Η ΔΙΕΡΓΑΣΙΑ ΤΗΣ ΚΑΥΣΗΣ ΣΤΙΣ Μ.Ε.Κ.

ΑΛΕΞΑΝΔΡΕΙΟ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΟ ΕΚΠΑΙΔΕΥΤΙΚΟ ΙΔΡΥΜΑ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΤΜΗΜΑ ΟΧΗΜΑΤΩΝ Η ΔΙΕΡΓΑΣΙΑ ΤΗΣ ΚΑΥΣΗΣ ΣΤΙΣ Μ.Ε.Κ. Μερκούριος Γώγος Εργαστηριακός Συνεργάτης

Ορισμοί Καύση ονομάζεται η εξώθερμη χημική αντίδραση κάθε καυσίμου υλικού με το οξυγόνο, που συντελείται με μεγάλη ταχύτητα και με μεγάλη απόδοση θερμότητας έτσι ώστε αυτή να είναι τεχνικά εκμεταλλεύσιμη. Μετατροπή της χημικής ενέργειας που περικλείεται στο καύσιμο σε θερμική. Στις Μ.Ε.Κ. μέρος της παραγόμενης θερμότητας μετατρέπεται στη συνέχεια σε μηχανικό έργο. Διαφορά με την οξείδωση; 2

Μετατροπές ενέργειας ΧΗΜΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑ Μ.Ε.Κ. ΚΑΥΣΗ ΜΗΧΑΝΙΚΟ ΕΡΓΟ 3

Η διεργασία της καύσης ΚΑΥΣΙΜΟ ΚΑΥΣΑΕΡΙΑ ΟΞΥΓΟΝΟ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑ 4

Η μελέτη της διεργασίας της καύσης Κατά τη διεργασία της καύσης λαμβάνουν ταυτόχρονα χώρα πολύπλοκα φαινόμενα Μεταφοράς μάζας Μεταφοράς θερμότητας Μεταφοράς ορμής Χημικής κινητικής Η μελέτη της διεργασίας είναι σύνθετη και προϋποθέτει γνώσεις Θερμοδυναμικής, Αεροδυναμικής και Χημείας 5

Καύσιμα Τα καύσιμα υλικά μπορεί να είναι στερεά, υγρά ή αέρια. Τα στοιχεία του καυσίμου που καίγονται είναι κυρίως ο άνθρακας, το υδρογόνο και κατά δεύτερο λόγο το θείο. Γιατί τα αέρια καύσιμα υπερτερούν των υγρών; Τέλειακαύσηονομάζεταιαυτήπουταπροϊόντατηςδεν μπορούν να καούν περαιτέρω. C CO 2, H H 2 0, S SO 2 ΗπαρουσίαCO στα καυσαέρια υποδηλώνει ότι η καύση είναι ατελής 6

Αντιδράσεις καύσης 2 Η 2 + Ο 2 2 Η 2 Ο C + O 2 CO 2 2 CO + O 2 2 CO 2 S + O 2 SO 2 C m H n + (m+n/4) O 2 m CO 2 + n/2 H 2 O CH 4 + 2 O 2 CO 2 + 2 H 2 O C 8 H 18 + 25/2 O 2 8 CO 2 + 9 H 2 O 7

Παράγοντες που επιδρούν στην καύση Διαμόρφωση θαλάμου καύσης και κεφαλής του κυλίνδρου Είδος ροής του καυσίμου μίγματος στο θάλαμο καύσης - σπειροειδής ροή (στροβιλισμός) & τυρβώδης ροή - πλήθος, σχήμα, μέγεθος, θέση & χρονισμός βαλβίδων Χρόνος ανάφλεξης ή έγχυσης, θέση αναφλεκτήρα ή εγχυτήρα Λόγος συμπίεσης Λόγος αέρα/καυσίμου Ιδιότητες καυσίμου Προετοιμασία του μίγματος Ανακυκλοφορία καυσαερίων (EGR) Βαθμός ψύξης τοιχωμάτων θαλάμου και εμβόλου 8

