Одним из перспективных вариантов защиты окружающей среды от опасности загрязнения отработавшими газами (ОГ) является использование в двигателе внутреннего сгорания (ДВС) многокомпонентных топлив, обеспечивающих минимальное содержание токсичных компонентов в продуктах сгорания. Анализ возможностей использования такого вида топлива основывается на разработке модели включающей определение основных термохимических свойств топлив произвольного химического состава и расчет продуктов сгорания этого топлива в ДВС [1].
При изучении индивидуальных химических соединений формулы веществ и их молекулярный вес должны быть известны. В случае, если молекулярный вес отдельных компонентов топлива неизвестен, а его состав задан элементарным весовым составом – gi (что имеет место при использовании смесевых топлив), то эквивалентную химическую формулу записывают для условного молекулярного веса m = 100 в виде [1]:
AaBbCc ... (1)
В свою очередь
(2)
где ma и mb – атомные веса элементов, входящих в топливо.
В некоторых случаях расчеты удобнее производить не на 1 моль, а на 1 кг топлива. Тогда вместо молекулярной формулы можно записать удельную химическую формулу вещества:
(3)
Индексы 
в формуле (3) отличаются от соответствующих индексов в уравнении (1) в m раз:
.
Тогда, в соответствии с уравнением (2), получим:
Если компонент топлива задан не элементарным составом, а в виде смеси веществ с весовым содержанием каждого из них, равном g1; g2….., то для всей смеси:
или
(4)
где 
– удельная формула смеси.
Величины индексов в уравнении (4) определяются по формулам:
(5)
или
(6)
Условный молекулярный вес смеси определяется из зависимостей:
(7)
(8)
При известном значении стехиометрического соотношения можно составить условную химическую формулу для многокомпонентного топлива, соответствующую заданному значению коэффициента избытка воздуха. Молекулярная формула многокомпонентного топлива
(9)
где
(10)
Удельная формула для многокомпонентного топлива
(11)
где aг; bг; cг или 
− число грамм-атомов элементов в соответствующих условных формулах горючего, ao; bo; co, или 
– в соответствующих формулах окислителя. При этом
(12)
При расчетах температуры сгорания пользуются полной энтальпией топлива – J, измеряемой суммой термодинамической энтальпии – i и химической энергии топлива – Qхим:
(13)
Полная энтальпия многокомпонентного топлива определяется суммой полных энтальпий окислителя – J0 и горючего – Jr:
для 1 кг топлива:
ккал/кг; (14)
для 1 моля топлива:
ккал/моль.
Полная энтальпия окислителя, горючего или любого вещества, представляющего собой смесь различных химических соединений, подсчитывается по энтальпиям составляющих веществ – Ji и их весовым долям – gi:
ккал/кг. (15)
Численные значения полных энтальпий зависят от принятой системы отсчета, для определения которой необходимо задать начальную температуру отсчета – Тнач и начальные уровни химических энергий анализируемых веществ.
Если отсутствуют табличные значения энтальпии веществ, входящих в топливо, для вычисления полных энтальпий можно использовать тепловые эффекты химических реакций, включающих рассмотренное вещество и другие вещества, для которых известны табличные значения полных энтальпий. Пусть в общем виде задана реакция
(16)
где a, b, c, d… – количества молей вещества А, B, C, D, …
Уравнение сохранения энергии (при постоянных давлениях и температурах) для этой реакции имеет вид:
(17)
Относя параметры уравнения (17) к одному молю вещества А, получим:
ккал/моль вещ. А. (18)
С помощью этого уравнения может быть вычислена величина полной энтальпии JА при любой температуре, если при той же температуре известны величины JC, JB, JD и Qреак.
Одной из важнейших задач, возникающих при анализе возможностей использования в ДВС перспективных многокомпонентных топлив, является расчет состава продуктов сгорания, что позволяет оценивать эффективность использования исследуемых компонентов топлива с точки зрения снижения токсичности ОГ.
Для определения состава продуктов реакции необходимо вычислить Z неизвестных, характеризующих концентрации или парциальные давления компонентов (Ni и Pi), а также неизвестное количество молей исходного топлива – Nx. Таким образом, количество неизвестных равно Z + 1 и для решения поставленной задачи необходимо составить систему из Z + 1 независимых уравнений. В систему этих уравнений войдут [2]:
1. Уравнение баланса элементов:
(19)
Число этих уравнений равно числу элементов – m.
2. Уравнение баланса электростатических зарядов при ионизации:
(20)
характеризующее электростатическую равновесность ионизированного газа.
3. Уравнение диссоциации и ионизации в форме уравнения при расчете на Ni молей исходного вещества:
– для газов:
(21)
– для конденсированных веществ:
(22)
– для положительных ионов:
(23)
– для отрицательных ионов:
(24)
4. Уравнение суммарного числа молей для веществ в произвольном агрегатном состоянии:
(25)
или уравнение суммарного давления смеси газовых компонентов (для газов) в форме закона Дальтона:
(26)
Уравнения (19)–(26) в совокупности образуют систему из Z + 1 уравнений, содержащую искомое Z + 1 неизвестных. Необходимым и достаточным условием решения этой системы является определение элементарного состава топлива, задаваемого содержанием в нем химических элементов, или заданием тех же условий для некоторой исходной смеси, находящейся в промежуточном состоянии. То есть задается a0 – содержание грамм-атомов элемента A, b0 – содержание грамм-атомов элемента В и других элементов, входящих в систему. Давление P и температура Т, при которых определяется равновесный состав смеси, являются граничными условиями.
Система уравнений (19)…(26) представляет собой обыкновенные алгебраические уравнения, часть из которых (уравнения диссоциации и ионизации) могут быть нелинейными. В качестве одного из методов приближенных вычислений может быть использован метод итерации (последовательных приближений). В существующей практике термодинамических расчетов равновесного состава продуктов сгорания на основе этого метода, в сочетании с исключением неизвестных, используется несколько возможных способов и приемов расчетов. Недостатками этих способов решений является отсутствие общей расчетной схемы и ограничение применяемости только для композиций топлива, для которых они проведены.
Представляется целесообразным систему уравнений алгебраических уравнений решить методом последовательных приближений относительно поправок, вносимых в последующие приближения. Такие системы обеспечивают возможность создания унифицированной методики программирования вычислений на ПЭВМ.
Библиографическая ссылка
Шапошников Ю.А. МОДЕЛИРОВАНИЕ СВОЙСТВ МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ ТОПЛИВ ДВС // Современные наукоемкие технологии. – 2013. – № 2. – С. 41-43;URL: https://top-technologies.ru/ru/article/view?id=31327 (дата обращения: 21.11.2024).