Материал: 2254
4. ОСОБЕННОСТИ ПРОЦЕССА СГОРАНИЯ БЕНЗИНА
Требования к бензинам [1]:
1.Бесперебойно поступать в карбюратор или форсунки (давление парообразования).
2.Образовывать нормальную горючую смесь: 1 часть бензина и 15 частей воздуха.
3.Сгорать без детонации (взрыва).
4.Не вызывать коррозию деталей.
5.Сгорать без образования нагара.
6.Иметь минимальную токсичность.
В табл. 4.1 приведены энергетические показатели некоторых топлив при стандартных условиях. В таблице указана низшая теплотворная способность топлив без учета теплоты, выделяющейся при конденсации паров воды. Для сравнения различных топлив по теплотворной способности в качестве базы принята единица условного топлива, имеющая теплоту сгорания 29 307 кДж/кг (7000 ккал/кг).
|
|
Таблица 4.1 |
|
Энергетические показатели топлив |
|||
|
|
|
|
Топливо |
Теплота сгорания, |
Коэффициент перевода |
|
кДж/кг |
в условное топливо |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
Условное топливо |
29 307 |
1,0 |
|
Нефть |
41 900 |
1,43 |
|
Мазут |
41 448 |
1,41 |
|
Древесина |
12 560 |
0,43 |
|
Уголь каменный |
27 600 |
0,94 |
|
Бензин |
45 216 |
1,54 |
|
Дизельное топливо |
42 704 |
1,46 |
|
Газ природный |
35 586 |
1,21 |
|
Газ сжиженный |
46 000 |
1,57 |
|
~21 ~
4.1. Способы повышения детонационной стойкости бензинов
Впроцессе прямой перегонки нефти получается 15 – 20% бензина с
низким октановым числом (ОЧ ≈ 60). Для повышения ОЧ применяют современные технологии переработки нефти (крекинг-процесс, риформинг), высокооктановые добавки и присадки. В процессе крекинга крупные молекулы расщепляются на мелкие, что позволяет повысить ОЧ. Крекинг происходит при давлении, равном Р = 2 – 5 МПа, и температуре 450 – 500оС. Выход высокооктанового бензина составляет примерно 50%.
Например, процесс крекинга протекает по следующей схеме:
Из молекул гексадекана (С16Н34) образуется октан (С8Н18), из него бутан (С4Н10) и далее этилен (С2Н4).
С16Н34 |
С8Н18 + С8Н16 =>С8Н18 |
С4Н10 + С4Н8 => С4Н10 |
С2Н6 + |
+С2Н4
Впроцессе переработки нефти применяют риформинг (изменяется структура молекулы). Например, цепочное строение молекулы преобразуется в кольцевую форму.
Вид топлива зависит от количества углерода в молекуле. Если атомов углерода в молекуле до 4 – это газ, от 4 до 16 – жидкость, более 16 – мас-
ла, парафины, твёрдые вещества. Фракции бензинов выкипают при тем-
пературе от 40 до 200 оС и содержат углеводороды от С5Н12 до С11Н24. Фракции лигроина выкипают при температуре от 150 до 250 оС и содержат углеводороды от С8Н18 до С14Н30.
Для повышения октанового числа бензинов применяли этиловую жидкость. Этиловая жидкость (Р–9) содержит тетраэтилсвинца Рв(С2Н5)4
54%, бромистого этила С2Н5Вr 40%, хлористого нафталина 6%. Добавка 1 см3 этиловой жидкости на 1 кг бензина повышает его октановое число, например с 80 до 90. Наличие этиловой жидкости в бензине при его сгорании задерживает образование перекисей углеводородов, отдаляя их накопление до критической концентрации и начала взрывного сгорания или детонации.
Этилированный бензин ядовит, по ГОСТ 51105–97 его использование запрещено, так как он загрязняет атмосферу, ухудшает здоровье человека, разрушает нейтрализаторы выхлопных газов.
Октановое числобензинов можно увеличить следующими способами:
~22 ~
1.Внедрение современных технологий переработки нефтяных фракций (крекинг-процесс и риформинг). При крекинге крупные молекулы расщепляются и становятся мелкими. При риформинге видоизменяется их строение (молекула становится компактной – кольцевой, разветвленной). Стойкость к окислению и самовозгоранию объясняется тем, что молекула принимает форму «круговой обороны» (арены, цикланы).
2.Применение высокооктановых добавок (изооктана, алкилбензола).
3.Применение антидетонационных присадок (этиловой жидкости на основе тетраэтилсвинца Pb(CH5)4), метилтретбутилового эфира CH3ОC4H9, композиций на основе марганца С5Н5Мg(СО)3 и железа Fe(СО)5.
Добавка марганцесодержащей присадки 50 мг на л бензина повышает его октановое число на 5 – 6 единиц. Большее содержание С5Н5Мg(СО)3 (циклопентадиенилтрикарбонилмарганец) в топливе приводит к повышенному нагарообразованию на свечах и в камере сгорания. Применение 38 мг на л бензина пентокарбонила железа Fe(СО)5 повышает его октановое число на 3 – 4 единицы.
