2. Теплота сгорания топлив
При "сгорании" горючей смеси в двигателе химическая энергия топлива превращается в тепловую и далее в механическую. Количество тепла при этом зависит от состава горючей смеси и от свойств самого топлива.
Теплота сгорания (теплотворность, теплотворная способность) – количество тепла, которое выделяется при полном сгорании единицы массы топлива - 1 кг жидкого или твердого, 1 м5 газообразного. По международной системе единиц СИ ее измеряют в джоулях (Дж) или чаще в килоджоулях (кДж). Этот показатель является одной из важнейших характеристик топлива: по его величине оценивают энергетические возможности топлива, его влияние на экономическую эффективность.
Различают высшую и низшую теплоту сгорания. За высшую теплоту сгорания Нв принимают все тепло, выделяющееся при сгорании 1 кг топлива, включая количество тепла, которое выделяется при конденсации паров как воды, образовавшейся при сгорании содержащегося в топливе водорода, так и воды, содержащейся в самом топливе. При определении низшей теплоты сгорания Нн тепло, выделяющееся при конденсации паров воды из продуктов сгорания, не учитывается. Оценивая теплоту сгорания топлива, обычно пользуются значениями низшей теплоты сгорания.
Теплоту сгорания определяют как расчетным путем, так и экспериментально. Рассчитывают теплоту сгорания, пользуясь эмпирическими формулами, предложенными Д.И. Менделеевым:
где Н„ - высшая теплота сгорания топлива, кДж/кг; Нн - низшая теплота сгорания топлива, кДж/кг; С, Н, О, S, содержание в топливе углерода, водорода, кислорода, серы, воды, % (об.).
От теплоты сгорания зависит энерговооруженность автомобиля - запас хода, размеры и масса топливного бака, возможность выполнения транспортной работы на одной заправке.
Теплота сгорания топлива зависит от его химического состава. Причем наибольшей массовой теплотой сгорания обладает водород 121000 кДж/кг (теплота сгорания углерода 34100 кДж/кг). Поэтому углеводороды, богатые водородом (например, парафиновые), имеют большую массовую теплоту сгорания, чем углеводороды с меньшим содержанием водорода (например, ароматические) - табл. 3, т.е. теплота сгорания углеводородов зависит от соотношения С:Н. Объемная теплота сгорания возрастает от парафиновых углеводородов к нафтеновым и ароматическим в связи с увеличением их плотности.
Таблица 3. Теплота сгорания углеводородов
Углеводороды |
Плотность, кг/м3 |
Теплота сгорания, кДж/кг |
|
массовая |
объемная |
||
Парафиновые: |
|
|
|
метан |
424 |
55 496 |
23 690 |
октан |
702,5 |
47 800 |
33813 |
декан |
729,9 |
47 464 |
34651 |
Нафтеновые: |
|
|
|
циклопентан |
745,4 |
46 928 |
34 986 |
циклогексан |
778,6 |
46 626 |
36 243 |
метилциклогексан |
769,4 |
46718 |
35 908 |
Ароматические: |
|
|
|
бензол |
879 |
42010 |
36 872 |
толуол |
867 |
42 528 |
36 704 |
изопропилбензол |
866,8 |
43 576 |
37710 |
В двигателе сгорает не чистое топливо, а его смесь с воздухом. Теплота сгорания этой смеси определяется, с одной стороны, теплотой сгорания самого топлива, а с другой – количеством находящегося в нем воздуха. Смесь бензина с воздухом при полном сгорании выделяет 3430...3480 кДж/м3 или 2780...2830 кДж/кг. Однако на деле в двигателе тепла выделяется значительно меньше. Это обусловлено неоднородностью состава смеси, что приводит к различным отклонениям от стехиометрического соотношения топлива с воздухом (α = 1) в разных местах камеры сгорания. Таким образом, теплота сгорания смеси, а не теплота сгорания топлива влияет на мощность двигателя
(при α < 1 часть топлива не сгорает).
При экспериментальном определении теплоты сгорания топлива в калориметрах сжигают определенное его количество и по разности теплосодержания воды и стенок калориметра до и после сгорания устанавливают теплотворную способность топлива, которая, как видно из табл. 4, примерно одинакова для всех видов углеводородных топлив.
Таблица 4. Теплота сгорания топливовоздушной смеси
-
Топливо
Теплота сгорания. кДж/кг
топлива
горючей смеси
Бензин
44000
2800
Дизельное топливо
42700
2770
Спирт этиловый
26000
2760
Спирт метиловый
22000
2760
Бензол
40000
–
Теплота сгорания топлива влияет на топливную экономичность: чем она выше, тем меньше топлива содержится в 1 м3 смеси, так как с увеличением теплоты сгорания топлива возрастает количество воздуха, теоретически необходимого для его полного сгорания.