1.Увеличение ресурсов ТСМ путем: углубления и химизации переработки нефти;
-оптимизации качества ТСМ с целью расширения ресурсов и снижения фактического их расхода при эксплуатации ДВС.
2.Снижение расхода ТСМ в ДВС путем:
-дизелизации автомобильного парка;
-конструктивного усовершенствования ДВС и транспортной техники;
-экономичной эксплуатации ДВС, техники и рациональным
применением ТСМ. |
f i |
3.Применение таких альтернативных топлив, как.'ф*
-газообразные углеводородные топлива и водород; у;,
-топливо из углей, сланцев и других ненефтяных горючих иско паемых;
-кислородсодержащие топлива и их компоненты (спирты, эфи ры и др.).
Для решения достаточно сложных инженерно-технических и научных задач по перечисленным выше направлениям возникла и развивается новая самостоятельная отрасль науки, получившая на звание химмотологии.
Химмотология - это наука об эксплуатационных свойствах, ка честве и рациональном применении в технике топлив, масел, смазок и специальных жидкостей.
Химмотология опирается на такие науки, как химическая тех нология топлив и масел, физическая химия горения топлив, тепло техника, машиноведение, квалиметрия (наука о качестве продукции), трибология (наука о трении и износе механизмов), экономика и эко логия и т.д. Она является по существу связующим и координирую щим звеном в химмотологической системе ТСМ - ДВС -эксплуата ция.
Кважнейшим задачам химмотологической науки относятся:
-установление химмотологических закономерностей процессов, происходящих в ДВС и механизмах при применении ТСМ, совер шенствование конструкции и повышение надежности и долговечности ДВС;
-разработка и технико-экономическое обоснование опти мального уровня эксплуатационных свойств ТСМ, совершенство вание стандартов и технических условий, а также методов испыта ний ТСМ в стендовых и эксплуатационных условиях и т.д.
117
Что такое качество ТСМ? Под качеством ТСМ понимается сово купность свойств, обусловливаю щ их их пригодность для ис пользования по назначению. В этом химмотологическом определе нии подчеркивается главное назначение ТСМ - удовлетворять оп ределенные потребности общества.
Всю совокупность свойств ТСМ, определяющих их качество, можно подразделить на следующие три группы: 1) физико-хими ческие; 2) эксплуатационные; 3) технические.
К физико-химическим относятся свойства, характеризующие состояние ТСМ и их состав (плотность, вязкость, теплоемкость, эле ментный, фракционный и групповой углеводородный составы и т.д.). Эти методы позволяют косвенно судить о том или ином эксплуата ционном свойстве. Например, по фракционному составу судят о пус ковых свойствах бензинов, по плотности реактивного топлива - о дальности полета и т.д.
Эксплуатационные свойства ТСМ призваны обеспечить на дежность и экономичность эксплуатации двигателей, машин и ме ханизмов, характеризуют полезный эффект от их использования по назначению и определяют область их применения (испаряемость, горючесть, воспламеняемость, детонационная стойкость, прокачиваемость, склонность к образованию отложений и т.д.).
Для оценки эксплуатационных свойств ТСМ применяются:
-квалификационные (лабораторные) методы оценки. Они бази руются на использовании различных модельных установок (в т.ч. одноцилиндровых ДВС) и специальных лабораторных приборов, позволяющих в заданных условиях (иногда в экстремальных) про водить сравнительную оценку эксплуатационных свойств опытных
иэталонных образцов ТСМ;
-стендовые методы испытания опытных образцов ТСМ, прово димые на натурных двигателях и механизмах по специальным про граммам;
-эксплуатационные испытания ТСМ, проводимые на натурной технике в реальных условиях ее эксплуатации по специальным про граммам.
Кразновидностям эксплуатационных испытаний ТСМ можно отнести: заводские, заводские ходовые, лабораторно-дорожные, по лигонные, контрольно-летние испытания, опытная эксплуатация техники, эксплуатация под наблюдением и другие.
118
Технические свойства ТСМ проявляются в процессах хранения и транспортирования и длительной эксплуатации (иногда называют их как экологические свойства). К ним относятся:
-физическая и химическая стабильность, биологическая стой кость;
-токсичность, пожаро-взрывоопасность, склонность к элек тризации, коррозионная активность и т.д.
