Физико-химические свойства топлив

04.08.2018 - 25.08.2018

5.1. Оснонвные свойства топлив

Пригодность топлив для двигателей внутреннего сгорания определяется эксплуатационными качествами топлива, оценка которых базируется на влиннии топлива на мощность, экономичность и надежность работы двигателя. Каждый из указанных признаков имеет большое значение при выборе топлива и определяется рядом физико-химических констант и качественных показателей применяемого топлива. Такими физико-химическими свойства топлив являются:

1. элементарный состав топлива;
2. удельный вес;
3. фракционная разгонка;
4. содержание золы;
5. содержание влаги;
6. вязкость;
7. температура застывания (жидкого топлива);
8. температура вспышки и воспламенении;
9. температура самовоспламенения;
10. антидегонационные показатели (отнесение антидетониционных показателей к физико-химическим свойствам топлива является условным);
11. теплотворность.

5.1.1. Элементарный состав топлива.

Для газообразных топлив элементарный состав обычно дается в объемных долях. Данные о составе наиболее употребительных газообразных топлив были приведены в таблице 4.1.

Большинство жидких топлив, как уже указывалось, представляет собой смесь различных углеводородов с разными точками кипения и поэтому они не могут быть выражены простыми химическими формулами. Для таких топлив содержание в них отдельных элементов определяется химическим анализом и обычно дастся в весовых долях. Средний элементарный состав жидких топлив приведен в таблице 5.1.

Таблица 5.1 - Средний элементарный состав жидких топлив

Во всех видах твердого топлива имеется органическая часть, состоящая из углерода C, водорода H, кислорода O и азота N, и минеральная часть, которую составляют сера и различные оксиды железа, алюминия и других металлов, дающих при сгорании топлива остаток A, называемый золой. Кроме этих элементов, всякое природное топливо содержит в себе влагу W.

Содержание в топливе золы и влаги может колебаться в больших пределах в зависимости от условий добычи топлива и способа его хранения. Общее количество золы, влаги и серы в топливе дает так называемый балласт B. С увеличением балласта уменьшается ценность топлива в тепловом отношении. Для различных твердых топлив балласт составляет от 10 до 60% веса топлива. Элементарный состав органической части твердых топлив для различных их видов колеблется в следующих пределах:

С = 50 ... 97,5 %;
Н = 1,5 ... 6%;
0 + N = 1 ... 44 %.
Средний состав некоторых твердых топлив приведен в таблице 5.2.

Таблица 5.2 - Средний состав некоторых твердых топлив (массовая доля)

Как уже отмечалось, в настоящее время, для двигателей внутреннего сгорания значение твердого топлива заключается в том, что из него может быть получено газообразное или жидкое топливо, которое и применяется в качестве горючего в поршневых и комбинированных двигателях.

4.3.2. Плотность топлива.

Для жидкого топлива знание плотности имеет ценность лишь при наличии данных по фракционному и химическому составу и знании района добычи топлива. Без этих данных удельный вес не играет существенной роли, так как топлива с одинаковым удельным весом, но разного состава могут обладать различными качествами, например, по испаряемости или по склонности к детонации. Значения плотности жидких топлив приведены в таблице 5.3.

Таблица 5.3 - Плотность жидких топлив

Для бензинов плотность топлива при условии знания района добычи может служить грубым показателем таких свойств топлива, как склонность к детонации и его испаряемость. С увеличением удельного веса бензина уменьшается его испаряемость и увеличивается склонность к детонации. В бензольных топливах (смесь бензина с бензолом) с увеличением удельного веса увеличивается содержание бензола в топливе, и это приводит к улучшению испаряемости и меньшей склонности к детонации.

5.1.2. Фракционная разгонка жидкого топлива.

