керосин тоже активно стараются улучшить в сторону повышения плотности и стабильности-синтин и RJ-5 тому пример.
Послесловие: вообще все ракетные ТК (кроме НТК), а так же попытка изготовить их в домашних условиях- очень опасны. Предлагаю внимательно ознакомиться:
26-летний Крис Монгер, отец двоих детей, решил приготовить в домашних условиях ракетное топливо по инструкции, подсмотренной на YouTube. Смесь, которую он готовил на плите в кастрюле, ожидаемо взорвалась. В итоге мужик получил огромное количество ожогов и провел в больнице пять дней.
Все домашние (гаражные) манипуляции с такими химическими компонентами чрезвычайно опасны и к местам их разлива без ОЗК и противогаза-ЛУЧШЕ не подходить:
Звонить в МЧС. Всё профессионально подберут.
Автор: Антон @AntoBro
Источник: https://habr.com/
Воспользуйтесь нашими услугами
Рост рынка транспортных средств конкуренция вместе с увеличением загрязнения окружающей среды привели к разработке сложных систем двигателя. Стратегии Инновационного управления необходимы для упрощения и улучшения системы управления двигателем, перехода к двигателям с энергосбережением и удовлетворяющих нормам и ограничениям по выбросам газов [1]. Точное измерение соотношения воздух-топливо (AFR) в двигателях внутреннего сгорания желательно для точного управления двигателем [2]. Контроль AFR остается основной целью контроля двигателей, особенно в целях загрязнения выхлопных газов. AFR представляет собой количество воздуха над количеством топлива, впрыскиваемого в каждый цилиндр двигателя, по сравнению со стехиометрическим состоянием. Эта переменная характеризует качество сгорания и характеристики двигателя в зависимости от расхода топлива и выбросов газов. Каталитическая технология выброса выхлопных газов требует AFR 1 (± 5%). Как правило, для бензинового двигателя количество топлива, впрыскиваемого в каждый цилиндр, определяет соотношение воздух-топливо (AFR) [3].
AFR — это отношение массы воздуха к массе топлива в процессе сгорания бензинового топлива, например, в двигателе внутреннего сгорания (двигателе внутреннего сгорания). AFR является очень важной и важной мерой или показателем для контроля или настройки характеристик двигателя и причин, непосредственно связанных с качеством воздуха и защитой от загрязнения. Если воздуха, подаваемого на горение бензинового топлива, ровно столько, чтобы полностью сжечь все бензиновое топливо, то АСО называют стехиометрической смесью. Значения AFR ниже стехиометрического считаются богатыми смесями. Богатые смеси AFR менее эффективны, но сгорают при более низких температурах и производят или генерируют больше энергии, что является более безопасным и менее вредным для двигателя автомобиля. Числа AFR выше стехиометрических называются обедненными смесями. Бедные смеси AFR более эффективны, но могут вызвать повреждение двигателя автомобиля и привести к более высокому уровню выбросов оксидов азота (NOx) в выхлопных газах. Для точных и точных расчетов AFR следует указывать содержание кислорода в воздухе для горения из-за содержания кислорода (O 2 ) обогащение добавками или возможное разбавление водяным паром из окружающей среды.
Теоретически стехиометрическая смесь AFR имеет достаточно или ровно столько воздуха, чтобы полностью сжечь доступное бензиновое топливо. Практически этот случай никогда полностью не достигается, потому что доступное время для каждого цикла сгорания в двигателе внутреннего сгорания очень короткое. На двигателе с частотой вращения 6000 об/мин примерно за 4–5 мс завершается большая часть процесса сгорания. Это время от момента зажигания искры до полного сгорания бензинового топлива и топливной смеси после поворота коленчатого вала на 80 и несколько градусов. Каталитические счетчики спроектированы и изготовлены для работы с наилучшей производительностью, когда проходящие через них выхлопные газы автомобиля являются результатом идеального или совершенного сгорания [4].
Для выработки энергии в процессе сгорания тепловые двигатели используют топливо и O 2 из воздуха. В камеру сгорания необходимо подавать определенное или определенное количество топлива и воздуха, чтобы гарантировать процесс сгорания. Когда все топливо сгорает, происходит полное сгорание, в результате чего в выхлопных газах не содержится несгоревшего топлива. Теоретическое соотношение воздух-топливо смеси для двигателя, работающего на бензине, для полного сгорания бензинового топлива стехиометрическое соотношение воздух-топливо составляет около 14,7: 1. Для полного сгорания 1 кг бензинового топлива в процессе горения необходимо 14,7 кг воздуха. Процесс сгорания возможен даже при соотношении воздух-топливо, отличном от стехиометрического состава смеси. Чтобы процесс сгорания происходил в двигателе, работающем на бензине, минимальное соотношение воздух-топливо составляет около или около 6: 1, а максимальное может достигать около 20: 1. Когда соотношение воздух-топливо выше стехиометрического соотношения, смесь воздух-топливо называется бедной смесью, а когда соотношение воздух-топливо ниже стехиометрического соотношения, смесь воздух-топливо называется богатой смесью. Например, для бензинового двигателя соотношение воздух-топливо 16,5: бедная смесь и 13,7: 1 - богатая смесь.
