Материал: 2482
3.1.1. Процесс сгорания бензина
Сгорание топлива – это быстрая реакция окисления углеводородов кислородом. При этом образуется вспышка, молекулярные связи разрываются, накопившаяся энергия выделяется в виде теплоты. При сгорании 1 кг топлива выделяется следующее количество теплоты: бензин – 44·106 Дж/кг, дизельное топ-
ливо – 42·10 6 Дж/кг, метан – 49,7·10 6 Дж/кг.
Балансовые уравнения, показывающие исходные и конечные состояния участвующих в реакциях веществ, называют стехиометрическими. Напомним, что атомные и молекулярные массы в граммах химических элементов, участвующих в процессе сгорания топлива, следующие:
Н = 1, (Н2 = 2); О = 16, (О2 = 32); |
С = 12, (С2 = 24); |
N = 14, (N2 = 28). |
Конечная реакция сгорания водорода и углерода, в результате окисления |
||
кислородом, протекает так: |
|
|
2Н2 + О2 = 2Н2О; |
С + О2 = СО2. |
(3.1) |
Чтобы сжечь 4 кг водорода (2 кмоля) необходимо затратить 32 кг (1 кмоль) кислорода. При этом выделяется 36 кг водяного пара. Для сгорания 1 кг водорода требуется 8 кг кислорода. Выделяется 125 МДж теплоты и 9 кг воды (4Н + 32О = 36Н2О или, сокращая левую и правую части уравнения на 4, получим 1Н + 8О = 9 Н2О). У работающего двигателя вода в виде пара выбрасывается в атмосферу.
Чтобы сжечь 12 кг углерода необходимо затратить 32 кг кислорода. При этом выделяется 44 кг двуокиси углерода. Для сгорания 1 кг углерода С требуется 8/3 кислорода (2,66). Выделяется 34 МДж теплоты и 3,6 кг двуокиси углерода СО2 (12С + 32О = 44 СО2 или, сокращая левую и правую части уравнения на
12, получим 1С + 8/3О = 44/12СО 2).
Двуокись углерода хорошо пропускает солнечные лучи на Землю, но препятствует охлаждению Земли путем излучения в Космос. Создается своеобразный парниковый эффект, который грозит глобальным потеплением и возможными катастрофами.
Окисление – это реакция взаимодействия молекул углеводородного топлива с молекулами кислорода. Если температура воздуха достигает требуемого значения, то окисление переходит в процесс горения.
Вжидком топливе имеют место легкие, средние и тяжелые молекулы.
Впроцессе распыливания топлива легкие фракции уже являются газифицированными и в окружении кислорода воздуха под действием температуры электрической искры воспламеняются, образуя начальную зону пламени (бензиновые двигатели). Далее действует принцип цепной реакции.
Процесс сгорания топлива в координатах Р – φ показан на рис. 3.1 (φ – угол поворота коленчатого вала). Примерно за 20 – 30 градусов до ВМТ
31
подаётся искра (в центре искры температура 10000 °С), горючая смесь воспламеняется, кривая сгорания отделяется от кривой сжатия.
В процессе эксплуатации двигателей внутреннего сгорания (ДВС) иногда можно наблюдать взрывное (детонационное) сгорание топлива.
Причиной детонации является образование перекисей. Кислород при высокой температуре внедряется в углеводородную молекулу топлива, повышая её способность к самовоспламенению. Детонационному (взрывному) сгоранию подвергается та часть горючей смеси, которая должна сгореть в последнюю очередь (рис. 3.2).
На детонационное сгорание топлива влияют:
1.Степень сжатия (повышение степени сжатия ускоряет детонацию).
2.Угол опережения зажигания (раннее зажигание – усиливает).
3.Сорт топлива (октановое число меньше, детонация больше).
4.Частота вращения коленчатого вала (с уменьшением – возрастает).
Рис. 3.1. Изменение давления газов в цилиндре (Pг)
итемпературы (Т) в бензиновом двигателе:
1– начало подачи искры; 2 – отрыв линии сгорания от линии сжатия (начало видимого сгорания); 3 – максимальное давление сгорания
Удвигателя с искровым зажиганием процесс сгорания можно условно разбить на три фазы [23]: 1 – начальный период горения (сгорает 6 – 8 % топлива от начала подачи искры до начала сгорания топлива и повышения давления); 2 – основная фаза горения (80 % топлива); 3 – догорание.
32
Рис. 3.2. Схема детонационного сгорания топлива:
1 – воспламенение смеси искрой свечи; 2 – фронт горения; 3 – сгоревшая смесь; 4 – несгоревшая смесь; 5 – места с
концентрацией перекисей; 6 – очаг самовоспламенения; 7 – образование детонационной волны; 8 – детонационная волна; 9 – отражённые волны
По анализу изменения давления во второй фазе сгорания судят о жесткости процесса сгорания (скорости повышения давления). Двигатель должен работать мягко, без стуков с плавным повышением давления в процессе сгорания топлива.
Нормальный процесс сгорания протекает со скоростью 20 – 50 м/с. В процессе детонации скорость сгорания достигает 2 – 3 тыс. м/с. На осциллограмме процесс сгорания (в зоне третьей фазы) наблюдается в виде затухающих острых пиков. Частота вибраций давления равна частоте слышимых стуков. Звонкие металлические стуки являются результатом отражения ударных волн от стенок цилиндра.
