Файл: Гуреев, А. А. Автомобильные эксплуатационные материалы учебник.pdf

При сгорании топлива выделяется тепло, количество которого зд- висит от состава горючей смеси и от свойств самого топлива. Способ­ ность топлива выделить при полном сгорании то или иное количество тепла обусловливается его теплотой сгорания (теплотворность или теп­ лотворная способность). Теплота сгорания может быть отнесена к 1 кг (весовая) или 1 л (объемная) топлива. Различают высшую и низшую теплоту сгорания. При определении высшей теплоты сгорания учиты­ вается сумма тепла, включая тепло, выделившееся при конденсации воды, образовавшейся за счет сгорания водорода, входящего в состав углеводородов топлива. Низшая теплота сгорания не учитывает теп­ ла, выделяющегося при конденсации воды.

В двигателях внутреннего сгорания температура выходящих газов выше температуры конденсации водяных паров, поэтому при расчетах пользуются значением низшей теплоты сгорания. Величина высшей теплоты сгорания для бензинов обычно больше низшей примерно на 600 ккал/кг (табл. 3).

Т а б л и ц а 3

Теплота сгорания топлива может быть экспериментально опреде­ лена в калориметрах или ориентировочно подсчитана на основании данных по элементарному составу топлива. При полном сгорании 1 кг

31

углерода в углекислоту выделяется 8140 ккал тепла, а при полном сго­ рании 1 кг водорода в водяной пар—28 000 ккал. Топлива, содержа­ щие в своем составе кислород, имеют более низкую теплоту сгорания. Сгорание углерода и водорода, связанных между собой в различные соединения (углеводороды), протекает значительно сложнее, чем сго­ рание свободных углерода и водорода.

Для практических целей теплоту сгорания топлива определяют по эмпирическим формулам. Одна из них предложена Д. И. Менделеевым:

С, Н, О и S — содержание в топливе, соответственно углерода, водо­ рода, кислорода и серы, %.

В пашей стране в качестве стандартного принят метод расчета теп­ лоты сгорания топлива по значениям его плотности и анилиновой точ­ ки (ГОСТ 11065—64).

Анилиновой точкой называют ту наименьшую температуру, при которой определенное количество анилина полностью растворяется в определенном количестве топлива. Анилиновая точка характеризу­ ет содержание ароматических углеводородов в топливе. Чем оно вы­ ше, тем ниже значение анилиновой точки.

Расчет ведут по формуле

Q„ = 9940 + (А + 17,8) /(,

приложения к ГОСТ 11065—64).

Бензины, содержащие преимущественно парафиновые углеводороды, характеризуются более высокой весовой теплотой сгорания, чем бен­ зины, содержащие значительное количество ароматических углеводо­ родов (бензины каталитического крекинга и особенно каталитического риформинга жесткого режима).

Данные табл. 3 свидетельствуют о том, что углеводородные топли­ ва лишь незначительно различаются по теплоте сгорания, поэтому повышение мощности или экономичности автомобильных двигателей за счет использования топлив с каким-то повышенным «энергозапасом» не представляется возможным.

В двигателях сгорает смесь топлива с воздухом, поэтому для энер­ гетической оценки топлива имеет значение не только его теплота сго­ рания, но и количество тепла, выделяющегося при сгорании топливо- еоздушной смеси стехиометрического состава (при а = 1). Эта величи­ на зависит от теплоты сгорания топлива и от количества воздуха в та­ кси смеси.

Для углеводородов с повышением теплоты сгорания увеличивается количество воздуха, необходимого для сгорания. В связи с этим коли­ чество тепла, выделяемого при сгорании различных топливо-воздуш­ ных смесей, изменяется очень незначительно (табл. 4).

32

Т а б л и ц а 4

Количество тепла, выделяемого при сгорании топливо-воздушных смесей

Следует обратить внимание на теплоту сгорания спирто-воздушной смеси. Спирты содержат большое количество кислорода, поэтому теп­ лота сгорания их невелика. Но наличие кислорода в спиртах со­ кращает и количество воздуха, необходимого для сгорания. Поэтому при сгорании спирто-воздушной смеси выделяется практически столь­ ко же тепла, сколько и при сгорании такого же объема бензо-воздуш- ной смеси.

Таким образом, при полном сгорании смеси автомобильных бензи­ нов различного состава с воздухом выделяется 820—830 ккал/м3, или 665—675 ккал/кг смеси. Однако практически в двигателе мы получа­ ем значительно меньшее количество тепла за счет неполноты сгорания, в связи с тем что состав смеси всегда неоднороден и не во всех частях камеры сгорания мы имеем стехиометрическое соотношение топлива с воздухом. Теплота сгорания смеси, поступающей в двигатель, зави­ сит также от общего коэффициента избытка воздуха.

