Топливо – горючее вещество, сжигаемое для получения тепла

1. Свойства топлива должны обеспечивать создание однородной топливовоздушной смеси необходимого состава при любых температурных условиях эксплуатации автомобиля. Это требование регламентирует такие качества топлива, как испаряемость (фракционный состав и давление насыщенных паров), элементный состав, поверхностное натяжение, плотность, вязкость, скорость диффузии паров в воздух, теплота испарения (парообразования), теплоемкость, содержание смол и др.

Топливо с оптимальными значениями этих показателей обеспечивает экономичность автомобильного двигателя, хорошие пусковые свойства при различных температурах, быстрый прогрев и высокую приемистость, минимальный износ цилиндро–поршневой группы, работу карбюратора без обледенения, минимальное образование отложений во впускной системе и т. д.

2. Свойства топлива должны обеспечивать нормальное сгорание топливо–воздушной смеси на всех режимах работы двигателя с максимальными мощностными и экономическими показателями. Это требование регламентирует такие качества топлива, как теплота сгорания, групповой углеводородный состав и содержание неуглеводородных примесей, стойкость к детонации и калильному зажиганию и т. д.

Топливо с оптимальными значениями этих показателей обеспечивает долговечность автомобильного двигателя, экономичность его работы, минимальную дымность и токсичность отработавших газов и т. д.

3. Не должно возникать затруднений при транспортировке, хранении и подаче топлива по системе питания в двигатель в любых климатических условиях. Это требование регламентирует такие качества топлива, как стабильность при хранении, содержание коррозионно–агрессивных соединений, температуру застывания и помутнения, изменение вязкости с температурой, содержание механических примесей, склонность к потерям от испарения, растворимость воды и воздуха и др.

Топливо с оптимальными значениями этих показателей обеспечивает надежности работы автомобильного двигателя при различных температурах окружающего воздуха.

4. Топливо должно быть недорогим, по возможности нетоксичным и производство его должно быть обеспечено сырьевыми ресурсами.
Перечисленным требованиям в той или иной мере отвечают многие индивидуальные органические соединения и их смеси. Однако лучше всего им удовлетворяют смеси углеводородов, выкипающие в пределах от 30-40 до 200-210°С и получившие название бензинов. Автомобильные бензины получают путем переработки нефтей, природных газов, каменных углей, торфа и горючих сланцев. В большинстве стран нефть является основным сырьем для производства автомобильных бензинов. В настоящее время даже в странах, где запасы нефти невелики, автомобильные бензины вырабатывают из нефтяного сырья, которое импортируют из других стран.

Сырую нефть нагревают до 300-370^оС, после чего полученные пары разгоняют на фракции, конденсирующиеся при различной температуре t_к: сжиженный газ (выход около 1%), бензиновую (около 15%, t_к = 30-180 ^оС), керосиновую (около 17%, t_к = 120-1315 ^оС), дизельную (около 18%, t_к = 180-315 ^оС). Жидкий остаток с температурой начала кипения 330-350^оС называется мазутом

Топливо состоит из следующих элементов:

Углерод С – основная горючая часть топлива. С увеличением его содержания тепловая ценность топлива повышается. В различных видах топлива содержится от 50 до 70 % С.

Водород Н – вторая по значимости составляющая горючей части топлива. В сравнении с углеродом Н содержится в топливе меньше (до 25 %), а теплоты при сгорании выделяет в четыре раза больше.

Кислород О – не горит и не выделяет теплоты. Его содержание в зависимости от вида топлива составляет 0, 5 … 45 %.

Азот N – не горит. Содержание в твердом и жидком топливе составляет 0, 5 … 1, 5 %.

Сера S – при ее сгорании выделяется определенное количество теплоты. Но сам продукт сгорания является весьма нежелательной частью топлива, ибо сернистый SO ₂ и серный SO ₃ ангидриды вызывают сильную газовую или жидкостную коррозию металлических поверхностей. Содержание серы в твердом топливе составляет от долей % до 8 %, а в нефти от 0, 1 до 4 %.

Влага W – весьма нежелательная примесь, так как, во–первых, часть теплоты забирается на ее испарение, в результате чего снижается теплота и температура сгорания, а во–вторых влага вызывает коррозию металла.

Бензин представляет собой сложную смесь, в которой содержатся пентан (С ₅ Н ₁₂), гексан (С ₆ Н ₁₄), гептан (С ₇ Н ₁₆), октан (C ₈ H ₁₈), нонан (С ₉ Н ₂₀) и другие углеводороды.

Качество бензина оценивается по его основным эксплуатационно-техническим свойствам: испаряемости, антидетонационной стойкости, термоокислительной стабильности, отсутствию механических примесей и воды, стабильности при хранении и транспортировке.

