4. Научная новизна

Любое топливо при хранении постоянно подвергается изменениям под влиянием температуры и влажности, и это воздействие заставляет топливо расширяться и сжиматься. В результате молекулы углеводорода начинают притягиваться друг к другу и формировать молекулярные группы (сгустки), доступ кислорода внутрь которых ограничен, что и является основной причиной неполного сгорания топлива (выхлоп).

В обычных условиях количество не сгоревшего углерода составляет до 15% от массы топлива, который превращается в нагар на свечах, форсунках, клапанах и поршнях. В выхлопном тракте недоокислившийся углерод составляет вредную часть выхлопных газов СО,СН.

Для того чтобы обеспечить полное сгорание таких сгустков необходимо или раздробить этот сгусток на отдельные друг от друга молекулы, или обеспечить подачу кислорода внутрь сгустка.

Известно, что для нормального сгорания топлива в камере ДВС оно должно быть смешано с окислителем (как правило, воздухом) в определённом соотношении.

Далее рассматривается реакции окисления и продукты сгорания карбюраторного (инжекторного) двигателя.

1. Реакции окисления и продукты сгорания

В поршневых ДВС происходит горение топливовоздушной смеси (ТВС) при окислении топлива кислородом воздуха. Соотношение между количеством исходных продуктов (топливо + воздух) и продуктов сгорания может быть найдено из уравнений химической реакции при следующих допущениях: все химические соединения состоят из атомов отдельных элементов, связанных между собой в определенных численных соотношениях; при химических реакциях атомы сохраняют свою индивидуальность и происходит только их

перегруппировка; массы исходных продуктов и продуктов сгорания равны между собой. Объем продуктов сгорания в общем случае не равен объему исходных продуктов.

Химическая реакция сопровождается перестройкой электронных оболочек реагирующих веществ, в результате чего образуются новые внутримолекулярные связи, изменяющие силы взаимодействия между молекулами. Часть внутренней энергии системы, которая преобразуется в теплоту и работу только при протекании химической реакции, называется химической энергией. Если при реакции химическая энергия системы уменьшается и в виде теплоты передается окружающей среде, то реакцию называют экзотермической. Все реакции окисления топлив кислородом воздуха являются экзотермическими и идут с интенсивным повышением температуры и образованием пламени, т. е. имеет место горение топлива. Для теоретического расчета процесса окисления необходимо знать элементный состав ТВС, т. е. содержание горючих компонентов в топливе и содержание кислорода в воздухе.

2. Элементный состав топливовоздушной смеси

Элементный состав жидких топлив. Для нефтяных моторных топлив приближенно известен групповой (углеводородный) состав, который зависит от типа исходной нефти и технологического процесса нефтепереработки. По мере увеличения молярной массы топлив в них могут появляться в незначительном количестве соединения серы, азота, смолистые соединения, тяжелые металлы и др. При расчете процесса сгорания наличием этих элементов в бензинах и дизельных топливах обычно пренебрегают. Для нефтяных топлив (бензинов и дизельных) элементный состав в зависимости от группового состава задают массовыми долями углерода gc и водорода g_H, gc+gн= 1- При использовании кислородосодержащих топлив (модифицированные бензины с добавкой оксигенатов, спирты, эфиры и др.) учитывают кислород топлива go_Т, gc+g_H+go_Т=1.

Элементный состав отечественных автомобильных бензинов можно задать в зависимости от их октанового числа. Для бензинов каталитического риформинга (которые в основном выпускаются в РФ) повышение ОЧ достигается путем увеличения содержания ароматических углеводородов. Соответственно с ростом ОЧ имеет место одновременное снижение g_H, Ни (Ни- низшая теплота сгорания) и увеличение плотности топлива ρ (используют также относительную плотность ρ²⁰₄ или ρ¹⁵₄)

Для основных марок отечественных топлив можно рекомендовать следующие значения физико-химических характеристик (табл. 1).

Соотношение между массовой долей элемента g _i и числом его атомов в молекуле топлива С_хН_yO_z найдем по известным из термодинамики соотношениям для смеси:

доля углерода

g_C=12x/(12x+y+l6z)=12x/µ_т, x= g_C µ_т/12 (1а)

доля водорода

g_H=y/(12x+y + 16z)=y/ µ_т, y=g_H/ µ_т; (1б)

доля кислорода

g_от= 16z/(12x+y+ 16z)=16z/µ_т, z= g_от µ_т /16; (1в)

Элементный состав воздуха. Стандартный состав сухого атмосферного воздуха принят в РФ следующим, % (об.): азот — 78,08, кислород — 20,95, благородные газы — 0,94, диоксид углерода —0,03. Молярная масса µ =28,95 кг/кмоль, плотность при нормальных физических условиях р₀ = 1,2928 кг/м³. Для расчетов принимаем следующий состав воздуха: r_O2 = 0,21, r_N2=0,790, g_O2=0,232, r_N2 = 0,768 (вследствие малости остальных компонентов).

Объемная доля i-го компонента во влажном воздухе (r_i) будет зависеть от относительной влажности φ

(1.1)

где r'_i — объемная доля i-го компонента в сухом воздухе; р —абсолютное давление влажного воздуха; р_H — давление насыщенных паров воды при температуре влажного воздуха. Поправка становится существенной для условий жаркого влажного климата.

Таблица 1. Физико-химических характеристик марок отечественных топлив

Показатели	Бензины
	А-76 летний	АИ-93 (А-92) летний	АИ-95 «Экстра*» с МТБЭ	АИ-98**
µт Молярная масса, кг/моль	106	110	110	115
Ни Низшая теплота сгорания, МДж/кг	44,0	43,3	42,9	43,0
Элементный состав: gc gн gот	0,855 0,145 ­–––	0,865 0,135 –––	0,864 0,133 0,0133	0,87 0,13 –––
р0 Плотность при t=20○С (среднее значение), кг/м3	784	755	765	725
Теплота преобразования при р=0,1 Мпа, кДж/кг	295	305	300	300
Коэффициент поверхностного натяжения σ при t=20○С, 10-3Н/м	σ=50ρ-15,0
Теплоемкость жидкого топлива при t=20○С, кДжкг	ст=1,69/√ ρ
Коэффициент диффузии пара топлива, м2/с D=D0(T/273)1.751/p	D0=8*10-6
* Бензин каталитического реформинга ** Бензин термического крекинга.