Для повышения октановых чисел бензинов применяют и кислородосодержащие добавки – эфиры и спирты. Метилтребутиловый эфир (СН3ОС4Н9) при добавке 15% к бензину повышает его октановое число на 4 – 6 единиц. При увеличении эфира снижается теплота сгорания топлива
имощность двигателя.
4.2.Процесс сгорания бензина
Теоретическое количество воздуха, необходимое для сгорания 1кг
бензина, определяют из выражения [1]:
LT |
1 |
8 |
|
|
|
1 8 |
|
|
|
||||
|
|
|
|
C 8H |
|
|
|
|
|
0,855 8 0,145 |
15кг. |
(4.1) |
|
|
3 |
|
3 |
||||||||||
|
|
0,23 |
|
|
|
0,23 |
|
|
|
||||
В воздухе 23% O2; 1кг бензина содержит 0,855 кг С и 0,145 кг Н. Теоретическое количество воздуха для сгорания 1 кг дизельного топ-
лива и бензина 14,5 – 15 кг, для газообразных топлив 15 – 17 кг, для этилового спирта 9 кг. Этиловый спирт С2Н5ОН содержит кислород, и для его сгорания требуется меньшее количество воздуха.
~23 ~
Коэффициент избытка воздуха – это отношение действительно поступившего количества воздуха в цилиндр к теоретически необходимому для сгорания 1 кг топлива:
α = LД /LТ, при LД = LТ α = 1. |
(4.2) |
Если α > 1, смесь бедная; α < 1 – богатая.
В процессе испытания двигателя на стенде коэффициент избытка воздуха определяют расчетным путем по формуле [6]:
= Мв / (15,0·Gч) , |
(4.3) |
где Мв – количество воздуха, поступившее в цилиндры двигателя на данном режиме испытания, кг/ч (определяется при помощи счетчика газа); 15,0 – теоретическое массовое количество воздуха, необходимое для сжигания 1 кг топлива; Gч – часовой расход топлива, кг/ч. Для бензиновых двигателей = 0,8 – 1,2, дизелей – 1,4 – 6,0.
Используя формулу Менделеева – Клапейрона (Россия, Франция, 1850 г.)
P·V = m·R·T, |
(4.4) |
где Р – абсолютное давление, Н/м2; V – объём, м3, например цилиндра двигателя; m – масса, кг, например воздуха; R – газовая постоянная для воздуха 287 Дж/(кг∙К); Т – температура, К, можно определить массу воздуха, поступившего в цилиндр, и оценить требуемое количество топлива.
Например, при атмосферных условиях в цилиндр дизеля поступила масса воздуха, равная 1,5 г. При подаче в камеру сгорания 0,1 г распыленного дизельного топлива коэффициент избытка воздуха α = 1, а при подаче 0,05 г α = 2.
Коэффициент избытка воздуха у двигателей с воспламенением от сжатия (дизели) зависит от количества поданного топлива в камеру сгорания. У дизеля он может изменяться от 1 до 6, а у бензиновых двигателей – от 0,8 до 1,2. У бензиновых двигателей при большой подаче топлива (богатая смесь) электроды свечи покрываются пленкой топлива и искрообразование нарушается. При бедных смесях затрудняется ее воспламенение от электрической искры. У двигателей с воспламенением горючей смеси от искры коэффициент избытка воздуха изменяется от его количества, поступившего в цилиндр, и от количества поданного топлива.
~24 ~
Количество воздуха изменяется путём дросселирования (мятия) на впуске (изменением положения заслонки).
В современных бензиновых двигателях процесс сгорания топлива протекает при α = 1. В выпускном коллекторе установлен датчик кислорода ( - зонд), который по наличию кислорода в отработавших газах дает сигнал в микропроцессор (контроллер) о возможности изменения подачи топлива. Если в выхлопных газах есть кислород воздуха, участвующий в процессе сгорания, то оператор (водитель) может увеличить подачу топлива, если кислорода нет, то подача топлива ограничивается.
Применение датчика кислорода в современных электронных системах впрыска топлива позволяет снизить расход топлива двигателей внутреннего сгорания и токсичность отработавших газов.
На рис. 4.1 показан датчик кислорода (лямбда-зонд). Лямбда-зонд работает как гальванический элемент с твердым электродом, выполненным в виде керамики из двуокиси цирконияZrO2, на котором нанесено платиновое напыление, выполняющее роль электродов [5]. Один из электродов фиксирует показания атмосферного воздуха, а второй – выхлопных газов. Эффективная работа прибора возможна при достижении температуры более 300 оС, когда циркониевый электролит приобретает проводимость. По этой причине датчик выполняется с подогревом. Выходное напряжение зависит от разницы количества кислорода в атмосфере и выхлопных газах.
Рис. 4.1. Простейшая схема включения датчика кислорода: 1 – твердый электролит ZrO2; 2, 3 – наружный и внутренний электроды;
4 – контакт заземления; 5 – «сигнальный контакт»; 6 – выхлопная труба
~25 ~