Дьяченко В.Г. Теория двигателей внутреннего сгорания

Подождите немного. Документ загружается.

тивных параметров, способа осуществления рабочих процессов.

Например, в стационарных, тепловозных, судовых двигателях

применяется, в основном, рабочий цикл с воспламенением топ-

лива от сжатия, а в двигателях легковых автомобилей – преиму-

щественно рабочий цикл с воспламенением топливовоздушной

смеси от искры.

По виду топлива двигатели подразделяются на следующие

типы:

 двигатели, работающие на тяжелом топливе (мазуте, со-

ляровом масле, дизельном топливе и т.п.);

 газовые двигатели, работающие на природном газе, газо-

генераторном газе, водороде и т.п.;

 многотопливные двигатели, работающие на нескольких

видах топлива.

По числу тактов, необходимых для осуществления рабочего

цикла, двигатели внутреннего сгорания делят на двухтактные и

четырёхтактные.

По способу смесеобразования двигатели подразделяют на

двигатели с внешним и внутренним смесеобразованием, двигате-

ли с расслоением заряда. В двигателях с внешним смесеобразова-

нием топливовоздушная смесь образуется вне цилиндра (карбю-

раторные, а также двигатели с впрыском топлива на впуске). В

двигателях с внутренним смесеобразованием топливовоздушная

смесь образуется непосредственно в цилиндре двигателя (дизели

компрессорные и с механическим впрыском топлива, газовые

двигатели с подачей газа непосредственно в цилиндр, двигатели с

подачей жидкого топлива в цилиндр и воспламенением топливо-

воздушной смеси от искры). В двигателях с расслоением заряда

расслоение заряда в камере сгорания достигается как при внеш-

нем, так и при внутреннем смесеобразовании.

По способу воспламенения топливовоздушной смеси двига-

тели делят на следующие типы:

 двигатели с воспламенением топлива от сжатия (дизели);

 двигатели с катализаторным воспламенением (катализа-

торные);

 двигатели с воспламенением топливовоздушной смеси от

электрической искры (карбюраторные, газовые и др.);

 двигатели с форкамерно-факельным зажиганием (двига-

тели с дополнительной камерой сгорания, в которую подают бо-

гатую смесь и в которой установлена свеча зажигания);

 двигатели с газожидкостным процессом (газовые двига-

тели с впрыском топлива только для воспламенения топливовоз-

душной смеси).

По способу наддува двигатели делят на следующие типы:

 двигатели с газодинамическим наддувом;

 двигатели с волновым обменником давления;

 двигатели с механическим приводом нагнетателя;

 двигатели с газотурбинным наддувом;

 двигатели с комбинированной схемой наддува (со сво-

бодным турбокомпрессором и нагнетателем с механическим при-

водом и т.п.).

По способу регулирования мощности двигатели делят на

двигатели с количественным регулированием мощности (изменя-

ется количество топливовоздушной смеси при практически неиз-

менном составе смеси), качественным регулированием мощности

(изменяется состав рабочей смеси) и комбинированным регули-

рованием мощности.

ДВС классифицируются также по числу и расположению

цилиндров, по способу охлаждения и другим признакам.

Контрольные вопросы и задания

6. Объясните принцип работы двигателя Ж. Ленуара.

7. Объясните принцип работы двигателей, предложенных С.

Карно, А.Ю. Бо де Роша.

8. Какое значение в развитии ДВС имеют изобретения:

 Николауса Августа Отто;

 Рудольфа Дизеля;

 Карла Бенца?

9. Какие следует отметить разработки в области тепловых

двигателей ХХ столетия?

10. По каким признакам осуществляется классификация

ДВС?

Список литературы к введению и главе 1

1. Глаголев Н.М. Рабочие процессы двигателей внутреннего

сгорания. – К.– М.: Машгиз, 1950. – 480 с.

2. Гюльднер Г. Двигатели внутреннего сгорания, их работа,

конструкция и проектирование / Перевод с немецкого Калиша

Г.Г. и Алексеева С.И. – М.: МАКИЗ, 1928. – Т.2. – 864 с.

3. Шреффлер Р. Двухтактный двигатель S-2 компании

Toyota // Автомобильная промышленность США. – 1960. – № 6. –

С. 10–11.

4. Патент РФ 2038493, MKИ F02B 25/20. Двигатель внут-

реннего сгораня. / В.Г. Дьяченко, А.В. Мотлохов, С.В. Амосов и

др. – Заявл. 04.06.1992, № 5046126106. – Опубл. 27.06.1995. –

Бюл. № 18, 1995.

5. Патент РФ 2070974, MKИ F02B 23/10, 17/00. Двигатель

внутреннего сгораня. / В.Г. Дьяченко, И.В. Антонов, А.Г. Весе-

лов. – Заявл. 22.06.1994, № 94023689/06. – Опубл. 27.12.1996. –

Бюл. № 36, 1996.

