Файл: Нигматулин И.Н. Тепловые двигатели учеб. пособие.pdf

число топлива, обеспечивающее нормальную бездетонационную ра­ боту двигателя на всех режимах (табл. 3-3). Чем выше октановое число данного топлива, тем больше возможности имеется для его применения в карбюраторных двигателях с высокой степенью сжатия. Современ­ ные автомобильные бензины имеют октановое число 66-4-100, трактор­ ные керосины — 45-4-54, некоторые авиационные бензины могут иметь условное октановое число даже больше 100.

Для увеличения октанового числа, т. е. для повышения антидето­ национных свойств бензина, его смешивают с другим топливом, имею­ щим лучшие антидетонационные свойства, либо к нему добавляют особые вещества, называемые антидетонаторами. Среди последних наиболее распространена этиловая жидкость, содержащая в основ­ ном тетраэтилсвинец РЬ(С2 Н5 )4 . Добавление тетраэтилсвинца в ко­ личестве 0,4-4-0,8 г на 1 кг бензина резко повышает октановое число топлива. Тетраэтилсвинец — сильнейший яд, поэтому при обращении

затель дизельного топлива, характеризующий его склонность к тер­ мическому распаду, окислению и самовоспламенению в цилиндре двигателя. Различное влияние химической природы топлива на пе­ риод задержки воспламенения и на рабочий процесс двигателя было использовано для оценки топлив относительно их воспламеняемос­ ти. Анализ периода задержки воспламенения различных топлив по­ казал, что оценивать можно, сравнивая с соответствующими эталон­ ными топливами. В качестве таких эталонных топлив принят легко воспламеняющийся в двигателе цетан С 1 6 Н 3 4 и трудно воспламеняю­ щийся альфаметилнафталин С1 0 Н7 СН3 . Эти углеводороды приняты из тех соображений, что оба они устойчивы при хранении и охватывают по воспламеняемости все сорта топлива двигателей с воспламенением •от сжатия. Из этих углеводородов составляются различные смеси, с которыми сравнивается испытуемое топливо. Процентное содержа­

254

тилнафталин — 0. При увеличении в составе топлива парафиновых углеводородов Сп Н2П +2 повышается цетановое число последнего.

При испытании топлив и при определении цетановых чисел поль­ зуются еще понятием критической степени сжатия. Минимальная степень сжатия, при которой обеспечивается нормальное воспламе­

Вырабатываемое отечественной промышленностью дизельное топ­ ливо имеет цетановое число 40-j-50, что обеспечивает нормальную ра­ боту стационарных, транспортных и судовых дизелей. При этом для более быстроходных двигателей рекомендуется принять топливо с цетановым числом, близким к верхнему пределу указанного интер­ вала. Применение топлив с пониженным цетановым числом сопро­ вождается жесткой работой двигателя, что обусловлено увеличением периода задержки воспламенения топлива и вследствие этого резким нарастанием давления в цилиндре двигателя. Работа двигателя на топливе с чрезмерно повышенным цетановым числом нецелесообраз­ на, так как ухудшается качество процесса сгорания, появляется дымность выпускных газов и снижается мощность двигателя. Это явле­ ние вызывается развивающимся с повышением цетанового числа рас­ щеплением углеводородов парафинового ряда при высоких темпера­ турах на легкие газообразные и твердые углеводороды. Последние не успевают сгорать и выбрасываются с выпускными газами.

Повышение цетанового числа дизельного топлива можно достиг­ нуть добавлением к нему в качестве присадок нитратов и перекисей. Однако эффективность таких присадок значительно меньше, чем эф­ фективность тетраэтилсвинца, применяемого для повышения октано­ вого числа бензина; кроме того, они мало стабильны, поэтому повы­ шение цетанового числа таким способом не применяется.

Наличие примесей ухудшает, как правило, качество топлива. Ме­ ханические примеси засоряют топливоподающую систему (отверстия форсунок, жиклеры), повышают износ цилиндров и поршневых колец; сера повышает коррозийность топлива, так как продукт сгорания, серы S02 , соединяясь с водой и кислородом, образует серную кислоту, которая разъедает детали двигателя, особенно цилиндры и выпуск­ ные клапаны.