Кривая фракционной разгонки жидкого топлива показывает, какое объемное количество топлива испаряется при его нагревании до определенной температуры. Фракционная разгонка имеет существенное значение для оценки качества топлива в двигателях с воспламенением от искры и от сжатия. В карбюраторных двигателях испаряемость топлива имеет важное значение для обеспечения хороших пусковых качеств топлива, приемистости двигателя и разжижения смазки. Кроме того, в искровых двигателях с внешним смесеобразованием сгорание происходит после относительно длительной подготовки смеси во время тактов всасывания и сжатия. Поэтому кривая фракционной разгонки топлива для этих двигателей характеризует процесс подготовки топлива к сгоранию. Кривая фракционной разгонки для топлив, применяемых в двигателях с воспламенением от сжатия, имеет значение потому, что скорости сгорания топлива различны для гетерогенных и гомогенных реакций. Весьма существенным поэтому является вопрос, связанный с испарением топлива до воспламенения топлива в цилиндре двигателя и в период сгорания. Топлива с различными кривыми фракционной разгонки должны создавать различные условия для протекания процесса сгорания. По данным кривой фракционной разгонки можно предъявлять соответствующие требования к топливной промышленности. В качестве примера на рисунках 5.1 и 5.2 приведены кривые фракционной разгонки бензина, керосина, газойля и солярового масла.

Рисунок 5.1. График фракционной разгонки бензина (по данным НАТИ):
1 - автомобильный бензин; 2 - тракторный керосин


Рисунок 5.2. График фракционной разгонки (по данным НАТИ):
1 - бакинского газойля; 2 - солярового майкопского масла

5.1.3. Содержание золы.

Газообразное топливо, полученное из твердого (доменный газ, газогенераторный и др.), содержит в себе много пыли, поэтому перед использованием в газовых двигателях его необходимо тщательно очистить. Очистка газообразного топлива осуществляется сухим и мокрым способами. После очистки в нем не должно содержаться пыли более 0,1 ... 0,25 г/м³.

В жидких топливах содержание золы должно быть минимальным. Для керосина и бензина зольность должна быть равной нулю; для топлив, применяемых в двигателях с воспламенением от сжатия, содержание золы не должно превышать 0,05%, так как большая зольность топлива вызывает быстрое изнашивание цилиндра двигателя.

5.1.4. Содержание влаги.

Влага снижает теплоту сгорания топлива, поэтому ее количество в топливе должно быть возможно малым. В газообразных топливах влага может находиться в виде паров. В жидких топливах влага должна отсутствовать.

5.1.5. Вязкость жидкого топлива.

Вязкость жидкого топлива является мерой его текучести и измеряется в градусах Энглера —°Е. Число градусов Энглера — это отвлеченное число, представляющее отношение времени истечения 200 см³ данного топлива при данной температуре к времени истечения такого же объема воды при температуре 20 °С. С повышением температуры вязкость топлива уменьшается. Бензин обладает незначительной вязкостью: при температуре 20 °С вязкость нажодится в диапазоне 0,004 ... 0,006 °E. Для керосина вязкость составляет около 0,01 °E. Для топлив, применяемых в двигателях с воспламенением от сжатия, вязкость имеет большое значение. С увеличением вязкости топлива заметно повышается сопротивление трубопроводов; вязкость топлива оказывает влияние на распыливание и, следовательно, на процесс сгорания. Вязкость топлива для двигателей с самовоспламенением при 20 °С находится в пределах 1 ... 30 °E. Желательно, чтобы вязкость при указанной температуре составляла 2 ... 5 °E. Бо́льшая вязкость топлива создает затруднения при его распыливании. Для устранения недостатков, связанных с большой вязкостью топлива, часто приходится прибегать к подогреву жидкого топлива.

5.1.6. Температура застывания жидкого топлива.

В жидких топливах сложного состава наступление застывания или замерзания соответствует моменту выпадения твердых кристаллов тех углеводородов, температура замерзания которых выше температуры топлива. Так как в эксплуатационных условиях топливо не должно содержать твердых частиц, то под температурой застывания топлива понимается температура, при которой внутри жидкого топлива начинается выпадение кристаллов.

Это требование приобретает исключительное значение для авиационных топлив, применяющихся в двигателях, работающих на большой высоте при очень низких температурах окружающей среды.

Температура застывания топлива применяемого для стационарных двигателей, должна быть лишь на несколько градусов ниже нуля, так как машинный зал всегда защищают от мороза.

