Соотношение воздуха горения

Мощность двигателя и удельный расход для бензиновых двигателей , в зависимости от отношения воздух Х

Топливо-воздушная смесь, или особенно в случае двигателей внутреннего сгорания , в топливно-воздушной смеси , характеризуются его сгорание соотношения воздуха Л ( лямбда ; также называется соотношением воздуха или воздух отношением для короткого замыкания ), А безразмерного характерного числом от теории горения , которая определяет соотношение масс от воздуха к топливным относительно другу указание стехиометрического идеального соотношения для теоретически полного процесса сгорания . На основе этого показателя можно сделать выводы о процессе сгорания, температуре , образовании загрязняющих веществ и эффективности .

Поэтому это особенно важно в технических областях применения двигателей внутреннего сгорания и технологий сгорания , а также в теории пожаров .

определение

Соотношение воздуха для горения устанавливает фактически доступную воздушную массу по отношению к минимально необходимой воздушной массе , которая теоретически требуется для стехиометрически полного сгорания: ${\ displaystyle m _ {\ text {L-tats}}}$${\ displaystyle m _ {\ text {L-st}}}$

${\ displaystyle \ lambda = {\ frac {m _ {\ text {L-tats}}} {m _ {\ text {L-st}}}}}}$

Предельное значение 1 имеет особое значение для числового значения:

• Если да, то соотношение применяется как стехиометрическое соотношение воздуха для горения с ; Это тот случай, когда все молекулы топлива могут полностью реагировать с кислородом воздуха без недостатка кислорода или оставшегося несгоревшего топлива ( полное сгорание ).${\ displaystyle \ lambda = 1,}$${\ displaystyle m _ {\ text {L-tats}} = m _ {\ text {L-st}}}$
• ${\ displaystyle \ lambda <1}$(например, 0,9) означает «недостаток воздуха» (с двигателями внутреннего сгорания говорят о богатой или богатой смеси)
• ${\ displaystyle \ lambda> 1}$(например, 1.1) означает «избыток воздуха» (в двигателях внутреннего сгорания говорят о бедной или бедной смеси)

Утверждение: означает, что в сгорании участвует на 10% больше воздуха, чем необходимо для стехиометрической реакции. Это тоже лишний воздух . ${\ displaystyle \ lambda = 1 {,} 1}$

Величина, обратная λ, называется отношением эквивалентности φ.

расчет

Примерный расчет с использованием содержания кислорода в выхлопных газах:

${\ displaystyle \ lambda \ приблизительно {\ frac {0 {,} 21} {0 {,} 21-x_ {O_ {2}}}}}$

Примерный расчет с использованием содержания углекислого газа в выхлопных газах:

${\ displaystyle \ lambda \ приблизительно {\ frac {x_ {CO_ {2} max}} {x_ {CO_ {2}}}}}$

Максимальная концентрация рассчитывается из: ${\ displaystyle CO_ {2}}$

${\ displaystyle x_ {CO_ {2} max} = g_ {CO_ {2} max} \ cdot {\ frac {R_ {CO_ {2}}} {R_ {RGtmin}}}}$

${\ displaystyle R_ {RGtmin} = g_ {CO_ {2} max} \ cdot R_ {CO_ {2}} + g_ {N_ {2} RG} \ cdot R_ {N_ {2}}}$

Массовые пропорции:

${\ displaystyle g_ {CO_ {2}} = {\ frac {3 {,} 664 \ cdot g_ {C}} {m_ {RGtmin} ^ {*}}}}$

${\ displaystyle g_ {N_ {2} RG} = {\ frac {g_ {N} \ cdot m_ {Lmin} ^ {*}} {m_ {RGtmin} ^ {*}}}}$

${\ displaystyle g_ {CO_ {2} max} = {\ frac {g_ {C} \ cdot 3 {,} 664} {m_ {RGtmin} ^ {*}}}}$

Минимальная масса дымовых газов:

${\ displaystyle m_ {RGtmin} ^ {*} = 3 {,} 664 \ cdot g_ {C} + m_ {Lmin} ^ {*} \ cdot g_ {N}}$

Минимальная масса воздуха:

${\ displaystyle m_ {Lmin} ^ {*} = {\ frac {2 {,} 664 \ cdot g_ {C} +7 {,} 937 \ cdot g_ {H} + g_ {S} -g_ {O}} {0 {,} 232}}}$

Переменные:

${\ displaystyle x_ {CO_ {2}}:}$Измеренное содержание в выхлопных газах${\ displaystyle CO_ {2}}$

${\ displaystyle R_ {CO_ {2}}:}$ Газовая постоянная диоксида углерода =${\ displaystyle 188 {,} 95 \, \ mathrm {\ frac {J} {kgK}}}$

${\ displaystyle R_ {N_ {2}}:}$ Газовая постоянная азота =${\ displaystyle 296 {,} 76 \, \ mathrm {\ frac {J} {kgK}}}$

g - массовые доли отдельного газа в общей массе, индексы обозначают газ, RG означает долю дымовых газов (выхлопных газов), t означает долю сухих выхлопных газов (перед измерением вода очень часто "фильтруется" из выхлопных газов, мкм Избегайте фальсификаций).

