2 РОБОЧІ ТІЛА В ДВЗ ТА РЕАКЦІЇ ЗГОРЯННЯ

 

В автомобільних двигунах використовуються рідкі та газоподібні палива. Рідкими паливами є бензин і дизельне паливо, які отримують при переробці нафти. До складу рідкого палива входять вуглець С, водень Н і в невеликій кількості кисень О. Оскільки рідке паливо є сумішшю різних вуглеводів, записати його склад за допомогою хімічної формули складно, тому в розрахунках згоряння склад палива записують у вигляді спрощеної формули елементарного складу палива, до якої входять масові частини елементів, що містяться в 1 кг палива (С + Н + О = 1 кг). Наприклад, для дизельного палива     0,870 кг + 0,126 кг + 0,004 кг = 1 кг.

Розрахунок згоряння ведеться в молях газу, що припадає на 1кг палива. Молекулярна маса компонентів палива: водню   ;  вуглецю   ;  кисню  .

Відповідно 1 кмоль() = 2 кг, 1 кмоль(С) = 12 кг, 1 кмоль() = 32 кг.

Для згоряння палива потрібний кисень. Сумарна кількість кіломолів кисню, який необхідний для повного згоряння С кг вуглецю і Н кг водню, що містяться в 1кг палива, можна визначити за формулою:

 

.

 

Але і в самому паливі міститься кисень, який також візьме участь в згорянні. З урахуванням цього:

 

.

 

Під час роботи двигуна в його камери згоряння надходить не кисень, а атмосферне повітря, в якому міститься за обємом приблизно 21% кисню. Тому для розрахунку найменшої кількості повітря, теоретично необхідної для повного згоряння 1 кг палива, рівняння набуде вигляду:

 

.

 

Відношення кількості повітря , що фактично бере участь в згорянні, до кількості повітря , яка теоретично необхідна для повного згоряння палива, називається коефіцієнтом надлишку повітря

 

.

 

Цей коефіцієнт характеризує склад горючої суміші. Якщо  > 1, то в надпоршневому просторі повітря більше, ніж теоретично необхідно для повного згоряння палива. Таку паливно-повітряну   суміш   називають   бідною   (збідненою).   Коли  суміш   називають  багатою  (збагаченою).   Якщо   = 1,     таку  суміш називають   нормальною   або   стехіометричною.   В   циліндрах   ДВЗ   повне згоряння   палива   може   відбутися   тільки   за   умови     > 1.   При   цьому в бензинових двигунах досягається найкраща паливна економічність ( =1,05...1,15). Але в бензинових ДВЗ    найбільша   швидкість   згоряння   і   розвивається   найбільша потужність, коли   <1, тобто при неповному згорянні палива ( = 0,85...0,95), однак при цьому до складу продуктів згоряння входить оксид вуглецю  СО,  який  є дуже токсичним.     Не  всяка  горюча суміш  може займатись. Дуже бідна та дуже багата суміші не займаються. Найбільший коефіцієнт надлишку повітря, при якому бензоповітряна суміш не може займатись, називають нижчою   межею   займання   (= 1,3 ... 1,4),   а   найменший,   при   якому можливе займання суміші, - верхньою межею займання (= 0,4). Значення  при повній потужності двигуна: в бензинових двигунах    = 0,85 ...0,95; в дизелів         =1,2 ...1,7.

На режимах часткових навантажень в дизелях  ще більше і на холостому ходу може складати 4...5. Як бачимо, дизелі на всіх режимах працюють на бідних сумішах, цим і пояснюється те, що дизелі в середньому на 30% економічніші, ніж бензинові двигуни.

У бензинових двигунах свіжий заряд, який надходить в циліндри, являє собою суміш повітря і парів бензину і називається горючою сумішшю. Кількість свіжого заряду, що припадає на 1 кг палива в бензинових двигунах

 

,

 

де  - середня молярна маса палива;

 

 - кількість кмоль пари в 1 кг палива.

В циліндри дизеля находить повітря, тому , а отже:

.

 

При повному згорянні рідкого палива (> 1) утворюються вуглекислий газ , водяна пара , крім того, в продуктах згоряння містяться азот  і надлишковий кисень .                                                      

Кількість кіломолів продуктів повного згоряння 1кг палива:

 

;

;

;

;

.

 

При    неповному    згорянні    рідкого    палива    ( < 1)    утворюються вуглекислий газ , оксид вуглецю , водяна пара , азот    і водень .

Кількість кіломолів продуктів неповного згоряння 1кг палива:

 

;

,

 

де к- постійна величина, яка залежить від відношення кількості водню до кількості оксиду вуглецю, що містять СО в продуктах згоряння; для бензинів к = 0,45...0,5.

 

;

 

;

 

;

 

.

 

Дані  про  приблизний  склад   відпрацьованих   газів   ДВЗ   показані   на

рис. 2.1. Як видно з наведених діаграм, основну частину відпрацьованих газів складають нешкідливі компоненти: азот, вуглекислий газ, кисень, водяна пара. В значно меншій кількості містяться шкідливі речовини: оксид вуглецю , оксиди азоту  та вуглеводні .

Під час згоряння змінюється кількість молів продуктів згоряння порівняно з кількістю молів свіжого заряду. Ця зміна називається молекулярною зміною

.

 

Молекулярну    зміну    можна    оцінювати    хімічним        коефіцієнтом молекулярної зміни

.

