Топливо для двигателей. Свойства и физико-химические характеристики. Теплота сгорания топлива

 

Действительный рабочий цикл ДВС осуществляется в результате выделения теплоты при химических реакциях сгорания топлива непосредственно в цилиндре двигателя.

В качестве топлива для двигателей используют жидкие нефтепродукты (бензин, дизтоплива, тяжелое дизельное топливо) и горючие газы, основную часть которых составляют углеводороды.

Топливо и воздух на горение в зависимости от физических свойств топлива вводится в цилиндр двигателя совместно или раздельно.

При проектировании нового двигателя обязательно указывается вид топлива. Для характеристики конструктивных особенностей двигатели часто называют по роду используемого топлива (газообразные, бензиновые).

В зависимости от физического состояния и метода получения газообразного топлива различают сжиженный газ (смеси углеводородов, которые при 20 С и давлении 760 мм рт.ст. газообразны, а при понижении температуры или повышении давления превращаются в жидкость), сжатый газ, генераторный газ и т.п. Выбор газа в качестве топлива для ДВС определяется его способностью к воспламенению и скоростью распространения пламени в газо-воздешной смеси.

Жидкое топливо получается в основном в результате переработки нефти. Нефтяное жидкое топливо состоит в основном из углерода 85-87%, водорода 12-15%, кислорода 0-0,5%. Жидкие топлива делят на топлива для карбюраторных двигателей и для двигателей с воспламенением от сжатия (дизеля).

Бензин — основной вид топлива для карбюраторных двигателей. Сырьем для получения бензина служит нефть, нефтяные газы, бурый и каменный уголь, горючие сланцы.

Октановое число́ — показатель, характеризующий детонационную стойкость топлива (способность топлива противостоять самовоспламенению при сжатии) для двигателей внутреннего сгорания. Число равно содержанию (в процентах по объёму) изооктана(2,2,4-триметилпентана) в его смеси с н-гептаном, при котором эта смесь эквивалентна по детонационной стойкости исследуемому топливу в стандартных условиях испытаний.

Бензин как топливо должен обладать хорошей испаряемостью, стойкостью против детонации, высокой стабильностью (т. е. способностью сохранять первоначальные свойства при длительном хранении), не содержать соединений, вызывающих коррозию металла, и не содержать смолистых отложений, а также воды и механических примесей.

Об испаряемости бензина судят по его фракционному составу.

Фракционный состав характеризуется температурой выкипания 10%; 50%; 90 % топлива и температурой конца выкипания.

Температура выкипания 10% топлива характеризует его пусковые качества: чем ниже эта температура, тем легче можно пустить двигатель.

Температура выкипания 50% топлива характеризует способность его обеспечивать быстрый прогрев двигателя, устойчивость его работы на малой частоте вращения коленчатого вала и приемистость двигателя.

Температура выкипания 90 % топлива и конца выкипания характеризует полноту его испарения.

Температура начала кипения бензина должна быть не ниже 30 °С, для того, чтобы в жаркое время года не образовывались "паровые" пробки в топливопроводах и фильтрах.

Стойкость бензина против детонации оценивается октановым числом, которое присутствует в каждой марке бензина. Так, например, в марке бензина АИ-92 буква А означает, что бензин предназначен для автомобилей, буква И — что октановое число данного бензина определяют по исследовательскому методу, а цифра 92 — октановое число. В марке А-76, где нет буквы И — октановое число 76 определено по моторному методу.

На слух детонация проявляется в звонких металлических стуках при работе двигателя. Кроме того, при детонации в отработавших газах периодически появляется черный дым, двигатель перегревается и его мощность падает.

Чем выше октановое число, тем меньше склонность бензина к детонации, поэтому для повышения октанового числа к бензинам добавляют антидетонатор — этиловую жидкость. Бензин, в который добавлена этиловая жидкость, называют этилированным. Этиловая жидкость ядовита, поэтому этилированные бензины тоже ядовиты и применение их требует строгого соблюдения правил техники безопасности. Присутствие в бензине кислот и сернистых соединений вызывает коррозию металлов, поэтому содержание их строго ограничивается.