6. Scott D. Pneumatic fuel injection spurs two-stroke revival //

Automotive Engineering. – 1986. – Vol. 94. – № 8. – Р. 74–79.

7. Радциг А.А. История теплотехники. – М. – Л.: Изд-во АН

СССР, 1936. – 425 с.

8. БСЭ – М.: Сов. энциклопедия, 1976. – Т. 24. – 608 с.

9. Шпанов Н. Рождение мотора. – М. – Л.: Госэнергоиздат,

1934. – 217 с.

10. Карно Сади. Размышление о движущей силе огня и о

машинах, способных развивать эту силу. – М. – Петр.: Государ-

ственное издательство, 1923. – 76 с.

11. Roediger W. Hundert jahre Automobil. – Leipzig – Berlin:

Urania-Verlag, 1990. – 200 s.

12. Раскин Н.М. Забытая страница истории двигателя

внутреннего сгорания. // Вопр. истории естествознания и тех-

ники. – 1981. – № 3. – С. 76–84.

13. Гумилевский Л.И. Рудольф Дизель. – М. – Л.: ГОН-

ТИ, 1938. – 296 с.

14. Двигатели внутреннего сгорания / А.С. Орлин, Д.Н.

Вырубов, Г.Г. Калиш, М.Г. Круглов и др. – 2-е изд. – М.: Машгиз,

1957. – Т.1. – 396 с.

Глава 2

ТОПЛИВО ДЛЯ ДВИГАТЕЛЕЙ

ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

§1. Сырьевые ресурсы моторного топлива

Топливо для двигателей внутреннего сгорания получают пу-

тем переработки органических ископаемых природных топлив,

главным образом нефти. Производство синтетического топлива

из сланцев, торфа, углей и других видов твердого топлива не

имеет еще существенного значения. Поэтому перспективы разви-

тия двигателей внутреннего сгорания неразрывно связаны с

перспективами развития нефтедобывающей и нефтеперерабаты-

вающей промышленности, которые в свою очередь зависят от

природных запасов нефти, совершенствования методов ее добы-

чи и переработки.

Мировые запасы органического топлива на планете состав-

ляют по прогнозным оценкам 12800 млрд. тонн условного топли-

ва

, в том числе угля – 11200 млрд., нефти 740 млрд., газа 630

млрд. тонн условного топлива [1]. Извлекаемые ресурсы органи-

ческого топлива от запасов в процентах составляют: угля – 25,

нефти – 50, газа – 80. Мировая добыча органического топлива в

1900 г. составляла 1 млрд. тонн условного топлива, в 1975 г. –

около 9 млрд. тонн условного топлива [2]. Если исходить из

уровня добычи топлива примерно 15–20 млрд. тонн условного

топлива, то органического топлива достаточно будет примерно

на 150–200 лет. По оценкам различных специалистов [3, 4] дан-

ные по мировым запасам топлива, срокам его использования не-

значительно отличаются от приведенных.

Наиболее ценным топливом является нефть и газ и не толь-

ко как источники моторного топлива для двигателей внутреннего

сгорания. Из нефти и газа получают также разнообразные синте-

тические материалы, белки, белково-витаминные концентраты,

производство которых неуклонно расширяется. По прогнозам

Всемирной организации здравоохранения в будущем значитель-

) Условное топливо – топливо, низшая теплота сгорания которого Q

= 29300 кДж/кг

ную часть питания растущего мирового населения могут соста-

вить продукты из различных синтетических заменителей [5].

Вопрос о происхождении нефти еще не решен. Наиболее

широкое признание получила теория, согласно которой нефть

образовалась из остатков растений и животных в районах древ-

них мелководных морей в результате биохимических процессов,

воздействия давления и температуры в пластах [6].

Первая нефтяная скважина для промышленной добычи неф-

ти была пробурена в Баку в 1848 г. К 1865 г. мировая добыча

нефти составила уже 300 тыс. т, в 1900 – около 20 млн. т, в 1975

г. – примерно 2,7 млрд. т. В мировом топливном балансе на долю

нефти и газа приходится примерно 70 % [2].

Во многих нефтедобывающих странах запасы нефти исчер-

паны уже сегодня. Многие страны удовлетворяют свои потребно-

сти в нефти и нефтепродуктах в основном за счет импорта. На-

пример, в странах Западной Европы ежегодный импорт хими-

ческого топлива, в основном нефти, составляет свыше 70 %, в

Японии – около 90 % используемого количества топлива [2]. Им-

порт в США только нефти превышает 50 % потребляемого коли-

чества. США уже сегодня не в состоянии увеличить собственное

производство нефти и стать независимыми от зарубежных поста-

вок. Для США проблема топлив является одной из важнейших,

определяющей в значительной мере и внутреннюю и внешнюю

политику этой страны. Правительство предусматривает также ог-

ромнейшие ассигнования на создание стратегических резервов

нефти, развитие новых источников энергии, производство синте-

тического жидкого топлива, а также на развитие общественного

транспорта.

