20.1.7 Определение количества воздуха, необходимого для горения

Достигнуть полного сгорания топлива с расчетным количеством воздуха можно при идеальном смесеобразовании, когда каждая молекула подаваемого кислорода вступает в реакцию с каждой молекулой сжигаемого топлива. В реальных условиях расход воздуха обычно больше, чем требуется по расчету, это – действительно израсходованное количество воздуха ( ).

Отношение действительно израсходованного количества воздуха к теоретически необходимому называется коэффициентом избытка воздуха ( ), (полное сгорание топлива с расчетным количеством воздуха) – смесь нормальная; (воздуха больше, чем требуется по расчету) – смесь обедненная или бедная; (воздуха меньше, чем требуется по расчету) – смесь обогащенная или богатая.

Вид топлива
Для карбюраторных двигателей (бензин)	0,85–1,10
Для быстроходных дизельных двигателей	1,2–1,40
Для тихоходных дизельных двигателей	1,5–1,7
Твердое	1,4–2,0
Пылевидное	1,10–1,20
Газообразное	1,05–1,15

20.2. Нефть и продукты ее переработки

20.2.1. Основные физические свойства нефтей

Нефть – сложная смесь различных жидких углеводородов, в которых в растворенном состоянии находятся газообразные и твердые углеводороды. Легкие нефти содержат больше газообразных углеводородов. Чем больше в нефти растворено смол и твердых углеводородов, тем темнее ее цвет, больше вязкость.

Легкие нефти имеют плотность 0,8–0,85 кг/м³, средние – 0,85–0,9 кг/м³ и тяжелые – больше 0,9 кг/м³. Теплота сгорания различных нефтей колеблется в небольших пределах: ккал/кг, или 41868–46054 кдж/кг. Получаемые из нефти топлива также близки по теплоте сгорания, более высокую имеют бензины (около 47000 кдж/кг), ниже теплота сгорания у керосинов, дизельных топлив и наиболее низкая (около 40000 кдж/кг) у мазутов.

По элементарному составу в нефти содержится углерода 83–86%, водорода – 12–14%. В нефтях имеются в небольших количествах сера, кислород, азот и минеральные вещества. Сера может присутствовать в десятых долях процента (малосернистые нефти) и доходить до 3 и даже 5–7% (высокосернистые нефти). Кислород (меньше процента) находится в составе нефти в виде органических кислот, фенолов, смол. В еще меньших количествах встречается азот (сотые, десятые доли процента), в очень небольших количествах в нефтях растворены минеральные вещества.

20.2.2. Групповой химический состав нефтей и нефтепродуктов

В состав нефтей входят три основных класса углеводородов; метановые, или алканы, их общая формула , нафтеновые, или цикланы, – и ароматические, или арены, – . Кроме основных классов углеводоров и их производных, в составе нефтепродуктов находятся различные непредельные углеводороды – алкены, алкадиены и др., образующиеся при переработке нефти.

Метановые углеводороды, или алканы ( ), часто называемые углеводородами парафинового ряда, наиболее распространены в нефтях. Простейший углеводород этого ряда – газ метан ( ).

Все углеводороды алканового ряда – предельные, или насыщенные. При нормальных условиях (температура, давление) они слабо взаимодействуют с химическими веществами, не реагируют с кислородом, не способны к реакциям присоединения, а только к реакциям замещения – водород легко замещается на другие углеводородные группы или металлы. Поэтому топлива и смазочные материалы, имеющие в своем составе большое количество алкановых углеводородов, имеют высокую стабильность при хранении.

Циклановые (нафтеновые) углеводороды содержатся в нефтях в большом количестве, их также называют полиметиленовыми углеводородами. Цикланы по своему строению можно разделить на три группы: моноциклические, бициклические и полициклические. Моноциклические углеводороды по свойствам довольно близки к алканам, они также не способны к реакциям присоединения, но легко вступают в реакции замещения, не реагируют с кислотами и щелочами, при высоких температурах могут окисляться, образуя нафтеновые кислоты, и распадаться, выделяя водород. Высокая термическая устойчивость цикланов делает их желательными в карбюраторных топливах, а низке температуры застывания – в зимних сортах дизельных топлив. В масляных фракциях нефтей цикланы составляют более 70% всех входящих компонентов.

Ароматические углеводороды, или арены, находятся во всех нефтях в малых количествах. Характеризуя в целом группу ароматических углеводородов, можно сказать, что они более устойчивы, чем алканы и цикланы, к действию высоких температур, поэтому непригодны для сгорания в быстроходных дизельных двигателях, а желательны в топливах для карбюраторных двигателей.

Ароматические углеводороды имеют большую плотность и более высокие значения вязкости, чем алканы и цикланы, с теми же значениями молекулярных масс, но их вязкость сильнее изменяется в зависимости от температуры. Низкие вязкостно-температурные характеристики углеводородов делают их нежелательными в смазочных маслах.

Кроме разобранных выше основных классов углеводородов, при переработке нефти образуются многочисленные ненасыщенные соединения – непредельные углеводороды, количество которых зависит от способа переработки нефти. Для всех непредельных углеводородов характерны реакции присоединения. Малая устойчивость непредельных углеводородов к окислению, действию температур и давлений делает их нежелательными во всех нефтепродуктах, но особенно недопустимо их наличие в смазочных маслах.