Необходимо отметить, что не все свойства равноценны при оцен ке качества ТСМ. Принято наиболее важный показатель качества использовать при маркировке ТСМ. Например, для автомобильных бензинов наиболее важным эксплуатационным показателем каче ства является детонационная стойкость, поэтому она нашла отраже ние в марках бензинов в виде цифр, характеризующих октановое число. Для дизельных же топлив определяющим свойством являет ся температура застывания, которую и указывают при их маркиров ке (летние, зимние или арктические топлива) и т.д.
4.2.2.Классификация и принципы работы тепловых двигателей
Тепловые двигатели предназначены для преобразования тепло вой энергии, выделяющейся при сгорании топлива, в механическую. Тепловые двигатели подразделяют на двигатели с внешним сгора нием (паровые машины, паровые турбины) и двигатели внутреннего сгорания.
Наибольшее распространение среди тепловых двигателей полу чили двигатели внутреннего сгорания. В этих двигателях основные процессы - сжигание топлива, выделение теплоты и ее преобразова ние в механическую работу - происходят непосредственно внутри двигателя. Такие двигатели используют во всех видах транспорта: автомобильном, железнодорожном, водном и авиационном, а также в сельскохозяйственном производстве, в строительстве и в других отраслях народного хозяйства.
ДВС подразделяются на: 1)двигатели с периодическим сгорани ем топлива (поршневые); 2) двигатели с непрерывным сгоранием топлива.
Первая группа ДВС, в свою очередь, подразделяется на: а) дви гатели с принудительным воспламенением (карбю раторные); б) двигатели с самовоспламенением - быстроходные и тихоходные дизели.
П9
Поршневые ДВС состоят (рис. 4.1) из камеры сгорания 1, газораспределительных клапанов (впускных и выпускных) 2 и кри вошипно-шатунного механизма: цилиндра 3, поршня 4, шатуна 5, коленчатого вала 6, картера 7, маховика и т.д. Для обеспечения рабочего цикла ДВС имеют системы пита ния, зажигания, смазки и охлаждения.
Вторая группа ДВС подразделяется на: а) реактивные двигатели (ракетные и воз душно-реактивные); б) газовые турбины (транспортные и стационарные).
Двигатели с принудительным воспламе нением ^карбюраторные).
В двигателях этого типа воспламенение смеси топлива и воздуха осуществляется от внешнего источника - электрической искры (свечи), а процесс смесеобразования проис ходит вне цилиндра в специальном устрой стве - карбюраторе (либо во впускном тру бопроводе или камере сгорания, куда бен зин впрыскивается с помощью форсунки). Непосредственный впрыск применяется в
авиационных поршневых двигателях и в некоторых зарубежных мо делях ДВС. Карбюратор служит для дозирования и распыливания, частичного испарения и смешения бензина с воздухом. Полученная в карбюраторе горючая смесь поступает в цилиндр в такте впуска. Далее горючая смесь подвергается сжатию (до е=7-9), при этом топ ливо полностью испаряется, перемешивается и нагревается. В кон це такта сжатия в камеру сгорания подается от свечи электрическая искра, от которой смесь воспламеняется и сгорает. В результате рез ко повышается температура и давление над поршнем. Под действи ем давления поршень перемещается в цилиндре (рабочий ход) и со вершает полезную работу. Затем поршень выталкивает продукты сгорания в атмосферу (выпуск). Рабочие такты двигателя регулиру ются с помощью впускных и выпускных клапанов.
В четырехтактном двигателе рабочий такт совершается за счет энергии сгорания топлива. Остальные такты рабочего цикла совер шаются за счет энергии маховика, укрепленного на коленчатом валу.
120
Для обеспечения равномерной работы ДВС в одном блоке распо лагают несколько цилиндров, поршни которых через шатуны при водят во вращение коленчатый вал. Сгорание и рабочие циклы в цилиндрах происходят поочередно, что обеспечивает стабильную и равномерную работу двигателя.