Для вычисления теплоты сгорания смеси при различных значениях коэффициентов избытка воздуха и полноты сгорания можно пользо­ ваться следующей формулой:

бой крайне сложную совокупность физико-химических процессов, раз­ вивающихся в условиях быстро изменяющихся температур, давлений и концентраций реагирующих веществ. Реакции горения обычно про­ текают в несколько последовательных стадий и представляют собой ряд конкурирующих параллельных процессов. Изучение химических превращений в процессе сгорания такой сложной смеси углеводоро­ дов, какой является бензин, связано с большими трудностями.

При сгорании углеводородных топлив следует разграничить два' процесса — процесс воспламенения (инициирование горения) и про­ цесс распространения пламени.

Для воспламенения горючей смеси необходим подвод энергии из­ вне в .количествах, достаточных для того, чтобы обеспечить в некотором объеме смеси такие начальные скорости химических реакций, при

которых тепловыделение начинает превышать скорость отвода тепла от реагирующей смеси в стенки или в окружающую, более холодную смесь.

Воспламенение смеси может быть осуществлено путем самовоспла­ менения или путем принудительного зажигания.

Самовоспламенение горючей смеси происходит в таких условиях, в которых во всей смеси или в некоторых ее частях относительно боль­ шого объема начинается развитие прогрессивно самоускоряющихся химических реакций, завершающихся возникновением пламени. Само­ воспламенение может произойти за счет нагревания горючей смеси от стенок сосуда, адиабатическим или ударным сжатием и т. д.

Зажигание представляет собой интенсивное местное нагревание небольшой части горючей смеси до высокой температуры. Электри­ ческой искрой при зажигании смесь в зоне заряда нагревается практи­ чески мгновенно до температуры, намного превышающей температуру ее горения. Скорости химических реакций в зоне искрового разряда достигают огромных величин. После прекращения разряда скорость реакций уменьшается до значений, отвечающих условиям горения дан­ ной смеси во фронте пламени.

Воспламенение углеводородно-воздушных смесей может быть одно­ стадийным или многостадийным в зависимости от температуры и давле­ ния среды и строения углеводородов, составляющих смесь. При неко­ торых условиях обычному воспламенению (горючему взрыву) смеси

ся хемилюминисценция, вызываемая возбужденными молекулами формальдегида.

В отличие от воспламенения, процесс распространения пламени осуществляется без внешнего воздействия на горючую смесь. Очеред­ ные слои или объемы горючей смеси воспламеняются за счет энергии, выделяющейся при сгорании предшествующих порций той же смеси.

Процессы распространения пламени различаются по способам пе­ редачи энергии от горящих слоев в свежую смесь. Различают диффузии онно-цепное и тепловое распространение пламени. Диффузия из зоны горения в свежую смесь активных центров, вызывающих развитие цеп­ ных реакций в новых слоях, играет основную роль при диффузионно­ цепном распространении пламени, тогда как при тепловом распростра­ нении основное значение имеют процессы передачи тепла из зоны го­ рения в свежую смесь. При распространении пламени в камере сго­ рания двигателя имеют место оба способа, но значение каждого из них меняется по мере развития процесса сгорания. Непосредственно после воспламенения горючей смеси основная роль в распространении пламени принадлежит диффузионно-цепным процессам. В дальнейшем преобладающее значение приобретают тепловые процессы.

Скорость распространения пламени зависит также от состояния смеси перед воспламенением. Если смесь неподвижна или" течет

34

ламинарно, то процессы переноса во фронте пламени осуществляются за счет молекулярной диффузии и теплопроводности. Такое распростра­ нение пламени называют ламинарным. Если горючая смесь находит­ ся в турбулентном движении, то молекулярная диффузия начинает играть второстепенную роль — ведущее значение в распространении пламени приобретают процессы турбулентного смешения свежей смеси с продуктами сгорания. Такое горение называют турбулентным.

При исследовании процессов сгорания в бомбах и трубах при не­ больших скоростях движения смеси имеет место ламинарное распро­ странение пламени и скорость сгорания составляет 1—4 м/с.

В двигателях внутреннего сгорания наполнение рабочей смесью происходит с большими скоростями, при этом создается сильное вих­

печения нормального сгорания смеси в двигателе при различных чис­ лах оборотов коленчатого вала. С увеличением числа оборотов непре­ рывно уменьшается время, отведенное на процесс сгорания смеси в двигателе. Одновременно усиливается вихревое движение смеси за счет увеличения скорости поступления смеси через впускной клапан, что приводит к росту скорости распространения пламени (табл. 5).

чивается приблизительно пропорционально числу оборотов коленча­ того вала (рис. 14). Если бы скорость распространения фронта пламени не зависела от турбулентности смеси, работа двигателя на разных ре­

Скорость распространения фронта пламени возрастает при повы­ шении давления и температуры. В связи с этим увеличение степени

Скорость распространения фронта пламени зависит от состава сме­ си, т. е. от коэффициента избытка воздуха. Максимальное значение