Двигатели с искровым зажиганием нормально или обычно работают на бензиновом топливе, соотношение воздух-топливо колеблется от 12:1 (богатая смесь) до 201:1 (бедная смесь) в зависимости от условий работы двигателя; скорость, нагрузка, температура и т. д. В основном по причинам очистки выхлопных газов умеренные или новые двигатели внутреннего сгорания работают в максимально возможной степени со стехиометрическим соотношением воздух-топливо [5].
Новые автомобили оснащаются датчиком состава топливно-воздушной смеси в выхлопных газах, размещаемым в выхлопной системе автомобиля, датчик облегчает оценку смеси на основе концентрации кислорода (O 2 ) в выхлопных газах автомобилей . Сигнал датчика состава смеси характеризуется длительной задержкой по отношению к сигналу впрыска топлива. Задержка может иметь десятки значений последовательных впрысков топлива. В случае неверного значения дозы впрыска топлива коррекция будет происходить со значительным сдвигом во времени. Ситуация с неправильными значениями кислорода (O 2 ) концентрация в выбросах отработавших газов оказывает выраженное реактивное влияние на работу и работоспособность двигателя, так как снижает эффективность сгорания и катализа токсичных компонентов отработавших газов автомобиля, а также приводит к ухудшению экологических свойств автомобиля [6].
Одной из основных частей снижения выбросов выхлопных газов более сложных транспортных средств для двигателей внутреннего сгорания является проблема управления соотношением воздух-топливо (AFR). Качество смеси имеет важное значение для эффективности трехкомпонентного каталитического нейтрализатора, и поэтому требуются достаточные методы контроля для соблюдения законодательства о выбросах [7].
Двигатели большинства современных автомобилей откалиброваны для работы в стратифицированных условиях, что позволяет свести к минимуму или даже исключить потери и повысить эффективность преобразования топлива. Это также помогает значительно и резко сократить выбросы окиси углерода (CO) и оксида азота (NOx) по мере увеличения эффективности сгорания [3].
Целью данного исследования является анализ и прогнозирование взаимосвязи между соотношением воздух-топливо (AFR), лямбда (λ) и процентом и значениями выбросов выхлопных газов автомобилей с бензиновым двигателем, использующих универсальные и портативные выбросы. инструмент измерительной системы. Где для соблюдения правил и положений по выбросам выхлопных газов очень важно и важно, чтобы бензиновые двигатели внутреннего сгорания имели точный контроль соотношения воздух-топливо (AFR).
Для целей измерения соотношения воздух-топливо (AFR), лямбда (λ) и выбросов выхлопных В этом исследовании была выбрана модель E tools F5000-5GAS (см. рис. 1). F5000-5GAS — это чрезвычайно универсальная и портативная система измерения выбросов, предназначенная для измерения и анализа выхлопных газов автомобилей, грузовиков, автобусов и вилочных погрузчиков. Он был разработан как модульная система, позволяющая устанавливать в полевых условиях большинство различных доступных опций. Модель E INSTRUMENTS F5000-5GAS представляет собой портативный современный анализатор выхлопных газов, предназначенный для измерения, записи и удаленной передачи параметров сгорания, используемых для следующих задач [8]:
Рис.Исследование топливовоздушной смеси (AFR), лямбда (λ) и устройство для измерения выбросов отработавших газов-E Приборы модели F5000-5GAS [9]
Увеличенное изображение
Для точного измерения соотношения воздух-топливо (AFR), лямбда (λ), O 2 , CO 2 , CO, HC и NO/NOx в выхлопных трубах двигателей автомобилей, вилочных погрузчиков, грузовиков, автобусов и другие транспортные средства, работающие на таких видах топлива, как бензин, дизельное топливо, сжиженный нефтяной газ, сжатый природный газ и пропан.
Для выполнения плановой настройки и обслуживания двигателя, а также для диагностики возможных проблем с двигателем.
Для оказания помощи в обслуживании транспортного средства в соответствии со спецификациями производителей по выбросам и для предварительных проверочных испытаний.
Чтобы помочь оператору транспортного средства оптимизировать эффективность двигателя, производительность и экономию топлива.