Жидкие моторные топлива для двигателей внутреннего сгорания классифицируются по их испаряемости. Они характеризуются температурами, при которых выкипает 10, 50 и 90% объема топлива, а для бензинов указывается и температура конца кипения. По испаряемости топливо делится на легкое и тяжелое. К легкому относятся бензин, лигроин, керосин. У бензина А76, например, указанные выше температуры соответственно равны 75, 135, 180 и 195 ^оС. Температура выкипания 10% бензина, характеризует его пусковые качества. Чем больше испаряемость при низких температурах, тем лучше качество бензина.

В двигателях с внутренним смесеобразованием (дизельные) используются более тяжелые фракции с пределами выкипания до 350 °С.

Топливо в дизельных двигателях подается в конце сжатия и незначительно опережает момент воспламенения, а часть топлива вводится в процессе сгорания. В этих условиях нужно обеспечить хорошее распыление топлива, при котором образующиеся мельчайшие капли смешиваются с находящимся в цилиндре воздухом. Исходя из этого, к основным свойствам, характеризующим качество, добавляются: оптимальная вязкость, низкая температура застывания, высокая склонность к воспламенению.

Если содержание отдельных элементов в 1 кг топлива выразить массовыми долями, то m _С + m _Н + m _O+ m _S+ m _N = 1. При незначительном содержании О, S и N ими часто пренебрегают. Элементный состав жидкого топлива для двигателей внутреннего сгорания приведен в таблице 1.

Таблица 4.1

Свойства жидких топлив

Сгорание топлива представляет собой химическое соединение составных элементов топлива с кислородом:

С + О ₂ = СО ₂, 2 Н ₂ + О ₂ =2 Н ₂ О, (4.1)

при неполном сгорании углерода:

2 С + О ₂ = 2 СО. (4.2)

Для полного сгорания 1 кг топлива (состав С+Н+О = 1) требуется количество кислорода:

в киломолях (4.3)

в килограммах (4.4)

В окружающем воздухе кислорода по массе содержится примерно 23 %, а по объему 21 %. Поэтому количество воздуха, которое теоретически необходимо для сгорания топлива массой 1 кг и состава С + Н + О = 1, выражают стехиометрическим соотношением, кмоль,

(4.5)

или, кг

(4.6)

Кажущаяся молекулярная масса воздуха μ _В = 29 кг/кмоль, следовательно,

m ₀= μ _В М ₀ = 29 М ₀. ( 4.7)

Важнейшим качеством любого топлива является теплота сгорания, т.е. количество теплоты, которое выделяется при полном сгорании 1 кг топлива, взятого при нормальных условиях (t = 0^оС, Р = 1, 013·10⁵ Па). Теплоту сгорания топлива определяют экспериментально. Согласно стандарту, она определяется в так называемой калориметрической бомбе, представляющей собой металлический стакан, в который помещается проба топлива (около 1г) и нагнетается кислород давлением около 3 МПа. Сосуд помещается в калориметр, при помощи которого определяется количество выделяющейся при горении теплоты. При этом продукты горения топлива остаются в бомбе и охлаждаются водой вместе с ней. Пары воды, образующиеся при горении водорода и испарении влаги топлива, конденсируются. Тепло конденсации при этом передается воде. По такой методике определяется высшая теплота сгоранияQ _в.

В двигателях внутреннего сгорания пользуются Q ^Н, так как продукты сгорания выпускаются в окружающую среду при температуре более высокой, чем температура конденсации водяных паров, поэтому теплота парообразования не может быть использована. Между низшей и высшей теплотой сгорания топлива существует связь, кДж/кг: Q ^H = Q ^В – 2512 d, где d - количество водяных паров, получаемых при сгорании 1 кг топлива (d, кг/кг продуктов сгорания); 2512 – приближенное значение теплоты парообразования воды, кДж/кг.

Теплота сгорания топлива зависит от количества горючих соединений в топливе и от соотношения элементов, составляющих его горючую часть.

Зная элементный состав топлива, можно рассчитать низшую теплоту сгорания топлива по известной формуле Д.И. Менделеева:

Q ^Н = 33, 913 С + 102, 995 Н – 10, 885(О – S) – 2, 512d, МДж/кг.

Теплота сгорания жидкого топлива для двигателей внутреннего сгорания приведена в табл. 1.

Вопросы для самопроверки

1. Какие требования предъявляются к топливам для ДВС?

2. Что такое испаряемость и чем она характеризуется?

3. Из каких элементов состоит топливо?

4. Как определяется теплота сгорания топлива?