Глава 2

2.1. Топлива, рабочие тела и их свойства

1. СОСТАВ И СВОЙСТВА ТОПЛИВ ДЛЯ ПОРШНЕВЫХ ДВС

В действительном цикле поршневых ДВС осуществляются физико-химические превращения рабочего тела, представляюще­го собой смесь окислителя, топлива и остаточных газов. Окисли­телем обычно служит кислород атмосферного воздуха. Основ­ными топливами являются бензины и дизельные топлива, полу­чаемые путем переработки нефти и представляющие собой смеси различных углеводородов. Это насыщенные парафиновые угле­водороды или алканы СдН^+г; олефины или алкены (обыч­но присутствуют в топливах в незначительном количестве); на- фтены или циклоалканы, имеющие формулу С„Н₂„ (как и олефи­ны), но только с другими связями между атомами углерода; ароматические углеводороды (в основном QH^.характеризу­ющиеся кольцевой молекулой. Используются также сжатые и сжиженные газы; синтетические топлива, получаемые перера­боткой угля, сланцев, битуминозных песков; спирты; эфиры (яв­ляющиеся изомерами спиртов) и др.

Для эффективного использования в двигателях, т. е. с мак­симальным выделением теплоты и минимальным образованием токсичных продуктов ОГ, топлива должны:

иметь оптимальные значения плотности, вязкости, сжима­емости, прокачиваемости (при низких температурах) и другие свойства, обеспечивающие надежную подачу топлива и высоко­качественное смесеобразование на всех режимах работы двига­теля и в широком диапазоне изменения внешних условий; обладать высокими экологическими качествами; обеспечивать надежный пуск и полноту сгорания; иметь ми­нимальную склонность к образованию нагара и коррозионно- агрессивных продуктов сгорания; иметь высокую термическую стабильность и хорошие моющие свойства;

сохранять свои свойства при хранении и транспортировке, не содержать механических примесей и воды, обладать возможно

32

Таблица 2.1

34

Продолжение табл. 2.1

Увеличение выпуска дизельных топлив возможно как путем повышения t_XI (топлива утяжеленного фракционного состава УФС), так и путем одновременного повышения г_п и снижения 'ет (топлива расширенного фракционного состава РФС). Топ­лива типа УФС используются в качестве летних. С 1991 г. осуще­ствляется опытное производство «городского» топлива (дизель­ное летнее экологически чистое топливо — ДЛЭЧТ по ТУ 38.1011348-90) с содержанием серы до 0,1% и ароматических углеводородов до 20%.

Для дизельных топлив наиболее важными эксплуатацион­ными свойствами являются испаряемость, воспламеняемость, низкотемпературные свойства, прокачиваемость. Испаряемость определяется фракционным составом, плотностью и вязкостью топлив.

Для получения высоких мощносгных и экономических пока­зателей и малой токсичности ОГ фракционный состав должен находиться в следующих пределах: /= 125...150°С, /_9О<300°С. Для улучшения экологических свойств топлив необходимо также ограничивать содержание в топливе ароматических углеводоро­дов (не более 15%) и серы (0,05...0,15%).

Воспламеняемость дизельных топлив оценивают цетановым числом (ЦЧ), которое определяют на одноцилиндровой

35

установке ИТ9-3 сравнением испытуемого образца топлива со смесью цетана (С_1бН₃₄, ЦЧ= 100) с а-метилнафталином (СцН₁₀, ЦЧ=0), имеющее такой же период задержки воспламенения (см. п. 3.5.3). Содержание цетана в такой смеси (% по объему) есть цетановое число испытуемого топлива. Наибольшие ЦЧ имеют алканы, наименьшие — бицикли ческие ароматические углеводо­роды. Углеводороды, имеющие высокие ЦЧ, обладают низкой детонационной стойкостью (малые ОЧ):

ЦЧ₆=60-04/2.