Для использования в качестве инструмента управления, помогающего оператору вести учет и контролировать расходы.
В анализаторе E INSTRUMENTS F5000-5GAS используется сложная электроника и программный дизайн для повышения точности и гибкости. Он измеряет пять различных выхлопных газов и рассчитывает соотношение воздух-топливо (AFR) и лямбда (λ). Он хранит, печатает и отображает данные в виде графиков. Он связывается с рядом других компьютеров, планшетов и других совместимых с Windows устройств, расположенных поблизости, с помощью беспроводной технологии Bluetooth и/или USB-кабеля. Он имеет библиотеку из шести видов топлива, и при необходимости оператор может добавить больше видов топлива. Он предназначен для работы от внутренней аккумуляторной батареи, а также от сети переменного тока [8]. Технические характеристики анализатора E INSTRUMENTS Model F5000-5GAS обобщены и пояснены в таблице 1 и на рис. 2.
Полноразмерная таблица
Рис. 2Расположение датчиков на их корпусе в газоанализаторе E INSTRUMENTS модель F5000-5 [9]
Полный размер
Бензиновые двигатели внутреннего сгорания – это двигатели, в которых сгорание бензинового топлива происходит внутри цилиндров двигателя. Особенностью двигателей внутреннего сгорания, работающих на бензине, является выделение тепловой энергии в результате процесса сгорания и превращение этой энергии в механическую работу, которая происходит или происходит внутри цилиндра двигателя, работающего на бензине (см. рис. 3). Эти бензиновые двигатели известны своей высокой эффективностью, низкими эксплуатационными расходами, компактностью, малым весом и всегда готовы к запуску. Выбросы выхлопных газов бензиновых двигателей внутреннего сгорания (ДВС) являются основным источником загрязнения воздуха и глобального потепления. Соотношения между горением топливно-воздушной смеси и продуктами сгорания называются стехиометрией сгорания. Соотношения стехиометрии горения зависят только от соотношения массы каждого химического элемента топливно-воздушной смеси [10].
Четырехтактный цикл внутреннего сгорания в типичном бензиновом двигателе [11]
Изображение в полный размер
$${\text{AFR}} = \frac{{{\text{m}}_{\text{воздух}} }}{{{\text{m}}_{\text{топливо}} }}$$
(1)
где m воздух = масса воздуха, m топливо = масса топлива
лямбда (λ) - это фактическое отношение фактического соотношения воздух-топливо (AFR) к стехиометрическому соотношению воздух-топливо (AFR). Для данной смеси λ = 1,0 соответствует стехиометрическому соотношению воздух-топливо (AFR), богатые топливовоздушные смеси имеют λ < 1,0, а бедные смеси имеют λ > 1,0. Существует прямая зависимость между лямбдой (λ) и соотношением воздух-топливо (AFR). Чтобы рассчитать соотношение воздух-топливо (AFR) по заданному значению лямбда (λ), умножьте измеренное значение лямбда (λ) на стехиометрическое соотношение воздух-топливо (AFR) для этого топлива. В качестве альтернативы, чтобы восстановить значение лямбда (λ) из соотношения воздух-топливо (AFR), разделите соотношение воздух-топливо (AFR) на стехиометрическое соотношение воздух-топливо (AFR) для этого топлива. Уравнение 2 часто используется в качестве определения лямбда (λ) [12]:
$$\lambda = \frac{\text{AFR}}{{{\text{AFR}}_{\text{stoich}} }}$$
(2)
, где AFR = фактическое AFR, AFR stich = стехиометрический AFR
Из-за того, что состав обычного топлива меняется в зависимости от сезона, и многие современные автомобили могут работать на разных видах топлива, имеет смысл говорить о значениях лямбда (λ), а не о соотношении воздух-топливо (AFR). Наиболее практичные устройства для измерения соотношения воздух-топливо (AFR) на самом деле измеряют количество остаточного кислорода (O 2 ) для бедных смесей или несгоревших углеводородов (НС) для богатых смесей в выхлопных газах автомобилей [4].
Выбросы выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания (ВС), работающих на бензине, сильно и в основном зависят от соотношения воздух-топливо. Для двигателя, работающего на бензине, выбросы выхлопных газов окиси углерода (CO), углеводородов (HC) и оксидов азота (NOx) в значительной степени зависят от соотношения воздух-топливо. CO и HC в основном образуются или производятся с обогащенной топливно-воздушной смесью, тогда как NOx с обедненной топливно-воздушной смесью, что означает, что не существует фиксированной топливно-воздушной смеси, для которой она может получить минимум для всех выбросов выхлопных газов [5].