Температура застывания топлива, применяемого для автотракторных двигателей с воспламенением от сжатия, должна быть возможно ниже. Так для газойля и солярового масла температура замерзания имеет значение ниже -20 °С.

В карбюраторных двигателях вопрос замерзания топлив получил особо важное значение при применении бензольных топлив. Температура замерзания чистого бензола +5,5 °С, и поэтому он неприменим в качестве автомобильного и авиационного топлива.

Бензольные топлива (смесь бензина с бензолом), или моторные бензолы, имеют температуру замерзания ниже —30 °С.

Следует отметить, что содержание воды в топливе значительно повышает температуру замерзания топлива. В связи с этим автомобильные и авиационные топлива должны быть по возможности полностью обезвожены.

5.1.5. Температура вспышки и температура воспламенения жидкого топлива.

Температура, при которой отделяющиеся с поверхности топлива пары сгорают при поднесении пламени, а жидкая масса топлива остается несгоревшей, называется температурой вспышки. Температура, при которой после вспышки топливо горит с поверхности длительное время, называется температурой воспламенения. Температура вспышки и температура воспламенения с точки зрения пригодности топлива для работы в двигателе не играют какой-либо роли. Эти температуры имеют значение лишь для классификации жидких топлив. Кроме этого, указанные температуры характеризуют огнеопасность топлива. По степени огнеопасности жидкие топлива в зависимости от температуры вспышки располагаются в следующем порядке:

1. бензин, бензол (ниже 21 °С);
2. керосин (21 ... 65 °С);
3. моторные масла (65 ... 140 °С).

5.1.6. Температура самовоспламенения.

Температура самовоспламенения - это самая низкая температура, при которой топливо воспламеняется без воздействия какого-либо постороннего источника воспламенения. Температура самовоспламенения является одной из наиболее важных констант топлива и имеет основное значение для суждения о применимости жидкого топлива в двигателях внутреннего сгорания и особенно в двигателях с воспламенением от сжатия. Температура самовоспламенения зависит от окислителя (например, воздух или кислород) и от давления окружающей среды (рисунок 5.3).

Рисунок 5.3. Температура самовоспламенения жидких топлив в зависимости от давления окружающей среды

Для всех видов жидкого топлива температура самовоспламенения уменьшается с повышением давлении воздуха. Следовательно, данное топливо при большом давлении воздуха может самовоспламеняться при меньшей температуре и, наоборот, меньшее давление допускает нагрев топлива до более высоких температур без его самовоспламенения.

Наибольшей температурой самовоспламенения обладает бензол, далее идет бензин и, наконец, с примерно одинаковыми значениями температур (более низкими, чем у бензина) следуют газойль, керосин и парафин.

При давлении воздуха 3 МПа употребляемые в двигателях с воспламенением от сжатия газойль, а также керосин имеют температуру самовоспламенения около 205 °С. При тех же условиях бензин имеет температуру самовоспламенения 260 °С и бензол — около 470 °С. Эти данные показывают, что сжигание в двигателях с воспламенением от сжатия бензина и особенно бензола требует больших степеней сжатия воздуха.

Исследования показывают, что температура самовоспламенения является функцией не давления, а плотности воздуха, так как капельки топлива нагреваются вследствие теплопроводности, которая зависит от плотности воздуха. На рисунке 5.4 показаны зависимости абсолютной температуры самовоспламенения топлива от плотности воздуха.

Рисунок 5.4. Зависимость температуры воспламенения топлива от плотности воздуха

Зависимость температуры самовоспламенения от плотности воздуха может быть определена следующей эмпирической формулой (по Нейману):

, (5.1)

где T_s - температура самовоспламенения, К; γ - плотность воздуха, кг/м³; C и m - постоянные величины.

Для топлив с преимущественным содержанием алифатических углеводородов постоянные С и m имеют среднее значение: C = 709, m = 0,16; для бензола C = 1163 и m = 0,231. Приведенной эмпирической формулой и постоянными коэффициентами можно пользоваться лишь при ориентировочном определении температуры самовоспламенения. Более точные данные по температуре самовоспламенения можно получить при исследовании топлива в лабораторных условиях.

