4.2 Види палив, властивості і горіння

Палива для двигунів внутрішнього згоряння (ДВЗ) класифікують за такими критеріями: агрегатним станом – рідкі і газоподібні ; хімічним складом – вуглеводневі і невуглеводневі; походженням – нафтові і синтетичні; цільовим призначенням – для двигунів з іскровим запалюванням (бензини та газове паливо) і для двигунів з примусовим запалюванням (дизельні палива).

Паливо складається з горючої і негорючої частин. Горюча частина палива складається з різних органічних сполук, в склад яких входять вуглець (С), водень (H), сірка (S), кисень(О), азот (N). Основними горючими елементами палива є вуглець і водень. Сірка при згорянні дає мало теплоти і при її згорянні утворюються оксиди сірки, які викликають сильну корозію металів.

У вигляді внутрішнього баласту в невеликій кількості містяться кисень і азот.

Неорганічна частина палива складається з води (W) і мінеральних домішок (М), які при згорянні утворюють золу (А).

Необхідно звернути увагу на те, що маса палива може бути робочою (Р), сухою (С) і горючою (Г).

Робоча маса – це та маса палива, з якого воно поступає в теплову установку. Суха маса палива не містить вологи, горюча – не містить вологи і золи. Елементний склад палива розраховують на горючу і суху маси, а теплові розрахунки проводять на робочу (реальну) масу.

Калорійність палива оцінюється теплотою згоряння, яка може бути вищою Qв або нижчою Qн.

Теплотою згоряння називають кількість теплоти, яка виділяється при повному згорянні 1 кг рідкого або твердого палива (кДж/кг) і 1м³ газоподібного палива (кДж/м³).

Теплоту згоряння рідкого і твердого палива визначають за формолою Д.І.Менделєєва:

- вищу: Q_в= 339С+1256H-109(О-S) (4.1)

- нижчу: Q_н= Q_в-25,12(9H+W) (4.2)

де C, H, S, O, W – вміст у паливі відповідних елементіві вологи , % мас.

Числові коефіцієнти показують теплоту згоряння окремих елементів поділену на 100. Різниця 25,12(9H+W) представляє собою кількість теплоти, яка затрачується на перетворення вологи палива у пару, яка виноситься у атмосферу з продуктами згоряння.

Теплоту згоряння газового палива визначають як суму теплоти, одержаної від згоряння окремих складових за формулою:

Q_в=128(CO+H₂)+399CH₄+639C_nH_m (4.3)

Q_н = 128CO+108H₂+356CH₄+628C_nH_m, (4.4)

де CO, H₂, CH₄, C_nH_m- обємний склад газового палива за нормальних умов, %.

Дослідним шляхом теплоту згоряння палива визначають в калориметрах. Суть методу полягає у спалюванні певної маси досліджуваного палива або певного об’єму газу у калориметричній бомбі в середовищі стиснутого кисню і визначенні кількості теплоти, яка виділяється при згорянні.

Горіння - це хімічна реакція окислення палива киснем повітря, яка супроводжується виділенням теплоти і різким підвищенням температури. Процес горіння дуже складний, хімічні реакції в ньому супроводжуються фізичними явищами, такими як перемішування палива і повітря, дифузія, тепло – масообмін. Для повного згоряння 1 кг рідкого палива теоретично необхідна кількість палива Lо (кг/кг) визначається за формулою:

L_o=(2.67C+8H+S-O)/23.2, (4.5)

де C,H,S,O- елементний склад палива, % мас; коефіцієнти в чисельнику показують теоретично необхідну кількість кисню для окислення, відповідно, 1 кг вуглецю, водню і сірки, визначеної за хімічними реакціями окислення.

Для газоподібного палива кількість повітря (м³/м³), визначається за формулою:

L_o=0.5(H₂+CO)+2CH₄+∑(n+m/4 C_nH_m-O₂/21, (4,6)

де H₂,CO,CH₄,C_nH_m,O₂- об’ємний склад газового палива, %.

В реальних умовах повного згоряння палива при теоретичній кількості повітря досягти неможливо, тому в камеру згоряння подається більша кількість повітря, яка називається дійсною L_o:

L_д= α L_o, (4.7)

де α коефіцієнт надлишку повітря, що представляє собою відношення дійсної кількості повітря до теоретично необхідної для повного згоряння палива.

Коефіцієнт надлишку повітря розраховують за складом продуктів згоряння, який визначаються газоаналізатором. Для бензинових двигунів α=1,05...1,15; для дизельних –1,2...1,4; газових – 1,03..1,08.

Якщо проходить неповне згоряння і в продуктах згоряння палива міститься оксид вуглецю (СО), то коефіцієнт надлишку повітря α розраховується за формулою:

α=1/1-367(О₂-0,5СО)/N₂, (4.8)

де О₂,СО,N₂ - вміст у продуктах згоряння кисню, оксиду вуглецю, азоту, %мас.

Оскільки у двигунах внутрішнього згоряння згоряють збіднені та бідні паливні суміші, то теплоту їх згоряння визначають за формулою:

Q_n.с=Q_н* /(1+ α L_o), (4.9)

де Q_H – нижча теплота згоряння палива, кД/кг; η – коефіцієнт повноти згоряння палива; L_о – теоретична необхідна кількість повітря, кг/кг (м³/м³).

У відповідності з теоретичними розрахунками при повноу згорянні палива повинно виділятися 2750...2850 кДж/кг або 3400...3500кДж/м³. теплоти.

При повному згорянні палива (α>1) продукти згоряння складаються з диоксиду вуглецю (СО₂), водяних парів (Н₂О), диоксиду сірки (SO₂), надлишкового кисню (О₂) і азоту повітря (N₂). Повний обєм продуктів згоряння (м³./кг) записується у наступному вигляді:

V _пр.зг=Vсо₂+Vн₂о+Vѕо₂+Vо₂+V_N2 (4,10)

При неповному згорянні палива (α<1) продукти складаються із суміші оксиду вуглецю (СО), диоксиду вуглецю (СО₂), водяних парів (Н₂О), вільного водню (Н₂)і азоту (N₂).Загальний обєм продуктів неповного згоряння палива (м³/м³) записується:

V _пр.зг=Vсо+ Vсо₂ +Vн₂о+ Vн₂ +V_N2 (4.11)