Свойства топлив для поршневых ДВС

Основными жидкими топливами в ДВС являются бензины и дизельные топлива, получаемые при переработке нефти. Они являются смесью различных углеводородов. Также в ДВС используются сжатые и сжиженные природные газы; сжиженный пропан-бутановый газ', спирты', эфиры, водород; синтетические топлива, получаемые переработкой угля, сланцев; и т.п.

До 75% затрат в жизненном цикле автотранспортного ДВС приходится на топливо.

Энергетические, экономические и экологические показатели, а также надежность работы поршневых ДВС существенным образом зависят от энергетических и экологических свойств топлива. Поэтому к топливам предъявляется следующий комплекс требований:

  • ? высокая теплота сгорания;
  • ? необходимый фракционный состав, термическая стабильность;
  • ? отсутствие серы, механических примесей и воды;
  • ? заданные уровни способности к воспламеняемости (дизельное топливо) и склонности к детонации (бензин);
  • ? способность к смесеобразованию и сгоранию для получения необходимой скорости сгорания на всех режимах работы ДВС, включая пуск при низких температурах;
  • ? полнота сгорания и минимально возможное образование токсичных продуктов сгорания, сажи и корозионно-агрессивных продуктов;
  • ? стабильность при хранении и транспортировании;
  • ? пожарная и токсикологическая безопасность;
  • ? возможность массового производства при приемлемой стоимости.

Свойства топлив можно разделить:

  • ? на физико-химические (плотность, фракционный и химический составы, поверхностное натяжение, вязкость;
  • ? эксплуатационные (испаряемость, воспламеняемость, антидето- национные, пусковые и низкотемпературные свойства).

Горение топлива сопровождается выделением теплоты. Высшая теплота сгорания топлива #в определяет полный тепловой эффект реакций с учетом конденсации водяных паров, образующихся при сгорании. Однако в поршневых ДВС продукты сгорания не охлаждаются до температуры конденсации водяного пара. Поэтому в расчетах ДВС используют низшую теплоту сгорания Ни.

В таблице 1.2 для некоторых топлив приведен ряд свойств.

Бензины для автомобильных ДВС представляют собой смеси углеводородов, которые выкипают в диапазоне температур 40. ..200°С. В России производятся следующие марки: АИ-92, АИ-95, АИ-98, а также бензины с улучшенными экологическими свойствами. Число в марке бензина обозначает его антидетонационные свойства, оцениваемые октановым числом (ОЧ), которое характеризует способность топлива противостоять детонации (самовоспламенению части рабочей смеси). Чем выше ОЧ, тем большую степень сжатия можно задать, получив при этом более высокий КПД. ОЧ оценивается в единицах ОЧМ по моторному методу и характеризует детонационную стойкость топлива при эксплуатации автомобиля в условиях повышенного теплового режима. Оценка по исследовательскому методу (ОЧИ) характеризует антидетонационные свойства бензина при работе в условиях городской езды. ОЧИ больше ОЧМ на величину 8... 12, называемую чувствительностью бензина.

ОЧ бензина повышают добавлением в него антидетонационных присадок: металлокарбонатов, изобутановой фракции и т.д. (использование соединений на основе свинца запрещено), а также кислородосодержащих веществ: метилового спирта, метил-трет-бутилового эфира (МТБЭ).

При увеличении степени сжатия (е) и диаметра цилиндра (D) необходимо применять топливо с большим ОЧ.

Основные теплофизические

Топливо

Бензин

Дизельные топлива

Природ- ный газ (метан СН4)

АИ-92

Летнее

Л

Зимнее

3

Массовые доли

Углерод gc

0,856

0,873

0,869

0,75

Водород gH

0,135

0,127

0,131

0,25

Кислород #

Плотность р при 20 °С, кг/м3

755

836

820

0,66

Низшая теплота сгорания топлива Ни, МДж/кг

43,4

42,8

43,03

50

Октановое число (исследовательский метод)

92

130

Цетановое число

Не менее 45

Стехиометрическое количество воздуха /0, кг воздуха/кг топлива

14,6

14,41

14,51

17,24

Нормальная температура кипения, °С

35...205

180...360

180...340

-161,58

Теплота парообразования при /> = 0,1 МПа, кДж/кг

305

220...240

511

Температура воспламенения при р = 0,1 МПа, °С

415

250

650

Испаряемость бензинов зависит от их фракционного состава и давления насыщенных паров. Она влияет на пусковые свойства при низких температурах, на склонность к образованию паровых пробок при высоких температурах, а также на приемистость двигателя.

Важными эксплуатационными свойствами бензинов являются про- качиваемость, склонность к образованию отложений, коррозионная активность.

Дизельные топлива для автомобильных и тракторных дизелей получают из фракций прямой перегонки нефти.

В РФ используются следующие сорта дизельного топлива:

Таблица 1.2

и термомеханические показатели ряда топлив

Сжиженный газ

Спирты

дмэ

с2н6о

МЭРМ

С19)бН36,б02

Водород

н2

Пропан

С3Н8

Бутан

с4н10

Метанол

сн4о

Этанол

С2Н5ОН

элементов, кг

0,818

0,828

0,375

0,522

0,522

0,77

0,182

0,172

0,125

0,130

0,130

0,12

1,00

0,500

0,348

0,348

0,11

502

578

791

810

660

882

0,082

46,35

45,75

19,6

26,9

27,6

37,5

120

111,5

95

111

108

45...90

12

5

8

>55

52...56

15,68

15,45

6,465

8,98

8,98

12,51

34,48

-42

—0,6

65

78

-25

250... 350

-252,8

420

390

1 160

910

410

504

430

450

420

235

130

  • ? Л — летнее для эксплуатации при температуре окружающего воздуха О °С и выше;
  • ? 3 — зимнее для эксплуатации при температуре —20 °С и выше;
  • ? А — арктическое для температуры окружающего воздуха —50 °С и выше.

