Топливо для поршневых двигателей внутреннего сгорания

Топлива для поршневых двигателей внутреннего сгорания

04.08.2018 - 25.08.2018

4.1. Углеводородные соединения

Основными химическими элементами топлива являются углерод и водород. Все топлива, применяемые в двигателях внутреннего сгорания, представляют собой смесь химических соединений углерода и водорода. Соединения углерода с водородом многочисленны и носят общее название углеводородов. По структуре молекул и по физико-химическим свойствам все углеводороды разделим на группы:

  • нормальные углеводороды;
  • нафтены;
  • ароматические углеводороды.

4.1.1. Нормальные углеводороды.

Алифатические углеводороды, или углеводороды с открытой цепью. Они представляют собой соединения, в которых атомы углерода образуют развернутую цепь большей или меньшей длины. Алифатические углеводороды в зависимости от степени их насыщения подразделяются на три ряда:

  • парафины;
  • олефины;
  • ацетилены.
Парафины, или предельные (насыщенные) углеводороды CnH2n+2, носят название предельных потому, что в этом случае скелет углеродных атомов полностью насыщен водородом. В отличие от непредельных углеводородов предельные углеводороды неспособны присоединять другие атомы, а могут лишь во время реакции замещать некоторое количество атомов водорода соответствующим количеством атомов или групп других элементов. Парафины, входящие в состав применяемых в двигателях топлив, следующие: метан CH4, этан C2H6, пропан C3H8, бутан C4H10, пентан C5H12, гексан C6H14, гептан C7H16, октан C8H18, тридекан C13H28 и т.д. Первые соединения (метан, этан, пропан) встречаются в газообразном топливе, а последние, более высокоатомные соединения (гексан, гептан, октан и др.) - в жидких топливах. В качестве примера на рисунке 4.1 даны структурные формулы этана C2H8, пропана C3H8 и гексана C6H14. Как видим, эти углеводороды образованы цепями углеродных атомов, имеющих одинарную связь.


Рисунок 4.1. Структуры молекул парафинов:
1 - этана C2H6; 2 - пропана C3H8; 3 - гексана C6H14

Олефины, или непредельные (ненасыщенные) углеводороды CnH2n, являются углеводородами с открытой цепью, в которых два атома углерода цепи имеют друг с другом двойную связь, которая замещает отсутствующие атомы водорода. Основными представителями олефинов являются: этилен C2H4, пропилен C3H6, бутилен C4H8, пентилен C5H10, гексилен C6H12 и т.д. Первые три углеводорода из этого ряда являются газообразными, остальные — жидкими. В качестве примера на рисунке 4.2 приведены строения молекул олефинов: этилена C2H4, пропилена C3H6 к гексилена C6H12. Как видно из схем, приведенные углеводороды являются непредельными, так как у них скелет углеродна атомов неполностью насыщен водородом. Непредельные углеводороды являются менее устойчивыми и вследствие этого они более склонны к окислению, образованию смол, а также распаду при небольшом повышении температуры.


Рисунок 4.2. Структуры молекул олефинов:
1 - этилена C2H4; 2 - пропилена C3H6; 3 - гексилена C6H12

Ацетилены CnH2n-2, так же как и олефины, являются непредельными или ненасыщенными. У них два атома углерода образуют между собой двойную и тройную связь, которая замещает отсутствующие атомы водорода. В качестве примера строения ацетиленов, на рисунке 4.3, приведены схемы молекул аллилена C3H4 и диаллила C6H10.


Рисунок 4.3. Структуры молекул ацетиленов:
1 - аллилена C3H4; 2 - диаллила C6H10

Углеводороды могут существовать в виде разветвленных цепей, при этом такие соединения имеют такое же количество атомов углерода и водорода, что и у нормальных соединений. Такие соединения называются изомерными. Свойства изомерных соединений отличаются от нормальных соединений. Например, нормальный бутан C4H10 (рисунок 4.4, 1) из ряда парафинов имеет температуру кипения 1 °С, в то время как бутан изомерного типа, т. е. изобутан (рисунок 4.4, 2), имеет температуру кипения 17 °С.


