Основы термодинамики и кинетики химических реакций Иноземцев Н.В. (1013665), страница 35
Текст из файла (страница 35)
Выбор этих величин очень часто приходится делать необоснованно и неверно. Особенно это касается новых машин, в малой степени изученных и исследованных. Сюда ~в первую очередь относятся современные быстроходные автомобильные и авиационные дизели, карбюраторные двигатели с непосредственным впрыском и двигатели, работающие с наддувом. Поэтому именно для этих двигателей тепловой расчет дает часто противоречивые и неверные результаты. Различные типы быстроходных дизелей †предкамерн с вихревыми камерами, типа Оберхенсли и др., отличающиеся особенностями процесса сгорания, не могут быть правильно и обоснованно рассчитаны с помощью теплового расчета. Но помимо неудовлетворительных результатов, получающихся при Расчете мало исследованных двигателей, этот расчет, ограничивающийся определением конечных состояний на отдельных участках диаграммы, совершенно не затрагивает вопроса о протекании процессов по времени и не дает динамической картины наиболее важного процесса — сгорания топлива.
Между тем благодаря успехам, достигнутым в последние годы, двигателестроение переходит на такую ступень своего развития, когда общими схемами расчета н определением лишь конечных параметров процесса обходиться уже невозможно. Двигателестроение сейчас выдвигает значительно более серьезные требования, чем те, которые были поставлены несколько десятков лет назад, когда оно находилось йа пороге своего развития. ' Эти требования в основном сводятся к овладению рабочим процессом двигателя и его физико-химическим расчетом, что приводит, в первую очередь, к необходимости исследования с помощью математических построений кинетики процесса сгорания по времени, вскрытия динамики этого процесса и количественного определения догорания по линии расширения.
Тепловой расчет в том виде, каким мы его знаем, не может справиться с поставленными задачами и поэтому нуждается в существенном дополнении, которое может быть получено лишь на базе современного агшарата физической химии. Ряд разделов физической химии находит себе практическое применение, особенно в металлургии и технологии химической промышленности, где широко используются сугубо теоретические положения этой науки.
Классическим примером разрешения технологической задачи методами физической химии является синтез аммиака, производство которого вряд ли было бы ~рационально организовано без этой на~ухи. В области моторостроения физическая химия до последнего времени не находила применения, тогда как овладение рабочим про- цессом двигателя, вскрытие динамики процесса сгорания, расчет кинетики сгорания — все это становится возможным только с помощью представлений физической химии.
Наша ближайшая за|дача — это ликвидация существующего пробела в тепловом расчете путем экспериментального и теоретического исследования кинетики сгорания |и разработка методов применения физической химии к расчету двигателя. Исследования физико-химического характера процесса на линиях сгорания и расширения, постановленные в тесной связи с действительными условиями работы двигателя, в значительной степени восполнят наши представления о природе химических преобразований в цилиндре и протекании их по времени и дадут конструктору те дополнительные материалы, с помощью которых окажется возможным овладеть рабочим процессом и, следователыю, техникой его рационализации и конструтнрования.
Подобные исследования в последние годы проведены применительно к двигателям Дизеля, для которых получены опытные данные по закону сгорания,изменению скоростей сгорания, определены константы скорости, значения энергии активации, константы по столкновениям, найдены остальные кинетические парометры. Для этих двигателей в последнее время намечаются пути нового физико- химического метода расчета рабочего процесса. Поэтому кинетический анализ процесса сгорания и двигателях мьг будем вести в дальнейшем, имея в виду только двигатели Дизеля. При изучении процесса сгорания в цилиндре дизеля, с точки зрения кинетики реакций и применения физико-химических соотношений к,раочету, встречаются большие трудности: сгорание в цилиндре всегда сопровождается индукционным периодом, в течение которого могут образовываться промежуточные вещества.
Исследования показывают, что медленное окисление органических соединений в начале процесса всегда превращается в быстрое химическое преобразование в середине и в конце процесса. В первые периоды сгорания реакция частично может итти на поверхности жидких капель и является гетерогенной. В дальнейшем гетерогенные реакции теряют свое значение, и число столкновений в газовой фазе быстро увеличивается. К концу сгорания в цилиндре преобладают гомогенные реакции. Кроме этого следует иметь в виду, что сгорание углеводородов в цилиндре дизеля не идет по простой схеме расщепления топлива на С и Н и образования конечных продуктов СО, и Н,О.
Как показывают исследования, процесс сгорания принудительно протекает через значительное количество промежуточных реакций, и, в зависимости от вида промежуточных веществ и их концентраций, реакция сгорания может итти различными путями. Други~ми словами, реакция сгорания топлива и цилиндре дизеля представляет собой консекутнвную сложную реакцию, состоящую из целого ряда' промежуточных соединений. 22Ч Все это создает весьма сложную картину протекания реакции сгорания и затрудняет вычисление ее хода с помощью физико-химических математических соотношений.
