Материал: 2129

дов в 10…20 раз меньше, чем в бензиновых двигателях, а оксида азота в

1,5…2,0 раза.

Для работы на спиртах и спиртобензиновых смесях необходимо увеличить объём топливных баков; ввести системы пуска двигателя; изменить тарировку топливодозирующих устройств (жиклёров); заменить уплотнительные материалы; установить свечи с большим калильным числом.

Препятствием для использования метанола является его высокая токсичность, так как он яд, действующий на нервно-сосудистую систему. Отравление возможно при попадании его в пищеварительный тракт, при вдыхании или попадании жидкости на кожу. Предельно допустимая концентрация паров метанола в воздухе 5 мг/м3 (для сравнения у бензина 100 мг/м3). Попадание в организм свыше 10 мл метанола может окончиться тяжёлым отравлением. Смертельная доза 30 мл. При длительном контакте с метанолом возможно хроническое отравление, сопровождающееся нервным расстройством. Поэтому необходима надёжная герметизация топливных баков и топливоподающей системы.

Этанол менее токсичен, его предельно допустимая концентрация в воздухе 1 г/м3. Препятствием для его массового использования является наркотическое воздействие на организм.

Водород Н2. Ведутся исследовательские работы по использованию водорода в качестве альтернативного топлива, так как газообразный водород имеет высокую теплоту сгорания и «чистые» продукты сгорания. Но препятствую этому высокая стоимость водорода и трудности, связанные с заправкой и хранением.

Жидкий водород представляет собой бесцветную жидкость без запаха. Газообразный водород – бесцветный газ без запаха. Твёрдый водород обладает кристаллической структурой. При охлаждении жидкого водорода ниже температуры кипения в нём появляются конгломераты кристаллов твёрдого водорода, количество которых увеличивается до полного исчезновения жидкого. Смесь жидкого и твёрдого водорода называется шугообразным водородом.

Массовая теплота сгорания водорода превышает массовую теплоту всех топлив для двигателей. Однако вследствие малой плотности водорода его объёмные энергетические характеристики хуже, чем у нефтяных топлив. Объёмная теплопроизводительность водородно-воздушной смеси меньше теплопроизводительности на основе бензина (на 15 %) и спирта (на 10 %). Температура самовоспламеняемости водородно-воздушной смеси выше, чем на базе углеводородных топлив, однако для её воспламенения требуется меньше количества энергии. Устойчивое воспламенение водорода можно обеспечить с помощью принудительного зажигания от электрической искры или дозы запального топлива. Возможно также с помо-

41

щью катализатора. Водород может подаваться в цилиндр как вместе с воздухом, так и путём непосредственного впрыска.

Водородно-воздушные смеси сгорают со скоростями, превышающими скорости сгорания смесей на основе углеводородных топлив. Эти скорости значительно зависят от температуры. В условиях камеры сгорания скорость распространения пламени возрастает вследствие влияния турбулизации и повышенных давлений. Большие скорости сгорания обусловливают высокую жёсткость процесса сгорания. Например, при = 1 скорость нарастания давления в цилиндре при прочих равных условиях примерно в 3 раза больше, чем при работе на бензиновоздушной смеси. При увеличениискорость нарастания давления уменьшается.

Вследствие высоких скоростей и температур сгорания водородновоздушной смеси в отработавших газах может содержаться значительное количество оксидов азота NOx. С обеднение смеси концентрация NOx уменьшается. Для снижения количества NOx можно применять рециркуляцию отработавших газов или добавку воды к водородному топливу. Очевидно, что при работе на водороде в отработавших газах не должно содержаться СО и СnНm, однако эксперименты обнаруживают их незначительное количество. Это объясняется выгоранием углеводородных смазочных материалов, попадающих в камеру сгорания.

Предел обеднения водородно-воздушной смеси определяется ухудшением динамики тепловыделения и, как следствие этого, неустойчивой работой двигателя.

Высокая диффузионная способность газообразного водорода обеспечивает хорошие условия смесеобразования, большие скорости сгорания водородно-воздушных смесей – благоприятную динамику тепловыделения.

Следует учитывать специфические свойства водорода. При нормальной и низкой температурах водород химически мало активен. Его реакционная способность возрастает под действием локальных источников теплоты, например, электрической искры, или в присутствии некоторых материалов, оказывающих каталитическое действие. Повышение активности водорода вызывается образованием радикалов водорода, обладающих высокой реакционной способностью. Высокая диффузионная способность водорода является причиной его проникновения через неплотности, микротрещины и т.п. в замкнутые объёмы конструкции двигателя или системы топливоподачи, что в сочетании с широким концентрационным пределом воспламеняемости и низким значением энергии воспламенения может явиться причиной взрыва.

При работе на водороде наблюдается повышенный износ поверхностей, контактирующих с водородом при высокой температуре. Это происходит из-за того, что при высокой температуре радикалы водорода, обла-

42

дая высокой растворимостью и большой скоростью диффузии в стали, частично поглощаются поверхностными слоями металла и вступают в химические соединения с её составляющими. При этом образуется метан и малоуглеродистая сталь. Оставшиеся радикалы водорода восстанавливаются до молекул в поверхностных слоях металла с увеличением объёма. Образовавшиеся газы – метан и водород – создают внутриполостное давление, вызывающее образование сливающихся друг с другом микротрещин по границам зёрен металла. Обезуглероженная сталь теряет механические свойства.

Самой сложной задачей при использовании водорода является хранение его запаса на борту автомобиля. Возможны три способа его хранения:

в сжатом виде в баллонах высокого давления;

в сжиженном виде;

в механически связанном виде в составе соединений, разрушающихся при выделении водорода.

