§ 9. Теплота сгорания топлива и горючей смеси

Теплотой сгорания называют количество тепла, кото­рое выделяется при полном сгорании единицы массы топлива — 1 кг жидкого и твердого, 1 м³ газообразного. По Международной системе единиц СИ все виды энергии измеряются в джоулях (Дж). Джоуль — работа силы в 1 ньютон (Н) на пути в 1 м, это небольшая величина, чаше пользуются килоджоулем (кДж), который в 1000 раз больше джоуля. Раньше теплоту сгорания измеряли в калориях (кал) и килокалориях (ккал). 1 кал = = 4,1868 Дж, 1 ккал =α4, 1868 кДж.

Существуют различные опытные и расчетные методы определения теплоты сгорания (Q). Наиболее распрост­раненными и точными являются опытные. Топливо сжи­гают в специальных приборах, называемых калоримет­рами. Выделившееся тепло улавливают с помощью во­ды. Зная массу сожженного топлива, количество залитой в калориметр воды, разность ее температуры до и после сжигания топлива, подсчитывают теплоту сгорания.

Жидкие виды топлива (дизельное, бензин) при пол­ном сгорании выделяют близкое для различных марок количество тепла Их полезная, или низшая, теплота сго­рания Q_низ=10200-10500 ккал/кг, или 42500 - 43 800 кДж/кг. Но в двигатель поступает не топливо, а горючая смесь, состоящая из топлива и воздуха. Ее теплота сгорания будет увеличиваться с ростом тепловой ценности топлива, и уменьшаться при увеличении поступ­ления воздуха для сгорания.

Обычно сгорание в двигателях осуществляется на обедненных или бедных горючих смесях, их теплоту сго­рания можно подсчитать по формуле:

Q_{гор. см} = Q_{низш.топл.},

1 + αL_теор

где Q_{низш.топл} — низшая теплота сгорания топлива, кДж/кг; α — коэффициент избытка воздуха; L_теор — рас­четное количество воздуха, необходимого для сжигания 1 кг топлива, кг.

По этой формуле можно подсчитать теплоту сгорания горючей смеси, т. е. той, которая поступает в камеру сго­рания (карбюраторный двигатель) или образуется в ней (дизели), Горючую смесь, перемешавшуюся с остаточ­ными газами от предыдущего цикла, называют рабочей. Если нужно определить ее теплоту сгорания, то вносят поправку на коэффициент остаточных газов. Для практи­ческих целей поправкой можно пренебречь. В табл. 1 приведены значения теплоты сгорания некоторых видов топлива и горючих смесей.

Как видно из данных, приведенных в табл. 1, теплота сгорания нормальных горючих смесей различных видов топлива примерно одинакова. Это объясняется тем, что чем теплота сгорания топлива выше, тем больше требу­ется воздуха для его сжигания, т. е. в формуле для под­счета Q_гop.cм числитель и знаменатель дроби меняются пропорционально.

Таблица 1. Теплота сгорания топлива и горючих смесей

Топливо	Расчётное кол-во воздуха, кг/кг	Теплота сгорания
		топлива	горючей смеси
		кДж/кг (ккал/кг)	кДж/кг (ккал/кг)
Спирт этиловый	8,4	25958 (6200)	2763 (660)
Бензол	13,2	39356 (9400)	2771 (662)
Автомобильный бензин	14,8	43961 (10500)	2780 (664)
Авиационый бензин	14,9	44380 (10600)	2788 (666)
Дизельное топливо	14,4	42705 (10200)	2771 (662)

Тем не менее, сжигать в двигателях высококалорийное топливо выгоднее, так как при этом требуются баки меньшей вместимости, и увеличивается грузоподъемность машины. Иными словами, для совер­шения одной и той же работы высококалорийного топли­ва потребуется меньше, чем обычного. Понятно, что чем меньше коэффициент избытка воздуха α, тем выше зна­чение Q_гop.cм и эффективнее работа.

Рассмотрим такой пример. На определенном режиме дизельный двигатель должен работать с α = 1,2. Однако топливная аппаратура отрегулирована неправильно, и сгорание происходит с α =1,5. К чему это приведет?

Подсчитаем теплоту сгорания горючей смеси обоих режимов.

__42500__

В первом случае Q_гop.cм = 1+1,2*14,7 = 2280 кДж/кг

__42500__

Во втором случае Q_гop.cм = 1+1,5*14,7 = 1843 кДж/кг

Таким образом, при увеличении на 25% коэффициента избытка воздуха теплота сгорания смеси снизилась на 20%. Следовательно, будет уменьшаться мощность и уве­личиваться расход топлива.

Не любая смесь паров топлива с воздухом может воспламениться и сгореть в двигателе. Различают выс­ший и низший пределы воспламеняемос­ти смесей. Высший предел будет при таком содержании паров топлива в воздухе, когда дальнейшее обогаще­ние смеси делает ее невоспламеняемой. Низший предел воспламеняемости будет при недостатке паров топлива в воздухе, если дальнейшее обеднение смеси делает ее негорючей. Так, высший предел воспламеняемости бен­зинов будет при α = 0,45÷0,5, а низший - при α =1,35÷1,40. При возрастании давления и температуры эти пределы несколько расширяются.

Пределы воспламеняемости бензина, керосина, ди­зельного топлива различаются незначительно высший и низший пределы составляют соответственно 6,0 и 1,7% паров топлива в воздухе по объему. Следовательно, жид­кие топлива горят и взрываются при сравнительно невы­соких концентрациях их паров в воздухе. Из топлива, широко используемого в сельском хозяйстве, наиболее легко воспламеняется и взрывается бензин. Высокие пре­делы воспламеняемости имеют горючие газы (водород, метан, окись углерода). Так, для водорода низший пре­дел воспламеняемости составляет 9,4, а высший — 66,5% по объему.

ТОПЛИВО ДЛЯ КАРБЮРАТОРНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