По прогнозным оценкам специалистов мировые запасы

нефти и газа могут быть исчерпаны в течение двадцати лет и

только в отдельных странах – максимум в течение 50 лет [3, 4, 7].

Разведанные запасы нефти и конденсата в капиталистических

странах к 1980 г. по оценкам составляли примерно 66 млрд. т [3,

4, 5]. На долю СНГ по различным зарубежным оценкам прихо-

дится 9–30 % мировых разведанных запасов нефти и газового

конденсата [4, 5]. Таким образом, если исходить из извлекаемых

запасов нефти (50 % разведанных запасов при существующей

технологии добычи) и уровня годовой добычи нефти в 3 млрд. т,

то разведанные к 1980 г. мировые запасы нефти должны были бы

быть исчерпаны уже к 2000 г. Однако к 2000г. разведанные запа-

сы нефти и газового конденсата заметно увеличились.

С первыми признаками энергетического кризиса развитые

страны столкнулись в 1973 г. Кризис вынудил ряд стран пере-

смотреть политику в области развития энергетики и транспорта.

Например, в США в законодательном порядке предусматрива-

лось поэтапное снижение норм расхода бензина (к 1985 г. выпус-

каемые легковые автомобили должны были расходовать не более

1 галлона – 4,5 л бензина на 27,6 миль пробега), расширение ис-

следований по использованию в качестве моторного топлива во-

дорода и метанола, совершенствование технологии производства

синтетического моторного топлива и т.п.

Россия в отношении природных запасов органического топ-

лива находится в более выгодном положении по сравнению с

США и другими странами. На ее долю приходится 53 % мировых

запасов органического топлива, в том числе: угля – 55 %, газа –

34 %. Она не только полностью удовлетворяет внутренние по-

требности в органическом топливе за счет собственного произ-

водства, но и значительную часть добываемого топлива экспор-

тирует в другие страны. Для других же стран СНГ повышение

эффективности использования органического топлива является

одной из важнейших народно-хозяйственных задач. В будущем и

в странах СНГ неизбежно расширение использования водорода –

одного из наиболее распространенных химических элементов в

природе в качестве сырья для производства синтетического мо-

торного топлива или непосредственно как моторного топлива.

Его массовая доля составляет около 1 % массы земной коры. Се-

бестоимость водорода при массовом его производстве, по раз-

личным оценкам, не будет превышать себестоимости бензина,

приведенной к энергоемкости водорода.

С точки зрения организации рабочих процессов двигателя

внутреннего сгорания при использовании в качестве топлива во-

дорода также не возникает проблем. Еще в 20-х годах прошлого

столетия ДВС надежно работали на водороде. Основная пробле-

ма использования водорода в качестве топлива для транспортных

двигателей обусловлена трудностями его хранения и транспорти-

ровки. При хранении водорода в газообразном состоянии и энер-

гоемкости одной заправки автомобиля водородом, эквивалентной

50 л бензина, необходимо 150 л водорода при давлении около

100 МПа, при хранении в жидком состоянии (–253С) необходи-

мо около 190 л водорода. Не найдены еще достаточно емкие и

относительно недорогие гидриды металлов, применение которых

может оказаться экономически оправданным при соотношении

объема поглощаемого водорода и объема гидрида металла

1/2000–1/3000. Поэтому проблема применения водорода в ка-

честве топлива для транспортных энергетических установок бу-

дет определяться возможностью создания приемлемых по массе

емкостей для его хранения на борту транспортного средства.

Технологический процесс получения жидкого синтетичес-

кого топлива из каменного угля и другого сырья (бурого угля,

торфа и т.п.) уже достаточно отработан. Уголь подвергают воз-

действию в течение нескольких часов водородом в автоклавах

при температуре 300–400 С и давлении свыше 20 МПа. До 85 %

угля переходит в растворимое или жидкое вещество (преимуще-

ственно углеводороды).

В Германии в период второй мировой войны для гидрирова-

ния использовался бурый уголь. К 1945 г. общая мощность заво-

дов по производству синтетического бензина составляла 3–3,5

млн.т в год [8]. В настоящее время этот технологический процесс

широко используется в ЮАР, где до 40 % потребляемого количе-

ства жидкого моторного топлива получают из угля.