Выбросы выхлопных газов транспортных средств существенно влияют на загрязнение атмосферного воздуха (две трети) в городских районах [10]. Транспортные средства производят различные и множественные выбросы выхлопных и других газов, которые вредны для окружающей среды и качества воздуха, как показано в Таблице 2. Некоторые газы и другие выбросы локальны, в то время как другие носят региональный или глобальный характер, и поэтому их местоположение менее важно. важно с точки зрения вредного воздействия. Технологии контроля выбросов позволили снизить интенсивность выбросов и значения некоторых, но не всех загрязняющих веществ, таких как твердые частицы [13].
Полная таблица
Для целей настоящего исследования были измерения собранного состава и соотношения воздух-топливо (AFR), лямбда (λ) и выбросов выхлопных газов, проведенные с использованием анализатора E INSTRUMENTS Model F5000-5GAS для 125 автомобилей на контрольно-пропускном пункте, расположенном на главной автомагистрали на юге провинции Сулеймания в Курдистане, регион-Север. Ирака (см. рис. 4, 5). Собранные данные для каждого транспортного средства включали компанию-производителя, объем двигателя, год выпуска, соотношение воздух-топливо (AFR), лямбда (λ) и процент и значения выбросов выхлопных газов.
Карта Ирака с местом проведения исследования – город Калар (Google Maps)
Изображение в полный размер
Изображение в полный размер
Измерения соотношения воздух-топливо (AFR), лямбда (λ) и выбросов выхлопных газов включали автомобили с бензиновыми двигателями 6 размеров (бензиновые двигатели объемом 1,6, 1,8, 2,0, 2,4, 2,5 и 2,7 л) с разные года выпуска. Измеренные выхлопные газы для каждого транспортного средства включали кислород (O 2 ), двуокись углерода (CO 2 ), окись углерода (CO), окись азота (NO) и углеводороды (CxHy). Для целей данного исследования были выбраны наиболее часто встречающиеся автомобили с двумя объемами двигателя 1,6 и 2,5 л.
Отдельно проанализировать и спрогнозировать взаимосвязь между соотношением воздух-топливо (AFR), лямбда (λ) и выбросами выхлопных газов в процентах и значениях автомобилей, работающих на бензине, для каждого из двух выбранных размеров двигателя (размеры бензиновых двигателей 1,6 и 2,5 л) ), собранные данные, соотношение воздух-топливо (AFR), лямбда (λ) и измерения выбросов были классифицированы, изучены и обсуждены следующим образом:
Чтобы изучить взаимосвязь между соотношением воздух-топливо (AFR), лямбда (λ), а также проценты и значения выбросов выхлопных газов для бензинового двигателя объемом 1,6 л, собранные данные для каждого автомобиля, включая компанию-производителя, год выпуска, соотношение воздух-топливо (AFR), лямбда (λ) и проценты и значения выбросов выхлопных газов. обобщены и проиллюстрированы в таблице 3.
Таблица 3 Компания-производитель, год выпуска, соотношение воздух-топливо (AFR), лямбда (λ) и выбросы выхлопных газов в процентах и значения для автомобилей с объемом двигателя 1,6 лПолноразмерная таблица
Для автомобиля с объемом двигателя 1,6 л измеренные значения λ находились в диапазоне от 1 до 5,14 (см. Таблицу 3), где теоретическое значение λ = 1,0 составляет при стехиометрическом AFR, а бедные смеси имеют λ > 1,0. Измеренные значения AFR находились в диапазоне от 14,71: 1 до 75,60: 1 (см. Таблицу 3), где теоретическое AFR для бензинового двигателя при полном сгорании, стехиометрическое AFR составляет около 14,7: 1, а AFR > 14,7: 1 бедной смеси. . Измерения λ и AFR показывают, что все транспортные средства работали на топливно-воздушных смесях, находящихся в диапазоне от стехиометрических до обедненных смесей. 9{2} {-} \, 2,0128 \, \lambda \, + \, 21,493$$
(3)
где AFR = соотношение воздух-топливо, λ = коэффициент эквивалентности топливовоздушной смеси или лямбда
Рис. 6Зависимость между эквивалентностью топливовоздушной смеси или лямбда (λ) и соотношением воздух-топливо (AFR) для автомобилей с объемом двигателя 1,6 л
Изображение в полный размер λ) и проценты и значения выбросов отработавших газов
Соотношение между измеренным значением лямбда (λ) и выбросами отработавших газов, включая кислород (O 2 ), двуокись углерода (CO 2 ), окись углерода (CO), окись азота (NO) и углеводороды (CxHy) изучались и обсуждались следующим образом:
Соотношение между измеренным значением лямбда (λ) и процентным содержанием кислорода, выделяемого выхлопными газами (O 2 ): результаты измерений показывают, что по мере увеличения значений лямбда (λ) увеличивается выделение кислорода (O 2 ) (см. Таблицу 3 и рис. 7). При идеальном или полном сгорании весь кислород (O 2 ) будут потребляться вместе с топливом и производить только двуокись углерода (CO 2 ) и воду. Для измеренных значений λ и процентов O 2 линейная зависимость определяется с высоким R-квадратом (R 2 ) = 95,67%, что означает относительно высокую точность (см. уравнение 4 и рис. 7).