5.1.7. Метод оценки воспламеняемости топлива, цетановое число

В двигателях с самовоспламенением для обеспечения воспламенен топлива недостаточно иметь температуру сжатого воздуха, равную температуре самовоспламенения. Для того чтобы произошло воспламенение топлива в цилиндре, температура воздуха в нем должна быть намного выше температуры самовоспламенения. Объясняется это тем, что топливо впрыскиваемое в цилиндр, воспламеняется не сразу, а требует промежутка времени; этот промежуток называется задержкой воспламенения. Причина появления задержки воспламенения связана с необходимостью нагрева топлива до температуры самовоспламенения и для химической подготовки топлива к сгоранию (так называемые предпламенные реакции). В качестве иллюстрации необходимой разности температур на рисунке 5.5 приводится одна из диаграмм двигателя, полученная в опыте с двигателем мощностью 200 л.с. Диаграмма показана в развернутом по углу поворота коленчатого вала виде. Линия сжатия подчиняется уравнению pv^1,35 = const и дает конечное давление, равное 2,7 МПа. Воспламенение топлива происходит при угле поворота кривошипа —15°, т. е. за 15° до ВМТ. Давление в ВМТ достигает значения ~4,7 МПа, и затем происходит расширение газов.

Рисунок 5.5. Индикаторная диаграмма двигателя

Соответственно изменению давления подсчитано изменение температуры в процессе сжатия и на индикаторную диаграмму нанесен график T_сж для сжимаемого воздуха. На этой же диаграмме показан график изменения температуры самовоспламенения T_s, которая была построена по уравнению (5.1).

Как показано на рисунке 5.5, пересечение кривых T_сж и T_s, происходит при угле поворта коленчатого вала -50°, т. е. за 50° до ВМТ. В этой точке температура сжатии совпадает с температурой самовоспламенения и равна ~297 °C.

По данным исследования впрыскивание топлива в цилиндр происходит при угле -30°, т.е. в момент, когда температура воздуха примерно на 100°C выше температуры самовоспламенения. Несмотря на такое повышение температуры, самовоспламенения в цилиндре не происходит, лишь спустя 15° по углу поворота кривошипа, т.е. при угле поворта коленчатого вала -15°, происходит вспышка топлива, и кривая давления резко поднимается вверх. Следовательно, для получения воспламенения потребовалось время, соответствующее 15° угла поворота кривошипа (время задержки воспламенения), для того чтобы топливо могло быть подготовлено к химическому преобразованию и сгоранию. В момент вспышки температура воздуха в цилиндре была на 220° C выше температуры самовоспламенения.

Явления задержки воспламенения наблюдаются и в двигателях с воспламенением от электрической искры, хотя и в меньшей степени, чем в двигателях с воспламенением от сжатия. Для оценки качества топлива на самовоспламеняемость в настоящее время применяется метод сравнительных испытаний двух топлив на двигателе. Одно из этих топлив является испытуемым, а другое представляет собой смесь стандартного с эквивалентным топливом. При испытании какого-либо образца топлива смесь стандартного и эквивалентного топлив подбирается так, чтобы качество самовоспламеняемости такой смеси было таким же, как у испытуемого топлива. Качество самовоспламеняемости топлив определяется по величине периода запаздывания воспламенения, которая находится по индикаторной диаграмме как время, протекающее от момента начала впрыскивания топлива в цилиндр двигателя до момента отрыва линии сгорания от линии сжатия. При равенстве периодов запаздывания воспламенения испытуемое топливо и смесь стандартного и эквивалентного топлив будут обладать одинаковыми качествами по самовоспламеняемости. В качестве стандартного топлива выбирается наиболее трудно воспламеняемое топливо. Таким топливом является альфаметилнафталин C₁₁H₁₀ (структура молекулы на рисунке 5.6,1).

Эквивалентное топливо, наоборот должно обладать наилучшей характеристикой по самовоспламеняемости, т.е. иметь наименьший период запаздывания воспламенения. Таким топливом является цетан C₁₆H₃₄ (структура молекулы на рисунке 5.6,2).

