pdf.php@id=6125

3. Применение таких альтернативных топлив, как:

— газообразные углев-дные топлива и в-д;

— топливо из углей, сланцев и других ненефт. горючих ис­ копаемых;

— кислородсодерж. топлива и их компоненты (спирты, эфи­ ры и др.).

Для решения достаточно сложных инженерно-техн. и науч. задач по перечисленным выше направлениям воз­ никла и развивается новая самостоятельная отрасль науки, получившая название химмотологии.

Химмотология — это наука о кач-ве и рациональном применении в технике топлив, масел, смазок и спец, жид­ костей.

Химмотология опирается на такие науки, как хим. тех­ нология топлив и масел, физ. химия горения топлив, тепло­ техника, машиноведение, квалиметрия (наука о кач-ве про­ дукции), трибология (наука о трении и износе механизмов), экономика и экология и т.д. Она явл. по существу связую­ щим и координирующим звеном в химмотологической сис­ теме ТСМ — ДВС-эксплуатация.

Под кач-вом ТСМ понимается совокупность св-в, обу­ словливающих их пригодность для использования по назна­ чению.

Всю совокупность св-в, определяющих кач-во ТСМ, можно подразделить на след, три группы:

1)физ.-хим.;

2)экспл.;

3)техн.

Кфиз.-хим. относятся св-ва, характеризующие состоя­ ние ТСМ и их состав (плотность, вязкость, теплоемкость, элементный, фракционный и групповой углев-дный соста­ вы и т. д.). Эти методы позволяют косвенно судить о том или ином эксплуатационном св-ве. Наир., по ФС судят о пуско­ вых св-вах бензинов, по плоти. РТ — о дальности полета

ит.д.

Экспл. св-ва ТСМ призваны обеспечить надежность и экономичность экспл. двигателей, машин и механизмов, характеризуют полезный эффект от их использования по назначению и определяют область их применения (испаряе­

мость, горючесть, воспламеняемость, ДС, прокачиваемость, склонность к обр-ю отложений и т. д.).

Техн. (экологические) св-ва ТСМ проявл. в процессах хранения и транспортирования и длительной эксплуатации. К ним относятся:

—физ. и хим. стабильность, биологическая стойкость;

—токсичность, пожаро-взрывоопасность, склонность

кэлектризации, коррозионная активность и т. д. Необходимо отметить, что не все св-ва равноценны при

оценке кач-ва ТСМ. Принято наиб, важный показатель качва использовать при маркировке ТСМ. Наир., для АБ наиб, важным экспл. показателем кач-ва явл. ДС, поэтому она на­ шла отражение в марках бензинов в виде цифр, характери­ зующих ОЧ. Для ДТ определяющим св-вом явл. t3acm, к-рую

иуказывают при их маркировке (летние, зимние или аркти­ ческие топлива) и т. д.

Классификация и принципы работы тепловых дви­

гателей. Тепловые двигатели предназначены для преобр-я тепловой энергии, выделяющейся при сгорании топли­ ва, в мех. Тепловые двигатели подразделяют на двигатели с внешним сгоранием (паровые машины, паровые турбины)

иДВС.

Наиб, распространение среди тепловых двигателей по­ лучили ДВС. В этих двигателях оси. процессы — сжигание топлива, выделение теплоты и ее преобр-е в мех. работу — происходят непосредственно внутри двигателя.

ДВС подразделяются на:

1)двигатели с периодическим сгоранием топлива (поршне­ вые);

2)двигатели с непрерывным сгоранием топлива.

	Первая группа ДВС, в свою очередь, подразделяется на:
а)	двигатели с принудительным воспламенением (БД);
б)	двигатели с самовоспламенением — быстроходные и ти­
	хоходные дизели.
	Поршневые ДВС состоят (рис. 3.1) из камеры сгорания 1,

газораспределительных клапанов (впускных и выпускных) 2, цилиндра 3, поршня 4, шатуна 5, коленчатого вала 6, картера 7, маховика и т. д. Для обеспечения рабочего цикла ДВС имеют системы питания, зажигания, смазки и охлаж­ дения.

Рис. 3.1. Схема пор ш нево го двигателя внутреннего сгорания

Вторая группа ДВС подразделяется на: а) РД (ракетные и воздушно-реактивные);

б) газовые турбины (транспортные и стационарные). Топливо в поршневых двигателях сгорает порциями. По­

точный цикл в них состоит из нескольких операций. Наиб, распространены 4-тактные двигатели, в к-рых осуществля­ ется последовательно впуск воздуха или воздухо-топливной смеси в камеру сгорания, ее сжатие, затем сгорание (рабочий такт) и выхлоп отработавших газов. 4-тактные двигатели наиб, экономичны и имеют лучшие по ср. с 2-тактными эко­ логические характеристики.

