книги из ГПНТБ / Итинская, Н. И. Топливо, смазочные материалы и технические жидкости учеб. пособие

Ре ш е н и е

1.Известно, что @низ = (?выс — 600 q ккал/кг, следовательно

2. Напишем реакцию сгорания водорода п подставим молеку­ лярные массы:

21Т2 -f 0 2 — * 211,0,

4 + 32 —+36.

Следовательно, при сгорании 4 кг водорода соединяются с 32 кг

кислорода и образуется 36 кг воды, а при сгорании 1 кг водорода образуется 9 кг воды.

При сгорании нашего топлива выделилось 1,3 кг паров воды. Составим пропорцию и определим, какое количество сгорело водо­

По условию данной задачи топлива сгорело 1 кг, а в нем содер­

жалось и сгорело 0,144 кг водорода, следовательно ото составляет 14,4%.

Задача № 2

Определить действительно израсходованное количество воз­ духа ( L действ) в кг и м3 при сгорании 15 кг дизельного топлива сле­ дующего состава: С = 85,2%, Н = 13,7%; S = 0,74%; W = 0,1%, остальное — кислород. Состав выхлопного газа: СО, = 11,2%- 02=4,6%; СО=0,3%; S02=0,5%.

Р с ш е о и е

1. Определим содержание кислорода в дизельном топливе:

О= 100 - (С +II + S+ W) = 100-(85,2 +13,7 + 0,74+ 0,1) = 0,26%.

2. Подсчитаем расчетное количество воздуха, необходимое для полного сгорания 1 кг дизельного топлива (LTcop) в кг и м3:

г2,67C + 8H + S — О

г_2,67-85,2 + 8-13,7+ 0,74 — 0,26

Расход воздуха в м3 будет 14 55 =11,21 ы3/кг.

3- Определим коэффициент избытка воздуха а . В продуктах сгорания содержатся окислы серы (SO,). Их можно прибавить к ко­ личеству углекислого газа (3-атомные газы). Определяем количество азота (Гч 2), содержащегося в выхлопнем газе:

N, = 100— (С02 + S02 + 0 3 СО),

N2 = 100—(11,2 + 0,5 + 4,6 + 0,3) = 84,4%.

ГС

Г л а в а III

ТОПЛИВА ДЛЯ КАРБЮРАТОРНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

§ 1. Общие положения и эксплуатационные требования

При сгорании в двигателях химическая энергия топли­ ва преобразуется в тепловую, а тепловая — в механиче­ скую работу. По характеру образования горючей смеси тепловые двигатели внутреннего сгорания делят на два вида: с внешним смесеобразованием (карбюраторные, га­ зовые) и внутренним (дизельные). Карбюраторные двига­ тели устанавливают на автомобилях, мотоциклах, само­ ходных шасси, пусковых двигателях, комбайнах и трак­ торах старых марок, вертолетах и самолетах, используе­ мых в сельскохозяйственной авиации.

Широко распространены четырехтактные 4- и 6-ци­ линдровые двигатели. Важнейшая операция — образова­ ние горючей смеси — осуществляется карбюратором, где распыленное топливо смешивается с необходимым для сгорания воздухом. В четырехтактных двигателях один рабочий цикл совершается за четыре хода поршня или за два оборота коленчатого вала. Первый ход — всасывание; поршень двигается вниз, в системе смесеобразования соз­ дается разрежение, горючая смесь поступает в цилиндр двигателя. Второй ход — сжатие; поршень поднимается вверх, сжимая рабочую смесь. В зависимости от степени сжатия (в) давление поднимается до 10—12 кгс/см2, а тем­ пература смеси повышается до 260—370°. В конце хода сжатия от запальной свечи подается искра, рабочая смесь воспламеняется. Начинается третий — рабочий ход порш­ ня; топливо сгорает, образовавшиеся продукты сгорания расширяются и давят на днище поршня, который двигает­ ся вниз. Последний, четвертый, ход — выхлоп, когда пор­ шень двигается вверх, а отработавшие продукты сгорания через выхлопную систему выбрасываются в окружающую атмосферу. Затем весь процесс повторяется вновь.