Рисунок 5.6. Схема молекулы альфаметилнафталина

Таким образом, процентное содержание по объему цетана в смеси с альфаметилнафталином, называемое цетановым числом, и служит мерой оценки качества испытуемого топлива на самовоспламеняемость.

Цетановое число может изменяться в пределах от 0 до 100. Цетановое число альфаметилпафталина равно нулю, а чистый цетан имеет цетановое число 100. Чем больше цетановое число топлива, тем легче топливо самовоспламеняется и, следовательно, тем меньшую степень сжатия можно иметь в двигателе для получения нормального воспламенения.

5.1.8. Антидетонационные показатели топлива, октановое число

Детонация топлива — это своеобразная форма сгорания топлива в цилиндре, сопровождающаяся рядом характерных явлений. К этим явлениям относятся резкие металлические стуки в цилиндре, падение экономичности и мощности двигателя, увеличение отдачи тепла в стенки, и вследствие этого сильный перегрев поршней н выпускных клапанов, большое количество сажи в отработавших газах. С явлением детонации впервые столкнулись после первой мировой войны в связи с теоретически обоснованным стремлением увеличить степень сжатия и тем самым достигнуть увеличения экономичности и мощности карбюраторных двигателей. Однако при первых же опытах в этом направлении оказалось, что при повышении степени сжатия сверх некоторого предельного значения желаемый эффект не достигался, а наоборот, наблюдалось падение экономичности и мощности двигателя. В цилиндре карбюраторного двигатели при этом имел место своеобразный характер сгорания топлива, отличающийся от нормального процесса сгорания и сопровождающийся указанными выше характерными признаками. Это ненормальное сгорание и было названо детонацией. Таким образом, детонация не только уничтожает преимущества, которые должны были появиться в связи с повышением степени сжатия, но, наоборот, резко ухудшает работу двигателя. Исследованию этого явления посвящено большое количество работ, имеющих целью объяснить его, определить параметры, влияющие на интенсивность детонации, и найти способы уничтожения детонации. Ценные работы по исследованию детонации были выполнены в Советском Союзе А.С. Соколиком, М.М. Масленниковым и др. Самой первой признанной теорией детонации в была теория перекисей. Согласно этой теории появление детонации в двигателе рассматривается как следствие химического видоизменения топлива в период, предшествующий его воспламенению. Во время сжатия, при повышении температуры и давления смеси углеводороды изменяют свое состояние насыщения. Предельные углеводороды, насыщенные водородом при нормальной температуре, оказываются перенасыщенными и отдают водород, а непредельные углеводороды поглощают водород и становятся предельными, т. е. насыщенными. Кроме того, с повышением температуры и давления углеводороды в той или иной степени расщепляются на соединения с меньшим числом атомов.

Вещества в момент перенасыщения или расщепления легко вступают в реакцию с кислородом, в результате чего образуются переокисленные соединения, или перекиси, являющиеся промежуточным звеном между углеводородами и альдегидами. Так как температура самовоспламенения перекисей ниже температуры самовоспламенения свежей смеси, то перекиси легко распадаются с выделением тепла, при этом и происходит воспламенение смеси или значительное ускорение уже начавшегося процесса сгорания. Чем больше образуется перекисей, тем более заметны явления, связанные с взрывным, т.е. детонационным сгоранием, топлива. Предельные углеводороды перенасыщаются значительно скорее других углеводородов. Расщепление молекул углеводородов происходит легче у алифатических соединений с открытой прямой цепью. Циклические соединения и углеводороды с разветвленной цепью расщепляются значительно труднее. Ароматические соединения, в частности, бензол, являются наиболее стойкими углеводородами. Таким образом, различные углеводороды способны давать разное количество перекисей; этим и объясняется неодинаковая склонность к детонации различных по строению молекул углеводородов. Парафиновый ряд как соединение, обладающее большей склонностью к перенасыщению и состоящее из молекул с открытой цепью, наиболее склонен к детонации. Тяжелые углеводороды состоят из молекул с большим числом атомов углерода (керосин), следовательно, сравнительно легко расщепляются и поэтому более склонны к образованию перекисей и появлению детонации. Алифатические соединения с циклическим строением молекул и ароматики расщепляются значительно труднее и поэтому являются более стойкими в отношении детонации. Наиболее стойким к детонационным явлениям считается бензольное ядро. Таким образом, наличие и интенсивность детонационного сгорания в двигателе при всех прочих равных условиях зависят от сорта топлива. Величина степени сжатия в двигателях с искровым зажиганием (в частности, карбюраторного двигателя) целиком зависит от антидетонационных качеств топлив.