Προετοιμασία του μίγματος (βενζινοκινητήρες) Στόχος είναι η παρασκευή ομογενούς μίγματος αέρακαυσίμου στην επιθυμητή αναλογία. Για τη δημιουργία ομογενούς μίγματος τα συστατικά πρέπει να βρίσκονται στην ίδια φάση. Το καύσιμο δηλαδή πρέπει να έχει εξατμιστεί πριν την ανάφλεξη. Τι συμβαίνει στην κρύα εκκίνηση; Ρύθμιση της ροπής του κινητήρα μέσω του συστήματος προετοιμασίας με στραγγαλισμό του ρεύματος εισαγωγής. Ομοιόμορφη διανομή στους κυλίνδρους. Υπεροχή συστημάτων ψεκασμού πολλαπλών σημείων. Σημαντικός είναι ο σχεδιασμός της πολλαπλής εισαγωγής. 9

Ανάφλεξη Επίδραση του λ και της ταχύτητας ροής του μίγματος στην απαιτούμενη ενέργεια έναυσης σε μίγμα προπανίουαέρα σε πίεση 0.17 atm Heywood, 1988 φ = 1/λ 10

Προπορεία ανάφλεξης - Κρουστική καύση Heywood, 1988 Η μεγαλύτερη δυνατή προπορεία της ανάφλεξης καθορίζεται από το σημείο που αρχίζει η κρουστική καύση, ενώ η ελάχιστη από το όριο καύσης ή από τη μέγιστη επιτρεπόμενη θερμοκρασία των καυσαερίων 11

Ανακυκλοφορία καυσαερίων EGR: Exhaust Gas Recirculation Αποσκοπεί στη μείωση των εκπομπών NO x. Στους βενζινοκινητήρες μειώνεται η θερμοκρασία της καύσης ενώ στους πετρελαιοκινητήρες μειώνεται η περίσσεια οξυγόνου. Ποσοστό ανακυκλοφορίας Βενζινοκινητήρες: 5% - 15% Πετρελαιοκινητήρες: έως 50% 12

Λόγος αέρα/καυσίμου Ολόγοςαέρα/καυσίμου είναι ο λόγος της μάζας του αέρα προς τη μάζα του καυσίμου (AFR ή A/F) περίσσεια οξυγόνου φτωχό μίγμα περίσσεια καυσίμου πλούσιο μίγμα Στοιχειομετρικός λόγος αέρα/καυσίμου είναι αυτός που η ποσότητα του περιεχομένου στον αέρα οξυγόνου είναι όση ακριβώς χρειάζεται για την πλήρη καύση του καυσίμου (τέλεια ή στοιχειομετρική καύση). Στοιχειομετρικός λόγος βενζίνης: Στοιχειομετρικός λόγος αιθανόλης: 9:1 14.7:1 περίπου 13

Λάμδα (λ ) Ορίζεται ως ο λόγος της αναλογίας αέρα/καυσίμου που λειτουργεί η μηχανή προς τον στοιχειομετρικό λόγο. λ = A F ( A F ) στοιχ λ < 1 πλούσιο μίγμα λ = 1 στοιχειομετρικό μίγμα λ > 1 φτωχό μίγμα Στους βενζινοκινητήρες: 0.6 < λ < 1.6 14

Επίδραση του λ σε βενζινοκινητήρα Καμπύλη αγκίστρου a φτωχότερο μείγμα λειτουργίας μηχανής b καλύτερος θερμικός βαθμός απόδοσης c στοιχειομετρικός λόγος (λ =1) d μέγιστη ισχύς e πλουσιότερο μείγμα λειτουργίας μηχανής Plint & Martyr, 1999 15

Μέση πίεση και ειδική κατανάλωση Plint & Martyr, 1999 Επίδραση του λόγου αέρα/καυσίμου στη μέση πίεση και την ειδική κατανάλωση σε βενζινοκινητήρα 16

Λόγος αέρα καυσίμου σε κινητήρες Diesel Bosch, 2007 Στα ετερογενή μείγματα, ο λόγος αέρα καυσίμου εκτείνεται από καθαρό αέρα στην περιφέρεια των σταγονιδίων (λ ) έως καθαρό καύσιμο στον πυρήνα των σταγονιδίων (λ = 0) 17

