ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ 4

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Успешно развивалось отечественное двигателестроение и в послереволюционный период. Советское правительство постоян- но уделяло внимание развитию этой отрасли народного хозяйст- ва. К 1928 г. в стране уже выпускалось свыше 45 типов двигате- лей суммарной мощностью около 110 тыс. кВт. В годы первых пятилеток был освоен выпуск автомобильных и тракторных дви- гателей, судовых и стационарных двигателей мощностью до 1500 кВт, созданы авиадизель, танковый дизель В-2, в значительной степени предопределивший высокие тактико-технические харак- теристики бронетанковой техники страны. Значительный вклад в развитие отечественного двигателе- строения внесли выдающиеся советские ученые: Н.Р. Брилинг, Е.К. Мазинг, В.Т. Цветков, А.С. Орлин, В.А. Ваншейдт, Н.М. Глаголев, М.Г. Круглов и др. Большая заслуга в развитии отече- ственного двигателестроения принадлежит специалистам двига- телестроительных заводов, научно-исследовательских и проект- ных организаций, кафедр вузов. Из разработок в области тепловых двигателей последних десятилетий следует отметить три важнейшие: создание немец- ким инженером Феликсом Ванкелем работоспособной конструк- ции роторно-поршневого двигателя, комбинированного двигате- ля с высоким наддувом и конструкции двигателя с внешним сго- ранием, конкурентоспособного с быстроходным дизелем. Появление двигателя Ванкеля было встречено инженерами, предпринимателями с воодушевлением. Однако технологические трудности, трудности обеспечения достаточной надежности и долговечности газовых уплотнений, необходимость организации совершенно нового производства и соответствующей системы технического обслуживания, более низкая по сравнению с порш- невыми двигателями экономичность и повышенные выбросы токсичных веществ с ОГ несколько охладили восторг. Из более чем 20 фирм, купивших лицензию на производство двигателя Ф.Ванкеля (в их числе и такие известные фирмы, как «Дженерал Моторс», «Форд»), только одна успешно преодолела эти труд- ности и организовала массовое производство роторно-поршневых двигателей – японская фирма «Тойо Когио». Первый комбинированный двигатель с высоким газотур- бинным наддувом (Д70) был создан на кафедре двигателей внут- 67 реннего сгорания НТУ «ХПИ» совместно с заводом им. В.А. Ма- лышева (1956–1962 г.г.). Непосредственное руководство научно- исследовательскими и опытно-конструкторскими работами по двигателю Д70 осуществлял профессор Н.М. Глаголев. Эконо- мичность двигателя Д70 со свободным турбонагнетателем со- ставляла 200–205 г/(кВт.ч), с силовой турбиной – 192–196 г/(кВт.ч). Впоследствии такого же уровня экономичности удалось достигнуть и на двигателе со свободным турбонагнетателем (12Д70). Непрерывное совершенствование двигателей внутреннего сгорания обеспечило им господствующее положение в энергети- ке транспорта, сельского хозяйства. Только в авиации двигатель внутреннего сгорания уступил свои позиции газотурбинному двигателю. Для других отраслей народного хозяйства альтерна- тивных энергетических установок малой мощности, столь же универсальных и экономичных, как двигатель внутреннего сго- рания, еще не предложено. Поэтому и на отдаленную перспекти- ву двигатель внутреннего сгорания рассматривается как основной тип энергетической установки средней и малой мощности для транспорта, сельского хозяйства и других отраслей народного хо- зяйства. §6. Классификация двигателей внутреннего сгорания В зависимости от признаков, определяющих особенности конструкции, особенности осуществления рабочих процессов, двигатели внутреннего сгорания подразделяют на ряд типов. Рас- смотрим только те основные отличительные особенности двига- телей, которые в той или иной степени связаны с осуществлени- ем рабочих процессов. Выше мы уже рассмотрели классификацию двигателей в зависимости от типа рабочего органа и характера его движе- ния, предопределяющих особенности протекания рабочих про- цессов. Классификация двигателей по назначению определяется областью их использования: стационарные, тепловозные, судо- вые, автомобильные, тракторные, комбайновые, авиационные и т.п. Назначение двигателя оказывает влияние на выбор конструк- 68 тивных параметров, способа осуществления рабочих процессов. Например, в стационарных, тепловозных, судовых двигателях применяется, в основном, рабочий цикл с воспламенением топ- лива от сжатия, а в двигателях легковых автомобилей – преиму- щественно рабочий цикл с воспламенением топливовоздушной смеси от искры. По виду топлива двигатели подразделяются на следующие типы: . двигатели, работающие на тяжелом топливе (мазуте, со- ляровом масле, дизельном топливе и т.