3.2.2. Газові палива

В автомобільних ДВЗ застосовуються стиснутий природний газ, який складається, в основному, з метану СH₄, і зріджений нафтовий газ, до якого входять пропан С₃H₈ і бутан С₄H₁₀. У невеликих кількостях за­стосовуються й інші види газів: промисловий, світильний, коксовий, каналізаційний, генераторний газ, що виробляється з твердого палива, та інші. Будь-яке з цих газових палив є сумішшю горючих C_nНm, СО, Н₂ і негорючих N2, 0₂, СО₂, Н₂0 газів.

Хімічний склад газового палива, так само, як і рідкого, записують формулою елементарного складу, що показує, скільки кіломолів кожно­го із складових газів входить у 1 кмоль (або 1 м³) газового палива при температурі 0°С й тиску 101,3 кПа

де М - об'ємна частка (у кіломолях) відповідного газу, що входить у 1 кмоль газового палива.

Кожний із газів, що входять до рівняння (3.3), крім азоту N₂, можна подати узагальненою хімічною формулою виду С_nН_mО_r. Якщо в цю

формулу підставляти число атомів n, m, r, які входять до молекули відповідного газу, одержимо формулу цього газу.

Таким чином, рівняння (3.3) можна записати в компактному вигляді

де Mc_nh_mo_r - об'ємна частка кожного газу-компонента, що входить до

1 кіломоля газового палива.

У нашій країні випускаються дві марки зрідженого газу для авто­мобільного транспорту за ГОСТ 27578-87: ПБА - пропан-бутан авто­мобільний; ПА - пропан автомобільний.

Масова частка пропану в газі марки ПБА становить 50 ±10%, а в газі ПА-90 ±10%. Газ ПБА допускається до використання в усіх кліматичних районах при температурі навколишнього повітря не нижче -20 °С. Газ марки ПА застосовується в зимовий період у тих кліматичних районах, де температура повітря опускається нижче -20°С.

Зріджені гази зберігаються й транспортуються в балонах під тиском 1,6 МПа.

Природний паливний стиснутий газ для газобалонних автомобілів за ГОСТ 27577 - 87 не має марок і повинен відповідати вимогам і нор­мам, наведеним у табл. 3.2 (ГОСТ 27577 - 87).

Надлишковий тиск стиснутого природного газу в момент закінчення заправляння автомобіля повинен бути 19,0...19,6 МПа.

Таблиця 3.2

Характеристики природного стиснутого газу

3.3. Склад та кількість свіжого заряду і продуктів згоряння

Для визначення складу і кількості свіжого заряду і продуктів згорян­ня досить розглянути найпростіші хімічні реакції окислення елементів, які входять до складу палива, не вдаючись у сам механізм згоряння.

3.3.1. Двигуни, що працюють на рідкому паливі

Хімічні реакції згоряння. Використання хімічних реакцій згоряння дозволить визначити кількість повітря, потрібного для згоряння палива, кількості свіжого заряду і продуктів згоряння. Для цього розглядають реакції згоряння кожного з компонентів, які входять до складу палива. Розрахунок виконують у кілограмах або в кіломолях вихідних та кінцевих продуктів реакцій, що припадають на 1 кг палива.

Нагадаємо, що кіломолем (кмоль) називається кількість речовини, маса якої у кілограмах чисельно дорівнює її молекулярній масі. Так, ма­са 1 кмоля Н₂ дорівнює 2 кг, 1 кмоля С - 12 кг, 1 кмоля 0₂ - 32 кг.

Реакція повного згоряння вуглецю

С + 0₂=С0₂. (3.5)

Виразимо це рівняння в кіломолях

1 кмоль С + 1 кмоль 0₂ - 1 кмоль С0₂.

Наведемо вуглець у кілограмах

12 кг С + 1 кмоль 0₂ = 1 кмоль С0₂.

Для 1 кг вуглецю

Для g_c кг вуглецю, що міститься в 1 кг палива,

Із здобутого рівняння видно, що для повного згоряння g_c кг вугле­цю потрібно g_с/12 кмоль кисню, а внаслідок згоряння утворюється g_c/12 кмоль диоксиду вуглецю.