Однако, отмеченные затруднения могут быть преодолены, если воспользоваться суммарными представлениями химических преобразований и в частности результирующих скоростей сгорания. Рассмотрение химического процесса суммарно, без детального исследования механизма элементарных составных стадий его, позволяет подойти к преобразованию в цилиндре как к системе, подчиняющейся определенным закономерностям, независимо от происходящих в ней элементарных процессов. Такое рассмотрение процесса сгорания дает возможность уложить протекание его в рамки физико-химических уравнений и по. дойти к решению вопроса о расчете кинетики процесса сгорания в цилиндре. Применение законов кинетики к химическим преобразованиям в цилиндре дизеля приводит к выводу, что реакция сгорания происходит лишь при столкновении молекул топлива и кислорода.
Если далее учесть необходимость активации молекул и предпочесть двойные столкновения при активации всем остальным, как более вероятные, то придем в первом приближении к реакции П порядка. Для такой бнмолекулярной реакции, согласно кинетическим представлениям и теории активации, имеем: г(с — (;)дях г= — — =кСв Со,=ко Св . Со, в ' (2?6) И где з — скорость сгорания в мол.(м' сек., ко — константа по столкновениям, Сз — концентрация топлива, Со, — концентрация кислорода, С?, — энергия активиации.
Опытная проверка полученного уравнения (2?6) непосредственно на двигателе показывает, что при одной и той же температуре про. цесса, но при различных концентрациях кислорода (различные коэфициенты избытка воздуха) константа скорости ?г в уравнении кинетики второго порядка остается постоянной. Это является свидетельством того, что в первом приближении реакцию сгорания в цилиндре дизеля можно считать бимолекулярной.
К тем же результатам, основываясь на спектроскопических наблюдениях, приходит К. Нейман, который при исследовании процесса сгорания в пред- камерном дизеле также пользуется уравнением кинетики в бимолекулярной форме. Перейдем к дальнейшему изложению расчета. Допустим, что нам известен закон подачи топлива„т. е. известно изменение относительных количеств впрыскиваеиого топлива — а (в долях или в процентах), в зависимости от угла поворота криво- шипа г (фиг. 39).
Тогда концентрации топлива Сз, входящие в уравнение кинетики (276) и выраженные в мол./м', определяются из соотношения: чВо хВо Св =- —— рт)т нтР (в — х) . Во С = Рт. 1" (277) где Во — количество топлива (в килограммах), подаваемое в цилиндр при каждом впрыскивании, х — доля топлива, сго- о а ревшая к рассматриваемому моменту, Р— объем цилиндра ол (в м') в рассма. триваемый мо- Ф мент, ча рт — молекулярный вес топлива.
ОР Концентрации кислорода 9 Со,могут быть найдены по 'Р~ Фа Формуле: е .зз а 021 Ео' Во х0,21А'о . Во или (а — х) 0,211.о ' ° Во (278) 231 где а — коэфициент избытка воздуха, Ао — теоретически необходимое количество воздуха, подсчитанное в молях. Подставляя значения концентраций Св и Со. в уравнение (276), получаем; (: — х) Во (я — х) 0,217.о Во )2т (т (279) с(с Скорость сгорания — можно выразить через относительные Ш количество сгоревшего топлива — х. дс Так как величина — выражается в мол.(м2 сек., то можно Ш написать: Ыс 17х Во )т2т (280) Принимая во внимание, что 17 6 к' получаем: с(с Ых Во — — = — ° 6 и 22г а12 )2т )l (281) откуда 2(х 0,2! Ео Во (а — х) (22 — х) к 27~ 6 к У' Интегрирование этого уравнения в пределах небольшого участка (72 — 171) приводит к решению: 0,2!В 'В2К12(а — 212) аз Р 22 — ~1 а — х, 2 12 — я ° е 212 — Х, х= — -' в 0,2!со Воям (" — 2м) 2 б ° лм ('т'2 т1) — е ° л и а — х 12 1 (283) 232 Подставляя полученное значение скорости реакции в уравнение (279), имеем: 22х Во (а — х)Во (22 — х) 0,21 Е'о Во — 6п к с(22 !"т )т ) т )7 где а„, У„, к„ вЂ средн значения подачи топлива, объема цилиндра и константы скорости на рассматриваемом небольшом участке (р, — ~7,).
По уравнениям (282) и (283) могут быть определены закон' сгорания топлива х=7'(э) и относительные скорости сгорания г(х —, от которых по уравнению (281) легко перейти к действиДз Ыс тельным скоростям сгорания —. ~й Уравнение (283) было получено К. Нейманом, который проверил его обратным пересчетом по экспериментально найденным эначе. ниям констант скорости в двигателе и подтвердил его справедливость. Никакого дальнейшего использования в работах Неймана это уравнение не получило, так как для использования его в теоретическом расчете закона сгорания необходимо было иметь величины констант скорости процесса сгорания — к.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