п.); . газовые двигатели, работающие на природном газе, газо- генераторном газе, водороде и т.п.; . многотопливные двигатели, работающие на нескольких видах топлива. По числу тактов, необходимых для осуществления рабочего цикла, двигатели внутреннего сгорания делят на двухтактные и четырёхтактные. По способу смесеобразования двигатели подразделяют на двигатели с внешним и внутренним смесеобразованием, двигате- ли с расслоением заряда. В двигателях с внешним смесеобразова- нием топливовоздушная смесь образуется вне цилиндра (карбю- раторные, а также двигатели с впрыском топлива на впуске). В двигателях с внутренним смесеобразованием топливовоздушная смесь образуется непосредственно в цилиндре двигателя (дизели компрессорные и с механическим впрыском топлива, газовые двигатели с подачей газа непосредственно в цилиндр, двигатели с подачей жидкого топлива в цилиндр и воспламенением топливо- воздушной смеси от искры). В двигателях с расслоением заряда расслоение заряда в камере сгорания достигается как при внеш- нем, так и при внутреннем смесеобразовании. По способу воспламенения топливовоздушной смеси двига- тели делят на следующие типы: . двигатели с воспламенением топлива от сжатия (дизели); . двигатели с катализаторным воспламенением (катализа- торные); . двигатели с воспламенением топливовоздушной смеси от электрической искры (карбюраторные, газовые и др.); 69 . двигатели с форкамерно-факельным зажиганием (двига- тели с дополнительной камерой сгорания, в которую подают бо- гатую смесь и в которой установлена свеча зажигания); . двигатели с газожидкостным процессом (газовые двига- тели с впрыском топлива только для воспламенения топливовоз- душной смеси). По способу наддува двигатели делят на следующие типы: . двигатели с газодинамическим наддувом; . двигатели с волновым обменником давления; . двигатели с механическим приводом нагнетателя; . двигатели с газотурбинным наддувом; . двигатели с комбинированной схемой наддува (со сво- бодным турбокомпрессором и нагнетателем с механическим при- водом и т.п.). По способу регулирования мощности двигатели делят на двигатели с количественным регулированием мощности (изменя- ется количество топливовоздушной смеси при практически неиз- менном составе смеси), качественным регулированием мощности (изменяется состав рабочей смеси) и комбинированным регули- рованием мощности. ДВС классифицируются также по числу и расположению цилиндров, по способу охлаждения и другим признакам. Контрольные вопросы и задания 6. Объясните принцип работы двигателя Ж. Ленуара. 7. Объясните принцип работы двигателей, предложенных С. Карно, А.Ю. Бо де Роша. 8. Какое значение в развитии ДВС имеют изобретения: . Николауса Августа Отто; . Рудольфа Дизеля; . Карла Бенца? 9. Какие следует отметить разработки в области тепловых двигателей ХХ столетия? 10. По каким признакам осуществляется классификация ДВС? 70 Список литературы к введению и главе 1 1. Глаголев Н.М. Рабочие процессы двигателей внутреннего сгорания. – К.– М.: Машгиз, 1950. – 480 с. 2. Гюльднер Г. Двигатели внутреннего сгорания, их работа, конструкция и проектирование / Перевод с немецкого Калиша Г.Г. и Алексеева С.И. – М.: МАКИЗ, 1928. – Т.2. – 864 с. 3. Шреффлер Р. Двухтактный двигатель S-2 компании Toyota // Автомобильная промышленность США. – 1960. – № 6. – С. 10–11. 4. Патент РФ 2038493, MKИ F02B 25/20. Двигатель внут- реннего сгораня. / В.Г. Дьяченко, А.В. Мотлохов, С.В. Амосов и др. – Заявл. 04.06.1992, № 5046126106. – Опубл. 27.06.1995. – Бюл. № 18, 1995. 5. Патент РФ 2070974, MKИ F02B 23/10, 17/00. Двигатель внутреннего сгораня. / В.Г. Дьяченко, И.В. Антонов, А.Г. Весе- лов. – Заявл. 22.06.1994, № 94023689/06. – Опубл. 27.12.1996. – Бюл. № 36, 1996. 6. Scott D. Pneumatic fuel injection spurs two-stroke revival // Automotive Engineering. – 1986. – Vol. 94. – № 8. – Р. 74–79. 7. Радциг А.А. История теплотехники. – М. – Л.: Изд-во АН СССР, 1936. – 425 с. 8. БСЭ – М.: Сов. энциклопедия, 1976. – Т. 24. – 608 с. 9. Шпанов Н. Рождение мотора. – М. – Л.: Госэнергоиздат, 1934. – 217 с. 10. Карно Сади. Размышление о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу. – М. – Петр.: Государ- ственное издательство, 1923. – 76 с. 11. Roediger W. Hundert jahre Automobil. – Leipzig – Berlin: Urania-Verlag, 1990. – 200 s. 12. Раскин Н.М. Забытая страница истории двигателя внутреннего сгорания. // Вопр. истории естествознания и тех- ники. – 1981. – № 3. – С. 76–84. 13. Гумилевский Л.И. Рудольф Дизель. – М. – Л.: ГОН- ТИ, 1938. – 296 с. 14. Двигатели внутреннего сгорания / А.С. Орлин, Д.Н. Вырубов, Г.Г. Калиш, М.