Вода и механические примеси в бензине не допускаются. Вода способствует коррозии топливных баков и тары, а также ускоряет осмоление бензина.

В соответствии с рекомендациями заводов-изготовителей автомобилей применяют марки бензинов:

Дизельные топлива. Это топливо применяется для дизелей.

Основными свойствами дизельного топлива являются температура самовоспламенения, температура застывания и вязкость.

Цетановое число — характеристика воспламеняемости дизельных топлив, определяющая период задержки воспламенения смеси (промежуток времени от впрыска топлива в цилиндр до начала его горения). Чем выше цетановое число, тем меньше задержка и тем более спокойно и плавно горит топливная смесь.

Температурой самовоспламененияназывается температура, до которой необходимо нагреть смесь дизельного топлива с воздухом, чтобы начался процесс ее горения. Эта температура равна примерно 300—350 °С. Самовоспламеняемость дизельного топлива определяют по цетановому числу. Чтобы определить цетановое число, дизельное топливо сравнивают с эталонными топливами, цетановое число которых заранее известно. Цетановое число находится в пределах 40—45 единиц.

Температура застываниядизельного топлива оказывает влияние на работу дизеля: чем она ниже, тем надежнее работает дизель, так как при застывании топливо превращается в желеобразную массу и подача его из топливных баков в цилиндры двигателя становится невозможной. Температура застывания дизельного топлива должна быть на 10—15°С ниже температуры окружающего воздуха в районе его эксплуатации.

Выпускают следующие марки дизельного топлива: Л — летнее, 3 — зимнее, А — арктическое.

Газовое топливо, используемое в газобаллонных автомобилях, может быть как естественного, так и искусственного происхождения и применяться в сжатом или сжиженном виде. К сжатым газам относят природный газ (метан) и промышленные газы. Сжиженными называют такие газы, которые переходят из газообразного в жидкое состояние при нормальной температуре и давлении до 1,6 МПа. К ним относят углеводороды, получаемые при переработке нефти.

Газ как топливо имеет ряд преимуществ: обеспечивает лучшее смесеобразование, позволяет использовать бедные горючие смеси. К недостаткам газового топлива относят меньшую теплоту сгорания горючей смеси. В результате этого мощность двигателя уменьшается на 7...20%.

К физико-химическим характеристикам топлива относят:

- испаряемость – способность переходить в парообразное состояние, характеризуется фракционным составом;

- вязкость влияет на процессы распыливания и топливоподачи;

- детонационная стойкость влияет на нормальное распределение пламени при сгорании. Работа двигателя на детонационном режиме недопустима вследствие перегрева двигателя, падения мощности, прогорания поршней, клапанов. Детонационная стойкость бензина характеризуется октановым числом, т.е. процентным по объему содержанием изооктана в такой смеси с нормальным гептаном, которая по детонационной стойкости равноценна данному топливу. Так, если исследуемое топливо детонирует так же, как смесь, содержащая 70% изооктана и 30% нормального гептана, то октановое число такого топлива = 70;

- склонность к воспламенению. Воспламеняемость дизельных топлив зависит от группового химического состава;

- примеси. Топливо не должно содержать механические примеси, воду, корродирующие вещества;

- температуру кристаллизации.

Одной из наиболее важных технических характеристик топлива является теплота сгорания.

Теплотой сгорания называют количество тепла, которое выделяется при полном сгорании 1 нм³ газообразного топлива. На практике теплоту сгорания топлива определяют методом калориметрирования. В закрытом сосуде сжигают определенное количество топлива. Теплота сгоревшего топлива через стенки сосуда передается воде. Зная это количество воды, окружающей сосуд, теплоемкость сосуда и разность температур воды до и после опыта, определяют теплоту сгорания топлива.

Различают высшую и низшую  теплоту сгорания топлива. Теплота сгорания высшая больше, чем теплота сгорания низшая на количество теплоты, которое затрачивается на испарение влаги рабочей массы топлива и влаги, получаемой при сгорании водорода, входящего в состав топлива.