§ 3-6. Термохимия процесса сгорания

Стехиометрические уравнения элементов топлива и тепловой эффект реакции сгорания

Жидкие топлива, применяемые в двигателях внутреннего сгорания и в газовых турбинах, состоят в основном из углерода, водорода и кислорода. Наличием серы, азота и других элементов из-за незначи­ тельности их содержания в топливе при проведении тепловых расчетов пренебрегают, поэтому элементарный весовой состав жидкого топли-

255

ва для стехиометрических тепловых расчетов можно выразить равен­ ством

С + Н - 1 - 0 = 1 , (3-7)

где С, Н и О — весовые доли соответственно углерода, водорода и кислорода в жидком топливе. .

Тепловой эффект реакций сгорания определяется стехиометриче- «скими уравнениями элементов топлива:

1. Сгорание водорода: Н 2 + (1/2) 0 2 = Н 2 0 (пар); 2 кг (Н2 ) + 16 кг (02 ) = 18 кг (Н2 0) + 242 000 кДж;

2 кг (Н2 ) + 1/2 кмоль (02 ) = 1 кмоль ( Н 2 0 ) п а р + + 242 000 кДж;

1 кг (Н2 ) + 1/4 кмоль (02 ) = (1/2) кмоль^(Н2 0)п а р + 121000 кДж; Н кг (Н2 ) + Н/4 кмоль (OJJ) = (H/2) кмоль ( Н 2 0 ) п а р + Н121000 кДж .

2. Полное сгорание углерода: С + 0 2 = С02 ; 12 кг (С) + 32 кг (02 ) = 44 кг (С02 ) + 410000 кДж;

12 кг (С) + 1 кмоль (02 ) = 1 кмоль (С02 ) + 410000 кДж; 1 кг (С) + (1/12) кмоль (Оа) = (1/12) кмоль (С02 ) + 34200 кДж;

С кг (С) + (С/12) кмоль (02 ) = (С/12) кмоль (С02 ) + С 34200 кДж . 3. Неполное сгорание углерода: С + (1/2) 0 2 = СО;

12 кг (С) + 16 кг (02 ) = 28 кг (СО) + 124500 кДж; 12 кг ( С ) + (1/2) кмоль ( 0 2 ) = 1 кмоль (СО) + 124500 кДж;

1 кг ( С ) + (1,24) кмоль (02 ) = (1/12) кмоль (СО) + 10370 кДж; € кг (С) + (С'24) кмоль (02 ) = (С/12) кмоль (СО) + С 10370 кДж .

4. Сгорание окиси углерода: С О + (1,2) 0 2 = С0 2 ;

28 кг (СО) + 16 кг (02 ) = 44 кг (С02 ) + 285000 кДж;

28 кг (СО) + (1/2) кмоль (02 ) = 1 кмоль (С02 ) + 285000 кДж;

256

1 кмоль (СО) + (1/2) кмоль (02 ) = 1 кмоль (СОя) + 285000 кДж .

Количество воздуха для сгорания топлива

Принимая, что атмосферный воздух содержит кислорода 21% (по объему), и учитывая содержание 0 2 кг кислорода в самом топливе (или (0/32 моль), на основании уравнений сгорания водорода и угле­ рода найдем теоретически необходимое количество воздуха (кмоль/кг) для полного сгорания 1 кг жидкого топлива данного состава:

где 28,95 кг/моль —• молекулярный вес воздуха; С, Н и О — весовые

Очевидно, что действительное количество воздуха L = aL0. Величина коэффициента избытка воздуха зависит от типа двига­

теля, способа смесеобразования, вида топлива, режима работы двига­ теля (нагрузка, число оборотов), способа регулирования и ряда дру­ гих факторов. Значения коэффициента избытка воздуха а для раз­ личных двигателей при номинальной нагрузке обычно находятся в следующих пределах:

Количество горючей смеси

Количество горючей смеси в дизелях определяется при допущении, что объем вспрыскиваемого жидкого топлива настолько мал по срав­ нению с объемом воздуха, что им можно пренебречь. Следовательно, количество горючей смеси (моль/кг топлива)

258