Впоследние шды за рубежом и в России начали выпускать но вые модели легковых автомобилей, оснащенных с бескарбюраторными двигателями с электронным впуском топлива (16-клапанные). Главное их достоинство - большая по сравнению с карбюраторными двигателями топливная экономичность, обусловленная за счет рав номерного распределения впуска топлива в камеры сгорания, и мень шая вероятность детонационного сгорания благодаря меньшему вре мени контакта топлива с воздухом.
Двигатели с самовоспламенением (дизели4). Особенностью рабо чего цикла дизельных двигателей является самовоспламенение го рючей смеси без какого-либо внешнего источника воспламенения. Процесс образования горючей смеси в дизелях происходит внутри цилиндра (карбюратор и свечи отсутствуют).
Вотличие от карбюраторного двигателя в такте впуска в цилиндр поступает не горючая смесь, а только воздух. Воздух затем подвер гается сильному сжатию (е= 16-20) и нагревается до 500 - 600°С. В конце такта сжатия в цилиндр под большим давлением впрыскива ется топливо через форсунку. При этом топливо мелко распилива ется, нагревается, испаряется и перемешивается с воздухом, обра зуя горючую смесь, которая при высокой температуре самовоспла меняется. Все остальные стадии рабочего цикла происходят так же, как и в карбюраторном двигателе. Более высокая степень сжатия в дизеле обеспечивает более высокий коэффициент полезного действия двигателя. Однако высокое давление требует применения более проч ных толстостенных деталей, что повышает материалоемкость (мас су) дизеля.
Двигатели с непрерывным сгоранием топлива. Основной элемент таких двигателей - камера сгорания постоянного объема. В нее не прерывно подаются горючее и окислитель. Газовый поток продук тов сгорания за счет высокой температуры приобретает большую кинетическую энергию, которая преобразуется в так называемую реактивную силу тяги двигателя или энергию вращения ротора га зовой турбины. Реактивная сила тяги, возникающая при истечении
газов из сопла, не зависит от скорости движения реактивной уста
121
новки и от плотности окружающей среды, как у винтовых транспорт ных средств, и может обеспечивать движение летательных аппара тов в безвоздушном межпланетном пространстве. Эта особенность реактивного движения легла в основу создания ракет. Подавляющее большинство современных самолетов оборудовано воздушно-реак тивными двигателями (ВРД). Обычно в ВРД между камерой сгора ния и реактивным соплом устанавливают газовую турбину. Часть кинетической энергии газового потока преобразуется во вращатель ное движение турбины. На одном валу с турбиной обычно устанав ливают компрессор, который сжимает воздух и подает его в камеру сгорания, а также генератор, масляный и топливный насосы и т.д. После турбины продукты сгорания поступают в реактивное сопло, где основная часть кинетической энергии газов преобразуется в ре активную силу тяги. Подобные двигатели называют турбо-компрес сорными воздушно-реактивными двигателями (ТКВРД). Они полу чили широкое распространение в современной авиации. ТКВРД от носятся к двигателям с непрерывно-протекающим рабочим процес сом. Топливо подается в камеру сгорания непрерывно, и процесс го рения протекает постоянно. Внешнее зажигание необходимо только в начальный момент пуска двигателя.
Поскольку при сгорании топлива в камере развивается высокая температура (1500-1800°С), а материалы камеры, лопаток газовой турбины и реактивного сопла не выдерживают столь высоких темпе ратур, горячие газы разбавляют вторичным воздухом непосредствен но после зоны горения топлива. При смешении газового потока с вторичным воздухом температура смеси снижается до 850 - 900°С. В зоне горения топлива необходимо создавать условия для обеспече ния стабильности процесса горения без срывов пламени. Скорость распространения фронта пламени составляет около 40 м/с. Для сни жения скорости газовоздушного потока до величин менее скорости распространения фронта пламени в камерах сгорания устанавлива ют различные завихрители, стабилизаторы, обтекатели, экраны и т.д. Эти устройства, кроме того, повышают турбулентность движе ния горючей смеси и тем самым увеличивают скорость ее сгорания.
Газотурбинные двигатели <ТТЯ 1по принципу работы почти ана логичны ТКВРД, в них отсутствует только реактивное сопло. В ГТД вся кинетическая энергия продуктов сгорания топлива преобразуется полностью во вращательное движение вала газовой турбины и соот ветственно либо в механическую, либо электрическую.
122