ЦЧ смесей дизельного топлива с бензином при работе мно­готопливных дизелей можно определить из условия аддитив­ности:

ЦЧ™ = ЦЧ₆+(ЦЧ„—ЦЧ₆) ga (1 +РМ&

где ЦЧс„, ры — цетановое число и плотность смеси дизельного топлива с бензином; ЦЧ₆, ЦЧ_Д — цетановое число бензина, ди­зельного топлива; ge, g_B — массовая доля бензина, дизельного топлива в смеси (ge+g_a — 1).

ЦЧ смесей дизельного топлива с низкомолекулярными спир­тами (метанолом, этанолом) можно приближенно определить по соотношению

ЦЧ« = ЦЧш&а + ЦЧ_Д ^_д—Pn (100# _сп) — 1] In ЦЧ_Д,

где ЦЧ_сц, q_m — цетановое число и массовая доля спирта в смеси (можно принять для метанола ЦЧ«3...5, для этанола ЦЧ«8,..Ю).

Повышение ЦЧ дизельного топлива, как правило, улучшает пусковые свойства двигателя.

Для надежной работы топливных систем дизелей важными являются низкотемпературные свойства, оцениваемые темпера­турами помутнения (из топлива начинают выпадать твердые углеводороды), застывания (топливо теряет подвижность) и предельной температурой фильтруемости (при которой тоц- ливо после охлаждения еще способно проходить через фильтр с установленной скоростью). Предельная температура фильтру­емости обычно ниже температуры помутнения, но выше тем­пературы застывания. Улучшение низкотемпературных свойств возможно как изменением состава и удалением Н-парафиновых углеводородов (это сопровождается снижением ЦЧ), так и добав­лением специальных (децрессорных) присадок.

Для дизельных топлив желательно иметь возможно мень­шую склонность к нагарообразованию и образованию отложе­ний и слоистых соединений, меньшую коррозионную активность. Эти свойства оцениваются такими свойствами топлив, как кисло­тность, содержание серы, коксуемость, зольность и др. Требова­

36

Таблица 22

• Г азообразные топлива. Углеводородные газовые топ­лива по их агрегатному состоянию при нормальных условиях подразделяют на сжатые (СПГ) и сжиженные (СНГ)- В качестве сжатого газа обычно используют природный газ (95% метана СН₄). Метан, критическая температура которого *_Ч,= ~82°С, при всех более высоких температурах находится в газовой фазе. Недостатком природных газов как топлива для ДВС является меньшая (в «800...1000 раз) по сравнению с бензином и дизель­ным топливом теплота сгорания единицы объема (при атмосфер­ных условиях).

Сжиженные газы являются главным образом продуктами переработки попутных газов и газов газоконденсатных месторо­ждений и в основном содержат бутанпропановые и бутиленп- ропиленовые смеси, находящиеся при нормальной температуре в жидком состоянии. Объемная теплота сгорания несколько ме­ньше, чем у жидких топлив («в 1,3... 1,4 раза).

Основным преимуществом газовых топлив является их чи­стота (отсутствие свинца, оксидов металлов, ароматических уг­леводородов, очень низкое содержание серы и др.), более легкий запуск в холодное время, высокие экологические качества. Не­смотря на меньшую плотность и теплоту сгорания газовых то­плив, они вследствие высокой эффективности сжигания могут обеспечивать газовым двигателям по сравнению с бензиновыми

37

больший КПД. Газовые топлива допускают применение более высоких степеней сжатия.

Перспективным топливом является водород, обладающий наиболее высокой теплотой и температурой сгорания и образу­ющий «чистые» (не считая оксидов азота) продукты при сгора­нии. Недостатками водорода являются высокая стоимость полу­чения, сложность хранения и заправки. Некоторые свойства сжа­тых и сжиженных газов даны в табл. 2.3.