Для эксплуатации важными являются следующие свойства дизельного топлива.

Испаряемость дизельного топлива определяет способность топлива к смесеобразованию и зависит от его фракционного состава, плотности и вязкости.

Воспламеняемость дизельных топлив оценивают цетановым числом (ЦЧ), которое характеризует способность топлива к самовоспламенению. Чем выше ЦЧ, тем лучше топливо самовоспламеняется. Используют дизельные топлива с ЦЧ = 45...50. При повышении ЦЧ улучшаются пусковые свойства дизеля. Приближенно связь между ЦЧ и ОЧ выражается зависимостью: ЦЧ = 60 — ОЧ/2. Отсюда топливо, обладающее высоким ЦЧ (хорошей воспламеняемостью), имеет малое ОЧ (низкую детонационную стойкость), и наоборот.

Низкотемпературные свойства определяют пусковые свойства дизеля. Снижение температуры топлива до температуры помутнения вызывает выпадение твердых углеводородов. Дальнейшее понижение температуры может ухудшить фильтруемость топлива — его способность проходить через фильтр с установленной скоростью. Для улучшения этих свойств топлива из его состава удаляют парафиновые углеводороды и добавляют специальные присадки.

Топлива не нефтяного происхождения, применяемые в двигателях, называют альтернативными.

Газообразные топлива по их агрегатному состоянию при нормальных условиях подразделяют на сжатые (компримированные) природные (СПГ) и сжиженные нефтяные (СНГ).

В сжатом природном газе содержится до 95% метана (СН4). По сравнению с бензином и дизельным топливом у него при атмосферных условиях меньшая в 800... 1000 раз теплота сгорания единицы объема.

Сжиженные газы являются продуктами переработки попутных газов и газов газоконденсатных месторождений. Они содержат бутанпропа- новые и бутиленпропиленовые смеси, при нормальной температуре находящиеся в жидком состоянии. Их объемная теплота сгорания меньше, чем у жидких топлив.

По сравнению с бензином газовые топлива обеспечивают:

  • ? больший КПД вследствие высокой эффективности сгорания;
  • ? более высокие степени сжатия;
  • ? высокие экологические свойства из-за отсутствия в них оксидов металлов, полиароматических углеводородов; низкое содержание серы;
  • ? снижение количества С02 из-за меньшего содержания углерода.

Водород обладает наиболее высокой теплотой и температурой сгорания и образует «чистые» продукты при сгорании, не считая оксидов азота. Широкое применение водорода сдерживают высокая стоимость его получения, проблемы хранения, на борту и заправки.

Кислородсодержащими соединениями являются: спирты (метанол, этанол, пропанол); эфиры, растительные масла.

Спирты (метиловый и этиловый) имеют ОЧ большее, чем у бензинов, что обусловливает их применение в ДсИЗ. Однако у них низкая теплота сгорания, коррозионность, высокая теплота испарения, гигроскопичность.

Эфиры — производные спиртов: метил-трет-бутиловый эфир (МТБЭ), диметиловый эфир (ДМЭ), метиловый эфир рапсового масла (МЭРМ).

ДМЭ имеет высокое цетановое число, а из-за наличия кислорода при сгорании мало склонен к дымлению, и следовательно, его целесообразно применять в дизелях. ДМЭ получают из метанола или природного газа.

Биотоплива получают из зерновых, сахарной свеклы, сахарного тростника, биомассы: древесных отходов, соломы и т.д. Наиболее перспективно применение топлив из рапсового масла и метилового эфира рапсового масла (МЭРМ). Однако рапсовое масло по сравнению с дизельным топливом термически нестабильно, имеет повышенную вязкость, меньшую теплоту сгорания, неудовлетворительные низкотемпературные свойства.

Синтетические топлива применяют как в чистом виде, так и в качестве добавок к углеводородным топливам. Они получаются из каменного угля и природного газа в виде синтетических бензинов и дизельных топлив, а также метанола. По сравнению с традиционными у них меньшая теплота сгорания, большее содержание серы и соединений азота, выше температура застывания.

Смесевые топлива являются перспективными для двигателей. Сегодня для дизелей применяются следующие топлива: В5, В20 (добавление 5 и 20% биотоплива соответственно к дизельному), Е85 (этанол 85%, бензин 15%). Для ДсИЗ используются М15 (метанол 15%, бензин 85%), «газохол» (этанол 85%, бензин 15%).

Водотопливные эмульсии существенно уменьшают содержание в ОГ оксидов азота и сажи, а также повышают эффективность использования дизельных топлив. Эмульсии за счет улучшения смесеобразования топлива с воздухом из-за «микровзрывов» капель воды уменьшают температуру пламени, повышают полноту сгорания. Однако эмульсии склонны к расслоению с топливом, поэтому их невозможно использовать при низких температурах. Обычно используют эмульсии типа «вода в топливе» при наличии 10...40% воды по объему.

Целесообразность использования в ДВС того или иного топлива определяется как требованиями, предъявляемыми пользователями, так и особенностями региона, в котором эксплуатируется автомобиль.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ   След >