Καύση σε βενζινοκινητήρες & πετρελαιοκινητήρες Η βασική διαφορά μεταξύ των βενζινοκινητήρων (ανάφλεξη με σπινθήρα) και των πετρελαιοκινητήρων (αυτανάφλεξη με συμπίεση) έγκειται περισσότερο στο είδος της καύσης και λιγότερο στον θεωρητικό κύκλο λειτουργίας (Otto ή Diesel). Στην πραγματικότητα η διεργασία της καύσης στις Μ.Ε.Κ. δεν γίνεται ούτε υπό σταθερό όγκο (κύκλος Otto) ούτε υπό σταθερή πίεση (κύκλος Diesel). 18

Καύση σε βενζινοκινητήρες & πετρελαιοκινητήρες Βενζινοκινητήρες Ομογενές καύσιμο μίγμα - Φλόγα προανάμειξης Στοιχειομετρική αναλογία για αξιόπιστη ανάφλεξη και καλή καύση Έλεγχος της αποδιδόμενης ισχύος μέσω στραγγαλισμού της ροής του μίγματος αέρα-καυσίμου (μείωση απόδοσης) Πετρελαιοκινητήρες Ετερογενές καύσιμο μίγμα - Φλόγα διάχυσης Στοιχειομετρική αναλογία μόνο στο μέτωπο της φλόγας Έλεγχος της αποδιδόμενης ισχύος με τον έλεγχο της ποσότητας του εγχυομένου καυσίμου (οικονομία καυσίμου) 19

Φλόγα προανάμειξης Όταν τα αντιδρώντα (καύσιμο και αέρας) έχουν αναμειχθεί εκ των προτέρων, το μέτωπο της φλόγας κινείται διαχωρίζοντας τα αντιδρώντα (καύσιμο μίγμα) από τα προϊόντα (καυσαέρια). Stone, 1999 Η φλόγα προανάμειξης μπορεί να είναι στρωτή ή τυρβώδης 20

Φλόγα προανάμειξης Οξυγονοκόλληση 21

Φλόγα διάχυσης Η φλόγα εκδηλώνεται στη διεπιφάνεια μεταξύ καυσίμου και οξειδωτικού. Τα προϊόντα της καύσης (καυσαέρια) διαχέονται στο οξειδωτικό και αντίστροφα το οξειδωτικό διαχέεται στα καυσαέρια. Το ίδιο συμβαίνει και στην πλευρά του καυσίμου. Stone, 1999 Η φλόγα διάχυσης μπορεί να είναι στρωτή ή τυρβώδης 22

Φλόγα διάχυσης Κερί 23

Φλόγα λύχνου Bunsen Διάφοροι τύποι φλόγας ενός λύχνου Bunsen 24 Το είδος της φλόγας εξαρτάται από την παροχή οξυγόνου 1. Πλούσιο μίγμα χωρίς προανάμειξη: Ατελής καύση και παραγωγή αιθάλης στην οποία οφείλεται το κίτρινο χρώμα. 4. Φτωχό μίγμα με πλήρη προανάμειξη: Τέλεια καύση χωρίς παραγωγή αιθάλης. Το γαλάζιο χρώμα οφείλεται στη διέγερση μοριακών ριζών.

Καύση σε βενζινοκινητήρα Stone, 1999 25

Καύση σε βενζινοκινητήρα 28

Καύση σε πετρελαιοκινητήρα (άμεσου ψεκασμού) 1a 1b 1c 2 Σειρά 1: Μέτριο φορτίο 1a 0-2 ATDC έγχυση καυσίμου 1b 4 1 / 2-6 1 / 2 ATDC έναρξη καύσης 1c 10-12 ATDC εξελιγμένη καύση Σειρά 2: Υψηλό φορτίο Stone, 1999 2 10-12 ATDC εξελιγμένη καύση 29