Таблица 2.3

ф Кислородсодержащие соединения. К числу кисло­родсодержащих соединений относятся низшие и высшие спир­ты — метанол, этанол, пропанол и др.; эфиры — метил-трет-бу- тиловый эфир (МТБЭ) и др.; растительные масла. К настоящему времени наибольшее применение нашли низшие спирты, в част­ности метанол, который можно производить из угля, сланцев, древесины, биомассы и др. Все спирты имеют высокое 04 и це­лесообразны для применения в ДВС с искровым зажиганием. Таких недостатков спиртов, как низкая теплота сгорания, хор- рознойность, высокая теплота испарения, гигроскопичность и др., можно избежать используя их производные — эфиры; на­ибольшее применение во многих странах как компонент автомо­бильных бензинов находит МТБЭ.

• Водотопливные эмульсии (ВТЭ). Водотопливные эмульсии позволяют существенно снизить содержание сажи и ок­сидов азота в ОГ и повысить эффективность использования утяжеленных дизельных топлив. ВТЭ можно разделить на два типа: «вода в топливе» и «топливо в воде». На практике обычно используют эмульсии типа «вода в топливе», когда вода, явля­ющаяся внутренней фазой, составляет 10...40% по объему. Капли воды в таких эмульсиях представляют собой правильные сферы размером 2...5 мкм.

Отличительными особенностями сгорание водотопливных эмульсий являются снижение температуры пламени и повышение полноты сгорания, в основе чего лежит улучшение смесеобразо­вания топлива с воздухом при возникновении «микровзрывов» капель воды. Недостатками ВТЭ являются невозможность их

38

использования при низких температурах и способность к рас­слоению.

• Синтетические топлива. Такие топлива применяют как в чистом виде, так и в качестве добавок к углеводородным топливам.

Наиболее дешевым источником их получения является ка­менный уголь, из которого посредством различных технологи­ческих процессов получают синтетические бензины и дизельные топлива, метанол и др. Эти топлива отличают меньшее (по от­ношению к дизельному) содержание водорода (9... 12%), большее содержание серы и соединений азота, повышенные температуры застывания, меньшие теплоты сгорания.

2. ЭЛЕМЕНТНЫЙ СОСТАВ ТОПЛИВ

Для моторных топлив точный состав определить невозмож­но, так как в них входят сотни различных углеводородов. Задавая статистически осредненный элементный состав топлив и зная молекулярную массу топлива, можно пересчитать формулу усло­вной «молекулы» углеводородного топлива С_ХН_У (по аналогии с «молекулой» газовой смеси), где х, у — число атомов углерода, водорода в молекуле. В топливах, получаемых из нефти, по мере увеличения их молекулярной массы могут появляться в незначи­тельном количестве сера, соединения азота, кислородсодержащие соединения, тяжелые металлы и др. При расчете процесса сгора­ния наличием этих элементов в нефтяных моторных топливах можно пренебречь. При использовании кислородсодержащих то­плив (спирты, эфиры и др.) условная «молекула» топлива имеет вид С*Ну0₂ (для азотсодержащих топлив — CJH^OjN,,).

Элементный состав (массовые доли отдельных элементов g) для 1 кг топлива С*Н/)_г находят по известным из термодинами­ки соотношениям для смеси:

углерода — g_c=12x/(12x+y+ I6z)= 12х/(2.1)

водорода — g_H=yl(l2x+y + l6z)=y/n_T, (2.2)

кислорода топлива — go_T= I6z/(l2x+y+l6z) = l6z/ii_!, (2.3)

где /i_x — молекулярная масса «условной» молекулы (топлива); £с+£н+£о_т= 1; 12х, у, 16z — масса углерода, водорода, кислоро­да в молекуле топлива.

Смесь газовых топлив состава £ CJHyO* -f N₂ с объемной (мольной) долей каждого газа г, имеет следующий элементный состав для 1 кмоль (1 м³): молекулярная масса смеси газов

/*т=X (Рс^у0₂)1^гi+28r_Nj; (2.4)

g_c= 12 £ x_trJn^ g_H=Y yirjfh', go_r= 16 Ј Wi/Mrl E ^r' ^{+ r}N₃ ^{= 1}- (2-5)

39