Дьяченко В.Г. Теория двигателей внутреннего сгорания

Подождите немного. Документ загружается.

Таблица 2.9 – Основные показатели топлив среднеоборотных

и малооборотных дизелей

Показатель ГОСТ 1667-68

ДТ ДМ

Плотность при 20



С, г/см

(не более)

0,93 0,97

Фракционный состав:

до 250



С перегоняется, % (не более)

15 10

Вязкость кинематическая при 50



С, мм

/с

(не более)

150

Содержание серы в топливе, % (не более):

малосернистом 0,5 –

сернистом 1,5 3

Температура застывания,



С (не более)

–5 +10

Зольность, % (не более) 0,04 0,15

В малооборотных дизелях все шире начинает использовать-

ся мазут, что существенно (до 40 %) снижает эксплуатационные

расходы на топливо. Применение мазута в качестве топлива для

дизелей требует установки в системе питания ряда дополнитель-

ных устройств для сепарирования, фильтрации и подогрева.

Контрольные вопросы и задания

1. Какие современные оценки мировых ресурсов органичес-

кого топлива?

2. Какие современные оценки сырьевых ресурсов моторных

топлив?

3. Какой состав нефти и нефтепродуктов?

4. Как получают моторные топлива?

5. Какой элементарный состав жидких моторных топлив?

6. Какой элементарный состав газообразных моторных топ-

лив?

7. Представьте реакции окисления компонентов органичес-

ких топлив.

8. Как определяется теоретически необходимое количество

воздуха для полного сгорания 1 кг топлива?

9. Объясните следующие понятия:

 коэффициент сжимаемости топлива;

 теплота сгорания топлива;

 дизельный индекс топлива;

 динамическая и кинематическая вязкость топлива.

10. Как оценивается самовоспламеняемость моторных топ-

лив?

11. Как оценивается детонационная стойкость топлив?

12. Решите следующие задачи:

Задача 1. Определить теоретически необходимое количест-

во воздуха в кг и нм

, необходимое для сгорания 1 кг мазута при

барометрическом давлении р

= 750 мм рт. ст., температуре ок-

ружающего воздуха t

= 27С и относительной влажности  =

= 80 %. Состав мазута принять по таблице 2.3.

Задача 2. Определить теоретически необходимое количест-

во воздуха в м

и кг для сгорания 1 нм

газа Шебелинского мес-

торождения при барометрическом давлении 750 мм рт. ст., тем-

пературе окружающего воздуха t

= 27 С и относительной влаж-

ности  = 90 %. Состав газа принять по таблице 2.4.

Список литературы к главе 2.

1. Кириллин В.А. Энергетика – проблемы и перспективы //

Коммунист. – 1975. – №1. – С. 43–51.

2. Раввич М.Б. Эффективность использования топлива. – М.:

Наука, 1971. – 344 с.

3. Энергетика мира: Пер. докл. Х Мировой энергетической

конференции/ Под общ. ред. К.Л. Лавриненко. – М.: Энергия,

1979. – 208 с.

4. Мировая энергетика: Прогноз развития до 2020 г. / Пер. с

англ. докл. комиссии МИРЭК: Под ред. Ю.Н. Старшинова. – М.:

Энергия, 1980. – 256 с.

5. Вассоевич Н.Б., Фердман Л.И. Сколько нефти осталось в

недрах? // Химия и жизнь. – 1977. – №12. – С. 59–61.

6. Губкин И.М. Учение о нефти. – М.: Недра, 1937. – 459 с.

7. Томашпольский Л.М. Нефть и газ в мировом энергетичес-

ком балансе (1900 – 2000 г.г.). – М.: Недра, 1968. – 260 с.

100

8. Наметкин С.С. Химия нефти. – М.: Изд-во АН СССР,

1955.– 799 с.

9. Дубовкин Н.Ф. Справочник по углеводородным топливам

и их продуктам сгорания. – М.: Госэнергоиздат, 1962. – 285 с.

10. Бэр Г.Д. Техническая термодинамика. – М.: Мир, 1977. –

518 с.

11. Колупаев В.Я. Взаимосвязь основных физических

свойств автотракторных топлив и зависимость их от давления и

температуры // Труды ЦНИТА. – Л.: ЦНИТА. – 1965. – Вып.25. –

С. 5–19.