Из-за низкой плотности газообразного водорода первый способ не имеет промышленного значения.

Главной задачей при получении, транспортировке и хранении жидкого водорода является обеспечение минимальных потерь в топливных баках. Баки снабжают системой сброса давления испарившегося водорода с дальнейшим дожиганием или адсорбцией его паров. Для снижения испаряемости и повышения плотности водорода при хранении возможно применение шугообразного водорода, содержащего 30…50 % твёрдого водорода.

Аммиак NH3. Его можно рассматривать как энергоноситель, обеспечивающий при его термическом разложении в камере сгорания получение водорода по реакции

2 NH3 N2 + 3 H2 – 92,6 кДж.

Неограниченные сырьевые ресурсы (аммиак производиться из водорода и азота воздуха) и хорошо развитая промышленная база позволяют рассматривать аммиак как одно из перспективных топлив.

Благодаря высокой температуре самовоспламенения пожарная опасность аммиака относительно невелика. По содержанию энергии в единице массы аммиак уступает водороду в 7 раз и бензину в 2,5 раза. Однако по объёмной энергоёмкости аммиак превосходит водород.

Аммиак обладает высокой детонационной стойкостью: октановое число по моторному методу равняется 111, по исследовательскому методу –

132.

К недостаткам аммиака можно отнести высокую температуру самовоспламенения по сравнению с нефтяными топливами. Вследствие чего малая скорость горения и практически невозможность применения в современ-

43

ных двигателях внутреннего сгорания без проведения специальных мероприятий по интенсификации его воспламенения и сгорания путём увеличения теплопровода в реакционную зону камеры сгорания. К таким мероприятиям можно отнести повышение степени сжатия при сокращении поверхности камеры сгорания, увеличение температуры в пристеночных зонах камеры сгорания, увеличение мощности разряда в свечах зажигания.

Использование аммиака снижает мощность и экономичность двигателя. Аммиак вызывает интенсивную коррозию большинства конструкционных материалов, используемых в двигателе строении.

Товарные моторные и большинство синтетических масел практически не меняют свойства при контакте с аммиаком.

НЕФТЯНЫЕ ТОПЛИВА

Состав нефтяных топлив

Свойства топлив в определяющей степени зависят от фракционного и группового состава входящих в них углеводородов и от наличия примесей.

Фракционный состав топлива (ФС) характеризуется количеством содержащихся в нём отдельных фракций в процентах по объёму. ФС определяют путём перегонки топлива. При перегонке бензина фиксируют температуры: начала и конца кипения, выкипания 10, 50 и 90 процентных фракций, при перегонке дизельного топлива - 50 и 96 процентных фракций. За температуру конца кипения бензина принимают ту максимальную температуру, на которой столбик термометра останавливается, а затем начинает опускаться. За температуру конца кипения дизельного топлива принимают температуру выкипания 96 процентной фракции. По температурам перегонки косвенно судят о эксплуатационных свойствах топлива.

Групповой состав топлива определяется группами входящих в него углеводородов.

В общем случае в состав топлива входят все углеводороды, присутствующие в нефти (алканы, циклоалканы, ароматические углеводороды), а так же непредельные углеводороды, которые отсутствуют в природной нефти и образуются в процессе переработки нефти.

Примеси. В топливах наиболее распространены углеводородные примеси, вода и механические примеси.

Углеводородные примеси - это в основном гетероорганические соединения, входящие в состав исходного сырья. Это более всего характерно для дизельного топлива, вследствие их высокой малярной массы и высоких температур кипения. Прежде всего это сернистые соединения, углеводородные кислоты и смолисто-асфальтовые вещества.

44

Вода попадает в топливо при перевозке, хранении, заправке и эксплуатации автомобиля. Кристаллы льда забивают трубопроводы, фильтры, нарушают работу жиклёров. Вода ускоряет коррозию металлических деталей двигателя.

Механические примеси ухудшают прокачиваемость топлива по системе топливоподачи, служат основой для образования смолистых отложений, увеличивают механический износ и коррозию металла. Особенно большой вред механические примеси приносят системам топливоподачи дизелей, вызывая повышенный износ прецизионных деталей. Основным источником механических примесей является атмосферная пыль.

Эксплуатационные свойства нефтяных топлив

Под эксплуатационными свойствами понимают объективные особенности топлива, которые проявляются в процессе его применения. В понятие «применение» включены все процессы, происходящие в топливе с момента его производства до сгорания.

Процессу сгорания топлива предшествуют процессы его испарения, воспламенения и другие. Характер поведения топлива в каждом процессе и составляет суть его эксплуатационных свойств.

По рекомендации стандарта рассматривают и оценивают следующие эксплуатационные свойства топлив:

1. Испаряемость характеризует способность топлива переходить из жидкого состояния в парообразное. Это свойство формируется из таких показателей качества, как фракционный состав, давление насыщенных, поверхностное натяжение и т.д. Испаряемость определяет техникоэкономические и эксплуатационные характеристики ДВС.

2. Воспламеняемость характеризует особенности процесса воспламенения смесей паров топлива с воздухом. Оценка этого свойства базируется на таких показателях качества, как температура вспышки, температура самовоспламенения и др. Показатель воспламеняемости имеет такое же значение, как и горючесть топлива.

3.Горючесть определяет эффективность процесса горения топливовоздушной смеси в камерах сгорания.

4.Прокачиваемость характеризует поведение топлива при перекачках его по трубопроводам и топливным системам, а также при его фильтровании. Это свойство определяет бесперебойность подачи топлива в двигатель при разных температурах эксплуатации. Прокачиваемость оценивают вяз- костно-температурными свойствами, температурами помутнения и застывания, предельной фильтруемостью, содержанием воды, механических примесей и др.

45