Рис. 7Соотношение между эквивалентным соотношением воздух-топливо или значениями лямбда (λ) и процентным содержанием кислорода (O 2 ) в выхлопных газах для двигателя объемом 1,6 л
Изображение в полном размере
где Кислород (O 2 ) % = кислород отработавших газов (O 2 ) процент выбросов, λ = коэффициент воздушно-топливной эквивалентности или лямбдаЗависимость между измеренным значением лямбда (λ) и выбросами углекислого газа в выхлопных газах (CO 2 ) процентов: результаты измерений показывают, что по мере увеличения значений лямбда (λ) выбросы диоксида углерода (CO 2 ) уменьшаются (см. Таблицу 3 и Рис. 8). При полном сгорании топлива образуются только углекислый газ (CO 2 ) и вода. Для измеренных значений λ и CO 2 процентов линейная зависимость определяется с высоким R-квадратом (R 2 ) = 95,33%, что означает относительно высокую точность (см. уравнение 5 и рис. 8)
Рис. . 8Взаимосвязь между эквивалентным соотношением воздух-топливо или значениями лямбда (λ) и процентами выбросов углекислого газа (CO 2 ) в выхлопных газах - объем двигателя 1,6 л
Изображение в натуральную величину
$$Углерод \, диоксид \, \left( {{\text{CO}}_{ 2} } \right) \, \% \, = \, - \, 0,4687 \, \lambda \, + \, 17. 545$$
(5)
где Углекислый газ (CO 2 ) % = диоксид углерода в отработавших газах (CO 2 ) процент выбросов, λ = коэффициент воздушно-топливной эквивалентности или лямбда
Соотношение между измеренным значением лямбда (λ) и процентным содержанием моноксида углерода (CO) в выхлопных газах: результаты измерений показывают, что по мере увеличения значений лямбда (λ) выбросы моноксида углерода (CO) уменьшаются (см. Таблицу 3 и Рис. 9 ). Наличие кислорода (O 2 ) способствует лучшему сгоранию топлива и снижает выбросы окиси углерода (CO), образующейся при неполном сгорании топлива. При полном сгорании топлива образуется только углекислый газ (CO 2 ) и вода.
Рис. 9Зависимость между эквивалентным соотношением воздух-топливо или значениями лямбда (λ) и процентным содержанием оксида углерода (CO) в выхлопных газах для двигателя объемом 1,6 л
Изображение в натуральную величину
Соотношение между измеренным значением лямбда (λ) и значениями выбросов углеводородов в выхлопных газах (CxHy): результаты измерений показывают, что по мере увеличения значений лямбда (λ) выбросы углеводородов (CxHy) уменьшаются (см. Таблицу 3 и Рис. 10). Где доступность кислорода (O 2 ) способствует лучшему сгоранию топлива и снижает выбросы углеводородов (CxHy), образующихся при неполном сгорании топлива. При полном сгорании топлива образуются только углекислый газ (CO 2 ) и вода.
Рис. 10Соотношение между эквивалентным соотношением воздух-топливо или значениями лямбда (λ) и значениями выбросов углеводородов (CxHy) и оксидов азота (NO) в выхлопных газах для двигателя объемом 1,6 л
Изображение в натуральную величину
Взаимосвязь между измеренным значением лямбда (λ) и оксидом азота (NO), выделяемым выхлопными газами: результаты измерений показывают, что увеличение значений лямбда (λ) не оказывает полного влияния на значения выбросов оксида азота (NO), поскольку азот происходит в основном из двух источников, воздух, который смешивается с бензином внутри двигателя и/или из самого топлива (бензин, обогащенный азотом) (см. Таблицу 3 и Рис. 10).
Чтобы изучить взаимосвязь между соотношением воздух-топливо (AFR), лямбда (λ), а также проценты и значения выбросов выхлопных газов для бензинового двигателя объемом 2,5 л, собранные данные для каждого транспортного средства, включая компанию-производителя, год выпуска, соотношение воздух-топливо (AFR), лямбда (λ) и проценты и значения выбросов выхлопных газов. обобщены и проиллюстрированы в Таблице 4.
