Рабочие тела и их свойства

Лекция №3

Понятие о рабочих телах, применяемых в ДВС.
Состав и основные свойства топлив.
Химические реакции окисления компонентов топлива, количество воздуха.
Термодинамические свойства свежего заряда.
Альтернативные топлива.

1 Понятие о рабочих телах, применяемых в ДВС.

Рабочим телом называются физические вещества, с помощью которых тепловая энергия топлива превращается в механическую работу. В тепловых двигателях рабочим телом являются газы, образующиеся при сгорании (окислении) топлива. Газы обладают большим коэффициентом теплового расширения. Для упрощения вводится понятие идеального газа – нет сил сцепления между молекулами и молекулы рассматриваются как материальные точки, не имеющие объема. В двигателях внутреннего сгорания тепловая энергия, необходимая для совершения механической работы, получается в результате химических реакций между вводимым в цилиндр топливом и кислородом воздуха. Время, в течение которого протекают эти реакции в современных быстроходных двигателях, весьма ограничено и составляет сотые и даже тысячные доли секунды. Длительность процесса подготовки смеси топлива с воздухом к химической реакции зависит от типа смесеобразования и тактности двигателя.

Способы образования топливовоздушной смеси и протекание химических реакций обусловливают ряд требований, предъявляемых к топливам, применяемым в двигателях внутреннего сгорания.

В двигателях с внешний смесеобразованием (карбюраторные, газовые и с впрыском топлива во впускную трубу) топливо, подаваемое вместе с воздухом через впускной клапан, должно легко испаряться и образовывать гомогенную смесь с поступающим воздухом. В двигателях с внутренним смесеобразованием (дизели) топливо подается непосредственно в цилиндр. Начало подачи топлива происходит в конце сжатия и незначительно опережает момент воспламенения, а часть топлива вводится в процессе сгорания. В этих условиях нужно обеспечить хорошее распыливание топлива, при котором образующиеся мельчайшие капли смешиваются с находящимся в цилиндре воздухом. Необходимо, чтобы период процесса сгорания топлива в цилиндре был небольшим. Также необходимо, чтобы применяемое топливо:

1) обеспечивало быстрый и надежный пуск двигателя независимо от температуры внешней среды;

2) позволяло осуществить процесс сгорания без образования нагара и кокса на поверхностях камеры сгорания;

3) способствовало уменьшению износа и коррозии зеркала цилиндра, поршневых колец и поршня

4) обеспечивало условия полного и своевременного сгорания и снижения кол-ва токсических составляющих и продуктов сгорания.

Наиболее полно указанным требованиям удовлетворяют жидкие и газообразные топлива. Твердое топливо в двигателях внутреннего сгорания можно применять после предварительной газификации в газогенераторной установке.

2 Состав и основные свойства топлив

Структура топлива. В двигателях внутреннего сгорания применяют жидкие и газообразные топлива. Главным источником для получения жидкого топлива является природная нефть. В результате перегонки и вторичной переработки получают бензин, лигроин, керосин, дизельное топливо, соляровое масло, мазут и т.п. Жидкое топливо получают и в результате переработки каменного и бурого угля, а также сланцев. В автомобильных и тракторных двигателях применяют бензин, дизельное топливо, а также газовое топливо. В распространенных в настоящее время многотопливных дизелях состав применяемых топлив расширился. В них может быть использовано до 71% топливных фракций нефти (в карбюраторных двигателях и дизелях, взятых вместе только 54%). Жидкое топливо состоит в основном из смеси углеводородов, которые отличаются по групповому составу, определяющему химическую структуру топлива, и элементарному составу, показывающему содержание в нем отдельных элементов. Групповой состав характеризует содержание в топливе углеводородов различных гомологических рядов. Он определяет основные физико-химические свойства топлива и влияет на процессы испарения, воспламенения т горения топлива.