Ποιότητα καυσίμου Φυσικοχημικές ιδιότητες Ιδιότητα Χημικός τύπος Μοριακό βάρος Άνθρακας/Υδρογόνο (w/w) % Άνθρακας (w/w) % Υδρογόνο (w/w) % Οξυγόνο (w/w) Σημείο βρασμού @ 1 atm ( C) Σημείο πήξης @ 1 atm ( C) Πυκνότητα @ 15.5 C (kg/l) Τάση ατμών RVP (kpa) Ιξώδες @ 20 C/1 atm (Centipoise) Κατώτερη θερμογόνος δύναμη (kj/kg) Λανθάνουσα θερμότητα εξαέρωσης @20 C (kj/kg) 30 Βενζίνη C4 έως C12 100-105 ~6.4 85-88 12-15 0 27-225 -40 0.72-0.78 55-102 0.37-0.44 40100-41900 330-400 Diesel C8 έως C25 ~200 ~5.9 84-87 13-16 0 188-343 -40 έως -30 0.81-0.89 < 1 2.6-4.1 42900-43100 ~233

Ποιότητα καυσίμου Φυσικοχημικές ιδιότητες Ιδιότητα Αριθμός οκτανίου RON Αριθμός οκτανίου ΜON Αριθμός κετανίου Σημείο ανάφλεξης ( C) Σημείο αυτανάφλεξης ( C) Κατώτερο όριο τάσης ανάφλεξης (%vol) Ανώτερο όριο τάσης ανάφλεξης (%vol) Διαλυτότητα καυσίμου στο νερό Διαλυτότητα νερού στο καύσιμο Ηλεκτρική αγωγιμότητα (S/m) Στοιχειομετρική αναλογία αέρα/καυσίμου 14.7 14.7 Λόγος mol προϊόντων / moles O 2 +N 2 1.08 1.07 kg CO 2 ανά kg καυσίμου Βενζίνη 88-98 80-88 5-20 -42.8 257.2 1.4 7.6 Αμελητέα Αμελητέα 1.35 10-11 3.18 Diesel - - 40-55 52 ~316 1.0 6.0 Αμελητέα Αμελητέα 3.26 31

Θερμογόνος δύναμη Θερμογόνος δύναμη ονομάζεται η θερμότητα που εκλύεται κατά την καύση συγκεκριμένης ποσότητας στερεών, υγρών και αερίων καυσίμων. Κατώτερη θερμογόνος δύναμη Η u Ανώτερη θερμογόνος δύναμη H o H u = H o -m H2O c Στα στερεά & υγρά δίδεται ανά μονάδα βάρους kj/kg Στα αέρια δίδεται ανά μονάδα όγκου υπό Κ.Σ. kj/m 3 (n) 32

Κατώτερη θερμογόνος δύναμη Υγρά καύσιμα Βενζίνη Diesel Κηροζίνη Αργό πετρέλαιο Εξάνιο Ισο-οκτάνιο Αιθανόλη Μεθανόλη kj/kg 40100-41900 42900-43100 43000 39800-46100 44700 44600 26800 19700 Bosch, 2007 33

Κατώτερη θερμογόνος δύναμη Αέρια καύσιμα LPG (Liquified Petroleum Gas) Φυσικό αέριο (Βόρειος θάλασσα) kj/m 3 46100 46700 Φυσικό αέριο (Ρωσία) 49100 Υδρογόνο H 2 Μεθάνιο CH 4 120000 Προπάνιο C 3 H 8 50000 Βουτάνιο C 4 H 10 46300 45800 Ακετυλένιο C 2 H 2 48100 Bosch, 2007 34

Χημεία της καύσης -Mole Mole: Μονάδα ποσότητας ύλης Μαζικός αριθμός Α (p + &n 0 ) Ατομικός αριθμός Ζ (p + ) 12 6C Το mole είναι η ποσότητα ύλης συστήματος που περιέχει τόσες στοιχειώδεις οντότητες όσα είναι τα άτομα που υπάρχουν σε 0,012 kg άνθρακος 12. Εφ' όσον χρησιμοποιείται το mole, οι στοιχειώδεις οντότητες πρέπει να καθορίζονται και μπορεί να είναι άτομα, μόρια, ιόντα, ηλεκτρόνια, άλλα σωματίδια ή καθορισμένα συγκροτήματα τέτοιων σωματιδίων. Στο Διεθνές Σύστημα η πρότυπη μονάδα είναι το kmol 35