Детонация – процесс быстрого завершения сгорания в результате самовоспламенения части рабочей смеси и образования ударных волн, распространяющихся со сверхзвуковой скоростью.
При детонации резко повышается температура в камере сгорания, что приводит к прогоранию поршней и выпускных клапанов, перегреву и выходу из строя свечей, а при длительной интенсивной детонации – к выходу из строя двигателя. Внешним признаком детонации является чёрный дым. Его причина – заброс топлива в зону горения или сгоревшего топлива, где нет кислорода.
33
3.1.2. Методика определения октанового числа
Октановое число бензинов проверяют моторным и исследовательским способами.
Октановое число есть показатель детонационной стойкости топлива, численно равный процентному содержанию изооктана в той его смеси с гептаном, которая по интенсивности детонации эквивалентна испытуемому топливу.
Установка представляет собой одноцилиндровый двигатель (УИТ – 65) с переменной степенью сжатия (4 – 12). УИТ – универсальная одноцилиндровая установка для испытания топлива. При моторном методе частота вращения вала n = 900 мин-1 и угол опережения зажигания φ = 200. Исследовательский: n = 600 мин-1; φ = 13 0. Установка оборудована электронным прибором для измерения интенсивности детонации.
Моторный способ имитирует работу двигателя грузовых автомобилей на форсированных режимах и длительных нагрузках (междугородное движение транспорта).
Исследовательский способ имитирует работу двигателя легкового автомобиля при меньших нагрузках (внутригородское движение).
В качестве эталонных топлив берут изооктан С8Н18 (ОЧ = 100) и гептан
С7Н16 (ОЧ = 0).
Октановое число определяется сравнительным методом при помощи эталонной смеси, состоящей из октана и гептана. Например, бензин, которому присвоили марку А-76, расшифровывается так: А – автомобильный бензин, октановое число 76, определено моторным методом. Если взять смесь из 76 % изооктана и 24 % гептана, то она по детонационной стойкости будет такой же, как бензин марки А-76.
Рассмотрим последовательность методики определения ОЧ по моторному методу.
1.Одноцилиндровый двигатель прогрет и работает на бензине, ОЧ которого неизвестно. Частота вращения вала двигателя 900 мин-1, угол опережения
зажигания, например 20 градусов.
2.Повышаем степень сжатия (уменьшая объем камеры сгорания), добиваемся устойчивой детонации (например, при степени сжатия 8).
3.Отключаем анализируемый бензин и переводим работу двигателя на эталонную смесь с известным октановым числом. Эталонные смеси могут иметь октановые числа от 62 до 98 единиц и состоят из изооктана и нормального гептана. Подбираем эталонную смесь, при которой создаются условия сгорания с устойчивой детонацией. Например, эталонная смесь начала активно детонировать при октановом числе 76 (изооктана 76 %, гептана 24 %), то октановое число анализируемого бензина будет равно
76.
34
При исследовательском методе двигатель работает с меньшей частотой вращения вала двигателя (n = 600 мин-1). На данном режиме увеличивается время на протекание процесса сгорания и образования перекисей (очагов самовоспламенения). При наличии очагов самовоспламенения нужно меньше гептана – ускорителя детонации. По этой причине ОЧ по исследовательскому методу будет больше ОЧ, определённому по моторному методу.
Октановое число по исследовательскому и моторному методам можно определить при помощи переносного портативного прибора октанометра ПЭ-7300 (экспресс-метод). Прибор ПЭ-7300 позволяет за короткий промежуток времени определить октановые числа бензина по моторному и исследовательскому методам.
Контрольные вопросы
1.Маркировка бензинов. Характеристики бензинов.
2.Что называют октановым числом бензинов?
3.Методика определения октанового числа по моторному и исследовательскому ме-
тодам.
4.Что представляют эталонные топлива изооктан и гептан?
5.Признаки детонационного (взрывного) сгорания топлива. К каким отрицательным последствиям оно приводит? Способы устранения детонации.
6.Индикаторная диаграмма (изменение давления в цилиндре) бензинового двигателя, фазы сгорания.
3.2. Дизельные топлива
Основные показатели дизельных топлив (ГОСТ 305-82) приведены в таблице 3.3. В маркировке дизельных топлив указывают его вид, допустимое содержание серы в процентах, температуру вспышки для летнего и температуру замерзания для зимнего (Л – 0,2–50; З – 0,2 минус 35). У арктического топлива указывается только допустимое содержание серы (А – 0,2).
Температура помутнения – это минимальная температура, при которой топливо теряет прозрачность и однородность [7]. Из топлива выделяются кристаллы парафина, образуя сетчатый (сотовый) каркас.
Температура вспышки – это минимумы температур, при которых пары топлива, смешанные с воздухом, воспламеняются от источника пламени (спички).
Температура застывания характеризует потерю подвижности топлива. Если в пробирку стандартных размеров поместить топливо и охладить, оно остается неподвижным в течение 1 мин, при наклоне пробирки на 45 0 (это и есть температура застывания). При помутнении топлива забиваются фильтры, а при застывании теряется его подвижность в топливопроводах и двигатель прекращает работу. Летние топлива получают из парафиновых, а зимние и арктические – из нафтеновых (циклановых) нефтей.
35