Состав нефти: парафины СnH2n+2, нафтены СnH2n и ароматические углеводороды СnH2n-6. В среднем в нефти содержится 84-85% углерода, 12-14% водорода, остальное – азот, кислород и сера. Бутан и изобутан С4Н10 и октан и изооктан С8Н18. Изомеры обладают меньшей склонностью к детонации. Ароматические углеводороды – бензол С6Н6, толуол С6Н5(СН3) повышают детонационную стойкость, но способствуют образованию нагара.

Элементарным составом топлива называют массовое или объемное содержание отдельных элементов в топливе. Элементарный состав жидкого топлива принято выражать в единицах массы. Например, в 1кг изооктана (С8Н18 ) содержится 0,842 кг углерода (С) и 0,158кг водорода (Н). Для 1кг жидкого топлива, состоящего из углерода (С), водорода(Н) и кислорода (Оm), при отсутствии серы можно написать: С + Н + Оm =1кг. Массовые доли указаны в таблице.

Показатели	Бензин	Дизтопливо
С – углерод	0,855	0,870
Н – водород	0,145	0,126
О – кислород	-	0,004
Низшая теплота сгорания	44 Мдж/кг	42,5 Мдж/кг

Газообразное топливо, применяемое для автомобильных двигателей, состоит из смеси различных газов – горючих и инертных. Его состав принято выражать в объемных единицах или молях. Для 1м3 или 1 моля газообразного топлива, обозначая объемные доли каждого газа, входящего в смесь, химической формулой, можно написать: Сумма СnНmОm +N2 =1

В автомобильных двигателях применяют сжимаемые и сжиженные газы. Сжимаемые газы обычно состоят из смеси метана, свободного водорода, окиси углерода, а также некоторого количества негорючих (инертных) газов - азота, углекислого газа, кислорода и др. Сжиженные газы, являющиеся продуктами нефтяного попутного и природного газов, состоят из пропана, нормального бутана и его изомера, некоторого количества этана и небольшого количества пентана. Наибольшее распространение в качестве топлива на автомобильных двигателях получили сжиженные газы. Газообразные топлива по сравнению с бензином обладают более высокой детонационной стойкостью.

Испаряемость топлива, зависящая от его фракционного состава, упругости паров, поверхностного натяжения и теплоты парообразования, является одной из основных характеристик топлива. Ее определяют в специальном приборе путем нагревания топлива и последовательного отбора фракций, выкипающих в определенных интервалах температур. Фракционный состав топлив устанавливается ГОСТом. Характерными точками для каждого топлива являются температуры, при которых выкипают 10, 50, и 90% его объема, а для бензинов и температура кипения. График зависимости фракционного состава топлива от температуры называют кривой фракционной разгонки. Фракционный состав топлива существенно влияет на полноту испарения, скорость образования топливовоздушной смеси и процесс сгорания. На рис. (кривая 1) для бензина – процесс разгонки ограничен температурами от 35-55 ОС до 200ОС, Кривая 2 характеризует фракционную разгонку керосина. Для дизельного топлива (кривая 3) – от 185-200ОС до 350ОС. Детонационная стойкость и воспламеняемость топлива.