Г. Круглов и др. – 2-е изд. – М.: Машгиз, 1957. – Т.1. – 396 с. 71 Глава 2 ТОПЛИВО ДЛЯ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ §1. Сырьевые ресурсы моторного топлива Топливо для двигателей внутреннего сгорания получают пу- тем переработки органических ископаемых природных топлив, главным образом нефти. Производство синтетического топлива из сланцев, торфа, углей и других видов твердого топлива не имеет еще существенного значения. Поэтому перспективы разви- тия двигателей внутреннего сгорания неразрывно связаны с перспективами развития нефтедобывающей и нефтеперерабаты- вающей промышленности, которые в свою очередь зависят от природных запасов нефти, совершенствования методов ее добы- чи и переработки. Мировые запасы органического топлива на планете состав- ляют по прогнозным оценкам 12800 млрд. тонн условного топли- ва*, в том числе угля – 11200 млрд., нефти 740 млрд., газа 630 млрд. тонн условного топлива [1]. Извлекаемые ресурсы органи- ческого топлива от запасов в процентах составляют: угля – 25, нефти – 50, газа – 80. Мировая добыча органического топлива в 1900 г. составляла 1 млрд. тонн условного топлива, в 1975 г. – около 9 млрд. тонн условного топлива [2]. Если исходить из уровня добычи топлива примерно 15–20 млрд. тонн условного топлива, то органического топлива достаточно будет примерно на 150–200 лет. По оценкам различных специалистов [3, 4] дан- ные по мировым запасам топлива, срокам его использования не- значительно отличаются от приведенных. Наиболее ценным топливом является нефть и газ и не толь- ко как источники моторного топлива для двигателей внутреннего сгорания. Из нефти и газа получают также разнообразные синте- тические материалы, белки, белково-витаминные концентраты, производство которых неуклонно расширяется. По прогнозам Всемирной организации здравоохранения в будущем значитель- *) Условное топливо – топливо, низшая теплота сгорания которого Qн = 29300 кДж/кг 72 ную часть питания растущего мирового населения могут соста- вить продукты из различных синтетических заменителей [5]. Вопрос о происхождении нефти еще не решен. Наиболее широкое признание получила теория, согласно которой нефть образовалась из остатков растений и животных в районах древ- них мелководных морей в результате биохимических процессов, воздействия давления и температуры в пластах [6]. Первая нефтяная скважина для промышленной добычи неф- ти была пробурена в Баку в 1848 г. К 1865 г. мировая добыча нефти составила уже 300 тыс. т, в 1900 – около 20 млн. т, в 1975 г. – примерно 2,7 млрд. т. В мировом топливном балансе на долю нефти и газа приходится примерно 70 % [2]. Во многих нефтедобывающих странах запасы нефти исчер- паны уже сегодня. Многие страны удовлетворяют свои потребно- сти в нефти и нефтепродуктах в основном за счет импорта. На- пример, в странах Западной Европы ежегодный импорт хими- ческого топлива, в основном нефти, составляет свыше 70 %, в Японии – около 90 % используемого количества топлива [2]. Им- порт в США только нефти превышает 50 % потребляемого коли- чества. США уже сегодня не в состоянии увеличить собственное производство нефти и стать независимыми от зарубежных поста- вок. Для США проблема топлив является одной из важнейших, определяющей в значительной мере и внутреннюю и внешнюю политику этой страны. Правительство предусматривает также ог- ромнейшие ассигнования на создание стратегических резервов нефти, развитие новых источников энергии, производство синте- тического жидкого топлива, а также на развитие общественного транспорта. По прогнозным оценкам специалистов мировые запасы нефти и газа могут быть исчерпаны в течение двадцати лет и только в отдельных странах – максимум в течение 50 лет [3, 4, 7]. Разведанные запасы нефти и конденсата в капиталистических странах к 1980 г. по оценкам составляли примерно 66 млрд. т [3, 4, 5]. На долю СНГ по различным зарубежным оценкам прихо- дится 9–30 % мировых разведанных запасов нефти и газового конденсата [4, 5]. Таким образом, если исходить из извлекаемых запасов нефти (50 % разведанных запасов при существующей технологии добычи) и уровня годовой добычи нефти в 3 млрд. т, 73 то разведанные к 1980 г. мировые запасы нефти должны были бы быть исчерпаны уже к 2000 г. Однако к 2000г. разведанные запа- сы нефти и газового конденсата заметно увеличились. С первыми признаками энергетического кризиса развитые страны столкнулись в 1973 г. Кризис вынудил ряд стран пере- смотреть политику в области развития энергетики и транспорта. Например, в США в законодательном порядке предусматрива- лось поэтапное снижение норм расхода бензина (к 1985 г. выпус- каемые легковые автомобили должны были расходовать не более 1 галлона – 4,5 л бензина на 27,6 миль пробега), расширение ис- следований по использованию в качестве моторного топлива во- дорода и метанола, совершенствование технологии производства синтетического моторного топлива и т.