12. Ленин И.М. и др. Системы топливоподачи автомобиль-

ных и тракторных двигателей. – М.: Машиностроение, 1976. –

287 с.

13. Нефтепродукты. Свойства, качество, применение: Спра-

вочник / Под ред. Б.В. Лосикова. – М.: Химия, 1966. – 776 с.

14. Брилинг Н.Р., Вихерт М.М., Гутерман И.И. Быстроход-

ные дизели. – М.: Машгиз, 1951. – 520 с.

15. Забрянский Е.И., Зарубин А.П. Детонационная стойкость

и воспламеняемость моторных топлив. – М.: Гостоптехиздат,

1956. – 207 с.

101

Глава 3

РАБОЧЕЕ ТЕЛО В ДВИГАТЕЛЯХ ВНУТРЕННЕГО

СГОРАНИЯ И ЕГО СВОЙСТВА

§1. Основные определения

В двигателях внутреннего сгорания химическая энергия топ-

лива превращается в тепловую, а затем в механическую в резуль-

тате осуществления ряда последовательных процессов рабочего

цикла. Рабочим телом при этом является смесь газов, состав, ко-

личество и свойства которой в течение цикла претерпевают зна-

чительные изменения и зависят от типа двигателя, особенностей

осуществления рабочих процессов, вида топлива, режима работы

и других факторов.

В двигателях внутреннего сгорания с качественным регули-

рованием мощности на такте впуска в цилиндре находится смесь

воздуха и продуктов сгорания, оставшихся от предыдущего цик-

ла (остаточные газы). Количество воздуха в цилиндре в процессе

такта впуска возрастает, масса остаточных газов сохраняется

практически неизменной. Отношение массы остаточных газов в

цилиндре М



к массе воздуха (свежего заряда) М

св.зар

, поступив-

шего в цилиндр к концу такта впуска, называется коэффициен-

том остаточных газов:

св.зар





. (3.1)

На такте сжатия масса и состав смеси газов в цилиндре дви-

гателя практически постоянны (в технически исправном двигате-

ле утечки газа через поршневые кольца незначительны). При из-

менении цикловой подачи (нагрузки), скоростного режима (час-

тоты вращения коленчатого вала) состав смеси и масса смеси га-

зов в цилиндре несколько изменяются вследствие изменения ус-

ловий массообмена на тактах выпуска и впуска.

На участке процесса сгорания состав и количество молей

рабочего тела вследствие реакций окисления углеводородов за-

метно изменяются. Состав рабочего тела после окончания реак-

102

ций окисления (продуктов сгорания) зависит от соотношения ко-

личества воздуха, поступившего в цилиндр, количества топлива,

поданного в цилиндр, и полноты реакций окисления. Соотноше-

ние между количеством воздуха, поступившего в цилиндр, и ко-

личеством поданного топлива обычно характеризуется массой

воздуха, приходящейся на 1 кг топлива или коэффициентом из-

бытка воздуха. Коэффициент избытка воздуха – отношение

действительной массы воздуха, поступившего в цилиндр, к массе

воздуха, которая теоретически необходима для полного сгорания

топлива, поданного в цилиндр:

ц0

св.зар

ВМ

 , (3.2)

где В

– цикловая подача топлива, кг/цикл.

Коэффициент избытка воздуха в двигателях с качественным

регулированием мощности в зависимости от нагрузки изменя-

ется в пределах 1,2–6, соответственно изменяются состав и объем

продуктов сгорания. Отличие объема продуктов сгорания от

объема свежего заряда обусловлено химическими реакциями

окисление горючих компонентов топлива (С, Н). Это отличие

характеризуется химическим коэффициентом молекулярного

изменения

св.зар

пр.сг



, (3.3)

где V

пр.сг

, V

св.зар

– объем, соответственно, продуктов сгорания и

свежего заряда, нм

(кмоль).

Так как в цилиндре двигателя внутреннего сгорания, кроме

свежего заряда, находятся остаточные газы, действительный ко-

эффициент молекулярного изменения, характеризующий измене-

ние объема рабочего тела,













св.зар

пр.сг

, (3.4)

где V



– объем продуктов сгорания, нм

(кмоль).

На такте выпуска состав рабочего тела практически не из-

меняется, количество уменьшается. Чем совершеннее организа-

103

ция процесса выпуска, тем меньше остаточных газов в цилиндре

к концу такта выпуска.