Автомобильный бензин применяется в двигателях с искровым зажиганием. В этих двигателях скорость горения топливовоздушной смеси не должна превосходить некоторых пределов. В случае чрезмерно высокой скорости сгорания в последней его фазе процесс протекает ненормально (детонационное сгорание), с резкими стуками, перегревом и даже разрушением основных деталей. Кроме условий работы возникновение детонации зависит от склонности топлива к детонационному сгоранию, которая у разных бензинов различна и зависит от их группового состава. Детонационная стойкость бензинов оценивается октановым числом (ОЧ), которое численно равно процентному содержанию (по объему) трудно детонирующего изооктана C8H18 (2-2-4-триметилпентан) в смеси с легко детонирующим Н-гептаном C7H16, эквивалентной по детонационным свойствам данному бензину при испытании в стандартных условиях на специальном одноцилиндровом двигателе. В дизелях топливо впрыскивается в нагретый вследствие сжатия воздух. Основным требованием к дизельному топливу является легкость его воспламенения при соприкосновении с нагретым воздухом. Она оценивается минимально возможным интервалом времени от момента начала подачи топлива до его воспламенения. Этот интервал, называемый периодом задержки воспламенения, зависит не только от условий работы, но в значительной мере и от физико-химических свойств топлива. Воспламеняемость топлива оценивается цетановым числом (ЦЧ). Для одних и тех же условий в конце процесса сжатия цетановое число определяется периодом задержки воспламенения. Чем оно выше, тем меньше период задержки воспламенения. Определение ЦЧ производят различными методами на специальных стандартизированных одноцилиндровых двигателях, где сравнивают испытуемое топливо с эталонной смесью двух химически чистых углеводородов – цетана С16Н34, который легко воспламеняется (ЦЧ=100), и -метилнафталин С10Н7СН3, который трудно воспламеняется (ЦЧ=0). ЦЧ данного топлива характеризуется процентным содержанием цетана в смеси с -метилнафталином, имеющей тот же период задержки воспламенения, что и испытуемое топливо в тех же условиях. Для повышения детонационной стойкости бензина наряду со специальной его обработкой применяют присадку к топливу – этиловую жидкость. Процентное содержание в топливе этой присадки ввиду ее токсичности ограничено. Этилированные бензины согласно ГОСТ 1084-67 должны иметь специальную окраску. При хранении, перевозке и применении этилированного бензина должны соблюдаться правила обращения с ним.

Для эксплуатации автомобилей в городах и районах с большой плотностью населения, а также непосредственно на предприятиях должны вырабатываться и поставляться неэтилированные бензины всех марок. Дизельные топлива вырабатываются по двум ГОСТам. ГОСТ 305-73- из сернистых нефтей, ГОСТ 4749-73 из малосернистых. Установлены четыре марки топлива: А и ДА - арктическое, применяемое в дизелях, применяемых при температурах ниже 30ОС, З, ЗС (зимнее северное) и ДЗ, используемое при температурах выше 30ОС до 0ОС, При температурах выше 0ОС применяют Л и ДЛ; топливо ДС (дизельное специализированное) отличается от других более высокими значениями цетанового числа (ЦЧ-50) и температуры вспышки (90ОС). Требования, которым должны удовлетворять топлива для двигателей: упругость паров, вязкость, плотность, температура застывания, вспышки и самовоспламенения, кислотность, содержание смол, поверхностное натяжение, коксообразование, зольность и др. В случае применения дизельного топлива с повышенным содержанием серы возможен чрезмерный износ зеркала цилиндра и поршневых колец. Во избежание увеличения этого износа при наличии в дизельном топливе серы более 0,2 % ( но не более1,0) должно использоваться дизельное масло с присадкой ЦИАТИМ-339, или с присадкой АзНИИ-7, или с присадкой, допущенной для дизелей данного типа. Для увеличения цетанового числа топлива в некоторых случаях к применяемым в дизелях топливам добавляются специальные присадки (нитраты и перекиси различных типов в кол-ве 0,5-0,3%). Для снижения дымности добавляют антидымные присадки.

3 Химические реакции окисления компонентов топлива, количество воздуха

Сгорание топлива в цилиндре двигателя является сложным химическим процессом. Опуская все промежуточные стадии процесса сгорания, рассмотрим конечные химические реакции элементов, входящих в состав топлив, с кислородом воздуха. Химические реакции при полном сгорании жидкого топлива. Элементарный состав топлив определяют по уравнению С + Н + Оm = 1. При полном сгорании топлива предполагается, что в результате реакций углерода и водорода с кислородом воздуха образуются соответственно углекислый газ и водяной пар. В этом случае окисление углерода и водорода топлива соответствует химическим уравнениям: С + О2 = СО2 и 2Н2 + О2 = 2Н2О.