В настоящее время принятым методом испытания топлива на детонацию является метод сравнительных испытаний на одном и том же двигателе двух топлив, из которых одно представляет собой испытуемое топливо, а другое — смесь стандартного топлива с эквивалентным. Каждый раз при испытании какого-либо топлива последняя смесь составляется путем примеси эквивалентного топлива к стандартному из такого расчета, чтобы она по своим антидетонационным качествам давала те же показатели, что и испытуемое топливо. Мерой сравнительной оценки антидетонациокных качеств испытуемого топлива по отношению к стандартному топливу служит размер примеси эквивалентного топлива, выраженный в процентном содержании по объему, в смеси со стандартным топливом. Одинаковые знтндетонационные качества испытуемого топлива в смеси стандартного топлива с эквивалентным определяются различными способами. Наиболее распространенными способами определения интенсивности детонации являются следующие: по стуку в цилиндре на слух, с помощью детонометра и по температуре головки.

Принцип действия детонометра заключается в том, что при наличии детонации (и в связи с этим высоких давлений) происходит перемещение иглы и замыкание контактов. Электрический ток, проходя контакты, отклоняет стрелку электроприбора и вдет через электроды сосуда, наполненного электролитом. По величине отклонения стрелки или по объему выделенного в сосуде газа можно судить об плоности детонации. В настоящее время электролитический сосуд заменен более простым прибором - кнокметром, снабженным условной шкалой с делениями 0 ... 100 и регистрирующим тепловой эффект тока.

Интенсивность детонации можно определять измерением температу головки двигателя посредством термопары. В последнее время для горения детонации стали применяться электроакустические детонометры.

Стандартное топливо. Так как детонация топлива зависит от химического и фракционного состава топлива, то при выборе стандартного топлива к нему предъявляют следующие требования: определенность и сохранность химической природы, определенность фракционного состава и стабильность его химико-физических свойств при продолжительном хранении. Кроме этого, стандартное топливо должно обладать определенной склонностью к детонации, причем эта склонность к детонации должна быть у него бо́льшей, чем у любого применяемого сорта бензина. В полной мере этим требованиям удовлетворяет гептан. Последний применяется в качестве стандартного топлива.

Эквивалентное топливо. Так же как и стандартное топливо, эквивалентное топливо должно быть определенным по химическому, фракционному составу и стабильным по химико-физическим свойствам при длительном хранении. В отношении же склонности к детонации требования, предъявляемые к эквивалентному топливу, должны быть противоположны тем, которые предъявляются к стандартному топливу. Для эквивалентного топлива необходимо иметь наименьшую склонность к детонации по сравнению с любым из применяемых топлив. Перечисленным требованиям наиболее полно удовлетворяет изооктан, который применяется в качестве эквивалентного топлива. Таким образом, смесью стандартного топлива с эквивалентным в настоящее время является смесь изооктана с гептаном. Мерой же сравнительной оценки янтидетонационных качеств испытуемого топлива по отношению к стандартному топливу является процентное содержание по объему изооктана в смеси изооктана с гептаном; число, показывающее содержание изооктана, носит название октанового числа.

В гептане октановое число равно нулю, а октановое число изооктана равно 100. Таким образом, октановое число смеси стандартного и эквивалентного топлив меняется в зависимости от содержания в смеси изооктана от 0 до 100; при этом чем выше октановое число, тем выше аптидетонационные качества указанной смеси, а следовательно, и испытуемого топлива.

Применяемые в настоящее время топлива имеют октановые числа 80 ... 98. Для авиационных топлив октановое число ~100. В настоящее время существуют топлива, обладающие большей стойкостью против детонации, чем изооктан (например, ацетон с добавлением тетраэгилового свинца). Такие топлива имеют октановое число выше 100. Это условное определение антидетонационных качеств для подобных топлив означает, что топлива с октановым числом выше 100 обладают лучшими антидетонаштоннмми характеристиками и позволяют применять большие степени сжатия, чем при применении чистого изооктана. Для оценки антидетонационных качеств таких топлив требуются очевидно другие методы испытания.