Основное топливо для карбюраторных двигателей — бензины различных видов и марок, в небольших количе­ ствах используется керосин. Долговечность, эффектив­

72

ность работы двигателя, его мощность и экономичность во многом зависят от качества применяемого топлива. Партия топлива, поступающая к потребителю, должна иметь паспорт, в котором указаны основные физико-хими­ ческие свойства. Сравнив данные паспорта с требованием ГОСТ, дают заключение о качестве топлива и возможно­ сти его использования в двигателях. По физико-химичес- ским показателям можно судить о том, как топливо будет сгорать в двигателе, не будет ли детонации, какая испа­ ряемость и пусковые свойства, склонно ли топливо к нагарообразованию, как будут изменяться свойства при хра­ нении, и о многом другом.

Надежная и долговечная работа карбюраторных дви­ гателей будет обеспечиваться в том случае, если применяе­ мые топлива удовлетворяют следующим эксплуатационным требованиям.

1. Топливо должно иметь высокие карбюрационные свойства, т. е. обеспечивать легкий пуск двигателя, обра­ зование горючей смеси, однородной по составу во всех цилиндрах. Горючая смесь должна давать устойчивую работу двигателя при всех возможных режимах.

2.Топливо должно иметь высокую детонационную стойкость, т. е. не должно вызывать детонации при любых режимах работы двигателя.

3.Топливо должно давать минимальные количества нагара на горячих деталях двигателя.

4.Топливо должно обладать высокой стабильностью, чтобы при длительном хранении его состав и свойства ме­ нялись возможно меньше.

5.Как само топливо, так и продукты его сгорания не должны вызывать коррозии металлов.

6.При сгорании топливо должно давать возможно боль­ шее количество тепла.

§ 2. Карбюрационные свойства

Образование горючей смеси зависит от испаряемости топлива, его скрытой теплоты парообразования, упругости паров, вязкости и поверхностного натяжения. Для бен­ зинов наиболее важны испаряемость и упругость паров, остальные показатели близки между собой для разных сортов.

Испаряемость топлива оценивается фракционным со­ ставом. На рисунке 21 показаны кривые разгонки некото-

73

При температурах окружающего воздуха ниже —25° для пуска холодного двигателя требуется предварительный подогрев двигателя или использование пусковой жидко­ сти, а также применение специальных сортов зимних масел.

Легкие фракции нужны только на период пуска и прогрева двигателя, в дальнейшем они начинают интен­ сивно испаряться в топливопроводах. Вместе с жидкостью поступает пар, снижается коэффициент наполнения ци­ линдра двигателя, падает мощность, наблюдается перегрев. В топливоподающей системе образуются пузырьки, а иногда п газовые пробки, возникают перебои в работе двигателя, он глохнет. В связи с этим количество легкокипящих углеводородов в бензинах ограничивается, начало кипения должно быть не ниже +35° для всех марок.

Основная часть углеводородов топлива называется ра­ бочей фракцией (от 10 до 90% на кривой разгонки). От испаряемости ее зависит образование горючей смеси при разных режимах работы двигателя, время его прогрева, т. е. перевода с холостого хода под нагрузку. Здесь нор­ мируется температура выкипания 50% топлива, для со­ временных бензинов она составляет 115—125°. Чем одно­ родней состав бензина, тем круче поднимается в средней

74

Рис. 22. Схема горения рабочей смеси в камере сгорания:

1 — сгоревшая смесь; 2 — фронт пламени; з — зона безпламенного окисления; 4 — несгоревшая смесь.

нения, тем экономичнее двигатель и эффективнее его работа. Условно можно считать, что в карбюраторном дви­ гателе топливо сгорает за два периода. Первый продол­ жается с момента подачи электрической искры 5—10° поворота коленчатого вала до начала воспламенения. В этот период топливо окисляется, нагревается и воспламе­ няется. Второй период — непосредственное сгорание топ­ лива — продолжается до максимального подъема давления pz и обычно заканчивается спустя несколько градусов после ВМТ. Чем выше температура рабочей смеси к мо­ менту подачи искры, тем интенсивнее и полнее процесс сгорания.

Скорость распространения пламени в двигателях обыч­ но составляет 25—35 м/с. На скорость горения существен­ но влияет химический состав топлива и его количество, величина остаточных газов в цилиндре, температура смеси и другие факторы. Наиболее интенсивно процесс сгорания идет при небольшом обогащении горючей смеси (аяг:0,95). На рисунке 22 дана схема горения рабочей смеси и рас­ пространения фронта пламени в камере сгорания при нормально протекающем процессе горения.