п. Россия в отношении природных запасов органического топ- лива находится в более выгодном положении по сравнению с США и другими странами. На ее долю приходится 53 % мировых запасов органического топлива, в том числе: угля – 55 %, газа – 34 %. Она не только полностью удовлетворяет внутренние по- требности в органическом топливе за счет собственного произ- водства, но и значительную часть добываемого топлива экспор- тирует в другие страны. Для других же стран СНГ повышение эффективности использования органического топлива является одной из важнейших народно-хозяйственных задач. В будущем и в странах СНГ неизбежно расширение использования водорода – одного из наиболее распространенных химических элементов в природе в качестве сырья для производства синтетического мо- торного топлива или непосредственно как моторного топлива. Его массовая доля составляет около 1 % массы земной коры. Се- бестоимость водорода при массовом его производстве, по раз- личным оценкам, не будет превышать себестоимости бензина, приведенной к энергоемкости водорода. С точки зрения организации рабочих процессов двигателя внутреннего сгорания при использовании в качестве топлива во- дорода также не возникает проблем. Еще в 20-х годах прошлого столетия ДВС надежно работали на водороде. Основная пробле- ма использования водорода в качестве топлива для транспортных двигателей обусловлена трудностями его хранения и транспорти- ровки. При хранении водорода в газообразном состоянии и энер- 74 гоемкости одной заправки автомобиля водородом, эквивалентной 50 л бензина, необходимо 150 л водорода при давлении около 100 МПа, при хранении в жидком состоянии (–253.С) необходи- мо около 190 л водорода. Не найдены еще достаточно емкие и относительно недорогие гидриды металлов, применение которых может оказаться экономически оправданным при соотношении объема поглощаемого водорода и объема гидрида металла 1/2000–1/3000. Поэтому проблема применения водорода в ка- честве топлива для транспортных энергетических установок бу- дет определяться возможностью создания приемлемых по массе емкостей для его хранения на борту транспортного средства. Технологический процесс получения жидкого синтетичес- кого топлива из каменного угля и другого сырья (бурого угля, торфа и т.п.) уже достаточно отработан. Уголь подвергают воз- действию в течение нескольких часов водородом в автоклавах при температуре 300–400 .С и давлении свыше 20 МПа. До 85 % угля переходит в растворимое или жидкое вещество (преимуще- ственно углеводороды). В Германии в период второй мировой войны для гидрирова- ния использовался бурый уголь. К 1945 г. общая мощность заво- дов по производству синтетического бензина составляла 3–3,5 млн.т в год [8]. В настоящее время этот технологический процесс широко используется в ЮАР, где до 40 % потребляемого количе- ства жидкого моторного топлива получают из угля. Более перспективными по технологии производства, мотор- ным свойствам и ресурсам являются спирты (метиловый и этило- вый). Исходным сырьем для метилового спирта служат угли, газ, растительные отходы, отходы промышленного производства; для этилового – продукты сельскохозяйственного производства, от- ходы пищевой промышленности. Себестоимость метилового спирта при крупнотоннажном производстве сопоставима с себе- стоимостью высокооктанового неэтилированного бензина. В странах тропического пояса с развитым сельским хозяйством уже сегодня экономически оправдано широкое использование в ка- честве моторного топлива этилового спирта. В Бразилии свыше 40 % расходуемого моторного топлива приходится на спирт, ко- торый используется и в чистом виде, и в смеси с бензином. 75 В ряде стран доведена до уровня практического использова- ния технология производства дизельного топлива из раститель- ного масла (из рапса, подсолнечника и т.п.). Применительно к условиям Украины перспективным аль- тернативным моторным топливом наряду с этиловым спиртом может быть метиловый спирт. Расширение производства метило- вого спирта в перспективе позволит создать на базе двигателя с искровым зажиганием транспортные силовые установки с вто- ричным использованием теплоты отработавших газов в катали- тических реакторах (для получения синтезгаза), качественным регулированием мощности, КПД которых будет на 30–50 % выше достигнутого значения в современных двигателях с искровым зажиганием. §2. Состав нефти и нефтепродуктов В состав нефти входят предельные (насыщенные) углеводо- роды (парафины), непредельные углеводороды (олефины), цик- лические углеводороды (нафтены), углеводороды гибридного строения (парафиноциклические и др.), соединения серы, азота и кислорода с углеводородами (нафтеновые кислоты, нефтяные смолы, асфальтены и т.