Рисунок 4.4. Структуры нормальных молекул и изомеров:
1 - нормальный бутан C4H10; 2 - изобутан

4.1.2. Нафтены.

Нафтеновые углеводороды можно получить из алифатических соединений с открытой цепью, если концы цепи, атомов углерода соединить в кольцо при отложении двух атомов водорода. К числу нафтеновых углеводородов относятся два основных ряда: а) циклопарафины CnH2n; б) циклоолефины CnH2n-2. В качестве примера на рисунке 4.5 приведена структура молекулы циклобутана C4H8 который происходит от бутана C4H10 парафинового ряда. Нафтены имеют циклическое строение молекулы и занимают среднее положение между алифатическими и ароматическими углеводородами. Благодаря кольцевому строению нафтены более устойчивы в отношении расщепления и окисления.


Рисунок 4.5. Структуры молекулы циклобутана C4H8

4.1.3. Ароматические углеводороды.

Основным звеном ароматических углеводородов является бензол C6H6 (рисунок 4.6, 1). В отличие от нафтеновых углеводородов бензол имеет структуру, в которой атомы углерода имеют двойные связи. Подобная структура обеспечивает бо́льшую химическую устойчивость ароматических соединений по сравнению с остальными углеводородами и поэтому требует высоких температур при их сжигании. Остальные ароматические соединения представляют собой производные бензола. Они образуются при замене в бензоле одного или нескольких атомов водорода элементом или группой элементов метила или этила при этом основное ядро бензола сохраняется.

Наиболее известными такими ароматическими соединениями являются толуол C7H8 и ксилол C8H10. Строение молекулы толуола показано на рисунке 4.4,2. Толуол получается, если в бензольном соединении один атом водорода заменить метилом CH3. Толуол, или метилбензол, имеет химическую формулу C6H5CH3, а ксилол, или диметилбензол, C6H4(CH3)2. При замене атома водорода этилом C2H5 получается этилбензол C6H5C2H5. Строение молекул указанных выше ароматических углеводородов приведено на рисунке 4.6.


Рисунок 4.6. Структуры молекул:
1 - бензола C6H6; 2 - толуола C6H5CH3; 3 - ксилола C6H4(CH3)2; 4 - этилбензола C6H5C2H5

Кроме перечисленных выше углеводородов, можно отметить также алкоголи и эфиры.

Алкоголи получаются, если в алифатических углеводородах (парафинового ряда) один атом водорода заместить гидроксилом ОН. В качестве примера на рисунке 4.7 приведены строения молекул метиловой спирта СH3ОН и этилового спирта C2H5OH Первый получается из метана, второй — из этана.


Рисунок 4.7. Структуры молекул:
1 - бензола C6H6; 2 - толуола C6H5CH3; 3 - ксилола C6H4(CH3)2; 4 - этилбензола C6H5C2H5

Молекула эфира получается из двух молекул алкоголя, если при этом выпадает одна молекула воды.

Наконец, помимо приведенных углеводородов, ценным топливом является соединение углерода с кислородом при неполном окислении в виде окиси углерода СО. Все перечисленные выше углеводородные соединения являются составными частями различных сортов топлива.

4.2. Краткая технология получение топлив из нефти

Топливом для двигателей с искровым зажиагнием являются легко испаряющийся бензин, для дизелем — более тяжелое дизельное топливо, а для газовых двигателей — сжатые и сжиженные газы. В подавляющем большинстве случаев перечисленные топлива подучают из нефти, но при необходимости могут быть получены из торфа, сланцев и бурого угля. Как уже указывалось, нефть представляет собой сложную смесь жидких углеводородов, в которых растворены твердые углеводороды, смолисто-асфальтеновые вещества и природные углеводородные и неуглеводородные газы. Нефть включает в себя сотни углеводородов различного строения и гетероатомные соединения. В зависимости от состава нефти (места добычи) зависит выбор наиболее рационального метода ее переработки. Из нефти моторные топлива получают двумя способами: перегонкой или деструктивной переработкой.