Таблица 4 Компания-производитель, год выпуска, соотношение воздух-топливо (AFR), лямбда (λ) и выбросы отработавших газов в процентах и значения для автомобилей с объемом двигателя 2,5 лПолноразмерная таблица
Для автомобиля с объемом двигателя 2,5 л измеренные значения λ находились в диапазоне от 0,99 до 2,51 (см. Таблицу 4), где теоретическое значение λ = 1,0 составляет при стехиометрическом AFR, а бедные смеси имеют λ > 1,0. Измеренные значения АЧХ варьировались от 14,56:1 до 36,9.2:1 (см. Таблицу 4), где теоретическая AFR для бензинового двигателя при полном сгорании, стехиометрическая AFR составляет около 14,7:1, а AFR > 14,7:1 для обедненной смеси. Измерения λ и AFR показывают, что все транспортные средства работали на топливно-воздушных смесях, находящихся в диапазоне между почти или почти стехиометрическими и обедненными смесями.
Лямбда представляет собой отношение фактического AFR к стехиометрическому AFR, согласно которому измерения показывают, что стехиометрический AFR составляет 14,71:1, где измеренное значение AFR, соответствующее измеренному λ = 1, составляет 14,71:1 (см. Таблицу 4). Для измеренных значений АЧХ и λ определена полиномиальная зависимость с высоким R-квадратом (R 9{2} {-} \, 0,5799 \, \lambda \, + \, 16,646$$
(6)
где AFR = соотношение воздух-топливо, λ = коэффициент эквивалентности топливовоздушной смеси или лямбда
Рис.Зависимость между коэффициентом эквивалентности топлива или лямбда (λ) и соотношением воздух-топливо (AFR) для автомобилей с объемом двигателя 2,5 л
Изображение в полный размер λ) и проценты и значения выбросов отработавших газов
Соотношение между измеренным значением лямбда (λ) и выбросами отработавших газов, включая кислород (O 2 ), двуокись углерода (CO 2 ), окись углерода (CO), окись азота (NO) и углеводороды (CxHy) изучались и обсуждались следующим образом:
Соотношение между измеренным значением лямбда (λ) и процентным содержанием кислорода, выделяемого выхлопными газами (O 2 ): результаты измерений показывают, что по мере увеличения значений лямбда (λ) увеличивается выделение кислорода (O 2 ) (см. Таблицу 4 и рис. 12). При идеальном или полном сгорании весь кислород (O 2 ) будут потребляться вместе с топливом и производить только двуокись углерода (CO 2 ) и воду. Для измеренных значений λ и процентов O 2 линейная зависимость определяется с высоким R-квадратом (R 2 ) = 94,05%, что означает относительно высокую точность (см. уравнение 7 и рис. 12).
Соотношение между эквивалентным соотношением воздух-топливо или значениями лямбда (λ) и процентным содержанием кислорода (O 2 ) в выхлопных газах для двигателя объемом 2,5 л
Изображение в натуральную величину
где Кислород (O 2 ) % = кислород отработавших газов (O 2 ) процент выбросов, λ = коэффициент воздушно-топливной эквивалентности или лямбда Зависимость между измеренным значением лямбда (λ) и выбросами углекислого газа в выхлопных газах (CO 2 ) процентов: результаты измерений показывают, что по мере увеличения значений лямбда (λ) выбросы диоксида углерода (CO 2 ) уменьшаются (см. Таблицу 4 и Рис. 13). При полном сгорании топлива образуются только углекислый газ (CO 2 ) и вода. Для измеренных значений λ и CO 2 процентов линейная зависимость определяется с высоким R-квадратом (R 2 ) = 92,62%, что означает относительно высокую точность (см. уравнение 8 и рис. 13).
Взаимосвязь между эквивалентным соотношением воздух-топливо или значениями лямбда (λ) и долей выбросов углекислого газа (CO 2 ) в выхлопных газах - объем двигателя 2,5 л
Изображение в натуральную величину
$$Углерод \, диоксид \, \левый( {CO_{2} } \правый) \, \% \, = \, - \, 0,3864 \, \лямбда \, + \, 16,892$$
(8 )
где Двуокись углерода (CO 2 ) % = выбросы двуокиси углерода с отработавшими газами (CO 2 ) в процентах, λ = коэффициент воздушно-топливной эквивалентности или лямбда
Соотношение между измеренным значением лямбда (λ) и процентным содержанием моноксида углерода (CO) в выхлопных газах: в целом результаты измерений показывают, что по мере увеличения значений лямбда (λ) выбросы моноксида углерода (CO) уменьшаются (см. Таблицу 4 и Рис. 14). Наличие кислорода (O 2 ) способствует лучшему сгоранию топлива и снижает выбросы окиси углерода (CO), образующейся при неполном сгорании топлива. При полном сгорании топлива образуется только углекислый газ (CO 2 ) и вода.