Двигатели с принудительным воспламенением (БД).

В двигателях этого типа воспламенение смеси топлива и воз­ духа осуществляется от внешнего источника — электричес­ кой искры (свечи).

По способу смесеобр-я двигатели, работающие на бен­ зине, подразделяются на карбюраторные (старые) и с впрыс­ ком топлива. Последние явл. более экономичными и эко­ логически чистыми и активно вытесняют карбюраторные двигатели.

Впоследние годы (с середины XX в.) были разработаны

ивнедряются РПД, работающие также на бензине.

ВБД горючая смесь подвергается сжатию (до 8=7-9), при этом топливо полностью испаряется, перемешивается

инагревается. В конце такта сжатия в камеру сгорания по­ дается от свечи электрическая искра, от к-рой смесь вос­ пламеняется и сгорает. В рез-те резко повышаются t и давл. над поршнем. Под действием давл. поршень перемещается в цилиндре (рабочий ход) и совершает полезную работу. За­ тем поршень выталкивает продукты сгорания в атмосферу (выпуск). Рабочие такты двигателя регулируются с помощью впускных и выпускных клапанов.

ВДВС рабочий такт совершается за счет энергии сгора­ ния топлива. Остальные такты рабочего цикла совершаются за счет энергии маховика, укрепленного на коленчатом валу. Для обеспечения равномерной работы ДВС в одном блоке располагают несколько цилиндров, поршни к-рых через ша­ туны приводят во вращение коленчатый вал. Сгорание и ра­ бочие циклы в цилиндрах происходят поочередно, что обес­ печивает стабильную и равномерную работу двигателя.

Роторно-топливные двигатели. Разработаны в 1954 г. немецким изобретателем Ф. Ванкелем. Двигатель Ванкеля имеет ряд преимуществ по ср. с традиционными поршне­ выми: менее чувствителен к ОЧ бензина, имеет меньшие массу и габариты, благодаря отсутствию подвижных дета­ лей (только ротор и вал) меньше шумит и меньше подвержен вибрациям; отсутствие деталей, совершающих возвратно­ поступательные движения, облегчает форсирование двига­ теля по оборотам (поэтому они получили распространение на гоночных автомобилях).

Вдвигателях Ванкеля цилиндрический поршень заме­ нен на ротор треугольного сечения, вращающийся в полости овальной формы. Система из эксцентрикового вала и шесте­ рен обеспечивает планетарное вращательное движение ро­ тора. При этом все три вершины ротора постоянно касаются поверхности корпуса, разделяя его на 3 камеры. В корпусе двигателя проделаны впускные и выпускные окна. Каждая из камер последовательно друг за другом претерпевает впуск

исжатие горючей смеси, рабочий ход и выхлоп (см. рис. 3.2).

Рис. 3.2. Принципиальное устр-во и схема работы двигателя Ванкеля:

1— корпус; 2 — полость циклоидной формы; 3 — ротор; 4 — планетарная пере­ дача с эксцентриковым валом; 5 — впускное окно; 6 — выпускное окно;

7 — свеча сжигания. Фазы работы (по заштрихованной камере, вращение ро­ тора осуществляется по часовой стрелке): а — впуск горючей смеси; б — сжа­ тие; в — воспламенение сжатой смеси; г — рабочий ход; д — выпуск

Двигатели с самовоспламенением (дизели). Особеннос­ тью рабочего цикла ДД явл. самовоспламенение горючей смеси без какого-либо внешнего источника воспламенения.

В отличие от БД в такте впуска дизеля в цилиндр по­ ступает не горючая смесь, а только воздух. Воздух затем подвергается сильному сжатию (е =16-20) и нагревается до 500-600 °С. В конце такта сжатия в цилиндр под большим давл. впрыскивается топливо через форсунку. При этом топ­ ливо мелко распыливается, нагревается, испаряется и пе­ ремешивается с воздухом, образуя горючую смесь, к-рая при высокой t самовоспламеняется. Все остальные стадии рабочего цикла происходят так же, как и в карбюраторном двигателе. Более высокая степ, сжатия в дизеле обеспечи­ вает более высокий КПД двигателя. Однако высокое давл. требует применения более прочных толстостенных деталей, что повышает мат-лоемкость (массу) дизеля.