Более перспективными по технологии производства, мотор-

ным свойствам и ресурсам являются спирты (метиловый и этило-

вый). Исходным сырьем для метилового спирта служат угли, газ,

растительные отходы, отходы промышленного производства; для

этилового – продукты сельскохозяйственного производства, от-

ходы пищевой промышленности. Себестоимость метилового

спирта при крупнотоннажном производстве сопоставима с себе-

стоимостью высокооктанового неэтилированного бензина. В

странах тропического пояса с развитым сельским хозяйством уже

сегодня экономически оправдано широкое использование в ка-

честве моторного топлива этилового спирта. В Бразилии свыше

40 % расходуемого моторного топлива приходится на спирт, ко-

торый используется и в чистом виде, и в смеси с бензином.

В ряде стран доведена до уровня практического использова-

ния технология производства дизельного топлива из раститель-

ного масла (из рапса, подсолнечника и т.п.).

Применительно к условиям Украины перспективным аль-

тернативным моторным топливом наряду с этиловым спиртом

может быть метиловый спирт. Расширение производства метило-

вого спирта в перспективе позволит создать на базе двигателя с

искровым зажиганием транспортные силовые установки с вто-

ричным использованием теплоты отработавших газов в катали-

тических реакторах (для получения синтезгаза), качественным

регулированием мощности, КПД которых будет на 30–50 % выше

достигнутого значения в современных двигателях с искровым

зажиганием.

§2. Состав нефти и нефтепродуктов

В состав нефти входят предельные (насыщенные) углеводо-

роды (парафины), непредельные углеводороды (олефины), цик-

лические углеводороды (нафтены), углеводороды гибридного

строения (парафиноциклические и др.), соединения серы, азота и

кислорода с углеводородами (нафтеновые кислоты, нефтяные

смолы, асфальтены и т.п.). Предельным углеводородам соответ-

ствует формула С

2n+2

; непредельным – С

; С

2n–2

и т.д.,

циклическим – С

; С

2n–6

и др.

Свойства углеводородов зависят не только от количества

атомов углерода и водорода, входящих в молекулу, но и от их

пространственного расположения. Углеводороды (и другие ве-

щества), имеющие одну и ту же формулу, но различающиеся

пространственным расположением атомов, входящих в молекулу,

называются изомерами. С увеличением числа атомов в молекуле

количество изомеров возрастает. Например, бутан С

образует

2 изомера, а углеводород С

– 1818. Углеводороды со сход-

ными химическими свойствами и строением, в которых каждый

следующий член отличается от предыдущего на группу атомов

СН

, называются гомологическими рядами, а отдельные его чле-

ны – гомологами.

Гомологический ряд предельных углеводородов включает в

себя метан СН

, этан С

, пропан С

, бутан С

, пентан

, гексан С

и т.д. Первые четыре гомолога (СН

, С

) – газы, температура кипения которых с увеличением

их молекулярной массы возрастает от –162С (СН

) до 0С

(С

). Гомологи с числом атомов углерода в молекуле 5–16 при

температуре до 20С – жидкие; гомологи с большим числом ато-

мов углерода – твердые вещества с температурой плавления от

22С до 102С (С

122

В молекулах предельных углеводородов все связи простые

(рис. 2.1, а). Предельные углеводороды с разветвленной цепью

обладают более высокими антидетонационными свойствами, с

неразветвленной – более высокой воспламеняемостью.

В молекулах непредельных углеводородов часть атомов уг-

лерода соединена двойными и тройными валентными связями

(рис 2.1, б). Этилен (С

), пропилен (С

), бутилен (С

) и

т.д. образуют гомологический ряд этиленовых углеводородов или

олефинов.

Непредельные углеводороды малоустойчивы и в сырой неф-

ти их практически нет. В продуктах переработки нефти содер-

жится значительное количество непредельных углеводов, что

ухудшает стабильность нефтепродуктов при хранении, обуслов-

ливает образование смолистых веществ.

В молекулах циклических углеводородов углеродная цепоч-

ка атомов замкнута. Циклические углеводороды, в молекулах ко-

торых атомы соединены, как в молекулах парафинов, простыми

связями, называются нафтенами. К ним относятся такие цикли-

ческие углеводороды, как циклопентан С

, метилциклопентан

, циклогексан С

(рис. 2.1, в). Циклические углеводоро-

ды, состоящие из шести атомов углерода, соединенных попере-

менно простыми и двойными связями, называются ароматичес-

кими (рис. 2.1, г). Ароматические углеводороды повышают анти-

детонационные качества моторных топлив.

В состав нефти входят и нафтены (циклопентан С

, цик-

логексан С

и их гомологи) и ароматические углеводороды с

различной молекулярной массой, количество которых зависит от

месторождения нефти.

СН

а:

б:

Рисунок 2.1 – Структура молекул углеводородов:

а – предельных; б – непредельных; в – циклических; г – ароматических