Але в циліндрах двигуна завжди міститься певна кількість залишкових газів , що перешкоджають нормальному процесу згоряння. Тому зміну

числа молів точніше можна оцінити дійсним коефіцієнтом  молекулярної зміни

,

 

де  - кількість кіломолів залишкових газів, що припадає на 1 кг палива.

У двигунів, які працюють на рідкому паливі завжди > 1 і > 1. Це означає, що в продуктах згоряння міститься більше молів, ніж у свіжому заряді. Це позитивний фактор, оскільки в розширенні бере участь більший об'єм газів. У газових двигунів . Це одна з причин зниження потужності бензинового двигуна у разі переведення його на живлення газом.

Рис. 2.1. Складові частини відпрацьованих газів ДВЗ (у % по масі)

 

Найважливішим показником палива є теплота згоряння - кількість теплоти, що виділяється при повному згорянні його масової або об'ємної одиниці. Теплоту згоряння визначають експериментальним спалюванням палива в калориметричній бомбі у середовищі стиснутого кисню. Розрізняють два види теплоти згоряння.

Найвища теплота згоряння   - теплота, що виділяється у разі повного згоряння 1кг палива в калориметричній бомбі з наступним охолодженням продуктів згоряння до початкової температури, кДж/кг.

Найнижча теплота згоряння    - теплота,  що  виділяється  під час повного згоряння 1кг палива без урахування теплоти, яка міститься в утворенній в процесі згоряння водяній парі, кДж/кг. Таке згоряння відбувається в циліндрах ДВЗ при надлишковому повітрі.

Для бензину  = 44 МДж/кг

Для дизельного палива  = 42,5 МДж/кг

До важливих експлуатаційних показників рідких палив належать: для бензину - октанове число, для дизельного палива - цетанове число.

Октановим числом (ОЧ) називається процентний за об'ємом вміст ізооктану в суміші з нормальним гептаном, яка за детонаційною стійкістю рівна данному паливу. Ізооктан і гептан - вуглеводні, що входять до складу бензину. Ізооктан - вуглеводень, що має високі антидетонаційні властивості, його октанове число рівне 100. Гептан досить схильний до детонації.                             

ОЧ характеризує антидетонаційні властивості бензину і визначається на спеціальному одноциліндровому двигуні із змінним ступенем стиску за одним із двох методів: моторним або дослідницьким, які відрізняються режимами випробувань. Октанове число зазначається в марці бензину. Для підвищення детонаційної стійкості в бензини додають спеціальну присадку - етилову рідину, яка є токсичною і вміст її в бензині обмежений. Крім бездетонаційного згоряння, автомобільні бензини повинні добре випаровуватись, що має забезпечити якісне приготування горючої суміші навіть при низьких температурах, мати стабільний склад при зберіганні та експлуатації, мінімальний корозійний вплив на метали, не містити механічних домішок та води.

Цетановим числом (ЦЧ) оцінюється схильність дизельних палив до самозаймання. Визначається також на спеціальному двигуні із змінним ступенем стиску. ЦЧ - це процентний (за об'ємом) вміст цетану в суміші з альфаметилнафталеном, яка має такий самий період затримки самозаймання, як і дане паливо. Воно може бути в межах 40...55 одиниць.

При   низьких   значеннях   ЦЧ   період   затримки   самозаймання   більший, внаслідок    цього    збільшується    швидкість    зростання    тиску    самозаймання впорснутого в циліндр палива (жорсткість роботи дизеля). При надто великих значеннях ЦЧ через малий період затримки самозаймання не встигає відбутися добре сумішоутворення, тому має місце неповнота згоряння.    Дизельні    палива    повинні    мати    певну    вязкість, достатню змащувальну   здатність,   добре   самозайматись,   здійснювати   мінімальний корозійний вплив на метали, не містити механічних домішок і води.

Крім рідких  палив в автомобілях можуть  використовуватись газоподібні палива - стиснутий природний газ, який складається в основному з метану , і скраплений газ, до якого входить пропан  і бутан , і який отримують при переробці нафти. Метан при нормальній температурі може бути стиснутий до високого тиску (25 МПа). Скраплений газ зберігається в балонах у рідкому стані при значно меншому тиску Р=1,6 МПа. Газове паливо має хороші експлутаційні властивості, зокрема, його октанове число більше 100 одиниць.

Оскільки запасів нафти та природного газу на планеті вистачить тільки на декілька десятків років, то зараз приділяється значна увага використанню палив, отриманих з відновлювальних ресурсів. До цих палив належать спирти (метанол і етанол) і рослинні олії. Сировиною для отримання метанолу є камяне вугілля, природний газ, відходи деревини. Він дуже токсичний та агресивний по відношенню до деталей двигуна. Етанол (харчовий спирт) виготовляють виключно із рослинної сировини (пшениця, кукурудза). Спирти мають велике октанове число (більше 100 одиниць), але меншу, практично вдвічі, теплоту згоряння  порівняно з бензином. Тому доцільним є добавка спиртів до бензину з метою покращення його властивостей.

З рослинних олій найбільш перспективним паливом є ріпакова олія, яку, внаслідок її високої в’язкості, можна використовувати у вигляді добавок до дизельного палива або у вигляді метилового ефіру. Останній отримують розведенням олії метанолом з добавкою каталізатора. Паливо на основі рослинних олій називають  біодизельним.