Перегонка нефти наиболее простой и старый способ получения топлив и масел на нефтеперегонных заводах, основан на том, что, все углеводороды (фракции), входящие в ее состав, имеют свои индивидуальные температуры кипения и испарения. Поэтому в процессе перегонки нефть нагревают до определенной температуры, зависящей от ее физико-химических свойств и начинается процесс испарения. В процессе перегонки при постепенно повышающейся температуре компоненты нефти отгоняются в порядке возрастания их температур кипения. Первыми испаряются наиболее легкие углеводороды с наименьшими молекулярными весами и невысокими температурами кипения. Этот процесс получил название фракционирования (или дистилляции). Пары этих углеводородов направляют в холодильники, где они конденсируются и стекают в специальные приемники. После выкипания наиболее легких фракций нефти при более высоких температурах постепенно отгоняются все балее и более тяжелые, представляющие собой углеводороды с большими удельными н молекулярными весами. При прямой перегонке нефти выход бензина обычно не превышает 25—35%. Раньше из одного количества нефти последовательно отгоняли и собирали в индивидуальные приемники: 1) автомобильный бензин, выкипавший в интервале температур от 50 до 180 С; 2) керосин при изменении температур от 180 до 300 С; 3) остаток, из которого получали моторные масла, состоявший из наиболее тяжелых фракций, выкипавших при температурах от 300 до 350 С. Из другого количества нефти можно было получить последовательно следующие продукты: 1) бензин легкий, используемый для промышленных целей и испарявшийся при изменении температур от 50 до 120 С; 2) лигроин при изменении температур от 120 до 220 С; 3) дизельное топливо, выкипавшее при температурах от 220 до 350 С. В настоящее время в связи с дизелизацией тракторного парка отпала необходимость получения лигроинов н керосинов; потому из нефти отгоняют в основном автомобильный бензин и дизельное топливо.

Деструктивная переработка нефти, связанная с изменением структуры молекул, ее образующих, позволила при затрате известного количества тепла увеличить выход бензина на 30—50%. К этому способу переработки нефти относятся крекинг, деструктивная гидрогенизация и пиролиз. При крекинг-процессе тяжелые молекулы углеводородов расщепляются на более легкие, содержащие меньшее количество атомов. Так, например, при крекировании гексадекана C16H34 получают одну молекулу октана C8H18 и одну молекулу октена C8H16. Процесс крекирования происходит при температуре 480 - 550 C и требует затраты тепла.

ЕЩЕ НЕ РЕДАКТИРОВАЛ!!! Для всех индивидуальных веществ температура кипения при данном давлении является физической константой. Так как нефть представляет собой смесь большого числа органических веществ, обладающих различным давлением насыщенных паров, то говорить о какой-то определенной температуре кипения нефти некорректно. Можно говорить лишь о температуре кипения слагающих ее групп углеводородных соединений.

В условиях лабораторной перегонки нефти или нефтепродуктов при постепенно повышающейся температуре отдельные компоненты отгоняются в порядке возрастания их температур кипения, или то же самое, в порядке уменьшения давления их насыщенных паров. Следовательно, нефть и ее продукты характеризуются не температурами кипения, а температурными пределами начала и конца кипения и выходом отдельных фракций, перегоняющихся в определенных температурных интервалах. По результатам перегонки и судят о фракционном составе. Знание фракционного состава, который до начала промышленной переработки нефти, исследуется в лаборатории, позволяет определить, какие виды топлива и других химических веществ могут быть получены из данной конкретной нефти. Фракционный состав является важным показателем качества нефти, определяет ее стоимость и позволяет выбрать наиболее оптимальный способ переработки нефти.

