Теплота згоряння

Теплота згоряння палива впливає на його витрату, потужність двигуна. Чим більше теплоти одержано при згорянні палива, тим більшу потужність можна вилучити з двигуна, тим менші питомі витрати палива.

Розрізняють два значення теплоти згоряння: вищу та нижчу. В техніці користуються нижчою теплотою згоряння, яка не враховує теплоту конденсації води.

Теплота згоряння палива залежить від його хімічного складу, зокрема від співвідношення водню і вуглецю. При згорянні 1 кг водню до водяної пари виділяється 117,3 МДж теплоти, а 1 кг вуглецю до диоксиду вуглецю - 34,1МДж.

Найвищу теплоту згоряння має водень. Тому низькооктанові бензини, які містять у своєму складі велику кількість парафінових вуглеводнів, мають більш високу масову теплоту згоряння, ніж високооктанові бензини, які містять велику кількість ароматичних вуглеводнів. Це пояснюється зниженням співвідношення водень: вуглець в ароматичних вуглеводнях порівняно з парафіновими (табл.6).

Таблиця. Теплота згоряння вуглеводнів

Вуглеводень	Густина, кг/м3	Співвідношення С : Н	Теплота згоряння
			Масова, кДж/кг	Об’ємна, кДж/м3
Метан	424,0	4:1	55496	23690
Октан	702,5	2,25:1	47800	33813
Декан	729,9	2,2:1	47464	34651
Бензол	879,0	1:1	41000	36035

Однак, з переходом від парафінових до нафтенових і ароматичних вуглеводнів збільшується їх густина. Це веде до збільшення об'ємної теплоти згоряння. З підвищенням густини вуглеводнів та палив (табл. 7) масова теплота згоряння знижується. Теплоту згоряння знижує також кисень, що міститься в паливі. Тому метанол і етанол мають більш низьку теплоту згоряння, ніж нафтові палива (табл.), хоча в нафтових паливах також міститься кисень у вигляді сполук, але його відносна кількість в паливах значно менша порівняно з вмістом кисню в спиртах.

У камері згоряння двигуна згоряє суміш, яка складається з палива і повітря. Тому, незважаючи на те, що теплота згоряння спиртів приблизно в 2 рази менша від теплоти згоряння вуглеводневих палив, при згорянні спирто-

Таблиця. Теплота згоряння палив і сполук

Паливо, сполуки	Густина, кг/м3, при 200С	Необхідна кількість l0, кг повітря / кг палива	Нижча теплота згоряння
			Масова, кДж/кг	Об’ємна, кДж/м3
Бутан	579	15,48	45800	26515
Ізооктан	692	15,15	44600	30900
Бензол	879	13,28	41000	36035
Бензин	730	14,80	44000	32116
Гас	822	15,00	43200	45475
Дизельне паливо	840	15,00	42600	35800
Мазут	980	14,55	41100	40300
Метанол	791	6,50	19000	15246
Етанол	795	9,00	26400	20986

повітряних сумішей виділяється приблизно така ж кількість теплоти, як і при згорянні такого ж об'єму бензино-повітряної суміші (табл.8). Наявність кисню в спирті скорочує витрати повітря на його згоряння (до 9 кг/кг етанолу і до 6,5 кг/кг метанолу). Масова кількість спирту в одиниці об'єму спирто-повітряної суміші значно більша, ніж бензину в одиниці об'єму бензино-повітряної суміші, тобто витрати спиртів у двигуні значно більші, ніж витрати нафтового палива.

Склад горючої суміші значно впливає на роботу двигуна. В циліндри двигуна повинна надходити однорідна горюча суміш, в якій паливо, знаходячись в пароподібному стані, рівномірно розподілене в усьому об’ємі і має концентрацію, яка забезпечує її спалах від електричної іскри. Горюча суміш при надмірному збідненні і перезбагаченні не спалахне. Нижня межа спалаху збіднених горючих сумішей відповідає коефіцієнту надлишку повітря  = 1,4, а вища границя спалаху у збіднених сумішей -  = 0,4. На стехіометричній суміші ( = 1) двигун працює стало, розвиває потужність, близьку до розрахункової, але має знижену економічність. Найбільша економічність при повному навантаженні двигуна має місце на бідній суміші, коли _ек = 1,1, тобто витрата повітря більше теоретично необхідної кількості. Це пояснюється наявністю в циліндрах залишку газів і неоднорідністю горючої суміші, які негативно впливають на процес згоряння. Подальше зниження вмісту палива в горючій суміші, тобто її збіднення, знижує потужність двигуна і економічність його роботи, збільшує витрати пального, зменшує виділення теплоти, яка витрачається на корисну роботу, тому що азот і вільний кисень виносять із собою частину теплоти з відпрацьованими газами. Максимальну потужність розвиває двигун, працюючи на багатій суміші (_М = 0,8...О,9). Економічність роботи двигуна при цьому знижується. Зайве збагачення горючої суміші викликає неповне згоряння палива, падіння потужності двигуна, збільшення витрат палива; продукти згоряння містять вуглеводні, що не згоріли, вільний кисень. При роботі на збагачених сумішах відбувається підвищене нагароутворення на клапанах, днищі поршня, електродах свічок і стінках камери згоряння. Частина палива, що не згоріла, змиває оливу із стінок циліндрів і, проникаючи в картер, розріджує оливу. Горючі суміші з коефіцієнтом надлишку повітря меншим _ек і більшим _М забезпечують надійну роботу двигуна.

Паливо повинно згоряти повністю з максимальним виділенням теплоти, мінімальними втратами її з продуктами неповного згоряння або з надлишком кисню чи азоту, без забруднення навколишнього середовища відпрацьованими газами. При згорянні в циліндрах двигуна утворюються газоподібні, рідкі і тверді (сажа) продукти згоряння палива. Склад продуктів згоряння змінюється залежно від хімічного складу палива, коефіцієнта надлишку повітря, температури оточуючого середовища, характеру процесу згоряння, технічного стану двигуна та інших факторів.

В техніці для розрахунків потреби палив, особливо при переходах з одного палива на інше, часто користуються умовними одиницями (умовним паливом). За умовну теплову одиницю прийнята одиниця умовного палива, яка складає 29,33 МДж/кг (700 ккал/кг). Перераховуючи теплоту згоряння будь-якого палива в умовні одиниці, треба теплоту згоряння палива перемножити на тепловий еквівалент (табл.). Одиницями умовного палива користуються для нормування і планування необхідної потреби та порівняння калорійності палив різних видів.

Таблиця. Середнє значення калорійного еквіваленту для переведення натурального палива в умовне

Паливо	Еквівалент	Паливо	Еквівалент
Нафта Мазут Дизельне паливо Гас Бензин	1,43 1,40 1,45 1,47 1,57	Газ природний і попутний Газ зріджений Газ нафтопереробки	1,2 1,56 1,05