Ahmetov_Pererab_nefti

3. Применение таких альтернативных топлив, как:

—газообразные углев-дные топлива и в-д;

—топливо из углей, сланцев и других ненефт. горючих ископаемых;

—кислородсодерж. топлива и их компоненты (спирты, эфи-

ры и др.).

Для решения достаточно сложных инженерно-техн. и науч. задач по перечисленным выше направлениям возникла и развивается новая самостоятельная отрасль науки, получившая название химмотологии.

Химмотология — это наука о кач-ве и рациональном применении в технике топлив, масел, смазок и спец. жидкостей.

Химмотология опирается на такие науки, как хим. технология топлив и масел, физ. химия горения топлив, теплотехника, машиноведение, квалиметрия (наука о кач-ве продукции), трибология (наука о трении и износе механизмов), экономика и экология и т.д. Она явл. по существу связующим и координирующим звеном в химмотологической системе ТСМ — ДВС-эксплуатация.

Под кач-вом ТСМ понимается совокупность св-в, обусловливающих их пригодность для использования по назначению.

Всю совокупность св-в, определяющих кач-во ТСМ, можно подразделить на след. три группы:

1)физ.-хим.;

2)экспл.;

3)техн.

К физ.-хим. относятся св-ва, характеризующие состояние ТСМ и их состав (плотность, вязкость, теплоемкость, элементный, фракционный и групповой углев-дный составы и т.д.). Эти методы позволяют косвенно судить о том или ином эксплуатационном св-ве. Напр., по ФС судят о пусковых св-вах бензинов, по плотн. РТ — о дальности полета и т.д.

Экспл. св-ва ТСМ призваны обеспечить надежность и экономичность экспл. двигателей, машин и механизмов, характеризуют полезный эффект от их использования по назначению и определяют область их применения (испаряе-

41

мость, горючесть, воспламеняемость, ДС, прокачиваемость, склонность к обр-ю отложений и т.д.).

Техн. (экологические) св-ва ТСМ проявл. в процессах хранения и транспортирования и длительной эксплуатации. К ним относятся:

—физ. и хим. стабильность, биологическая стойкость;

—токсичность, пожаро-взрывоопасность, склонность к электризации, коррозионная активность и т.д.

Необходимо отметить, что не все св-ва равноценны при оценке кач-ва ТСМ. Принято наиб. важный показатель качва использовать при маркировке ТСМ. Напр., для АБ наиб. важным экспл. показателем кач-ва явл. ДС, поэтому она нашла отражение в марках бензинов в виде цифр, характеризующих ОЧ. Для ДТ определяющим св-вом явл. tзаст, к-рую

иуказывают при их маркировке (летние, зимние или арктические топлива) и т.д.

Классификация и принципы работы тепловых двигателей. Тепловые двигатели предназначены для преобр-я тепловой энергии, выделяющейся при сгорании топлива, в мех. Тепловые двигатели подразделяют на двигатели с внешним сгоранием (паровые машины, паровые турбины)

иДВС.

Наиб. распространение среди тепловых двигателей получили ДВС. В этих двигателях осн. процессы — сжигание топлива, выделение теплоты и ее преобр-е в мех. работу — происходят непосредственно внутри двигателя.

ДВС подразделяются на:

1)двигатели с периодическим сгоранием топлива (поршневые);

2)двигатели с непрерывным сгоранием топлива.

газораспределительных клапанов (впускных и выпускных) 2, цилиндра 3, поршня 4, шатуна 5, коленчатого вала 6, картера 7, маховика и т. д. Для обеспечения рабочего цикла ДВС имеют системы питания, зажигания, смазки и охлаждения.

42

2

Рис. 3.1. Схема поршневого двигателя внутреннего сгорания

Вторая группа ДВС подразделяется на: а) РД (ракетные и воздушно-реактивные);

б) газовые турбины (транспортные и стационарные). Топливо в поршневых двигателях сгорает порциями. По-

точный цикл в них состоит из нескольких операций. Наиб. распространены 4-тактные двигатели, в к-рых осуществляется последовательно впуск воздуха или воздухо-топливной смеси в камеру сгорания, ее сжатие, затем сгорание (рабочий такт) и выхлоп отработавших газов. 4-тактные двигатели наиб. экономичны и имеют лучшие по ср. с 2-тактными экологические характеристики.