При расчетах исходных и конечных продуктов реакции в массовых единицах получим: для C и Н2: -

для 1 кг С и Н2 -

Для сгорания для С(кг) углерода С требуется (кг) кислорода; и для сгорания Н(кг) водорода требуется кг кислорода. Если учесть количество кислорода, содержащегося в топливе, то для сгорания для 1 кг топлива требуется:

Кислород находится в воздухе, занимая приблизительно 23% от общего объема, тогда количество воздуха, необходимого для полного сгорания 1 кг топлива составит:

или

Кажущаяся молекулярная масса воздуха равна 28,97. Следовательно .

Коэффициент избытка воздуха. В автомобильном двигателе в зависимости от типа смесеобразования, условий воспламенения и сгорания топлива и режима работы количество действительно потребляемого воздуха может быть больше теоретически необходимого для полного сгорания, равно ему или меньше.

Отношение действительного количества воздуха, поступившего в цилиндр двигателя ( l в кг или L в кмоль) к количеству воздуха, теоретически необходимому для сгорания 1кг топлива, называется коэффициентом избытка воздуха и обозначается через .

При смесь называют богатой; - нормальной или стехиометрической; - бедной. В бензиновых двигателях с воспламенением однородной смеси от искры и смешанным регулированием при полностью открытой дроссельной заслонке наибольшая экономичность и достаточно устойчивое протекание процесса сгорания достигается при . Максимальная мощность этих двигателей обеспечивается при некотором обогащении смеси (). Устойчивая работа двигателя на малых нагрузках и холостом ходу требует большого обогащения смеси. При из-за недостатка кислорода топливо не сгорает полностью, вследствие чего происходит неполное выделение теплоты при сгорании и в отработавших газах появляются продукты неполного окисления (СО, Н, СН4 и др.) В дизелях, в которых применяется качественное регулирование, коэффициент в зависимости от нагрузки меняется в широких пределах (от 5 и более при малой нагрузке до 1,4-1,25 при полной).

На рис. кривые зависимости коэффициента от нагрузки двигателя. Проф. Е.К. Мазинг предложил также оценивать состав топливовоздушной смеси величиной, названной им коэффициентом использования воздуха = .

Эту величину, поделенную на теоретически необходимое количество воздуха, часто используют при анализе рабочего процесса двигателя и называют топливовоздушным отношением.

Горючая смесь и состав продуктов сгорания при (полное сгорание)

В двигателе с искровым зажиганием воздух и топливо в виде горючей смеси поступают в цилиндр в процессе впуска. При полном сгорании 1 кг топлива общее количество горючей смеси (в кмоль), состоящей из паров топлива и воздуха, ; в дизеле ; для газообразного топлива - ; для любого топлива масса смеси (в кг) - Это масса свежего заряда.

При полном сгорании жидкого топлива продукты сгорания состоят из образовавшихся в результате реакции углекислого газа, водяного пара, избыточного кислорода и азота. Общее количество продуктов сгорания (в кмоль), отнесенное к 1 кг топлива,

Приращение количества продуктов сгорания в кмоль равно . Для карбюраторных двигателей при полном сгорании ; при неполном сгорании ; для дизелей -

Приращение показывает, что при сгорании жидких топлив объем продуктов сгорания увеличивается по сравнению с объемом горючей смеси. Это изменение объема означает, что в процессе сгорания образующиеся газы производят полезную работу. Изменение объема при сгорании принято оценивать теоретическим коэффициентом молекулярного изменения свежей смеси:

Качество топлива определяется теплотой сгорания (Кдж/кг, Кдж/кмоль). При сжигании порции топлива образуется углекислый газ и водяной пар. Определяют в калометрической установке все выделившееся тепло – это высшая теплота сгорания Нo. В ДВС не происходит конденсации паров воды (тепло удаляется вместе с отработавшими газами), поэтому расчеты целесообразно вести по низшей теплоте сгорания Нu. Если известна высшая теплота сгорания, то низшую подсчитывают по приближенной формуле:

где rв – приближенное для технических расчетов значение скрытой теплоты парообразования 1 кг воды, rв=2,512х106 дж/кг; 9Н – количество водяного пара, образующегося при сгорании Н кг водорода в 1 кг топлива; W – количество влаги, содержащейся в 1 кг топлива.

Рабочие тела и их свойства