Реакція неповного згоряння вуглецю (при недостачі кисню) має ви­гляд

2С+0₂ = 2СО. (3.7)

Міркуючи, як зазначено вище, дістаємо

Реакцію згоряння водню запишемо таким чином

2Н₂ + 0₂=2Н₂0. (3.9)

Наведемо це рівняння у кіло молях

2 кмоль Н₂ + 1 кмоль 0₂ = 2 кмоль Н₂0.

Виразимо водень у кілограмах

4 кг H₂ + 1 кмоль 0₂ = 2 кмоль H₂0.

Для 1 кг водню

1 кгH₂ + 1/4 кмоль 0₂ = 1/2 кмоль H₂O

Для g_h кг водню, що міститься в 1 кг палива,

Кількість повітря, теоретично необхідного для згоряння одно­го кілограма палива. Із рівнянь (3.8) і (3.10) можна визначити сумарну кількість кіломолів кисню, необхідну для повного згоряння g_c кг вугле­цю і g_H водню, що міститься в 1 кг палива. Але в паливі може знаходи­тися й кисень 0₂, який візьме участь у згорянні. З урахуванням цього кількість кисню (у кіломолях), яка необхідна для повного згоряння 1 кг палива

де g₀/32 – кількість кисню, що міститься у 1 кг палива, кмоль.

Але в ДВЗ використовується не кисень, а атмосферне повітря, в якому міститься за об'ємом близько 21% кисню. Тому для кількості повітря (у кіломолях), теоретично необхідного для повного згоряння 1 кг палива, рівняння (3.11) набуває вигляду

Це рівняння можна записати й у масових одиницях (у кілограмах повітря, віднесених до кілограмів палива)

де μ_пов =28,95 - молярна маса повітря, кг/кмоль.

Коефіцієнт надміру повітря. Кількість повітря, що фактично бере участь у згорянні, може бути більша чи менша за теоретично необхідну для повного згоряння палива. Відношення кількості повітря, що фактич­но бере участь у згорянні, до кількості повітря, теоретично необхідного для повного згоряння палива, називається коефіцієнтом надміру повітря

де G_пов - маса повітря, що бере участь у згорянні G_пал кг палива.

Якщо а > 1, то повітря більше, ніж теоретично необхідно для пов­ного згоряння палива. Таку паливоповітряну суміш називають бідною. Якщо а < 1, суміш називають багатою.

У циліндрах ДВЗ повне згоряння палива може відбуватися за умови а >1 внаслідок неоднорідності суміші повітря і палива. Але в ДВЗ із іс­кровим запалюванням швидкість згоряння і потужність найбільші, коли а < 1, тобто при неповному згорянні палива, коли частина вуглецю від­повідно до рівняння (3.8) окисляється в оксид вуглецю СО. Це істотний недолік таких ДВЗ, бо оксид вуглецю дуже токсичний. У дизеля на всіх режимах а > 1.

Значення а при повній потужності: бензинові ДВЗ із іскровим запа­люванням а = 0,85 ...0,95 ; дизелі а = 1,2... 1,7.

Кількість свіжого заряду і продуктів згоряння. У бензинових двигунах свіжий заряд складається із суміші повітря і пари палива, що називається горючою сумішшю.

Кількість свіжого заряду М₁ (у кіломолях), що припадає на 1 кг палива, у бензинових ДВЗ виражається формулою:

де (μ_пал - середня молярна маса палива; 1/μ_пал кількість кіломолів пари в 1 кг палива.

У циліндри дизеля надходить повітря, тому 1/μ_пал = 0

М₁ = aL₀ (3.16)

При повному згорянні рідкого палива (при а> 1) утворюються ди-оксид вуглецю С0₂ і водяна пара Н₂0. Крім того, у продуктах повного згоряння міститься азот УУ₂ і надлишковий кисень 0₂.