Двигатели с принудительным воспламенением (БД). В двигателях этого типа воспламенение смеси топлива и воздуха осуществляется от внешнего источника — электрической искры (свечи).

По способу смесеобр-я двигатели, работающие на бензине, подразделяются на карбюраторные (старые) и с впрыском топлива. Последние явл. более экономичными и экологически чистыми и активно вытесняют карбюраторные двигатели.

43

Впоследние годы (с середины XX в.) были разработаны

ивнедряются РПД, работающие также на бензине.

ВБД горючая смесь подвергается сжатию (до ε=7–9), при этом топливо полностью испаряется, перемешивается

инагревается. В конце такта сжатия в камеру сгорания подается от свечи электрическая искра, от к-рой смесь воспламеняется и сгорает. В рез-те резко повышаются t и давл. над поршнем. Под действием давл. поршень перемещается в цилиндре (рабочий ход) и совершает полезную работу. Затем поршень выталкивает продукты сгорания в атмосферу (выпуск). Рабочие такты двигателя регулируются с помощью впускных и выпускных клапанов.

ВДВС рабочий такт совершается за счет энергии сгорания топлива. Остальные такты рабочего цикла совершаются за счет энергии маховика, укрепленного на коленчатом валу. Для обеспечения равномерной работы ДВС в одном блоке располагают несколько цилиндров, поршни к-рых через шатуны приводят во вращение коленчатый вал. Сгорание и рабочие циклы в цилиндрах происходят поочередно, что обеспечивает стабильную и равномерную работу двигателя.

Роторно-топливные двигатели. Разработаны в 1954 г. немецким изобретателем Ф. Ванкелем. Двигатель Ванкеля имеет ряд преимуществ по ср. с традиционными поршневыми: менее чувствителен к ОЧ бензина, имеет меньшие массу и габариты, благодаря отсутствию подвижных деталей (только ротор и вал) меньше шумит и меньше подвержен вибрациям; отсутствие деталей, совершающих возвратнопоступательные движения, облегчает форсирование двигателя по оборотам (поэтому они получили распространение на гоночных автомобилях).

Вдвигателях Ванкеля цилиндрический поршень заменен на ротор треугольного сечения, вращающийся в полости овальной формы. Система из эксцентрикового вала и шестерен обеспечивает планетарное вращательное движение ротора. При этом все три вершины ротора постоянно касаются поверхности корпуса, разделяя его на 3 камеры. В корпусе двигателя проделаны впускные и выпускные окна. Каждая из камер последовательно друг за другом претерпевает впуск

исжатие горючей смеси, рабочий ход и выхлоп (см. рис. 3.2).

44

Рис. 3.2. Принципиальное устр-во и схема работы двигателя Ванкеля:

1— корпус; 2 — полость циклоидной формы; 3 — ротор; 4 — планетарная передача с эксцентриковым валом; 5 — впускное окно; 6 — выпускное окно;

7 — свеча сжигания. Фазы работы (по заштрихованной камере, вращение ротора осуществляется по часовой стрелке): а — впуск горючей смеси; б — сжатие; в — воспламенение сжатой смеси; г — рабочий ход; д — выпуск

Двигатели с самовоспламенением (дизели). Особенностью рабочего цикла ДД явл. самовоспламенение горючей смеси без какого-либо внешнего источника воспламенения.

45

В отличие от БД в такте впуска дизеля в цилиндр поступает не горючая смесь, а только воздух. Воздух затем подвергается сильному сжатию (ε =16–20) и нагревается до 500–600°С. В конце такта сжатия в цилиндр под большим давл. впрыскивается топливо через форсунку. При этом топливо мелко распыливается, нагревается, испаряется и перемешивается с воздухом, образуя горючую смесь, к-рая при высокой t самовоспламеняется. Все остальные стадии рабочего цикла происходят так же, как и в карбюраторном двигателе. Более высокая степ. сжатия в дизеле обеспечивает более высокий КПД двигателя. Однако высокое давл. требует применения более прочных толстостенных деталей, что повышает мат-лоемкость (массу) дизеля.

Двигатели с непрерывным сгоранием топлива. Осн. элемент таких двигателей — камера сгорания постоянного объема. В нее непрерывно подаются горючее и окислитель. Газовый поток продуктов сгорания за счет высокой t приобретает большую кинетическую энергию, к-рая преобразуется в т.н. реактивную силу тяги двигателя или энергию вращения ротора газовой турбины. Реактивная сила тяги, возникающая при истечении газов из сопла, не зависит от скорости движения реактивной установки и от плотн. окружающей среды, как у винтовых транспортных средств, и может обеспечивать движение летательных аппаратов в безвоздушном межпланетном пространстве. Эта особенность реактивного движения легла в основу создания ракет.

