к.т.н., доцент
ТАДИ
доцент
УДК 621.436.001:621.43.016
Важнейшая характеристика топлив - их групповой углеводородный состав. Моторные топлива состоят из углеводородов, относящихся к четырем основным группам: парафиновым, олефиновым, нафтеновым и ароматическим углеводородам. Для товарных дизельных топлив, выпускаемых в СНГ, средний групповой состав лежит в следующих пределах: нормальные парафиновые углеводороды - 5-30%, изопарафиновые и нафтеновые - 35-81%, ароматические - 14-35% [1].
Парафиновые углеводороды - углеводороды, отличающиеся неразветвленной незамкнутой структурой и имеющие формулу состава Сn Н2m+2. В молекулах парафиновых углеводородов атомы углерода соединены между собой простыми (одинарными) связями, а все единицы валентности, не затраченные на связь между атомами углерода, насыщены атомами водорода. В нормальных условиях низкомолекулярные парафиновые углеводороды являются газами (метан СН4, этан С2Н6, пропан С3Н8, бутан С4Н10). Они присутствуют как в нефтяных попутных газах, так и в растворенном виде - в жидкой части нефти. Число атомов С от 5 до 16 имеют жидкости (пентан, гексан, гептан и др.). В гомологическом ряду после цетана парафиновые углеводороды - твердые вещества. В нормальных условиях жидкие парафиновые углеводороды инертны по отношению к кислороду, а при повышенных температурах в камере сгорания (КС) дизеля (при t>250-300°С) быстро окисляются с образованием пироксидов. Высокомолекулярные парафиновые углеводороды наиболее склонны к воспламенению в цилиндрах дизеля и имеют низкие температуры самовоспламенения и малый период задержки воспламенения, определяемый высокими значениями цетанового числа (рис. 1). Парафиновые углеводороды обладают и наибольшей, среди углеводородов, удельной теплотворной способностью, высокой стабильностью при хранении, низкой склонностью к дымлению и являются наиболее желательными компонентами топлив для дизелей [2, 3].Но высокомолекулярные парафины имеют плохие низкотемпературные свойства.
Парафиновые углеводороды с числом атомов углерода ic < 16 почти полностью сгорают в КС дизеля с образованием газообразных продуктов (СО, СО2, СНХ), а с числом ic=20-30 в большей степени участвуют в образовании сажи (около 0,1% этих алканов, содержащихся в топливе, переходит в сажу) [4].
Важнейшим свойством дизельных топлив является их самовоспламеняемость, определяющая пусковые свойства двигателя, жесткость рабочего процесса, расход топлива, токсичность и дымность ОГ. Самовоспламеняемость характеризуется температурой самовоспламенения - наименьшей температурой, при которой происходит резкое увеличение скорости экзотермических реакций, приводящее к возникновению пламенного горения.
Рассмотрим химическое равновесие углеводородов парафинового ряда в камере сгорания дизеля, основные термодинамические характеристики и покажем, что имеется возможность при помощи несложных вычислений определять энергетические показатели воспламеняемости топлив в зависимости от углеводородного состава.
В добавление к существующему мнению [5, с.148] представим следующую
модель самовоспламенения:
τi= τи + τр + τхп (1)
где: τи - период испарения; τр - период разогрева до начала самовоспламенения;τхп - период протекания холоднопламенных реакций до появления критического числа активных центров, предшествующих взрывному горению.
В реальном двигателе физический период зависит еще и от изменения начала впрыска на различных топливах, который является функцией конструктивных особенностей топливной аппаратуры. Этим влиянием на суммарную величину τi на данном этапе пренебрегаем. τi является функцией передачи энергии от воздуха топливу. Поэтому энергетические потери складываются по аналогии (1) из
∆h = ∆hи + ∆hр + ∆hхп (2)
где: ∆hи - энтальпия испарения, КДж/моль; ∆hр - энтальпия разогрева до ТСВ ; ∆hхп - энтальпия холоднопламенных реакций.
Рассмотрим изменение суммарной энтальпии, приняв следующую гипотезу: тепловой и энтропийный балансы наступают при достижении системной температуры, равной температуре начало горения ТНГ.
В этом случае расходуется эндотермическая энергия, равная энергии разрыва связей D, КДж/моль.
Тогда константа равновесия К0 при ∆G = 0 определится из следующей зависимости:
Ko = e (D/RT) (3)
ln Ko = D / RT (4)
Преобразуя (4), получаем:
Тнг = D / 2,303 (lnKo) R = D / 23,9 ( m - 4) (5)
Энергия разрыва связей парафиновых углеводородов определялась по зависимости:
D = 348 n + 413 m / 3 n + 1 (6)
где: n- число атомов углерода; m- число атомов водорода.
энтропия при ∆G = 0 :
∆Sнг = D / Тнг
Уменьшение энтропии показывает, что до начала взрывного горения высвобождающаяся энергия за счет разрыва связей используется для накопления активных центров.
Обработка многочисленных справочных материалов [5] позволила получить зависимость изменения ряда показателей от углеводородного состава:
энтальпия испарения
hи = 3,31 nν
температура испарения
Ти = (nν 103) / (1,86 + 0,16 n)
Температура самовоспламенения
Тсв = ν (3 + 6,6 – 0,6 n); n ≥ 10
ln Тсв = 0,0052 D + 0,5904; n ≥ 6
где: ν = 1 + (m / 4 n) - стехиометрический коэффициент;
n- число атомов углерода;
m - число атомов водорода.
Исследования показали, что число атомов углерода доn ≤ 12 Ти < Тсв ; n > 12 Ти > Тсв, при n от 12 до 17 следует признать наиболее оптимальными для топливных композиций.
Рецензии:
16.12.2013, 21:37 Лаврентьев Владимир Владимирович
Рецензия: Грамотно изложен материал, представлен в доступной и понятной форме. Рекомендуется к печати.
Комментарии пользователей:
Оставить комментарий