4.3. Виды топлива и его состав

Топливом для двигателя внутреннего сгорания могут быть самые разнообразные сорта газообразных, жидких н твердых топлив. Все эти топлива принципиально можно сжигать в двигателях. Однако только некоторые из них удовлетворительно сгорают в цилиндре двигателя и имеют промышленное значение.

4.3.1. Газообразные топлива.

Газообразные топлива, применяемые для двигателей внутреннего сгорания, могут быть разделены на естественные и искусственные. К естественным относятся природные газы, добываемые из подземных газовых месторождений (например, на Кавказе, под Саратовом и т. д.), и промысловые газы, образующиеся в местах добычи нефти. К искусственным относятся газы, получаемые как отходы различных производств, и газы, специально генерируемые в печах и газогенераторах. К этой группе относятся: доменный газ, получаемый как побочный продукт при выплавке чугуна на металлургических заводах; коксовый газ, образующийся при получении кокса; светильный газ, получаемый при сухой перегонке угля; генераторный газ, получаемый в газогенераторах из различных сортов твердого топлива. Средний состав естественных и искусственных газов приведен в таблице 4.1.

Таблица 4.1 - Средний состав естественных и искусственных газов

Природные и промысловые газы относятся к так называемым богатым газам, обладающим высокой теплотворностью. Горючая часть этих газов состоит из углеводородов, при этом основным компонентом являет метан (CH4), содержание которого в естественных газах доходит до 90 ... 95 %. В качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания из естественных газов наибольшее применение имеют природные газы. Из горючих газов, получающихся как отходы различных производств, наибольшее применение в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания имеет доменный газ. Основной горючей частью доменного газа является окись углерода (CO). Теплотворность доменного газа низка и поэтому он относится к группе "бедных" газов. Из газов, специально получаемых из твердых топлив, наибольшее применение в двигателях внутреннего сгорания получил генераторный (силовой) газ, являющийся продуктом газификации топлива. Состав этого топлива может колебаться в широких пределах в зависимости от метода ведения процесса газификации, свойств газифицируемого топлива конструкции газогенератора. Теплотворность генераторного газа низка и он относится к группе «бедных» газов.

4.3.2. Жидкие топлива.

Большинство жидких топлив представляет собой смесь различных углеводородов. Они получаются из сырой нефти, каменноугольной и буроугольной смолы.

Из этих исходных продуктов в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания получаются различные дистиллаты, являющиеся продуктами фракционной перегонки нефти, каменноугольной смолы или буроугольной смолы при различных температурах. Схема фракционной перегонки сырой нефти приведена на рисунке 4.8.


Рисунок 4.8. Схема фракционной перегонки нефти

В качестве топлива, получающегося из нефти, в карбюраторных двиателях применяют бензин и керосин. Бензин состоит из алифатических углеводородов преимущественно парафинового ряда. Из этого ряда главными составными частями бензина являются пентан, гексан, гептан и октан. Бензин представляет собой наиболее летучую жидкую часть нефти и характеризуется наличием компонентов, температура кипения которых не превышает 200 °С. Кроме бензина, из нефти путем обычной перегонки получается и керосин. Под керосином понимают фракцию нефти, выкипающую в пределах 200 ... 300 °С. Таким образом, керосин состоит из более тяжелых угле тяжелых углеводородов.

Большая потребность в бензине для автотракторной и авиационной промышленности заставила искать новых путей для увеличения производства этого топлива. Такой путь был найден в крекинговании и гидронизации нефти, заключающихся в использовании высококипящих остатков нефти, которые составляют в среднем 75% общего ее количества.