Зависимость между эквивалентным соотношением воздух-топливо или значениями лямбда (λ) и процентным содержанием оксида углерода (CO) в выхлопных газах для двигателя объемом 2,5 л
Изображение в натуральную величину
Соотношение между измеренным значением лямбда (λ) и значениями выбросов углеводородов в выхлопных газах (CxHy): в целом результаты измерений показывают, что по мере увеличения значений лямбда (λ) выбросы углеводородов (CxHy) имеют тенденцию к снижению, за исключением некоторых аномальных значений ( см. Таблицу 4 и Рис. 15). Где доступность кислорода (O 2 ) способствует лучшему сгоранию топлива и снижает выбросы углеводородов (CxHy), образующихся в результате неполного сгорания топлива. При полном сгорании топлива образуются только углекислый газ (CO 2 ) и вода.
Соотношение между эквивалентным соотношением воздух-топливо или значениями лямбда (λ) и значениями выбросов углеводородов (CxHy) и оксидов азота (NO) в выхлопных газах для двигателя объемом 2,5 л
Изображение в натуральную величину
Взаимосвязь между измеренным значением лямбда (λ) и оксидом азота (NO), выделяемым выхлопными газами: результаты измерений показывают, что увеличение значений лямбда (λ) не оказывает полного влияния на значения выбросов оксида азота (NO), поскольку азот происходит в основном из двух источников, воздух, который смешивается с бензином внутри двигателя и/или из самого топлива (бензин, обогащенный азотом) (см. Таблицу 4 и Рис. 15).
На основании результатов данного исследования можно сделать следующие выводы:
Анализаторы выбросов выхлопных газов транспортных средств являются эффективными универсальными и портативными инструментами для измерения выбросов, измеряют и анализируют выхлопные газы транспортных средств и обеспечивают очень широкий диапазон данных и результатов.
Большинство или почти все транспортные средства, включенные в это исследование, работали с диапазоном AFR от стехиометрической (λ = 1,0) до обедненной (λ > 1,0) смесей.
Для автомобилей с двигателями объемом 1,6 и 2,5 л:
Прямая зависимость между воздухо-топливным отношением (AFR) и лямбда (λ) в виде полиномиальных уравнений с высокой точностью определяется на основе полевых данных и измерений, что может помочь в понимании связи между воздухо-топливным отношением (AFR) и lambda (λ) и определить значение любого из них, если известно другое значение.
Определена прямая зависимость между лямбда (λ) и выбросом кислорода (O 2 ) в отработавших газах, тогда как значения лямбда (λ) увеличиваются, выброс кислорода (O 2 ) увеличивается. Зависимость между лямбдой (λ) и эмиссией кислорода (O 2 ) в виде линейных уравнений с высокой точностью определяется на основе натурных данных и измерений, что может помочь в понимании связи между лямбдой (λ) и кислородом (O 2 ) выбросов и определить значение любого из них, если другое значение известно.
Установлена прямая зависимость между лямбдой (λ) и выбросами двуокиси углерода (CO 2 ) в отработавших газах, поскольку значения лямбда (λ) увеличиваются, а выбросы двуокиси (CO 2 ) уменьшаются. Зависимость между лямбда (λ) и эмиссией диоксида (CO 2 ) в виде линейных уравнений с высокой точностью определяется на основе натурных данных и измерений, что может помочь в понимании связи между лямбда (λ) и диоксидом (CO 2 ) выбросов и определить значение любого из них, если другое значение известно.
По мере увеличения значения лямбда (λ) выбросы окиси углерода (CO) уменьшаются, при этом доступность кислорода (O 2 ) способствует лучшему сгоранию топлива и снижает выбросы окиси углерода (CO), которые образуются в результате неполного сгорания топлива. При полном сгорании топлива образуется только углекислый газ (CO 2 ) и вода.
По мере увеличения значений лямбда (λ) выбросы углеводородов (CxHy) уменьшаются, при этом наличие кислорода (O 2 ) способствует лучшему сгоранию топлива и снижает выбросы углеводородов (CxHy), которые образуются в результате неполного сгорания топлива . При полном сгорании топлива образуется только двуокись углерода (CO 2 ) и вода.
Увеличение значений лямбда (λ) не оказывает полного влияния на значения выбросов оксидов азота (NO), поскольку азот в основном поступает из двух источников: воздуха, который смешивается с бензином внутри двигателя, и/или из самого топлива (обогащенного азотом бензин).
