Топлива для поршневых двигателей с искровым зажиганием.
Условия применения топлив в поршневых двигателях.
Для полного сгорания топлива в цилиндре двигателя требуется определенное количество воздуха. Горение топливно-воздушной смеси является химической реакцией соединения элементов, входящих в состав топлива, с кислородом воздуха. При сгорании химическая энергия топлива переходит в тепло. Жидкое топливо состоит в основном из углерода и водорода. В незначительных количествах в нем могут содержаться такие элементы, как О, N, S и др. Поэтому газы при полном сгорании топлива главным образом состоят из НО и СО2.
В реальных условиях эксплуатации двигателей для сгорания топлива обычно требуется воздуха больше или меньше, чем необходимо теоретически.
Отношение действительного количества воздуха, поступившего для сгорания, к количеству воздуха, теоретически необходимому для полного сгорания 1 кг топлива, называется коэффициентом избытка воздуха
где L-действительное количество воздуха, поступившего в двигатель, кг.
Lo — теоретически необходимое количество воздуха для полного сгорания 1 кг топлива, кг.
Практически коэффициент избытка воздуха может быть определен через часовой расход топлива и воздуха
где Gв- часовой расход воздуха, кг; Gт- часовой расход топлива кг.
В зависимости от соотношения воздуха и топлива различают три вида рабочей смеси.
Нормальная рабочая смесь (а=1) содержит теоретически необходимое количество воздуха. При таком составе смеси для сгорания, например, 1 кг бензина или керосина требуется около 15 кг воздуха.
Бедная рабочая смесь (а>1) содержит избыточное количество воздуха по сравнению с теоретически необходимым. Бедные; рабочие смеси применяют для уменьшения удельного расхода топлива и повышении экономичности двигателя.
Богатая рабочая смесь (а<1) содержит меньшее количество воздуха, чем теоретически необходимо. Богатые смеси применяют для повышения мощности двигателя, например при взлетном режиме.
Наибольшую мощность двигатель развивает при коэффициенте избытка воздуха а=0,85-0,90.
Сгорание топлива в цилиндре двигателя — сложная цепная реакция. Химическая подготовка топливо-воздушной смеси к сгоранию начинается во время сжатия. Вследствие сжатия смеси поршнем ее температура и давление значительно повышаются. Подвлиянием повышенных температуры и давления в смеси начинается окисление молекул топлива.
Процесс горения топливовоздушной смеси зависит от многих реакторов. Одним из таких является состав рабочей смеси. Скорость сгорания достигает своего максимума тогда, когда условия для процесса сгорания наиболее благоприятны. Исследования показали, что эти условия создаются при а=0,85ч-0,9. В этом случае число реакций между молекулами топлива и кислорода достигает максимума, т.е. смесь будет стехиометрической.
Сильное обогащение смеси ведет к неполному сгоранию. В продуктах сгорания появляется окись углерода СО, что понижает конечную температуру пламени и замедляет процесс окисления топлива, находящегося перед фронтом пламени, и соответственно понижает скорость сгорания. Обеднение рабочей смеси также вызывает некоторое падение скорости сгорания. Причиной этого является сокращение числа реакций и относительное увеличение расхода энергии на подогрев избыточного воздуха и инертных газов.
Влияние химического состава топлива. Выявление влияния химического состава топлива на скорость сгорания в двигателе представляет большой практический и теоретический интерес. Многочисленные исследования показали, что химический состав топлива не оказывает существенного влияния на скорость сгорания топлива в двигателе до тех пор, пока двигатель работает без детонации.
Детонационное сгорание. Детонационное сгорание топлив существенно отличается от нормального. При детонационном сгорании скорость распространения фронта пламени может достигнуть 1500—2000 м/с. В результате огромной скорости распространения фронта пламени возникают детонационные волны, которые, с большой силой ударяясь о стенки камеры сгорания и цилиндра, вызывают отраженные ударные волны. Детонацию сопровождает характерный металлический звук (вибрация стенок). Следовательно, детонация в двигателе есть особый вид сгорания рабочей смеси (взрывное), характеризующееся большой скоростью распространения фронта пламени и высокими местными давлениями.
Зависимость детонации от состава рабочей смеси. Наибольшая склонность к детонации проявляется при работе двигателя на бедных смесях. При ее обогащении детонация уменьшается и может совсем исчезнуть.
3а счет обогащения смеси понижается температура цилиндра, так как значительное количество тепла поглощается топливом.
Наибольшая детонация в двигателе наблюдается при коэффициенте избытка воздуха а, близком к единице. Поршневые авиационные двигатели эксплуатируются при составах смеси в диапазоне a = 0,64- l,0.
В автомобильных двигателях применяют смеси от бедной до обогащенной в диапазоне а,=1,1-0,8
Методика определения октановых чисел. Установка ИТ9-2М. предназначена для определения детонационной стойкости светлых нефтепродуктов, имеющих октановое число не более 100. Сущность определения октанового числа топлива по моторному методу заключается в сравнении испытуемого топлива с эталонным. В качестве эталонных топлив (первичных) применяются два индивидуальных углеводорода: изооктан (2, 2, 4 — триметилпентан C H ) и нормальный гептан (Н-С7Н16), которые обладают сходными физико-химическими свойствами, но имеют совершенно различную детонационную стойкость. Изооктан является слабодетонирующим углеводородом, а нормальный гептан — сильно детонирующим. Детонационная стойкость изооктана условно принята за 100 ед., а нормального гептана за 0. Составляя смеси изооктана с нормальным гептаном в объемных процентах, можно получить эталонные смеси с детонационной стойкостью от 0 до 100 ед. Детонационная стойкость измеряется в условных единицах — октановых числах.
Октановое число по моторному методу численно равняется процентному (по объему) содержанию изооктана в такой его смеси с нормальным гептаном, которая эквивалентна по детонационной стойкости испытуемому топливу в стандартных условиях.
Октановые числа топлив по моторному методу определяют при составе смеси, соответствующем а=0,95-1,05, поэтому они является показателями детонационной стойкости на бедной смеси. Октановое число, определенное по этому методу, обозначается ОЧ/М.
Состав топливо-воздушной смеси устанавливается на максимальную интенсивность детонации определятся смеси установках. Октановое число топлива определяют, строго соблюдая стандартные условия испытаний., Определение включает: регулировку электромеханического датчика детонации (или детонометра) на стандартную интенсивность детонации; нахождение состава рабочей смеси, соответствующего максимальной интенсивности детонации; установление степени сжатия, соответствующей стандартной интенсивности детонации; сравнение испытуемого топлива со смесями эталонных топлив; подсчет октанового числа.