Высшая теплота сгорания определяется по формуле Менлелеева

 

Q_s^af=81С + 300Н − 26(О-S),

 

где С, Н, О, S — массовая доля элементов в веществе ТГИ, %

Низшая теплота сгорания определяется по формулам (кДж/кг или ккал/кг):

 

 (для твердого вещества)

 

или

 

 (для жидкого вещества), где:

 

• 2514 — теплота парообразования при температуре 0 °C и атмосферном давлении, кДж/кг;

• H^P и W^P — содержание водорода и водяных паров в рабочем топливе, %;

• 9 — коэффициент, показывающий, что при сгорании 1 кг водорода в соединении с кислородом образуется 9 кг воды.

Соотношение между теплотой сгорания высшей и низшей в кДж/кг

 

 

Для удобства расчетов и сравнения теплоты сгорания различных видов топлива пользуются понятием условное топливо. Теплота сгорания условного топлива составляет 29,3 МДж/кг (7000 ккал/кг).

 

Для пересчета расходов натурального топлива на условное служит тепловой эквивалент топлива

 

,

 

где В_у и В_р — расходы соответственно условного и рабочего (натурального) топлива; Э — тепловой эквивалент топлива,

 

,

 

Или

 

 

Газообразное топливо представляет собой смесь различных газов. Природные газы содержат от 80 до 98% метана. Попутные газы, выходящие на поверхность из нефтяных скважин одновременно с добываемой нефтью, состоят из метана (40—60%) и тяжелых углеводородов (этана, пропана, бутана). Теплота сгорания природного газа , попутного .

Из искусственных газов наибольшее распространение получили генераторный газ , коксовой с и доменный с .

 

Двухтактные двигатели

 

ДВС, в которых рабочий цикл совершается за два хода поршня (один оборот коленчатого вала), называется двухтактными.

В двухтактном двигателе отсутствуют клапаны. Впуск горючей смеси и выпуск отработавших газов двигателей происходят через окна в цилиндре, которые своевременно открываются и закрываются движущимся поршнем.

Первый такт. При движении вверх поршень 2 (рис. 3.а) перекрывает выпускные окна 3 в цилиндре, в результате чего рабочая смесь над поршнем сжимается. Одновременно под поршнем создается разряжение, и из карбюратора 4 через выпускные окна 5 цилиндра горючая смесь засасывается в кривошипную камеру 6.

При подходе поршня к верхней мертвой точке (в.м.т.) в искровой свече зажигания 1 (рис. 3.б) образуется электрическая искра и рабочая смесь в цилиндре воспламеняется. На этом заканчивается первый такт.

Второй такт. Под давлением образовавшихся от сгорания рабочей смеси газов поршень перемещается вниз, совершая рабочий ход, который происходит до тех пор, пока не откроются выпускные клапана и начнется выпуск отработавших газов через выпускную трубу наружу. При движении поршня вниз горючая смесь в кривошипной камере сжимается. В конце второго такта поршень открывает окна продувочного канала 7 и горючая смесь нагнетается из кривошипной камеры в цилиндр, вытесняя из него отработавшие газы (рис. 3.в). происходят продувка и одновременно наполнение цилиндра свежей горючей смесью. При этом горючая смесь частично выходит вместе с отработавшими газами.

 

Рис.3. Схема работы двухтактного двигателя: а - первый такт; б – конец первого и начало второго такта; в – конец второго такта; 1 – искровая свеча зажигания; 2 – поршень; 3 и 5 – выпускное и впускное окна цилиндра; 4 – карбюратор; 6 – кривошипная камера; 7 – продувочный канал; 8 – цилиндр; 9 – выпускная труба; 10 – картер.

 

Таким образом, за два хода поршня (два такта) совершается полный рабочий цикл. Однако двухтактные двигатели менее экономичны, чем четырехтактные. При продувке через выпускные окна теряется 30% горючей смеси. Поэтому на тракторах их используют при кратковременной работе для пуска двигателя.