К

Хіммотологія – наука про експлуатаційні властивості, якість і раціональне використання в техніці палив, масел, мастил та спеціальних рідин.

Сутність процесів займання та згоряння палив

Сутність процесів займання і згоряння різні, але обидва представляють собою процес окислення молекул пального з виділенням тепла та випромінюванням світла.

Горінням називають швидко протікаючи реакції окислення при високих температурах у зоні займання полум’я. Займання характеризується спонтанним переходом повільних передполум’яних реакцій у швидкі екзотермічні, які виникають у разі порушення рівноважного стану, що веде до виникнення полум'я Звичайно, це окисні процеси, обов’язковими умовами яких є попереднє повне випаровування рідкого палива та з'єднання палива з киснем повітря, але іноді здійснюється згоряння у чистому кисні або інших окислювачах. Для виникнення реакції необхідно, щоб паливо й окислювач були нагріті до температури самозаймання палива, що залежить від його хімічного складу і фізичних властивостей, концентрації кисню, способів сумішоутворення, температури навколишнього середовища і т.д.

Кінцевими продуктами згоряння будь-якого палива є вуглекислий газ, пари води та окисли сірки. На процес згоряння у значній мірі впливає кількість повітря, яке подається. При його недостатності горіння протікає повільно, температура невисока, утворюються продукти неповного згоряння (окис вуглецю, сажа та інше), а гази, що відробили, стають темними і, навіть, чорними. Якщо ж подавати кількість повітря вищевизначеної межі, то багато тепла буде витрачатися на нагрівання азоту – основного компоненту повітря – і надлишкового кисню. При цьому температура знижується, швидкість згоряння зменшується, і, як наслідок, виникають перевитрати палива.

Кількість повітря L_теор у пальній суміші, теоретично необхідного для повного згоряння 1 кг палива, називають стехіометричним. Для деяких палив ці значення наступні:

Авіаційний бензин	14,9 кг
Автомобільний бензин	14,8 кг
Дизельне паливо	14,4 кг
Етиловий спирт	9,0 кг
Метиловий спирт	6,5 кг
Бензол	13,2 кг

Для повного згоряння елементів, що входять до складу палива, потрібна визначена кількість кисню, яку підраховують по реакціях горіння. Кисень, що утримується у паливі, бере участь у згорянні, тому кількість кисню, необхідного ззовні, на цю величину зменшується. Загальну кількість кисню (кг), необхідного для спалювання 1 кг палива, підраховують так:

,

де С, Н, S, О – відсоткові частки відповідних хімічних елементів у паливі.

Звичайно, згоряння здійснюється не у чистому кисні, а у повітрі. Підраховано, що в атмосферному повітрі частка кисню складає 21…23,2% по масі. Тоді, розрахункова кількість повітря, що необхідна для повного згоряння палива (кг/кг), буде підраховуватися по формулі:

.

У реальних умовах експлуатації двигунів неможливо здійснити повне згоряння палива з розрахунковою (теоретично необхідною) кількістю повітря: необхідно, щоб кожна частка палива вступила у реакцію з кожною часткою подаваного кисню. Тому, практично для здійснення повного згоряння завжди подається деякий надлишок повітря: згоряння ведуть не з розрахунковою, а з дійсною кількістю повітря (L_действ ).

Відношення дійсно витраченої кількості повітря до теоретично необхідного (стехіометричного) називають коефіцієнтом надлишку повітря (α):

У залежності від співвідношення кількості повітря і палива може бути кілька видів пальної суміші. Якщо повне згоряння відбувається з розрахунковою кількістю повітря, то коефіцієнт надлишку повітря дорівнює одиниці, а суміш називають нормальною. Коли більше одиниці, суміш бідна, а менше одиниці – багата. При значеннях близьких до одиниці – збіднена або збагачена.

Режимна робота двигуна як на бідних, так і на багатих сумішах, невигідна. У першому випадку пальна суміш розбавляється великою кількістю інертного азоту і зайвим киснем, швидкість і температура горіння знижуються, двигун не розвиває потрібної потужності. У другому – кисню недостатньо, утворюються продукти неповного згоряння палива, збільшується кількість нагарів, двигун димить, витрата палива зростає, а потужність знижується. Необхідно забезпечити повне згоряння палива з можливо меншим коефіцієнтом надлишку повітря. У залежності від виду палива, умов його згоряння коефіцієнт надлишку повітря може бути різним (табл. 1.4).