Результаты этого исследования обеспечивают лучшее понимание взаимосвязи между соотношением воздух-топливо (AFR), лямбда (λ) и процентами и значениями выбросов выхлопных газов автомобилей с бензиновым двигателем, поскольку они связывают фактические полевые измерения и результаты с теоретическими связь между соотношением воздух-топливо (AFR), лямбда (λ) и процентами и значениями выбросов выхлопных газов автомобилей с бензиновым двигателем. Также в рамках данного исследования получены значимые связи, определяемые между изучаемыми переменными в виде полиномиальных и линейных уравнений с высокой точностью, что помогает понять связь между изучаемыми переменными и определить значения одних переменных, если другие были известен.
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, топливовоздушная смесь называется богатой . Например, для бензинового двигателя AFR 16,5:1 соответствует обедненной смеси, а 13,7:1 – богатой смеси.
Назад
В контексте двигателей внутреннего сгорания соотношение воздух-топливо (AF или AFR) определяется как соотношение между массой воздуха м a и масса топлива м f , используемая двигателем при работе:
\[\bbox[#FFFF9D]{AFR = \frac{m_a}{m_f}} \tag{1} \]
Обратное соотношение называется топливно-воздушным соотношением (FA или FAR) и рассчитывается как:
\[FAR = \frac{m_f}{m_a} = \frac{1}{AFR} \tag{1 }\]
Назад
В таблице ниже мы можем увидеть стехиометрическое соотношение воздух-топливо для нескольких ископаемых видов топлива.
| Fuel | Chemical formula | AFR | ||||||||||
| Methanol | CH 3 OH | 6.47:1 | ||||||||||
| Ethanol | C 2 H 5 OH | 9: 1 | ||||||||||
| Бутанол | C 4 H OH | 11,2: 1 | ||||||||||
| DIESEL | 77747747747747747747774777477747774774774774747474774 4777477477477477477477477477477477н000814.5:1 | |||||||||||
| Gasoline | C 8 H 18 | 14.7:1 | ||||||||||
| Propane | C 3 H 8 | 15.67:1 | ||||||||||
| Метан | CH 4 | 17.19: 1 | ||||||||||
| Wydrogen | H 2 | 34,3: 1 | 34,3: 1 | 4. Двигатели с искровым зажиганием (SI) обычно работают на бензине (бензине) в качестве 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. 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. Выполнение приведенных выше инструкций Scilab создаст следующий контурный график: Изображение: контурный график воздуха и топлива в Scilab Назад Как рассчитывается стехиометрическое соотношение воздух-топливоЧтобы 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). \[\text{Топливо}+\text{Кислород}\xrightarrow[высокая \text{ } температура \text{ (CI)}]{искра \text{ (SI)}} \text{Углекислый газ} + \ text{Вода} + \text{Энергия}\] 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} 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). Шаг 1 . Напишите химическую реакцию (окисление) \[C_{8}H_{18} + O_2 \rightarrow CO_2 + H_2O\] Шаг 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} 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-топливоМы 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 9.0522 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.
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 (лямбда-карта) 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 топливовоздушной смесью на высоких оборотах и нагрузке. Изображение: Дизельный двигатель (лямбда-карта) 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 коэффициент стехиометрического эквивалента (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. 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. 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. Выполнение приведенных выше инструкций Scilab выводит следующее графическое окно. Изображение: Функция полноты сгорания от коэффициента эквивалентности Как видите, двигатель с воспламенением от сжатия (дизельный) при стехиометрическом соотношении воздух-топливо имеет очень низкую полноту сгорания. Наилучшая полнота сгорания достигается при λ = 2,00 для дизельных двигателей и λ = 1,12 для двигателей с искровым зажиганием (бензиновых). Go back MethanolEthanolButanolDieselGasolinePropaneMethaneHydrogen Наблюдение : Эффективность сгорания рассчитывается только для дизельного топлива и бензина (бензин) с использованием уравнений (4) и (5). Назад Выбросы выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания сильно зависят от соотношения воздух-топливо (коэффициент эквивалентности). Основные выбросы отработавших газов в ДВС приведены в таблице ниже. Изображение: Функция эффективности катализатора бензинового двигателя от соотношения воздух-топливо Трехкомпонентный каталитический нейтрализатор (TWC), используемый в бензиновых двигателях, имеет наивысшую эффективность, когда двигатель работает в узком диапазоне вокруг стехиометрического соотношения воздух-топливо. Вернуться назад 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 Регулятор соотношения воздух-топливо (лямбда) с обратной связью . Изображение: Двигатель внутреннего сгорания с замкнутым контуром лямбда-регулирования (бензиновые двигатели) Важным компонентом для работы системы является лямбда-зонд (кислород) . 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 обедненной топливной смеси, лямбда-регулирование осуществляется другим способом. Конечная цель осталась прежней — контроль выбросов выхлопных газов.
|