Подавляющее бол-во совр. самолетов оборудовано ВРД. Обычно в ВРД между камерой сгорания и реактивным соплом устанавливают газовую турбину. Часть кинетической энергии газового потока преобразуется во вращательное движение турбины. На одном валу с турбиной обычно устанавливают компрессор, к-рый сжимает воздух и подает его в камеру сгорания, а также генератор, масляный и топливный насосы и т.д. После турбины продукты сгорания поступают в реактивное сопло, где осн. часть кинетической энергии газов преобразуется в реактивную силу тяги. Подобные двигатели называют турбо-компрессорными воз- душно-реактивными двигателями. Они получили широкое распространение в совр. авиации. Турбо-компрессорными

46

воздушно-реактивные двигатели относятся к двигателям с непрерывно-протекающим рабочим процессом. Топливо подается в камеру сгорания непрерывно, и процесс горения протекает постоянно. Внешнее зажигание необходимо только в начальный момент пуска двигателя.

Поскольку при сгорании топлива в камере развивается высокая t (1500–1800°С), а мат-лы камеры, лопаток газовой турбины и реактивного сопла не выдерживают столь высоких t, горячие газы разбавляют вторичным воздухом непосредственно после зоны горения топлива. При смешении газового потока с вторичным воздухом t смеси снижается до 850–900°С. В зоне горения топлива необходимо создавать условия для обеспечения стабильности процесса горения без срывов пламени. Скорость распространения фронта пламени составляет ок. 40 м/с. Для снижения скорости газовоздушного потока до величин менее скорости распространения фронта пламени в камерах сгорания устанавливают разл. завихрители, стабилизаторы, обтекатели, экраны и т.д. Эти устр-ва, кроме того, повышают турбулентность движения горючей смеси и тем самым увеличивают скорость ее сгорания.

ГТД по принципу работы почти аналогичны турбо-комп- рессорным воздушно-реактивным двигателям, в них отсутствует только реактивное сопло. В ГТД вся кинетическая энергия продуктов сгорания топлива преобразуется полностью во вращательное движение вала газовой турбины и соотв. либо в мех., либо электрическую энергию.

47

Лекция 6. Химмотологические требования к качеству и марки авто- и авиабензинов

ДС явл. осн. показателем кач-ва авиа- и АБ. Она характеризует способность бензина сгорать в ДВС с воспламенением от искры без детонации. Детонацией называется особый ненормальный режим сгорания бензина в двигателе, при этом только часть рабочей смеси после воспламенения от искры сгорает нормально с обычной скоростью. Последняя порция несгоревшей рабочей смеси, находящаяся перед фронтом пламени, мгновенно самовоспламеняется, в рез-те скорость распространения пламени возрастает до 1500–2000 м/с, а давл. нарастает не плавно, а резкими скачками. Этот резкий перепад давл. создает ударную детонационную волну, распространяющуюся со сверхзвуковой скоростью. Удар такой волны о стенки цилиндра и ее многократное отражение от них приводит к вибрации и вызывает характерный звонкий метал. стук высоких тонов. При детонационном сгорании двигатель перегревается, появл. повышенные износы цилин- дро-поршневой группы, увеличивается дымность отработавших газов. При длительной работе на режиме интенсивной детонации возможны и аварийные последствия. Особенно опасна детонация в авиационных двигателях. На характер сгорания бензина и вероятность возникновения детонации в БД оказывают влияние как конструктивные особенности двигателя (степ. сжатия, диаметр цилиндра, форма камеры сгорания, расположение свечей, мат-л, из к-рого изготовлены поршни, цилиндры и головка блока цилиндра, число оборотов коленчатого вала, угол опережения зажигания, коэф. избытка и влажность воздуха, нагарообразование, тепловой режим в блоке цилиндров и др.), так и кач-во применяемого топлива.