В случае увеличения степени сжатия повышаются дав­ ление и температура горючей смеси, а следовательно, и скорость ее сгорания. Резко возрастает интенсивность про­ цессов окисления в зонах 3 ж4 (рис. 22), нормальное горе­

76

очень сильная детонация, обычно передающаяся на дру­ гие цилиндры двигателя и вызывающая повышенные из­ носы, а иногда и разрушение деталей двигателя (поршней, клапанов, свечей).

77

В настоящее время принята переписная теория воз­ никновения детонации, основоположником которой являет­ ся академик Н. А. Бах, в дальнейшем развитая лауреатом Нобелевской премии академиком Н. II. Семеновым. Для изучения процесса сгорания и детонации много сделано академиком Я. Б. Зельдовичем, а также Л. Д. Ландау, А. С. Соколиком, К. II. Щелкиным, Ю. Б. Харитоновым и другими советскими учеными. Экспериментально доказа­ но, что детонация возникает при сгорании последней пор­ ции топливного заряда, а источником является распро­ страняющийся фронт пламени.

Согласно перекисной теории, детонация возникает от перенасыщения топлива нестойкими, легковзрывающимися кислородными соединениями, которые образуются в ре­ зультате прямого присоединения молекулы кислорода к углеводороду. Если молекула кислорода присоединяется по С—С связи, то образуется перекись, т. е.

Работы академика Н. Н. Семенова и других ученых показали, что процессы окисления имеют цепной харак­ тер. Согласно теории цепных реакций, вместе с образова­ нием конечных продуктов окисления (Н20, С 02) восстанав­ ливаются нестойкие активные промежуточные соединения, которые затем распадаются, выделяют тепло и становятся новыми очагами реакции окисления, т. е. окислитель­ ные реакции протекают как бы звеньями, составляющими единую цепь. В результате непрерывно повторяющихся новых реакций образуются цепи с большим числом актив-

78

1шх центров, вызывающих самоускорение реакций. Таким образом, согласно перекисной теории, детонация возникает в результате образования, а затем распада нестойких кисло­ родсодержащих веществ в последней фазе горения топлива. Следовательно, на возникновение детонации главным об­ разом влияет химический состав топлива. Если детонаци­ онная стойкость топлива низкая, то процесс образования перекисей и гидроперекисей протекает очень интенсивно

ивозникает детонация. Если в топливе много аромати­ ческих и изопарафиновых углеводородов, обладающих высокой детонационной стойкостью, образование кисло­ родсодержащих веществ идет очень медленно, и к моменту сгорания последней части циклового заряда их недостаточ­ но для возникновения детонации.

Кроме химического состава топлива, степени сжатия

иконструктивных особенностей двигателя на возникно­ вение детонации влияют условия эксплуатации. Наиболее благоприятны условия возникновения детонации, если горючая смесь близка к нормальной. Обогащение и обед­ нение смеси снижают детонацию, так как в первом случае уменьшается активность горючей смеси из-за недостатка кислорода, меньше образуется кислородсодержащих ве­ ществ, а во втором — смесь разбавляется большим коли­ чеством избыточного воздуха, что снижает температуру и

давление процесса, уменьшает скорость распространения пламени.

Для снижения детонации обычно уменьшают угол опе­ режения зажигания или увеличивают частоту вращения. Как в первом, так и во втором случае сокращается время на подготовку горючей смеси к воспламенению, сгоранию и образованию продуктов окисления топлива. Прикрывая дроссельную заслонку, уменьшают порцию горючей сме­ си, что также ослабляет детонацию. Снижается склонность

кдетонации при лучшем охлаждении двигателя и в хо­ лодное время года, когда в двигатель поступает холодный воздух. Температура засасываемого воздуха летом зна­ чительно выше, что повышает температуру и давление горючей смеси, а следовательно, увеличивает склонность

кдетонации. При повышенной влажности воздуха коли­ чество тепла, идущее на испарение воды, увеличивается, что снижает склонность к возникновению детонации.

Изменением условий эксплуатации можно в какой-то степени ослабить детонацию, но полностью исключить ее нельзя. Основным является правильный подбор топлива

70