Принцип крекинга (разложения) состоит в тепловой обработке указанных остатков: керосина, солярового масла, мазута и др. Сырьевой продукт подвергается нагреванию до температуры 475 ... 500 °С. Для сохранения исходного продукта в жидком состоянии процесс ведется под давлением до 5 МПа. Во время нагревания происходит распад тяжелых углеводородов на более легкие, в результате чего и получается бензиновый дистиллат. Полученный дистиллат подвергается химической очистке от легко осмоляющихся частей, после чего он подвергается вторичной перегонке. Полученный таким образом крекинг-бензин по своим эксплуатационным качествам отличается от бензина прямой гонки, и его обычно употребляют в смеси с последним.

Недостатком процесса крекинга является коксообразование и в связи с этим засоренность получаемого мазута. Последний поэтому трудно использовать в качестве топлива в двигателях внутреннего сгорания.

Более совершенный способ получения высококачественных бензинов - усовершенствованный метод крекинга бензина под названием гидрогенизации нефти. Этот процесс ведется в атмосфере водорода под давлением в 20 ... 25 МПа и при температуре около 425 °С. Благодаря присутствию водорода и высоким давлениям и температурам процесс крекинга сопровождается обогащением водородом, в результате чего не происходит образования кокса. Кроме эгого, получаемый бензин содержит меньшее количество непредельных углеводородов и становится более стабильным, а осаждающийся мазут может быть использован для приготовления высокосортных масел. Для двигателей с самовоспламенением топливом могут служить: газойль, дизельное топливо (соляровое масло) и мотороное топливо. Последнее является механической смесью солярового масла и мазута. В качестве топлива для стационарных двигателей с самовоспламенением применяют различные сорта мазута, носящие название тяжелого моторного топлива. Газойль и соляровое масло состоянт в основном из парафинов, олефинов и нафтенов. Кроме этих углеводородов, в газойль и соляровое масло входят также ароматики.

Схема фракционной перегонки каменноугольной смолы показана на рисунке 4.9. Первым дистиллятом каменноугольной смолы, как это видно из схемы, является бензол. Для двигателей с искровым зажиганием бензол применяется главным образом как примесь к бензинам для повышения их антидетонационных качеств. В двигателях с самовоспламенением бензол не употребляется ввиду его высокой стоимости и высокой температуры самовоспламенения, хотя при особо высоких температурах и давлениях его можно хорошо сжигать в цилиндре. Из дистиллятов каменноугольной смолы в качестве топлива для двиателей с самовоспламенением находит применение дегтярное масло состоящее из жидких частей продуктов дистилляции каменноугольной смолы - тяжелого масла и антраценового масла. Твердые части этих двух масел (нафталин и антрацен) предварительно должны быть удалены, в результате чего получаются нафталиновое масло и антраценовое масло.


Рисунок 4.9. Схема фракционной перегонки каменноугольной смолы

Смесь почти равных частей полученных масел и дает топливо, носящее название дегтярного масла. Дегтярное масло состоит из очень сложных ароматических углеводородов. В эксплуатации двигателей с самовоспламенением дегтярное масло дает худшие результаты, чем газойль и соляровое масло, полученные из нефти. Дистиллаты нефти дают более полное сгорание и безвредны для материалов, обычно применяемых в топливных насосах, форсунках, трубопроводах. Дегтярное масло, состоящее в основном из ароматиков, требует для сгорания более высоких давлений и температур и, кроме того, оно разъедает бронзу и медь. Поэюму дегтярное масло является менее пригодным топливом для двигателей с самовоспламенением по сравнению с газойлем, соляровым маслом и моторным топливом. Кроме перечисленных сортов топлив, для двигателей с самовоспламенением имеет также значение парафиновое масло, являющееся дистиллатом буроугольной смолы, схема перегонки которой изображена на рисунке 4.10.


Рисунок 4.10. Схема фракционной перегонки буроугольной смолы

Парафиновое масло хотя и является продуктом смолы, все же пригодно для двигателей почти в такой же степени, как и соляровое масло. В качестве топлива для двигателей с самовоспламенением можно применять шиферное масло, получающееся после обжига шиферных сланцев. Так же, говоря о жидких топливах для двигателей внутреннего сгорания, следует напомнить о широком использовании спиртов и эфирах, особенно в последнее время. Эти углеводороды применяются в двигателях главным образом как примеси к бензинам для повышения их качества, а также используют и отдельно для форсирования двигателя (спирты) или пуска в особо холодных условиях (эфиры).