п.). Предельным углеводородам соответ- ствует формула СnH2n+2; непредельным – СnH2n; СnH2n–2 и т.д., циклическим – СnH2n; СnH2n–6 и др. Свойства углеводородов зависят не только от количества атомов углерода и водорода, входящих в молекулу, но и от их пространственного расположения. Углеводороды (и другие ве- щества), имеющие одну и ту же формулу, но различающиеся пространственным расположением атомов, входящих в молекулу, называются изомерами. С увеличением числа атомов в молекуле количество изомеров возрастает. Например, бутан С4Н10 образует 2 изомера, а углеводород С14Н30 – 1818. Углеводороды со сход- ными химическими свойствами и строением, в которых каждый следующий член отличается от предыдущего на группу атомов СН2, называются гомологическими рядами, а отдельные его чле- ны – гомологами. Гомологический ряд предельных углеводородов включает в себя метан СН4, этан С2Н6, пропан С3Н8, бутан С4Н10, пентан 76 С5Н12, гексан С6Н14 и т.д. Первые четыре гомолога (СН4, С2Н6, С3Н8, С4Н10) – газы, температура кипения которых с увеличением их молекулярной массы возрастает от –162.С (СН4) до 0.С (С4Н10). Гомологи с числом атомов углерода в молекуле 5–16 при температуре до 20.С – жидкие; гомологи с большим числом ато- мов углерода – твердые вещества с температурой плавления от 22.С до 102.С (С60Н122). В молекулах предельных углеводородов все связи простые (рис. 2.1, а). Предельные углеводороды с разветвленной цепью обладают более высокими антидетонационными свойствами, с неразветвленной – более высокой воспламеняемостью. В молекулах непредельных углеводородов часть атомов уг- лерода соединена двойными и тройными валентными связями (рис 2.1, б). Этилен (С2Н4), пропилен (С3Н6), бутилен (С4Н8) и т.д. образуют гомологический ряд этиленовых углеводородов или олефинов. Непредельные углеводороды малоустойчивы и в сырой неф- ти их практически нет. В продуктах переработки нефти содер- жится значительное количество непредельных углеводов, что ухудшает стабильность нефтепродуктов при хранении, обуслов- ливает образование смолистых веществ. В молекулах циклических углеводородов углеродная цепоч- ка атомов замкнута. Циклические углеводороды, в молекулах ко- торых атомы соединены, как в молекулах парафинов, простыми связями, называются нафтенами. К ним относятся такие цикли- ческие углеводороды, как циклопентан С5Н10, метилциклопентан С6Н12, циклогексан С6Н12 (рис. 2.1, в). Циклические углеводоро- ды, состоящие из шести атомов углерода, соединенных попере- менно простыми и двойными связями, называются ароматичес- кими (рис. 2.1, г). Ароматические углеводороды повышают анти- детонационные качества моторных топлив. В состав нефти входят и нафтены (циклопентан С5Н10, цик- логексан С6Н12 и их гомологи) и ароматические углеводороды с различной молекулярной массой, количество которых зависит от месторождения нефти. 77 С6Н5СН3 а: б: в: г: Рисунок 2.1 – Структура молекул углеводородов: а – предельных; б – непредельных; в – циклических; г – ароматических 78 В продуктах переработки нефти содержатся молекулы раз- личных углеводородов, массовое содержание которых зависит от состава углеводородов в сырой нефти, особенностей технологи- ческих процессов ее переработки (табл. 2.1). Таблица 2.1 – Содержание углеводородов в продуктах переработки нефти [9] Вид топлива Массовая доля углеводородов, % Парафи- ны Нафте- ны Ароматиче- ские углево- дороды Бензин 46,4 39,6 14,0 Керосин (на базе парафи- нов) 92,2 5,2 2,6 Дизельное топливо 26,4 55,3 18,3 Первоначально из нефти получали только осветительный керосин, выход которого составлял около 30 %. Легкокипящие фракции и мазут сжигали. Процесс разделения нефти на фракции основан на значительном изменении температуры кипения с уве- личением молекулярной массы углеводов. Выход легкокипящих фракций (эфир, бензин) при перегонке сырой нефти не превышает 20–30 %; лигроина, керосина и газой- ля – 30–45 %. Повышение выхода легкокипящих фракций до 50–60 % достигается применением жидкофазного или парофазно- го крекинга – расщепления тяжелых углеводородов, осуществ- ляемого при высокой температуре. Жидкофазный крекинг осу- ществляют при температуре 400–480 .С и давлении 4–5 МПа, па- рофазный – при нормальном давлении и температуре 600–650 .С. Высокооктановые автомобильные бензины получают на ба- зе бензинов каталитического риформинга с добавлением бензина каталитического крекинга, продуктов алкилирования. Рифор- минг – процесс преобразования парафиновых и нафтеновых уг- леводородов в ароматические, осуществляемый при высокой температуре (500.