2. Загальні властивості палива для двигунів внутрішнього згоряння

1. Характеристика показників згоряння

Паливом називають горючу речовину, здатну при згорянні виділяти теплову енергію. В залежності від фізичного стану паливо може бути рідким, твердим і газоподібним. В народному господарстві, в якості палива, використовують переважно нафтопродукти, вугілля, природні гази, торф і горючі сланці.

Нафтові палива, по застосуванню, діляться на:

• бензини – для автомобільних, авіаційних та інших карбюраторних двигунів;

• палива дизельні;

• палива для транспортних і стаціонарних котельних установок – мазут.

Згоряння палива- це швидка ланцюгова реакція окислення, в ході якої його хімічна енергія перетворюється в теплову. Щоб окислення відбувалося у формі горіння, необхідні певні умови для швидкого переміщення активних частинок і розгалуження ланцюгів реакцій. Такі умови мають місце тільки в газовому середовищі, тому рідке паливо спочатку газифікується, а опісля займається. Займання відбувається лише від зовнішнього джерела, або в результаті екзотермічних реакцій всередині самого палива.

У складі рідкого палива переважають два елементи- вуглець і водень. Базуючись на елементарних реакціях згоряння:

Н 2+0,5О2 Н2О С+О2 СО2

можна визначити, що для повного згорання вуглецю необхідно 8/3(2,67)С кисню, а для Н кг водню 8Н кг кисню.

Сірка реагує з киснем за рівнянням:

S+O2=SO2

і потребує для згорання S кг сірки, S кг кисню. Таким чином, для повного згоряння одного кілограма палива, з урахуванням кисню, можна визначити за формулою:

,

де Оn- вміст кисню в паливі.

В двигун підводиться повітр'я, в якому вміст кисню 23,2%. Його кількість визначають за формулою:

.

Для згоряння одного кілограма бензину необхідно 14,9 кг повітря, дизпалива- 14,8, етилового спирту- 9, метилового- 6,5 кг повітря.

К ількісні співвідношення, за якими речовини реагують між собою без залишку, називають стехіометричними ( =1 ). В реальних умовах неможливо добитисься повного згоряння палива при наявності теоретично необхідної кількості повітря. При різних умовах і режимах роботи двигуна склад паливоповітряної суміші, що поступає в камери згоряння, відрізняється від теоретично необхідного для повного згоряння палива. Горючу суміш стехіометричного (теоретичного) складу називають нормальною при =1, багатою- при <1, і бідною при >1. В бідних сумішах паливо згоряє повністю, виділяючи всю хімічну енергію. У багатих сумішах повітря для повного згоряння недостатньо, тому вони менш економічні. Але багаті суміші горять швидше й стабільніше, виділяючи за одиницю часу більше тепла, ніж при згорянні стехіометричної чи бідної суміші, і двигун розвиває більшу потужність. Тому бідні суміші називають економічними, а багаті потужнішими. Величина залежить від виду палива, умов його спалювання, конструкції двигуна.

Орієнтивні значення коефіцієнту надлишку повітря:

Вид палива
Газоподібне паливо Бензин Дизпаливо	1,05 – 1,20 0,90 – 1,15 1,20 – 1,40

Двигуни внутрішнього згоряння у звичайних умовах працюють на злегка збідненій робочій суміші, що забезпечує найбільш економічний режим. При переван-таженнях де що збагатчують суміші, хоча в цьому випадку паливо витрачається не економічно.

2. Теплота згоряння палива

При згорянні хімічна енергія палива перетворюється в теплову і дальше в механічну. Процес згоряння визначає потужні і економічні показники роботи двигуна. При згорянні палива виділяється тепло, кількість якого залежить від складу горючої суміші і від властивостей самого палива.

Кількість тепла, що виділяється при повному згорянні одиниці маси палива – 1кг рідкого або твердого, 1 м³ газоподібного, називається питомою теплотою згоряння палива. Розрізняють вищу Q_в і нижчу Q_н теплоти згоряння. Нижча теплота згоряння не враховує тепла, яке виділяється при конденсації води, що утворилась за рахунок згоряння водню, який входить в склад вуглеводнів палива.

Для практичних цілей теплоту згоряння можна визначити по формулам:

,

,

де С, Н, О і S – вміст в паливі вуглецю, водню, кисню і сірки, об’ємний %.

При повному згорянні 1 кг вуглецю виділяється 34100 кДж тепла, а при повному згорянні 1 кг водню – 117200 кДж. Тому для вуглеводнів теплота згоряння залежить від співвідношення С:Н. В двигунах згоряє суміш палива з повітрям, теплота згоряння якої залежить від теплоти згоряння палива і від кількості повітря в такій суміші. При повному згорянні суміші бензину з повітрям виділяється 2780...2830 кДж/кг, дизпалива з повітрям – 2771 кДж/кг. Практично менше, оскільки склад суміші неоднорідний в різних місцях камери згоряння. Тому на потужність двигуна впливає теплота згоряння суміші.

Зі збільшенням надлишку повітря кількість тепла, яке передається 1 кг продуктів згоряння, зменшується. В області бажаних сумішей паливо окислюється неповністю і не дивлячись на зменшення кількості повітря, тепловиділення у розрахунку на 1 кг продуктів згоряння також зменшується. Якщо склад горючої суміші близький до меж займання, то вона горить повільно. При збагаченні це відбувається із – за недостатку кисню, при збідненні – внаслідок витрати частини тепла на нагрівання надлишкової кількості повітря.