Χημεία της καύσης -Mole 1 mol σιδήρου περιέχει τον ίδιο αριθμό ατόμων με 1 mol χρυσού 1 mol αιθανόλης περιέχει τον ίδιο αριθμό μορίων με 1 mol νερού Ο αριθμός ατόμων ενός mol σιδήρου είναι ίδιος με τον αριθμό μορίων ενός mol νερού Σταθερά Avogadro: Ν Α = 6.022 x 10 26 kmol -1 Πόση ποσότητα είναι 1 mol σπόρων καλαμποκιού; Τόση, ώστε να καλύψει ομοιόμορφα όλη την έκταση των Η.Π.Α.... σε ύψος 15 km 36

Χημεία της καύσης - Σχετική ατομική μάζα Το mol ατόμων έχει μάζα σε γραμμάρια όσο η σχετική ατομική μάζα Α r (ατομικό βάρος) του στοιχείου. Σχετική ατομική μάζα A r στοιχείου είναι ο αριθμός που δείχνει πόσες φορές είναι μεγαλύτερη η μάζα του ατόμου του στοιχείου από το 1/12 της μάζας του 12 C. Η σχετική ατομική μάζα ενός στοιχείου είναι καθαρός αριθμός και συμπίπτει πρακτικά με το μαζικό αριθμό του (A). Γιατί όμως οι σχετικές ατομικές μάζες των στοιχείων δεν είναι ακέραιοι αριθμοί; Το άτομο του C δεν είναι 12 φορές το 1/12 του; Γιατί στον περιοδικό πίνακα η σχετική ατομική του μάζα αναγράφεται 12.0107; 37

Περιοδικός πίνακας στοιχείων http://go.hrw.com 38

Νόμοι διατήρησης φυσικών μεγεθών Τα φαινόμενα καύσης υπακούουν στην αρχή της διατήρησης των φυσικών μεγεθών. Οι σχετικοί νόμοι είναι: Διατήρηση της συνολικής μάζας Διατήρηση της μάζας ενός χημικού στοιχείου Ισοζύγιο μάζας των χημικών συστατικών Ισοζύγιο ενέργειας Ισοζύγιο ορμής σε διάφορες κατευθύνσεις 39

Στοιχειομετρική καύση εc α H β O γ N δ + (0.21 Ο 2 + 0.79 Ν 2 ) ν 1 CO 2 + ν 2 H 2 O + ν 3 Ν 2 C α H β O γ N δ : Χημικός τύπος καυσίμου ε : λόγος μορίων καυσίμου/αέρα Προϊόντα της στοιχειομετρικής καύσης είναι μόνο το CO 2 και το H 2 O 40

Στοιχειομετρική καύση εc α H β O γ N δ + (0.21 Ο 2 + 0.79 Ν 2 ) ν 1 CO 2 + ν 2 H 2 O + ν 3 Ν 2 Οι συντελεστές ε, ν 1, ν 2 και ν 3 υπολογίζονται βάσει της αρχήςδιατήρησηςτηςμάζαςκάθε στοιχείου: Άτομα C εα = ν 1 Η εβ = 2ν 2 Ο εγ + 2 (0.21) = 2ν 1 +ν 2 Ν εδ + 2 (0.79) = 2ν 3 41

Στοιχειομετρική καύση Ορίζεται ως ισοδύναμος λόγος φ (equivalence ratio) o πραγματικός λόγος καυσίμου/αέρα προς τον στοιχειομετρικό φ = Το λ έχει ήδη ορισθεί ως: F = F s λ = F A ( F A) στοιχ A F ( A F ) στοιχ φ = 1 λ Ηγενικήχημικήαντίδρασητηςκαύσηςμπορείναγραφεί φεc α H β O γ N δ + (0.21 Ο 2 + 0.79 Ν 2 ) ν 1 CO 2 + ν 2 H 2 O + ν 3 Ν 2 + ν 4 O 2 + ν 5 CO + ν 6 H 2 42