С ) и давлении 2–4 МПа. Алкилирование – 79 процесс синтеза изооктана из насыщенных углеводородов с раз- ветвленной цепью атомов углерода из нефтезаводских газов. Се- бестоимость высокооктановых бензинов в связи со сложностью технологических процессов выше, чем себестоимость продуктов прямой перегонки (например, керосина или дизельного топлива). Технологические процессы переработки нефти требуют зна- чительных затрат энергии. Расход теплоты и электроэнергии на собственные нужды нефтеперерабатывающих заводов превышает количество теплоты, которое можно получить из 10 % добывае- мой нефти [2]. Современные технологические процессы переработки нефти обеспечивают достаточно высокий процент выхода топлив для двигателей внутреннего сгорания (табл. 2.2) [2]. На отечествен- ных нефтеперерабатывающих заводах при перегонке нефти, на- пример в атмосферно-вакуумных установках, выход дизельного топлива за счет других фракций доведен до 25 %. Таблица 2.2 – Выход нефтепродуктов из нефти Продукты Выход, % Продукты Выход, % США Страны Запад- ной Ев- ропы США Страны Запад- ной Ев- ропы Нефтезавод- ской газ 5 5 Средние дисти- ляты и смазоч- ные масла 20 25 Бензин 55 35 Мазут и ас- фальт 5 25 Дизельное топливо 15 10 Значительная часть общего количества продуктов, получае- мых из нефти, приходится на бензин (35–55%), на дизельное топ- ливо – 10–25 %. Соотношение между выходом бензина и дизель- ного топлива (примерно 3 к 1) предопределяет и примерное соот- ношение по мощности между выпуском двигателей, работающих 80 на легком топливе и дизелей. Значительное влияние на соотно- шение выпуска двигателей, работающих на легком топливе, и ди- зелей будет оказывать со временем расширение использования природного газа, водорода, легкого синтетического топлива как моторного топлива для двигателей с искровым зажиганием. §3. Основные характеристики моторных топлив К основным характеристикам топлива, определяющим его качество относят элементарный состав, теоретически необходи- мое для сгорания 1 кг топлива количество воздуха, теплоту сго- рания, плотность, сжимаемость, вязкость, испаряемость, само- воспламеняемость, детонационную стойкость. Элементарный состав топлив. Элементарный состав жидких топлив характеризуется содержанием в топливе от- дельных химических элементов в массовых долях или в процентах по массе. Массовые доли отдельных химических элементов обо- значаются их символами: углерод – С, водород – Н, кислород – О, сера – S, азот – N. Сумма массовых долей отдельных химиче- ских элементов: С + Н + S + О + N = 1 (100 %). (2.1) Элементарный состав нефти и нефтепродуктов приведен в табл. 2.3 [2]. Элементарный состав газообразных топлив обычно харак- теризуется содержанием отдельных компонентов (газов) в объ- емных долях или в процентах по объему. Объемные доли отдель- ных газов в топливе обозначаются их химическими формулами: водород – Н2, метан – С2Н4, этан – С2Н6, пропан – С3Н8, бутан – С4Н10 и т.д. Сумма объемных долей отдельных компонентов: СН4+С2Н6+С3Н8+С4Н10+СО+Н2+N2+О2=1(100 %). (2.2) Элементарный состав и другие характеристики газов за- висят от месторождения, способа его получения (табл. 2.4). Теоретически необходимое количество воздуха для сго- рания 1 кг топлива. Количество воздуха, необходимое для сго- рания 1 кг жидкого или 1 нм3 газообразного топлива, определяет- 81 ся по элементарному составу топлива, соотношению горючих элементов топлива и кислорода в реакциях окисления. Реакции окисления горючих элементов, входящих в состав топлива: 1(кмоль) 2 (1 кмоль) 2 44кг СО 32кг О 12кг С . . ; (2.3) (2 кмоля) 2 (1 кмоль) 2 (2 кмоля) 2 36кг2Н О 32кг О 4кг 2Н . . . (2.4) Необходимая масса кислорода воздуха в кг для окисления углерода и водорода, содержащегося в 1 кг топлива: C 8H O 38 МO2 . . . , (2.5) или в киломолях: 32 О 4 Н 12 С О2 . . . М. . (2.6) Таблица 2.3 – Элементарный состав и некоторые другие характеристики нефти и нефтепродуктов Топливо Массовая доля, % Плот- ность, кг/м3 Низшая теплота сгорания, Н С S O N кДж/кг Нефть 10–12,5 79–77 0,1–5 0,1–1,5 1 800–950 41900 Бензин 14,5 85,5 (<0,1) – – 700–760 44000 Керосин 13,5 86 (<0,2) 0,5 – 730–820 43100 Дизельное топливо 12–12,5 87 0,2–0,5 0,5 – 740–870 41900 Мазут 10–11 84–89 1 – 4 0,5 1 880–1015 40000– 41500 82 Таблица 2.4 – Элементарный состав и некоторые другие характеристики газов [2] Низшая теплота сгорания, кДж/ нм3 35600 35800 38100 37500 35600 35200 8750 6150 6400 * Газ до очистки содержит до 5 % SO2. ** Газ содержит около 2 % других углеводородов. *** Здесь и далее нм3 – кубические метры при нормальных условиях (760 мм ртутного столба и 0.С). Плот- ность смеси, кг/нм3 *** 0,737 0,731 0,739 0,873 0,725 0,715 0,453 1,294 1,143 Состав газа в % по объему О2 – – – – – – 1 – 2 N2 1,0 0,3 0,9 4 0,8 1,6 4 58,5 46,4 СО2 0,2 0,1 0,1 1 0,1 0,3 3 10,5 7 СО – – – – – – 7 28 28 С5Н12 0,1 0,1 0,5 1 – – – – 0,4 С4Н10 0,1 0,1 0,5 1 – – – – – С3Н8 0,2 0,1 1 2 – – – – – С2Н6 0,4 0,3 4 5 0,1 0,1 – – – СН4 98 99 93 83 99 98 25 0,3 3 Н2 – – – – – – 5,8 2,7 15 Месторождение (способ получения) Дашавское Североставро- польское Шебелинское Оренбургское * Медвежье Уренгой Коксовый ** Доменный Генераторный (из кускового торфа) 83 Этой массе кислорода соответствует масса воздуха (в кг сух. возд.), теоретически необходимого для сгорания 1 кг топли- ва: ... ... . C . 