${\ displaystyle m_ {Lmin} ^ {*}}$: Минимальная масса воздуха, необходимая для горения

Стехиометрическая потребность в воздухе

Стехиометрическая потребность в воздухе${\ displaystyle L _ {\ text {st.}}}$ (также минимальная потребность в воздухе ) - это массовое соотношение массы топлива и связанной с ней стехиометрической массы воздуха . ${\ displaystyle L _ {\ text {мин.}}}$${\ displaystyle m _ {\ text {B}}}$${\ displaystyle m _ {\ text {L-st.}}}$

${\ displaystyle L _ {\ text {st.}} = {\ frac {m _ {\ text {L-st.}}} {m _ {\ text {B}}}}}$

Потребность в воздухе может быть определена из массовых долей уравнения реакции при условии полного сгорания компонентов.

Для обычных видов топлива в конструкции двигателей внутреннего сгорания получены следующие результаты : ${\ displaystyle \ lambda = 1}$

• Бензин ( бензин ): - Для сжигания 1 кг бензина требуется 14,7 кг воздуха.${\ displaystyle L _ {\ text {st}} = 14 {,} 7}$
• Дизельное топливо : - Для сжигания 1 кг дизельного топлива требуется 14,5 кг воздуха.${\ displaystyle L _ {\ text {st}} = 14 {,} 5}$

В двигателях без наддува заправка свежего газа в нижней мертвой точке (НМТ) всегда содержит часть выхлопных газов из предыдущего рабочего цикла. Эта доля остаточного газа соответствует объему камеры сгорания в верхней мертвой точке, умноженному на давление выхлопных газов. Таким образом, расход бензина для бензиновых двигателей (воздух плюс выхлопные газы) примерно на 20% выше, чем для чистого воздуха (примерно 1,2 * 14,7 = 17,6 кг газа на 1 кг бензина). Рециркуляция выхлопных газов в бензиновых двигателях также вносит свой вклад (например, 1,4 * 14,7 = 20,6 кг газа на кг бензина). Дизельные двигатели в любом случае работают с избытком воздуха (λ от примерно 10 на холостом ходу до 1,4 («предел сажи») при полной нагрузке). Турбомоторы могут работать с газообменом без остаточного содержания газа (λ = 1,0).

Типичные значения

Двигатель внутреннего сгорания

Сегодняшние бензиновые двигатели работают с соотношением воздуха около λ = 1. Это позволяет очищать выхлопные газы с помощью трехкомпонентного каталитического нейтрализатора . Затем лямбда-зонд перед каталитическим нейтрализатором измеряет содержание кислорода в выхлопных газах и передает сигналы на блок управления регулятора смеси, который является элементом блока управления двигателем. Задача регулятора смеси - поддерживать соотношение воздуха, близкое к λ = 1, путем изменения продолжительности впрыска через отдельные впрыскивающие клапаны . Наиболее эффективная работа происходит при слегка обедненной смеси с Λ = 1,05. Наибольшая мощность двигателя достигается при богатой смеси Λ = 0,85. Здесь также происходит самая высокая скорость воспламенения, то есть скорость реакции смеси. При превышении пределов воспламенения (0,6 <λ <1,6 для бензиновых двигателей) сгорание прекращается и двигатель останавливается. Дизельные двигатели, с другой стороны, работают с обедненной смесью λ = 1,3 (при полной нагрузке, при предельном содержании сажи ) и с контролем качества , т.е. λ выше при частичной нагрузке и достигает значений до 6 (на холостом ходу, что определяется потерями механической мощности).

Двигатели Otto улучшаются при работе с полной нагрузкой. Поскольку топливо больше не сгорает полностью, двигатель и особенно выхлопные газы не сильно нагреваются. Однако выбросы моноксида углерода и углеводородов больше не могут быть далее окислены до диоксида углерода и воды в трехкомпонентном каталитическом нейтрализаторе.

Термальные ванны и котлы

Измерение доли воздуха для горения в котлах или котлах является частью измерения дымовых газов . Горелки с вентилятором работают при полной нагрузке с λ = 1,2, атмосферные горелки при полной нагрузке с λ = 1,4. При частичной нагрузке доля воздуха для горения увеличивается до значений λ = от 2 до 4, что приводит к увеличению потерь выхлопных газов и в то же время к снижению эффективности.

Газовые турбины и реактивные двигатели

В газовых турбинах и реактивных двигателях на их основе сгорание происходит внутри камеры сгорания у пламегасителя вблизи λ = 1, последующая подача вторичного воздуха увеличивает значения до λ = 5 и более. Соотношение воздуха настолько велико, что нельзя превышать максимальную температуру в камере сгорания (до 1600 ° C) и максимальную температуру на входе в турбину (до 1400 ° C).

Смотри тоже

• Образование смеси
• Лямбда-контроль

литература

• Ганс Дитер Бэр: Термодинамика . Springer-Verlag, Берлин / Гейдельберг 1988, ISBN 3-540-18073-7 .

веб ссылки

Викисловарь:  Соотношение воздуха для горения - объяснение значений, происхождение слов, синонимы, переводы

• RP Energy Lexicon (по состоянию на 9 апреля 2020 г.)
• Аналитическое моделирование режима работы газового двигателя с новым методом пилотного впрыска газа для высокой удельной мощности (по состоянию на 9 апреля 2020 г.)
• Развитие потенциала эффективности бензиновых двигателей с наддувом путем разбавления заряда (по состоянию на 9 апреля 2020 г.)
• Исследование возможностей улучшения в отношении потребления и крутящего момента в бензиновых двигателях с помощью расчета одномерного моделирования (доступ 9 апреля 2020 г.)
• Вклад в определение теплопередачи в камерах сгорания двигателей внутреннего сгорания с однородным и частично однородным преобразованием энергии (по состоянию на 9 апреля 2020 г.)

Индивидуальные доказательства