§ 2.4. Энергетические показатели топлив и горючих смесей

Теплотой сгорания топлива (ТСТ) называют количество тепловой энергии, выделяющейся при его полном сгорании. Различают высшую и низшую ТСТ. При определении высшей ТСТ Q_B учитывают теплоту, которая выделяется при конденсации воды, содержащейся в продуктах сгорания. Величину низшей ТСТ Q_H определяют без учета количества теплоты, выделяющейся при конденсации воды. В расчетах ДВС принимают значение Q_н, так как пары воды в цилиндре не конденсируются. ТСТ, отнесенную к единице массы топлива, называют массовой, а отнесенную к единице объема топлива — объемной.

ТСТ определяют путем сжигания навески испытуемого топлива в калориметрической бомбе (при постоянном объеме) в среде сжатого кислорода, насыщенного водяным паром, и измерения количества выделяющейся теплоты. Некоторые значения ТСТ приведены в табл. 2.1. Для ориентировочных расчетов ТСТ, кДж/кг, для нефтепродуктов можно определить по формулам, предложенным Д.И. Менделевым:

где С, Н, О и S — массовые доли соответствующих элементов в топливе (C + H + O + S=1); W—количество паров воды в продуктах сгорания 1 кг топлива.

Теплоту сгорания горючей смеси H_см, кДж/кг, рассчитывают по уравнению

Это уравнение справедливо лишь при а > 1, так как при а < 1 часть топлива не сгорает и его теплота сгорания не реализуется.

Из табл. 2.1 следует, что теплоты сгорания горючих смесей на основе углеводородных топлив близки и что для сгорания топлив, обладающих большей теплотой сгорания, нужно большее количество воздуха. Это практически уравнивает энергетические возможности углеводородных топлив. Изложенное свидетельствует об ограниченной возможности повышения параметров ДВС путем увеличения энергетических свойств углеводородных топлив. В этом направлении решение лежит в использовании неорганических топлив и внедрении добавок к органическим топливам в виде веществ с более высокой теплотой сгорания.

Мощность, развиваемая поршневым ДВС, пропорциональна количеству теплоты, выделившейся в единице объема цилиндра, H_ц, . Величина H_ц может отличаться от объемной теплоты сгорания горючей смеси Н_см, , вычисляемой по формуле Нсм = =Нсм^3р, где р — плотность гомогенной топливовоздушной смеси, . Это объясняется различным агрегатным состоянием, в котором топливо может находиться после завершения такта выпуска (пар, пар + жидкость, жидкость), и соответственно разной долей объема цилиндра, занимаемой топливом. Рассмотрим изложенное более подробно. В конце такта впуска рабочий объем цилиндра Vh условно можно представить как сумму объемов, занятых воздухом — Vв, жидким топливом — V_ж и парами топлива — V_п:

Слагаемые уравнения (2.6) определяются из соотношений:

где a — коэффициент избытка воздуха; l₀ — стехиометрическое количество воздуха, кг/кг; m_т — масса топлива, поступившего в цилиндр, кг; , , — плотность воздуха, жидкого топлива и паров топлива (газообразного топлива), , соответственно; — коэффициент газификации топлива, равный отношению количества паров топлива (газообразного топлива) m_п, кг, поступившего в цилиндр к концу такта впуска, к величине m_т. Для двигателя, работающего на газообразном топливе, Kп = 1; для дизелей и бензиновых двигателей с непосредственным впрыском Кп = 0; для двигателей с внешним смесеобразованием 0< К_п<1. Количество теплоты, выделившейся в объеме цилиндра Н_ц, Дж, равно

и количество теплоты, выделившейся в единице объема цилиндра (удельное энергетическое наполнение цилиндра), с учетом (2.6) — (2.10) определится из соотношения

Уравнение (2.11) позволяет в первом приближении, при прочих равных условиях, оценить сравнительное влияние на мощность, развиваемую двигателем, отдельных свойств топлива:

его элементного и группового составов (через Qн и lо),

агрегатного состояния (через К_п),

а также влияние метода регулирования двигателя (качественное по а ; количественное по ), величины наддува (по ) и совершенствование внешнего смесеобразования (по изменению Кп).

При расчетах величиной можно пренебречь, так как . Из анализа уравнения (2.11), в частности, следует: в сравнении с бензиновыми двигателями пониженная литровая мощность, развиваемая газовыми двигателями, объясняется величиной Кп=1 и низкими значениями Q_H; уменьшение литровой мощности дизелей — более высокими значениями а. Влияние совершенствования внешнего смесеобразования (изменения Кп) на Нц возрастает при уменьшении и и lо, поэтому, в частности, при использовании спиртов, имеющих относительно низкие значения lо, повышение доли топлива, испарившейся во впускном тракте двигателя, вызывает большую относительную потерю мощности, чем при использовании бензинов (рис. 2.6).

Э ффективность наддува увеличивается при снижении а в зависимости от отношения . Например, одних и тех же резуль­татов можно добиться снижением а или увеличением (повы­шение давления наддува), поэтому в бензиновых двигателях, работающих при более низких значениях , введение наддува сказывается сильнее, чем в дизелях. Расчет по (2.11) показывает, что (при и приведении плотности газов к нормальным ус­ловиям 0°С и 101,325 кПа) удель­ное энергетическое наполнение цилиндра при работе на бензине, метане и водороде равно соответ­ственно 3666, 3847 и 3093 кДж/м³, что составляет (принимая бензин за 100%) соответственно 100, 105 и 84 % (несмотря на в 3 раза большую массовую теплоту сго­рания водорода, использование его в качестве топлива обусловливает потерю не менее 15 % мощности). Из графика рис. 2.6 следует, что совершенствование внешнего сме­сеобразования двигателя путем увеличения полноты испарения топлива во впускном тракте (увеличения К_п до К_п=1) приведет к уменьшению энергетического наполнения цилиндров на 10 и 20 % при работе на бензине и метаноле соответственно. При одном и том же значении двигатели с непосредственным впрыском топлива в цилиндр (К_п=0) развивают мощность большую, чем двигатели с внешним смесеобразованием (Кп > 0). Уравнение (2.11) позволяет относительно просто оценить влияние изменения на мощностные показатели двигателя. Например, принимая нижний концентрационный диапазон воспламеняемости смеси, равный 1,15 для бензина и 8 для водорода, получаем диапазон регулирования мощ­ности по качеству смеси, равный 18 и 57 % соответственно.