8H .O 31 8 O2 0 g М , (2.7) или в киломолях: ... ... . . . . 32 О 4 Н 12 1 С O2 0 r М , (2.8) где gO2 = 0,232 и rO2 = 0,209 – соответственно массовая и объем- ная доли кислорода в сухом воздухе. Для жидких топлив и нефти кг топлива 14,5 кг сух. возд. М0 . , кг топлива 0,5 кмоль сух. возд. М0. . . Если в воздухе содержится влага, то теоретически необхо- димое количество воздуха для полного сгорания 1 кг топлива возрастает. В этом случае массовая gO2 . и объемная rO2 . доли кислорода во влажном воздухе . . O2 O2 H2O g. . g 1. g. ; (2.9) . . O2 O2 H2O r. . r 1. r. , (2.10) где H2O g. , H2O r. – соответственно массовая и объемная доли паров воды во влажном воздухе. Объемная и массовая доли паров воды во влажном воздухе 0н Н О H O 2 2 рр r .. . . ; (2.11) O O N N H O H O H O H O H O 2 2 2 2 2 2 2 2 2 . .. . . .. . . .. . .. . . r r r r g , (2.12) где н Н2О р – парциальное давление насыщения воздуха парами во- ды; р0 – атмосферное давление; . . N2 N2 H2O r. . r 1. r. – объемная доля азота во влажном воздухе; rN2 – объемная доля азота в сухом воз- 84 духе; .О2 , .N2 , H2O . – молярные массы, соответственно, кисло- рода, азота и воды; . – относительная влажность воздуха. Относительная влажность . характеризует содержание паров воды в воздухе для конкретных атмосферных условий в процентах от максимально возможного (соответствующего ус- ловиям насыщения). Значения парциального давления насыщения водяного пара зависят от температуры и атмосферного давления. Например, при атмосферном давлении р0 = 100 кПа зависимость парциального давления насыщения воздуха парами воды от температуры может быть представлена следующими данными [10]: t0, .С –40 –30 –20 –10 0 10 20 30 н Н2О Р , Па 12,4 37,3 102,9 259,4 610,7 1227,1 2337 4242 Реакции окисления составляющих газообразного топлива: 2нм (кмоль) 2 1нм (кмоль) 2 2нм (кмоль) 2 3 3 3 2Н . О . 2Н О ; (2.13) 3 3 2 нм32 1нм2 2нм 2СО . О . 2СО ; (2.14) 3 3 3 2нм3 2 1нм 2 2нм2 1нм СН4. 2О . СО . 2Н О; (2.15) . . . . . . 3 3 3 . 2.нм32 нм 2 4 нм 2 1нм С Н 4 О СО 2 Н О n m n m n m. n . m . n . m . . (2.16) Необходимый объем кислорода воздуха для окисления горю- чих компонентов 1 нм3 газообразного топлива 2 42 O 2 4 C H O 4 CO 2CH 2H 1 21 2 . ... ... . . . . . . . . n m nn V n m . .. . .. . нм газа нм О 3 2 3 . (2.17) Этому объему кислорода соответствует объем сухого возду- ха (теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 нм3 газа): 2 2 O O 0 1 V r V . . (2.18) 85 Теплота сгорания топлива. Важнейшей характеристикой топлива является теплота сгорания – количество теплоты, вы- деляющееся при сгорании 1 кг или 1 нм3 топлива. Теплота сгора- ния зависит от условий сгорания топлива и охлаждения продук- тов сгорания. В зависимости от этих условий различают высшую и низшую теплоту сгорания, теплоту сгорания при постоянном давлении и постоянном объеме. В продуктах сгорания топлива содержится вода в виде пара. При охлаждении продуктов сгорания до температуры конденса- ции паров воды в продуктах сгорания каждый килограмм пара выделяет около 2500 кДж теплоты. Масса паров воды в продук- тах сгорания, например, жидкого топлива, кг Н2О . кг топлива : МН2О . 9Н.W , (2.19) где W – массовая доля воды в топливе. Количество теплоты, которое выделяется при конденсации этой массы пара, кДж . кг топлива: QН2О . 2500.9Н.W. , (2.20) Количество теплоты, выделяющееся при сгорании 1 кг жидкого или 1 нм3 газообразного топлива, с учетом теплоты, которая выделяется при конденсации паров воды в продуктах сгорания, называется высшей теплотой сгорания. Температура уходящих газов в различных теплосиловых ус- тановках значительно выше, чем температура конденсации паров воды. Поэтому в теплотехнических расчетах используют низшую теплоту сгорания. Низшая теплота сгорания – это количество теплоты, которое выделяется при сгорании 1 кг жидкого или 1 нм3 газообразного топлива без учета теплоты конденсации водяного пара, содержащегося в продуктах сгорания. Соотноше- ние между высшей и низшей теплотой сгорания для жидких топ- лив, кДж/кг: Qв . Qн . 