В двигателях внутреннего сгорания с внешним смесеобразо-

ванием на такте впуска в цилиндр поступают воздух, пары жид-

кого топлива и неиспарившиеся капли жидкого топлива, испаре-

ние которых завершается в цилиндре. К концу такта впуска рабо-

чее тело представляет собой смесь воздуха, паров жидкого топ-

лива и остаточных газов. Количество топливовоздушной смеси к

концу такта впуска зависит от значения внешней нагрузки. Чем

больше внешняя нагрузка, тем большее количество топливовоз-

душной смеси должно быть подано в цилиндр. Соотношение ко-

личества топлива и воздуха в топливовоздушной смеси в цилинд-

ре характеризуется массой воздуха, приходящейся на 1 кг топли-

ва, или коэффициентом избытка воздуха, пределы изменения ко-

торого определяются пределами воспламенения топливовоздуш-

ной смеси от свечи зажигания (0,4–1,3). Обычно в двигателях

внутреннего сгорания с внешним смесеобразованием коэффици-

ент избытка воздуха в зависимости от режима работы изменяется

в пределах 0,7–1,3.

На такте сжатия, при неизменной внешней нагрузке масса

смеси газов в цилиндре от цикла к циклу практически не изменя-

ется, если не учитывать возможную поцикловую нестабильность

процесса впуска, обусловленную газодинамическими явлениями

во впускной системе. К концу такта сжатия вследствие повыше-

ния температуры смеси газов в цилиндре начинаются процессы

распада углеводородов, образование свободных радикалов, на-

чальные стадии реакций окисления. На участке процесса сгора-

ния происходит изменение состава и объема рабочего тела, обу-

словленное реакциями окисления. Это изменение характеризует-

ся химическим коэффициентом молекулярного изменения. В от-

личие от двигателей с внутренним смесеобразованием и воспла-

менением от сжатия, в двигателях с внешним смесеобразованием

коэффициент избытка воздуха на многих рабочих режимах

меньше единицы, поэтому в продуктах сгорания содержатся и

неполные продукты окисления, углеводороды (осколки молекул

углеводородов топлива).

На участке такта выпуска состав рабочего тела практически

не изменяется.

104

§2. Состав и основные характеристики

свежего заряда

В двигателях с внешним смесеобразованием с изменением

скоростного и нагрузочного режимов работы двигателя состав

рабочего тела изменяется незначительно. Вследствие испарения

топлива температура смеси понижается, что увеличивает величи-

ну свежего заряда цилиндра. Количество топливовоздушной сме-

си, поступающей в цилиндр, зависит от внешней нагрузки двига-

теля. Поэтому количество смеси к концу такта впуска и на такте

сжатия будет также зависеть от режима работы двигателя.

Важными характеристиками топливовоздушных смесей яв-

ляются пределы воспламеняемости и теплота сгорания. Пределы

воспламеняемости топливовоздушных смесей характеризуются

объемной долей в процентах паров топлива или горючего газа в

смеси, или значениями коэффициента избытка воздуха, при кото-

рых возможно обеспечить воспламенение топливовоздушной

смеси. Пределы воспламеняемости зависят от свойств топлива,

температуры и состава топливовоздушной смеси (табл. 3.1).

Соотношение между значениями коэффициента избытка

воздуха и объемным содержанием горючего газа или паров топ-

лива в смеси:

0тт

тв

0т

)1(

Мr

ММ







 , (3.5)

где М

, М

, 

– соответственно, масса воздуха и топлива в

смеси, молярная масса воздуха и топлива; r

– объемная доля па-

ров топлива или газа в смеси.

Пределы воспламенения смеси водорода и воздуха наиболее

широкие, что позволяет использовать качественное регулирова-

ние мощности двигателя и при внешнем смесеобразовании. Пре-

делы воспламеняемости других газовоздушных смесей значи-

тельно уже. При концентрации газов в смеси с воздухом, близкой

к нижнему пределу воспламенения, образуются смеси, процесс

сгорания которых происходит с большими скоростями распрост-

ранения фронта пламени и носит характер взрыва. Это также ог-

раничивает возможные пределы изменения состава смеси при ис-

пользовании в качестве моторного топлива различных газов.