Таблиця 1.4. Зразкові значення коефіцієнта надлишку повітря

Вид палива	α
Газоподібне	1,05…1…1,20
Бензин	0,90…1…1,15
Паливо для швидкохідних дизелів	1,20…1…1,40
Паливо для тихохідних дизелів	1,50…1…1,70

У виробничих умовах, звичайно, не вимірюють дійсну кількість повітря, витраченого для згоряння, а підраховують коефіцієнт надлишку за складом газів, що відробили або димових. Якщо у продуктах згоряння багато вільного кисню, то повітря подається у надлишковій кількості (α > 1), а якщо є продукти неповного згоряння, наприклад, чадний газ СО, то повітря недостатньо (α < 1). Таким чином, для експериментального визначення коефіцієнта надлишку повітря, з яким працює двигун або інша установка, у продуктах згоряння необхідно встановити зміст СО, О₂ , N₂ , що роблять за допомогою газоаналізаторів.

Умови застосування та вимоги до автомобільного бензину

Автомобільний бензин – це легкозаймиста, легколетюча складна суміш, до складу якої входить більш 200 видів ароматичних, нафтенових і парафінових вуглеводів з числом атомів вуглецю від 4 до 10 (середня молекулярна вага близько 100, які википають у діапазоні температур від 25…40 до 180…250 °С. Бензини отримують шляхом застосування таких технологічних процесів, як пряма перегонка, каталітичний риформінг, крекінг з додаванням високооктанових компонентів та присадок.

У сільському господарстві бензин використовується, як паливо для вантажних і легкових автомобілів, у пускових та інших двигунах. У меншій мірі бензин використовують у сільськогосподарській авіації, як розчинник лакофарбових виробів та інших технічних і технологічних потреб.

Для швидкого та повного згоряння палива у двигуні необхідно його випаровування та змішування у відповідних пропорціях з повітрям. Особливістю бензинових двигунів є застосування, переважно, зовнішнього сумішоутворення (утворення суміші зовні циліндра). Процес сумішоутворення протікає, в основному, у впускному трубопроводі і завершується після попадання у циліндр.

На процес сумішоутворення відводиться порівняно мало часу, тому для його прискорення використовують розпилення за допомогою розпилювачів у карбюраторах чи форсунках – у системах вприску. При подачі палива у впускний трубопровід частина палива випаровується, частина залишається на стінках у вигляді плівки, а частина транспортується повітрям у вигляді малих крапель розміром 100…300 мкм. Для підвищення швидкості випаровування впускний трубопровід підігрівається так, що на шляху до циліндрів випаровується 60…80% палива. Залишок палива потрапляє в циліндр у виді крапель і плівки.

Особливість процесу сумішоутворення у бензинових двигунах обумовлює нерівномірний розподіл пального по циліндрах, розділ його на фракції і нерівномірне надходження окремих фракцій у циліндр, як по часу, так і по кількості. Важкі фракції с температурою кипіння вище 220 °С (якщо вони присутні у паливі) гірше випаровуються, змивають масло зі стінок циліндра і, потрапив у картер, розріджують масло. Особливо відчувається вплив цих процесів на функціонування двигуна в період холодного і гарячого пусків, прогріву, розгону і уповільненню. Наявність таких явищ пред’являють визначні вимоги до випаровуваності палив, що зв’язано з його фракційним і груповим складом.

Суміш, що потрапила до циліндра, стискається у камері згоряння і займається за допомогою електричного розряду між електродами свічі. При сприятливих умовах реакція окислення з осередку займання внаслідок складних ланцюгових реакцій розповсюджується по повному об’єму. У деяких випадках, частина свіжої суміші, до якої полум’я доходить в останню чергу, нагрівається у разі стискання до температури, що перевищує температуру самозаймання. Це може призвести до займання залишкової суміші по об’єму, фактично до вибуху (детонація).

У процесі сумішоутворення і згоряння палив на поверхнях впускного трубопроводу і камери згоряння відкладаються смоли і нагар. Протікання цих процесів, у значній мірі, пов’язано з хімічним складом використаних палив.

Таким чином, особливості процесів сумішоутворення та згоряння у бензинових двигунах, а також конструкції паливних систем пред’являють цілий ряд вимог до фізично – хімічних та експлуатаційних властивостей палив, що забезпечують надійну та довгострокову роботу сучасних і перспективних двигунів у різноманітних кліматичних умовах, високі енергетичні та економічні показники, а також низьку токсичність відпрацьованих газів.

Загальні вимоги до якості автомобільних бензинів наступні:

-мати високу теплоту згоряння;