2500.9Н .W.; (2.21) для газообразного топлива, кДж/нм3: ... ... . . . . . . . .42 в н 2 4 C H 2 2010 Н 2СН nn n m Q Q m , (2.22) 86 где 2010 кДж – количество теплоты, которое выделяется при конденсации 1 нм3 паров воды. Соотношения между высшей и низшей теплотой сгорания топлива приведены в табл. 2.5. Таблица 2.5 – Значение высшей и низшей теплоты сгорания топлива Топливо Массовая доля влаги, % Теплота сгорания, кДж/кг (кДж/нм3) Qв /Qн Qв Qн Водород – 12770* 10800* 1,18 Метан – 39790* 35850* 1,11 Этан – 69500* 63810* 1,09 Природный газ – 39780* 35590* 1,11 Бензин – 47310 43960 1,08 Керосин – 46270 43130 1,07 Мазут 3 43130 40610 1,06 * Единица теплоты сгорания газообразного топлива – 1 кДж/нм3 Различают также теплоту сгорания при постоянном давле- нии Qр (количество теплоты, отдаваемое продуктами сгорания при их охлаждении при постоянном давлении до начальной тем- пературы топливовоздушной смеси) и при постоянном объеме QV (количество теплоты, отдаваемое продуктами сгорания при их охлаждении при неизменном объеме до начальной температу- ры топливовоздушной смеси). Соотношение между теплотой сгорания при постоянном давлении и постоянном объеме, кДж/кг: . . 3 к н 10Q . Q . р V .V . . p V , (2.23) где р – давление, при котором осуществлялся процесс сгорания, Н/м2; Vк, Vн – соответственно конечный объем продуктов сгора- ния и начальный объем топливовоздушной смеси, м3. Значение теплоты сгорания зависит также от начальной температуры топливовоздушной смеси. Теплота сгорания жидко- го топлива обычно определяется при 20 .С опытным путем с по- 87 мощью, например, калориметра Юнкерса. Теплота сгорания газо- образного топлива может быть определена по элементарному со- ставу и теплоте сгорания отдельных компонентов, кДж/нм3: . . . . i n i Q Q iri 1 н н , (2.24) где Qнi – низшая теплота сгорания компонента газообразного то- плива; ri – объемная доля компонента в газообразном топливе. Плотность, сжимаемость, вязкость и поверхностное на- тяжение жидких топлив. Плотность и поверхностное натяже- ние влияют на качество распыла топлива, протекание процессов смесеобразования и сгорания. Плотность топлива (масса топлива в единице объема – кг/м3) зависит от вида и состава топлива (см. табл. 2.3 и табл. 2.4). Она связана определенными соотношениями с другими его свойствами – низшей теплотой сгорания, воспламеняемостью, испаряемостью и т.п. Например, при значении плотности жидко- го топлива 922–855 кг/м3 изменению плотности на 5 кг/м3 со- ответствует изменение низшей теплоты сгорания, примерно, на 60,4 кДж/кг; при плотности жидкого топлива 855–784 кг/м3 из- менению плотности на 5 кг/м3 соответствует изменение низшей теплоты сгорания, примерно, на 55,8 кДж/кг. Снижение плотнос- ти с 922 кг/м3 до 784 кг/м3 сопровождается увеличением низшей теплоты сгорания с 41900 до 43500 кДж/кг [2]. Плотность топли- ва зависит от температуры и давления [11]: .т = .т0 – а(t – t0); (2.25) .т = .т0 + b.р , (2.26) где .т0 – плотность топлива в кг/дм3 при р0 = 0,1013 МПа, t0 = 20.С; a, b – постоянные коэффициенты: a = (18 – 13.0)10–4 [кг/(дм3.град)]; b = 4.10–4/.03 [кг/(дм3.МПа)]; р, t –текущее значе- ние, соответственно, давления и температуры. Сжимаемость топлива оценивается коэффициентом сжи- маемости – отношением относительного изменения объема при изменении давления на 1 МПа: 88 V p V . . .с . , (2.27) где .V, .р – изменение, соответственно объема и давления. Как и плотность, коэффициент сжимаемости зависит от дав- ления. При увеличении давления, например, от 0 до 50 МПа ко- эффициент сжимаемости дизельного топлива (.т0 = 0,85 кг/дм3) уменьшается от 93.10–5 до 66.10–5 МПа–1. Вязкость топлива обусловлена силами молекулярного взаи- модействия. При перемещении одного слоя жидкости относи- тельно другого возникает сопротивление, значение которого про- порционально градиенту скорости и площади поверхности кон- такта (закон Ньютона): S dx Р . . dW , (2.28) где Р – сила трения между слоями жидкости; . – коэффициент динамической вязкости, Н.с/м2; dx dW – градиент скорости, м/(с.м); S – площадь поверхности контакта слоев, м2. Отношение коэффициента динамической вязкости к плот- ности среды называется кинематической вязкостью, м2/с: .. . . . (2.29) Единица кинематической вязкости – 1 мм2/с = 10–6 м2/с. Вяз- кость топлива зависит от плотности и температуры топлива [11]: т0 т0 т0 1 lg 1,306 1 . . . . . . ; (2.30) .т . .т0 . .1,1.т0 . 0,3. .1,3. lgt. , (2.31) где .т0, .т0 – плотность и кинематическая вязкость топлива при 20 .С; t – температура топлива. Вязкость бензинов при нормальной температуре (20 .С) изменяется в пределах 0,5–1,0 мм2/с, дизельных топлив – 1,5–6,0 мм2/с. 89 При увеличении вязкости топлива возрастает неоднород- ность размера капель в топливном факеле, ухудшаются процессы смесеобразования и сгорания. Особенно большое значение вяз- кость топлива имеет для двигателей с внутренним смесеобразо- ванием и воспламенением топлива от сжатия вследств
Форма входа
Поиск
Друзья сайта
  • Официальный блог
  • Сообщество uCoz
  • FAQ по системе
  • Инструкции для uCoz
  • Статистика

    Онлайн всего: 1
    Гостей: 1
    Пользователей: 0