4.3.3. Твердые топлива.

Из твердых топлив можно получить газообразные и жидкие топлива, которые могут сжигаться в двигателях внутреннего сгорания. Газообразное топливо из твердого, как уже было указано получается в виде побочных продуктов производства или вырабатывается в специальных газогенераторах. К числу газообразных топлив полученных из твердого, относятся светильный, коксовый, доменный и генераторный газы.

Продуктами для получения газообразного топлива могут быть антроцит, уголь, дрова, торф, солома, опилки и др. Из твердого топлива можно получить также жидкое топливо которое может сжигаться в двигателях. Такими топливами, как мы уже знаем являются бензол, дегтярное масло, парафиновое масло. Наконец, твердое топливо можно сжигать в цилиндре двигателя и в твердом размельченном и распыленном состоянии (пылевидное топливо). До сих пор использование пылевидного топлива в двигателях внутреннего сгорания не получило практического широкого распростарнения. Главным препятствием к его применению является свойство угля брикетироваться и образовывать в цилиндре двигателя золу, которую необходимо непрерывно удалять. Затруднения создает и то обстоятельство, что пылевидное топливо неоднородно по размеру и весу пылинок, что мешает получению равномерной смеси в цилиндре и возможности правильного использован рабочего воздуха. Тем не менее, двигатели работающие на угле были созданы в СССР и США в период роста цен на нефть, в 70...80-х годах 20-ого века. Однако, последовавшее за этим, резкое снижение цены на баррель нефти остановил дальнейшее развитие этой техники.



Контрольные вопросы и задания
  1. Перечислите основные группы углеводородов;
  2. Назовите углеводороды наиболее устойчивые и самые неустойчивые к детонации;
  3. Расскажите о процессе перегонке нефти в газообразные, жидкие и твердые топлива для поршневых ДВС;
  4. Перечислите газообразные топлива, используемые в поршневых ДВС;
  5. Перечислите наиболее распространенные жидкие топлива, использующиеся в ДВС;
  6. Перечислите твердые топлива, которые могут быть использованы для поршневого ДВС;
  7. Расскажите, как могут использоваться твердые топлива в поршневых ДВС.


Рекомендуемая дополнительная литература
  1. Двигатели внутреннего сгорания: устройство и работа поршневых и комбинированных двигателей/ В. П. Алексеев, В. Ф. Воронин, Л. В. Грехов и др.; Под общ. ред. А. С. Орлина,М. Г. Круглова., М.: Машиностроение, 1990.
  2. Учебник для втузов по специальности «Двигатели внутреннего сгорания» / Д. Н. Вырубов, Н. А. Иващенко, В. И. Ивин и др.; Под ред. А. С. Орлина, М. Г. Круглова. — 4-е изд., перераб. и доп. — М.: Машиностроение, 1983. — 372 с.
  3. Иноземцев Н.В. Курс тепловых двигателей. Издание 2-е. — М.: Оборонная промышленность, 1952. — 471 с.
  4. Фракционный состав нефти и методы его изучения. Под ред. Успенский Б.В. Учебно-методическое пособие по изучению состава природной нефти, битумов и органического вещества пород для студентов специалистов, обучающихся по специальности 020305-Геология и геохимия горючих ископаемых, и студентов бакалавров, обучающихся по специальности 020700-Геология, профиль — Геология и геохимия горючих ископаемых. Казанский (Приволжский) федеральный университет Институт геологии и нефтегазовых технологий. Казань, 2013.
  5. Автомобильные и тракторные двигатели (теория, системы питания, конструкции и расчет). Под ред. И.М. Ленина. М.: Высшая школа, 1969.