В БД наиб. благоприятны для бездетонационного горения такие значения параметров, к-рые обеспечивают min время сгорания, низкие t и наилучшие условия гомогенизации рабочей смеси в камере сгорания. Из этого принципа следует, что при конструировании БД следует стремиться к уменьшению диаметра цилиндров, увеличению их числа и числа оборотов коленчатого вала, к обеспечению интен-

48

сивного теплообмена в системе охлаждения, использовать для изготовления блока цилиндров металлы с высокой теплопроводностью, напр., алюминий; следует отдать предпочтение таким формам камеры сгорания, к-рые обеспечивают наилучшие условия для перемешивания и одновр. отвода тепла рабочей смеси и т. д. С повышением степ. сжатия уменьшается время сгорания рабочей смеси и существенно улучшаются технико-экон. показатели двигателя, однако при этом в рез-те повышения t в камере сгорания возрастает вероятность возникновения детонации, а также неконтролируемого самовоспламенения топлива.

Вероятность возникновения детонации при работе на данном двигателе существенно зависит и от ХС применяемого АБ: наиб. стойки к детонации арены и изо-алканы и склонны к детонации н-алканы бензина, к-рые легко окисляются кислородом воздуха.

Оценка ДС бензинов проводится на стандартном одноцилиндровом двигателе с переменной степ. сжатия (УИТ-65). Определение ДС сводится к подбору смеси эталонных углевдов, к-рая при данной степ. сжатия стандартного двигателя сгорает с такой же интенсивностью детонации, как и испытуемый бензин. В кач-ве эталонных углев-дов приняты изооктан (2,2,4-триметилпентан) и н-гептан, а за меру ДС принято ОЧ. ОЧ изооктана принято равным 100, а гептана — нулю.

ОЧ бензинов — показатель ДС, численно равный процентному содерж-ю изооктана в эталонной смеси с н-геп- таном, к-рая по ДС эквивалентна испытуемому бензину в условиях стандартного одноцилиндрового двигателя. ОЧ бензинов выше 100 ед. определяют сравнением их ДС с изооктаном, в к-рый добавлена антидетонационная присадка — тетраэтилсвинец (ТЭС). Определение ОЧ на установке УИТ-65 ведут при 2 режимах: в жестком режиме с частотой вращения коленчатого вала двигателя 900 об/мин (метод принято называть моторным) и в мягком режиме с частотой вращения коленчатого вала двигателя 600 об/мин (исследовательский метод). ОЧ бензина, найденное по исследовательскому методу (ОЧИМ), как правило, выше ОЧ, определенного моторным методом (ОЧММ). Разницу между ОЧИМ и ОЧММ называют «чувствительностью». Последняя

49

зависит от ХС бензина: наиб. у алкенов, несколько меньше у аренов, затем идут циклановые и самая низкая чувствительность у алканов.

Осн. закономерности влияния хим. строения углев-дов и бензиновых компонентов на их ДС приведены в табл. 3.1:

1.Наим. ДС обладают н-алканы, наивысшей — арены. ДС цикланов выше, чем у алканов*, но ниже, чем у аренов

стем же числом атомов углерода в молекуле.

2.ДС у н-алканов резко снижается с увеличением их ММ.

3.ДС изо-алканов знач. выше, чем у н-алканов. Увеличение степ. разветвленности молекулы, компактное и симметричное расположение метильных групп и приближение их к центру молекулы способствует повышению ДС изоалканов.

4.Алкены обладают более высокой ДС по ср. с алканами

стем же числом атомов углерода. Влияние строения алкенов на их ДС подчиняется тем же закономерностям, что и у изо-алканов. Повышению ДС алкена способствует расположение двойной связи в его молекуле ближе к центру. Среди диалкенов более высокие ДС имеют углев-ды

ссопряженным расположением двойных связей.

5.Наличие и удлинение боковых цепей нормального строения у цикланов приводит к снижению их ДС. Разветвление боковых цепей и увеличение их числа повышают ДС цикланов.

6.ДС аренов, в отличие от др. классов углев-дов, не понижается, а наоборот, несколько повышается с увеличением числа углеродных атомов. Их ДС улучшается при уменьшении степени разветвленности и симметричности расположения алкильных групп, а также наличии двойных

связей в алкильных группах.

Лучшими компонентами высокооктановых авиа- и АБ явл. изо-алканы и до определенного предела — арены (чрезмерно высокое содерж-е аренов приводит к ухудшению др. показателей кач-ва бензинов, таких как токсичность, нага- рообр-е и др.).

*Н-алканы — исторически сложившееся тривиальное название алканов линейной структуры.

50