5.1.9. Теплота сгорания топлива.

Теплотой сгорания топлива H называется количество теплоты, выделяемое при полном сгорании 1 кг, 1 м³ или 1 моля топлива.

Теплота сгорания топлива определяется в специальных приборах, носящих название калориметров. Порцию топлива заключают в специально устроенную для этого горелку, где происходит испарение топлива. Далее пары топлива смешивают с избыточным воздухом и смесь зажигают искрой. Испарение топлива в горелке и подвод избыточного количества воздуха обеспечивают полное сгорание топлива. Получившиеся после сгорания газы пропускают через холодильник, где происходит охлаждение их до первоначальной температуры (15°C). Количество выделившейся теплоты определяется по количеству нагретой воды и разности температур.

Теплота сгорания топлива может определяться при постоянном давлении или при постоянном объеме. В калориметрической бомбе (рисунок 5.7,1) топливо сжигается при постоянном объеме. Если привести температуру продуктов сгорания к первоначальному значению и замерить количество тепла, переданное через стенки сосуда с учетом всех потерь, то получим теплоту сгорания топлива H_v при постоянном объеме. В калориметре постоянного давления (рисунок 5.7,2) сжигание производится так, чтобы поршень мог свободно перемещаться под влиянием меняющегося объема сгорающих газов, с сохранением постоянного давления. Если замерить количество тепла, переданное стенкам и воде с учетом потерь, то получим теплотворность топлива H_p при постоянном давлении.

Рисунок 5.7. Схемы калориметров:
1 - изохрный; 2 - изобарный;

Очевидно, что H_v ≠ H_p, так как в общем случае при p = const может произойти изменение объема, и к теплу, выделившемуся из топлива, прибавится или убавится от него тепло, соответствующее механической работе. Согласно первому закону термодинамики для химических реакций имеем

, (5.2)

где ΔU - изменение внутренней энергии; Q - тепловой эффект реакции; A - работа реакции.

Следовательно,

, (5.3)
, (5.4)

Соответственно для теплоты сгорания:

, (5.5)
, (5.6)

где Δv - изменение объема газов при их сгорании.

Например, для сгорания 1м³ CO согласно уравнению

CO + 0,5 O₂ = CO₂

изменение объема составит Δv = -0,5³. Из эксперимента Hv = 2800 кал/м³ при давлении 0,1 МПа и температуре 15°C. Тогда

Hp = 2800 + 10⁵ 0,5 = 2812 кал/м³.

Для сгорания 1м³ H₂ по уравнению

H₂ + 0,5 O₂ = H₂O,

принебрегая объемом пара, который конденсируется в воду при давлении 0,1МПа и температуре 15°С, получим

Δv = -1,5³,

тогда при Hv = 2800 кал/м3 получим

Hp = 2800 + 10⁵ 1,5 = 2835 кал/м3.

Как видим, разница между Hv и Hp составляет 0,5 ... 1,5%. При сгорании топлив, дающих сокращение объемов, работа поршня дает добавочное количество тепла и Hp>Hv. При сгорании с увеличением объема газов Hp < Hv. При сгорании без изменения объемов Hv=Hp.

Очень часто ввиду незначительной разницы между Hp и Hv ею пренебрегают.

5.1.10. Высшая и низшая теплота сгорания топлива.

В калориметрах температура продуктов сгорания при прохождении их через холодильник понижается до первоначального значения, т.е. до 15° С. При этих условиях водяные пары, получившиеся в результате сгорания водорода, конденсируются и, следовательно, происходит добавочное выделение тепла конденсации, равного теплу парообразования. Таким образом, в этом случае калориметром определяется все тепло, включая и то, которое выделяется при конденсации водяных паров. Это общее количество тепла называется высшей теплотой сгорания топлива H. В том случае когда продукты сгорания не охлаждаются до первоначальной температуры, количество выделенного тепла будет соответствовать величине

, (5.7)

где W_H2O - количество образовавшихся водяных паров; r - теплота парообразования.

