Статья опубликована в №4 (декабрь) 2013
Разделы: Техника
Размещена 16.12.2013.
Просмотров - 4467

ГРУППОВОЙ УГЛЕВОДОРОДНЫЙ СОСТАВ ТОПЛИВА И ИХ ВЛИЯНИЕ НА ТЕМПЕРАТУРУ САМОВОСПЛАМЕНЕНИЯ ДИЗЕЛЯ

ГАПИРОВ Абдусамин Дехканович

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  С_n Н_2m+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 i_c < 16 почти полностью сгорают в КС дизеля с образованием газо­образных продуктов (СО,  СО₂,   СН_Х), а с числом i_c=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:

τ_i= τ_{и +} τ_{р +} τ_хп    (1)

где:   τ_и - период испарения; τ_р - период разогрева до начала самовоспламенения;τ_хп - 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  τ_i   на данном этапе пренебрегаем.   τ_i является функцией передачи энергии от воздуха топливу. Поэтому энергетические потери складываются по аналогии  (1) из

∆h = ∆h_и + ∆h_р + ∆h_хп      (2)

где:    ∆h_и - энтальпия испарения,  КДж/моль; ∆h_р - энтальпия разогрева до Т_СВ ;  ∆h_хп      - энтальпия холоднопламенных реакций.

Рассмотрим изменение суммарной энтальпии, приняв следующую гипотезу: тепловой и энтропийный балансы наступают при достижении системной температуры, равной температуре начало горения Т_НГ.

В этом случае расходуется эндотермическая энергия, равная энергии разрыва связей D, КДж/моль.

Тогда константа равновесия К₀ при ∆G = 0 определится из следующей зависимости:

K_o = e ^(D/RT)      (3)

 

ln K_o = D / RT   (4)

Преобразуя (4),  получаем:

Т_нг  = D / 2,303 (lnK_o) 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 :

∆S_нг  = D / Т_нг

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

h_и  = 3,31 nν

         температура испарения

Т_и = (nν 10³) / (1,86 + 0,16 n)

Температура самовоспламенения

Т_св = ν (3 + 6,6 – 0,6 n);   n ≥ 10

ln Т_св = 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  Т_и < Т_св ;  n > 12  Т_и > Т_св,  при  n от 12 до 17 следует признать наиболее оптимальными   для топливных  композиций.

1. Гуреев А.А, Азев В.С., Камфер Г.М. Топлива для дизелей. Свойства и применение. – М.: Химия, 1993.
2. Горбунов В.В., Патрахальцев К.Н. Токсичность двигателей внутреннего сгорания. - М.: изд-во РУДН, 1998.
3. Лиханов В.А, Сайкин А.М. Снижение токсичности автотракторных дизелей. – М.: Колос, 1994.
4. Abbass M.K., Andrews G.E., Ichag R.B. Comparison of the Participate Composition between Turbocharged and Naturally Aspirated DJ Engines // SAE Technical Paper Series. – 1991. – N910733.
5. Справочник нефтехимика, т. 1, 2. / Под ред. Огородникова С.К. – Л.: Химия, 1978.

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