Двигатели с непрерывным сгоранием топлива. Оси. элемент таких двигателей — камера сгорания постоянного объема. В нее непрерывно подаются горючее и окислитель. Газовый поток продуктов сгорания за счет высокой t приоб­ ретает большую кинетическую энергию, к-рая преобразуется в т. и. реактивную силу тяги двигателя или энергию враще­ ния ротора газовой турбины. Реактивная сила тяги, возникаю­ щая при истечении газов из сопла, не зависит от скорости движения реактивной установки и от плоти, окружающей среды, как у винтовых транспортных средств, и может обес­ печивать движение летательных аппаратов в безвоздушном межпланетном пространстве. Эта особенность реактивного движения легла в основу создания ракет.

Подавляющее бол-во совр. самолетов оборудовано ВРД. Обычно в ВРД между камерой сгорания и реактивным со­ плом устанавливают газовую турбину. Часть кинетической энергии газового потока преобразуется во вращательное движение турбины. На одном валу с турбиной обычно ус­ танавливают компрессор, к-рый сжимает воздух и подает его в камеру сгорания, а также генератор, масляный и топ­ ливный насосы ит.д. После турбины продукты сгорания поступают в реактивное сопло, где оси. часть кинетической энергии газов преобразуется в реактивную силу тяги. По­ добные двигатели называют турбо-компрессорными воз­ душно-реактивными двигателями. Они получили широкое распространение в совр. авиации. Турбо-компрессорными

воздушно-реактивные двигатели относятся к двигателям с непрерывно-протекаюгцим рабочим процессом. Топливо подается в камеру сгорания непрерывно, и процесс горения протекает постоянно. Внешнее зажигание необходимо толь­ ко в начальный момент пуска двигателя.

Поскольку при сгорании топлива в камере развивается высокая t (1500-1800 °С), а мат-лы камеры, лопаток газовой турбины и реактивного сопла не выдерживают столь вы­ соких t, горячие газы разбавляют вторичным воздухом не­ посредственно после зоны горения топлива. При смешении газового потока с вторичным воздухом t смеси снижается до 850-900 °С. В зоне горения топлива необходимо создавать условия для обеспечения стабильности процесса горения без срывов пламени. Скорость распространения фронта пламени составляет ок. 40 м/с. Для снижения скорости газовоздушно­ го потока до величин менее скорости распространения фрон­ та пламени в камерах сгорания устанавливают разл. завихрители, стабилизаторы, обтекатели, экраны и т. д. Эти устр-ва, кроме того, повышают турбулентность движения горючей смеси и тем самым увеличивают скорость ее сгорания.

ГТД по принципу работы почти аналогичны турбо-комп­ рессорным воздушно-реактивным двигателям, в них отсутст­ вует только реактивное сопло. В ГТД вся кинетическая энер­ гия продуктов сгорания топлива преобразуется полностью во вращательное движение вала газовой турбины и соотв. либо в мех., либо электрическую энергию.

Лекция 6. Химмотологические требования к качеству и марки авто- и авиабензинов

ДС явл. осн. показателем кач-ва авиа- и АБ. Она характе­ ризует способность бензина сгорать в ДВС с воспламенени­ ем от искры без детонации. Детонацией называется особый ненормальный режим сгорания бензина в двигателе, при этом только часть рабочей смеси после воспламенения от искры сгорает нормально с обычной скоростью. Последняя порция несгоревшей рабочей смеси, находящаяся перед фронтом пламени, мгновенно самовоспламеняется, в рез-те скорость распространения пламени возрастает до 1500-2000 м/с, а давл. нарастает не плавно, а резкими скачками. Этот рез­ кий перепад давл. создает ударную детонационную волну, распространяющуюся со сверхзвуковой скоростью. Удар та­ кой волны о стенки цилиндра и ее многократное отражение от них приводит к вибрации и вызывает характерный звон­ кий метал, стук высоких тонов. При детонационном сгорании двигатель перегревается, появл. повышенные износы цилин­ дро-поршневой группы, увеличивается дымность отработав­ ших газов. При длительной работе на режиме интенсивной детонации возможны и аварийные последствия. Особенно опасна детонация в авиационных двигателях. На характер сгорания бензина и вероятность возникновения детонации в БД оказывают влияние как конструктивные особенности двигателя (степ, сжатия, диаметр цилиндра, форма камеры сгорания, расположение свечей, мат-л, из к-рого изготовлены поршни, цилиндры и головка блока цилиндра, число обо­ ротов коленчатого вала, угол опережения зажигания, коэф. избытка и влажность воздуха, нагарообразование, тепловой режим в блоке цилиндров и др.), так и кач-во применяемого топлива.