105

Таблица 3.1 – Пределы воспламеняемости горючих смесей

Топливо

Объемная доля

горючего газа

(пара) в % по объему

Значение

коэффициента

избытка воздуха

Верхний

предел

Нижний

предел

Верхний

предел

Нижний

предел

Водород 65–75* 4,0–9,5* 3,5–10* 0,14–0,22*

Метан 11,9–

15,4

4,9–5,3 1,5–2,0 0,6–0,8

Этан 12,5 3,1 1,9 0,4

Пропан 9,6 2,4 1,7 0,4

Бутан 8,4 1,9 1,65 0,35

Бензин при t

см



С:

0 4,5 1,5 1,15 0,38

100 4,75 1,44 1,21 0,35

200 5,05 1,34 1,28 0,33

300 5,35 1,22 1,43 0,31

Этиловый спирт 13,7 4,0 1,4 0,4

*Концентрационные пределы воспламенения газовоздушных или паровоздуш-

ных смесей при 20С и давлении 0,1 МПа

На пределы воспламеняемости смеси паров бензина и воз-

духа в двигателе оказывают заметное влияние также остаточные

газы. С увеличением количества остаточных газов (при уменьше-

нии нагрузки и прикрытии дроссельной заслонки) пределы вос-

пламенения (по ) сужаются от 0,4–1,4 до 0,6–1,1.

Теплота сгорания топливовоздушной смеси зависит от сос-

тава смеси, а при стехиометрическом составе ( = 1) – от вида

топлива (табл. 3.2). Для жидкого топлива при нормальных усло-

виях

 

т0

см

14,22 







Q , (3.6)

для газообразных топлив

см





Q . (3.7)

106

Таблица 3.2 – Теплота сгорания горючих смесей

стехиометрического состава

Топливо Q

см

кДж/нм

Топливо Q

см

кДж/нм

Бензин 3790 Метиловый спирт 3760

Керосин 3750 Водород 3190

Дизельное топливо 3755 Метан 3410

Этиловый спирт 3590

Теплота сгорания газовых горючих смесей ниже, чем горю-

чих смесей жидких топлив. Поэтому при переводе двигателя на

газ его мощность будет уменьшаться.

§3. Состав продуктов сгорания при полном

сгорании топлива

Полное окисление горючих элементов топлива возможно

при значениях коэффициента избытка воздуха   1. При значе-

ниях коэффициента избытка воздуха, близких к 1, осуществить

полное сгорание топлива, особенно в двигателях с внутренним

смесеобразованием, сложно. Поэтому стремятся для большинства

эксплуатационных режимов в двигателях с внешним смесеобра-

зованием обеспечить значение коэффициента избытка воздуха

  1.

Состав продуктов сгорания жидкого топлива может быть

определен по конечным реакциям окисления горючих состав-

ляющих топлива, если известны элементарный состав топлива и

коэффициент избытка воздуха:

кмоль) (1кг 44

кг 12

СООС





;

кмоля) (2кг 36

кг 4

О2НО2Н





Из приведенных реакций окисления углерода и водорода

объем двуокиси углерода, приходящийся на 1 кг углерода, со-

ставляет 1/12 кмоля; объем паров воды, приходящийся на 1 кг

водорода, составляет 1/2 кмоля. В продуктах сгорания на 1 кг

107

топлива двуокиси углерода и паров воды с учетом паров воды,

поступивших в двигатель с воздухом, приходится:

СО

















кг топлива

СО кмоль

; (3.8)

ОН0ОН

rММ



















кг топлива

ОН кмоль

. (3.9)

В продуктах сгорания будут содержаться также остаток

кислорода (  1) и азот:





О0О

1 rММ























кг топлива

О кмоль

; (3.10)

N0N

rММ





















кг топлива

N кмоль

. (3.11)

Сложив правые части уравнений (3.8)–(3.11), найдем коли-

чество продуктов сгорания 1 кг жидкого топлива при полном

сгорании горючих составляющих в киломолях:

О00пр.сг

rМММ























кг топлива

пр.сг кмоль

(3.12)

или в кубических метрах при нормальных условиях:

пр.сгпр.сг

4,22 МV

















кг топлива

пр.сг нм

. (3.13)

Тогда химический коэффициент молекулярного изменения

для жидкого топлива при полном сгорании горючих компонентов

топлива (  1)

св.зар

пр.сг





(3.14)

или с учетом зависимости (2.8)

т0

132О4Н















. (3.15)

Для двигателей с внутренним смесеобразованием, если оп-

ределять химический коэффициент молекулярного изменения по