Для порівняння енергетичної оцінки різних видів палива, сумарного обліку їх запасів, а також для нормування й планування потреби прийнята одиниця обліку – умовне паливо, теплота згоряння якого рівна 29300 кДж/кг.

Тепловий (калорійний) еквівалент для перерахунку любого конкретного натурального палива в умовне визначається відношення нижчої теплоти згоряння робочого палива до теплоти згоряння умовного палива (мДж):

.

3. Основні показники фізико-хімічних властивостей палива

Якість моторного палива визначається крім енергетичної характеристики, фізичними (густина, в’язкість, випаровуваність, замерзання) і хімічними (стабільність, корозійна активність та інш.) властивостями. Не всі показники якості рівноцінні. По одним можна проконтролювати відповідність даного продукту стандартним вимогам, а по іншим – реально прогнозувати результати його застосування в експлуатації. Кожний з цих показників по своєму важливий, тому їх сукупність дозволяє оцінити якість нафтопродукту і встановити його придатність.

Нижче розглянуті лише загальні фізико – хімічні показники моторних палив. На практиці застосовують відносну густину (відношення маси нафтопродукту при температурі визначення до маси води при 4⁰С). Густина води прийнята за одиницю. Густину визначають при стандартній температурі 20⁰С і позначають символом .

В тих випадках, коли температура визначення густини відрізняється від 20⁰С, отримане значення густини при t⁰C приводять до стандартного, по формулі:

,

де - температурна поправка на густину (визначають по розрахунковій таблиці) змінюється в межах 0,515...0,910 кг/м³.

Відносна густина більшості нафтопродуктів менша одиниці і в середньому коливається від 0,7 до 0,9. Вона залежить від хімічного складу вуглеводнів, що входять в них. Ароматичні вуглеводні володіють найбільшою густиною, парафінові- найменшою, а нафтенові займають проміжне положення.

Густини вуглеводнів різних класів, близьких по молекулярним масам і межам википання (100⁰ – 350⁰С) неодинакові: алкани – 0,741 – 0,804, циклани – 0,820 – 0,857, арени – 0,840 – 0,937.

Густина палива – важлива характеристика його властивостей, за її допомогою розраховують об’ємну теплоту згоряння, визначають масову кількість палива в ємкостях. Від густини палива залежать енергетичні показники роботи двигуна, його

параметри паливоподачі і сумішеутворення.

В’язкість – властивість рідини чинити опір взаємному переміщенню шарів під дією зовнішньої сили. Вона проявляється в степені рухливості рідини.

Розрізняють динамічну і кінематичну в’язкості. Динамічна в’язкість є коефіцієнтом внутрішнього тертя. Сила внутрішнього тертя між двома шарами рідини визначається за рівнянням (для ньютонівських рідин):

,

де S- площа взаємодії між шарами; dV/dx – градієнт швидкості зміщення шарів рідини в напрямку перпендикулярному рухові.

Кінематична в’язкість - питомий коефіцієнт внутрішнього тертя:

,

де - густина рідини.

В’язкість палива залежить від його температури, хімічного складу й структури. Вона впливає на характер паливоподачі і процес згоряння в циліндрі двигуна, а також на низькотемпературні властивості палива (температуру помутніння, температуру початку кристалізації).

Температура помутніння- температура, при якій втрачається однорідність палива, появляються дрібні кристалики. Паливо не втрачає текучості, проходить через фільтрі грубої очистки, але затримується на фільтруючих елементах тонкої очистки. Перебої в подачі палива із – за помутніння, частіше всього, спостерігаються при пуску й прогріву двигуна, коли в підкапотному просторі утримується ще низька температура.

Температуру початкової кристалізації називають температуру, при якій у паливі з’являються кристали, видимі неозброєним оком. Це температура на 8⁰…10⁰С нижче температури помутніння. Паливо втрачає текучість, оскільки мікрокристали зростаються й утворюють просторову структуру, що зв’язує рідку фазу.

Низькотемпературні властивості палива впливають на кількість палива, що протікає через систему живлення двигуна, у зв’язку зі зміною густини і в’язкості від температури. При зниженні температури зростає густина і в’язкість палива. Чим вище густина палива, тим більше його пройде через систему паливоподачі, чим більша в’язкість палива, тим, навпаки, менша швидкість його проходження через систему паливоподачі, тобто, менша витрата палива. В сумарному ефекті, при зниженні температури витрата палива в цілому зменшується, тобто зміна в’язкості впливає більше ніж густина.

4. Хімічна стабільність

На відміну від фізичних властивостей, хімічні пов’язані зі зміною складу і будовою молекул, як самого палива, так і речовин, з якими вони дотикаються. Хімічна стабільність – це здатність нафтопродуктів не взаємодіяти з іншими речовинами. Вона залежить від вмісту в нафтопродуктах ненасичених вуглеводнів, які легко приєднують кисень і перетворюються в органічні кислоти і смоли. Інші вуглеводні (циклани, нафтени і арени) окислюються в умовах зберігання і транспортування порівняно повільно.