Для 1 кг топлива, содержащего gH кг водорода, получим

H_u = H - 9 r g_H. (5.8)

Величина H_u называется низшей теплотой сгорания топлива. В двигателях внутреннего сгорания температура выпускных газов достаточно высока, поэтому водяные пары, находящиеся в выпускных газах, не могут конденсироваться в воду и в связи с этим они уносят с собой скрытую теплоту парообразования.

Поэтому в практических расчетах поршневых двигателей внутреннего сгорания используют низшую теплоту сгорания топлива, которую определяют по количеству теплоты, выделившейся в воду калориметра при полном сгорании топлива, путем охлаждения газов до первоначальной температуры, за вычитом скрытой теплоты парообразования. Полученная таким образом величина учитывает затрату тепла на повышение внутренней энергии продуктов сгорания, имеющих бо́льшую теплоемкость, чем свежая смесь.

Так как теплоемкость зависит от температуры, то эта затрата тепла будет изменяться с температурой и будет тем большей, чем выше температура опыта. Практически влияние температуры на теплоту сгорания топлива незначительно, поэтому в расчетах рабочего процесса двигателей теплота сгорания топлива принимается не зависящей от температуры. Значения низшей теплоты сгорания топлив для двигателей внутреннего сгорания приведены в таблице 5.5.

Таблица 5.5 - Низшие теплоты сгорания топлив для двигателей внутреннего сгорания

5.1.11. Теплота сгорания топливо-воздушной смеси.

В момент воспламенения в цилиндре двигателя находится не чистое топливо, а смесь его с воздухом, кислород которого обеспечивает протекание реакции сгорания. Поэтому на количество теплоты, выделяющейся при сгорании оказывает влияние не теплота сгорания самого топлива, а теплота сгорания свежей смеси, т.е. количество выделившегося тепла, отнесенное к единице объема свежей смеси. Если на 1 м³ газообразного топлива для его сгорания согласно стехиометрическому уравнению реакции требуется L0 м3 воздуха, то теплота сгорания свежей смеси при α = 1 будет

. (5.9)

При сгорании жидкого топлива в распыленном виде можно пренебречь его объемом, и тогда при теоретически необходимом количестве воздуха L0 м3 теплота сгорания свежей смеси будет

. (5.10)

Различные топлива в зависимости от их состава требуют для полного сгорания различное количество воздуха. Два топлива, из которых одно имеет теплоту сгорания больше, чем другое, не всегда дают такое же соотношение теплот сгорания и для свежих смесей. В таблице 5.6 приводятся для некоторых топлив значения теплот сгорания самих топлив и теплот сгорания свежих смесей при α = 1.

Таблица 5.6 - Теплоты сгорания свежих смесей для жидких топлив при α = 1

Из приведенных в таблице 4.6 данных видно, что топливо, обладающее меньшей теплотой сгорания, иногда дает бо́льшие теплоты сгорания смеси. Такое топливо оказывается выгоднее для получения наибольшей мощности, развиваемой двигателем, так как для получения свежей смеси требуется меньшее количество воздуха. Из изложенного следует, что мощность двигателя внутреннего сгорания при работе на разных топливах обусловливается не теплотой сгорания самого топлива, а теплотой сгорания смеси топлива с необходимым для сгорания количеством воздуха.

Контрольные вопросы и задания

1. Дайте определение цетанового числа;
2. Расскажите какой процесс в двигателе определяет величина цетанового числа, и какие цетановые числа характерны для современных дизельных топлив;
3. Дайте определение октанового числа;
4. Расскажите на какой процесс в двигателе влияет октановое число, какие октановые числа характерны для современных марок автомобильных и авиационных бензинов;
5. Дайте определение высшей и низшей теплоты сгорания топлива;
6. Опишите работу калориметра при определении теплоты сгорания топлива;
7. Напишите средние значения низшей теплоты сгорания (с размерностью) для бензина и дизельного топлива;
8. Напишите формулу для расчета теплоты сгорания свежей смеси.

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.