Кількість продуктів повного згоряння М₂ (у кіломолях), що утворю­ються з 1 кг палива,

складає

З рівнянь (3.6), (3,10) дістаємо

Кількість азоту й кисню відповідно дорівнює

Підставивши ці залежності в рівняння (3.17), дістаємо

Підставивши в останній додаток рівняння (3.18) значення з рівняння (3.12), після перетворень маємо

При неповному згорянні рідкого палива (при а < 1) утворюються диоксид вуглецю С0₂, оксид вуглецю СО і водяна пара Н₂0. У продук­тах згоряння міститься також азот Тоді кількість продуктів неповного згоряння 1 кг палива складає

Приймаємо: φ- частка вуглецю, що згорів у СО; (1-φ) - частка вуглецю, що згорів у С0₂. Тоді з рівнянь (3.6) - (3.10) дістаємо

Кількість азоту (у кіломолях), що міститься у повітрі, віднесеного до 1 кг палива,складає

Підставивши ці залежності в рівняння (3.20), одержуємо

У табл. 3.3 наведено деякі показники свіжого заряду і продуктів зго­ряння рідких палив.

Змінювання об'єму при згорянні. Під час згоряння змінюється кількість кіломолів у продуктах згоряння порівняно з кількістю кіломолів у свіжому заряді. Ця зміна називається молекулярною зміною

Підставляючи у рівняння (3.22) рівняння (3.15), (3,16), (3.19), (3.21), дістаємо, що в бензинових ДВЗ із іскровим запалюванням при повному згорянні

при неповному згорянні

у дизелях

Таблиця 3.3

Показники свіжого заряду і продуктів згоряння рідких палив

Молекулярну зміну прийнято оцінювати хімічним і дійсним коефіці­єнтами молекулярної

зміни: хімічний коефіцієнт молекулярної зміни

дійсний коефіцієнт молекулярної зміни

lе M_r - кількість залишкових газів (у кіломолях), що припадає на 1 кг палива.

Кількість залишкових газів характеризують коефіцієнтом залишко­вих газів

Із урахуванням цього коефіцієнта

Для рідкого палива завжди μ₀> 1 і μ> 1. Це означає, що у продук­тах згоряння міститься більше кіломолів, ніж у свіжому заряді. Це пози­тивний фактор, оскільки у розширенні бере участь більший об'єм газів.

Для газових палив μ < 1. Це одна з причин зниження потужності

бензинового ДВЗ при переведенні його на газ. Значення μ для різних

двигунів такі: бензинові ДВЗ - 1,02...1,12; дизелі - 1,01...1,06; газові ДВЗ -0,92...0,98.

Теплоємність свіжого заряду і продуктів згоряння. Розрізняють дійсну і середню молярні теплоємності.

Дійсна молярна теплоємність - це теплота, необхідна для підвищення температури одного кіломоля газу на черговий градус, а середня молярна теплоємність - теплота, необхідна для підвищення температури одного кіломоля газу на один градус в інтервалі темпера­тур t₁ … t₂ . Теплоємності визначають при сталому об'ємі і при сталому

тиску і позначають: μc_vm - середня молярна теплоємність при сталому об'ємі, кДж/(кмоль- К); μ_pm - середня молярна теплоємність при ста­лому тиску, кДж/(кмоль- К).

При тепловому розрахунку ДВЗ теплоємність свіжого заряду прирівнюється до теплоємності повітря. Теплоємність продуктів згорян­ня підраховується за звичайним рівнянням теплоємності суміші газів.

Значення середніх молярних теплоємкостей повітря і газів, що вхо­дять до продуктів згоряння, обчислюються за формулами, наведеними в табл. 3.4, для двох інтервалів температур: 0...1500°С і 1501...2800°С.

Таблиця 3.4

Залежності середньої молярної теплоємності μc_vm повітря і газів від температури

Крім розглянутих, важливими характеристиками рідких палив, що впливають на робочий цикл та роботу паливної апаратури, є випарність, щільність, стисливість, в'язкість, поверхневий натяг. Ці характеристики розглядаються у курсах фізики, хімії та експлуатаційних матеріалів.