Επίλυση προβλημάτων καύσης φτωχού μίγματος φεc α H β O γ N δ + (0.21 Ο 2 + 0.79 Ν 2 ) ν 1 CO 2 + ν 2 H 2 O + ν 3 Ν 2 + ν 4 O 2 + ν 5 CO + ν 6 H 2 Όταν το μίγμα είναι φτωχό (δίδεται φ < 1 ή λ > 1) μπορεί να γίνει η παραδοχή ότι τα καυσαέρια δεν περιλαμβάνουν CO και H 2. Είναι δηλαδή ν 5 = ν 6 = 0. Το ε υπολογίζεται από την στοιχειομετρική αντίδραση καύσης. Επομένως οι 4 άγνωστοι συντελεστές ν 1, ν 2, ν 3 και ν 4 μπορούν να υπολογιστούν επιλύοντας το σύστημα των 4 ισοζυγίων των ατόμων C, H, O και N. 43

Επίλυση προβλημάτων καύσης πλουσίου μίγματος φεc α H β O γ N δ + (0.21 Ο 2 + 0.79 Ν 2 ) ν 1 CO 2 + ν 2 H 2 O + ν 3 Ν 2 + ν 4 O 2 + ν 5 CO + ν 6 H 2 Όταν το μίγμα είναι πλούσιο (δίδεται φ >1 ή λ <1)μπορεί να γίνει η παραδοχή ότι τα καυσαέρια δεν περιλαμβάνουν O 2. Είναι δηλαδή ν 4 = 0. Το ε υπολογίζεται από την στοιχειομετρική αντίδραση καύσης. Για την εύρεση των 5 συντελεστών ν 1, ν 2, ν 3, ν 5 και ν 6 δεν αρκούν τα 4 ισοζύγια των ατόμων C, H, O και N. Θα χρησιμοποιηθεί η σταθερά ισορροπίας της αντίδρασης CO 2 + H 2 CO + H 2 O Τώρα έχουμε 5 εξισώσεις και 6 αγνώστους... 44 K ν 2ν = ν ν 1 5 6

Επίλυση προβλημάτων καύσης πλουσίου μίγματος Για πλούσιο μίγμα δίδεται όπου: ν 5 b + = a = 1 K 2 b 2a 4ac b =0.42-φ ε(2α-γ) + Κ [0.42(φ -1) + αφ ε] c =-0.42αφ ε(φ -1)Κ Οπότε έχουμε 9 εξισώσεις και 9 αγνώστους Αν όμως είναι γνωστή η θερμοκρασία των καυσαερίων Τ, υπάρχει συσχέτιση με τη σταθερά ισορροπίας Κ όταν 300 < Τ < 1000 K ln K = 2.743 1.761 t 1.611 t 2 + 0.2803 t 3 και t = T 1000 45

Βιβλιογραφία Bosch (2007). Bosch Automotive Handbook, 7th Edition. Robert Bosch GmbH, Plochingen, Germany. Ferguson Colin (1986). Internal combustion engines, applied thermosciences. John Wiley & Sons, Inc., U.S.A. Heywood, John (1988). Internal Combustion Engine Fundamentals. McGraw-Hill Book Co., U.S.A. Plint Michael & Martyr Anthony (1999). Engine testing: Theory and Practice, 2nd Edition. Butterworth-Heinemann, Oxford, United Kingdom. Stone Richard (1999). Introduction to Internal Combustion Engines, 3rd Edition. Palgrave, New York, U.S.A. Τριανταφύλλης Ιωάννης (1998). Διδακτικές σημειώσεις εργαστηριακού μαθήματος Μ.Ε.Κ. ΙΙ. Τμήμα Οχημάτων, Σχολή Τεχνολογικών Εφαρμογών, Τ.Ε.Ι. Θεσσαλονίκης. 46