В БД наиб, благоприятны для бездетонационного го­ рения такие значения параметров, к-рые обеспечивают min время сгорания, низкие t и наилучшие условия гомогениза­ ции рабочей смеси в камере сгорания. Из этого принципа следует, что при конструировании БД следует стремиться к уменьшению диаметра цилиндров, увеличению их числа и числа оборотов коленчатого вала, к обеспечению интен­

сивного теплообмена в системе охлаждения, использовать для изготовления блока цилиндров металлы с высокой теп­ лопроводностью, напр., алюминий; следует отдать предпоч­ тение таким формам камеры сгорания, к-рые обеспечивают наилучшие условия для перемешивания и одновр. отвода тепла рабочей смеси ит.д. С повышением степ, сжатия уменьшается время сгорания рабочей смеси и существен­ но улучшаются технико-экон. показатели двигателя, однако при этом в рез-те повышения t в камере сгорания возрастает вероятность возникновения детонации, а также неконтроли­ руемого самовоспламенения топлива.

Вероятность возникновения детонации при работе на данном двигателе существенно зависит и от ХС применяе­ мого АБ: наиб, стойки к детонации арены и изо-алканы и склонны к детонации к-алканы бензина, к-рые легко окис­ ляются кислородом воздуха.

Оценка ДС бензинов проводится на стандартном одно­ цилиндровом двигателе с переменной степ, сжатия (УИТ-65). Определение ДС сводится к подбору смеси эталонных углевдов, к-рая при данной степ, сжатия стандартного двигателя сгорает с такой же интенсивностью детонации, как и испытуе­ мый бензин. В кач-ве эталонных углев-дов приняты изооктан (2,2,4-триметилпентан) и н-гептан, а за меру ДС принято ОЧ. 0 4 изооктана принято равным 100, а гептана — нулю.

0 4 бензинов — показатель ДС, численно равный про­ центному содерж-ю изооктана в эталонной смеси с н-геп- таном, к-рая по ДС эквивалентна испытуемому бензину в условиях стандартного одноцилиндрового двигателя.

0 4 бензинов выше 100 ед. определяют сравнением их ДС с изооктаном, в к-рый добавлена антидетонационная при­ садка — тетраэтилсвинец (ТЭС). Определение 0 4 на уста­ новке УИТ-65 ведут при 2 режимах: в жестком режиме с частотой вращения коленчатого вала двигателя 900 об/мин (метод принято называть моторным) и в мягком режиме с частотой вращения коленчатого вала двигателя 600 об/мин (исследовательский метод). 0 4 бензина, найденное по ис­ следовательскому методу (04ИМ ), как правило, выше 0 4 , определенного моторным методом (04ММ). Разницу между 04ИМ и 04М М называют «чувствительностью». Последняя

зависит от ХС бензина: наиб, у алкенов, несколько меньше у аренов, затем идут циклановые и самая низкая чувстви­ тельность у алканов.

Осн. закономерности влияния хим. строения углев-дов

ибензиновых компонентов на их ДС приведены в табл. 3.1:

1.Наим. ДС обладают н-алканы, наивысшей — арены. ДС цикланов выше, чем у алканов*, но ниже, чем у аренов

стем же числом атомов углерода в молекуле.

2.ДС у н-алканов резко снижается с увеличением их ММ.

3.ДС изо-алканов знач. выше, чем у н-алканов. Увеличение степ, разветвленности молекулы, компактное и симмет­ ричное расположение метальных групп и приближение их к центру молекулi,i способствует повышению ДС изо­ алканов.

4.Алкены обладают более высокой ДС по ср. с алканами

стем же числом атомов углерода. Влияние строения ал­ кенов на их ДС подчиняется тем же закономерностям, что и у изо-алканов. Повышению ДС алкена способствует расположение двойной связи в его молекуле ближе к цен­ тру. Среди диалкенов более высокие ДС имеют углев-ды

ссопряженным расположением двойных связей.

5.Наличие и удлинение боковых цепей нормального строе­ ния у цикланов приводит к снижению их ДС. Разветвле­ ние боковых цепей и увеличение их числа повышают ДС цикланов.

6.ДС аренов, в отличие от др. классов углев-дов, не пони­ жается, а наоборот, несколько повышается с увеличением числа углеродных атомов. Их ДС улучшается при умень­ шении степени разветвленности и симметричности рас­ положения алкильных групп, а также наличии двойных связей в алкильных группах.

Лучшими компонентами высокооктановых авиа- и АБ явл. изо-алканы и до определенного предела — арены (чрез­ мерно высокое содерж-е аренов приводит к ухудшению др. показателей кач-ва бензинов, таких как токсичность, нага- рообр-е и др.).

*//-алканы — исторически сложившееся тривиальное название алканов линейной структуры.