Под термином «сгорание» применительно к автомобильным двигателям понимают быструю реакцию взаимодействия углеводородов и примесей топлива с кислородом воздуха, сопровождающуюся свечением и выделением значительного количества тепла.
Сгорание является важнейшим процессом, обусловливающим полезную работу двигателя, так как при этом происходит превращение химической энергии топлива в тепловую и далее в механическую. Процесс сгорания определяет мощностные и экономические показатели двигателя, а характер его протекания существенно влияет на надежность и долговечность двигателя.
При сгорании топлива выделяется тепло, количество которого зависит от состава горючей смеси и от свойств самого топлива. Способность топлива выделять при полном сгорании то или иное количество тепла обусловливается его теплотой сгорания (теплотворность или теплотворная способность). Теплота сгорания может быть отнесена к 1 кг (массовая) или 1 л (объемная) топлива. Различают высшую и низшую теплоту сгорания. При определении высшей теплоты сгорания учитывается сумма тепла, включая тепло, выделившееся при конденсации воды, образовавшейся за счет сгорания водорода, входящего в состав углеводородов топлива. Низшая теплота сгорания не учитывает тепла, выделяющегося при конденсации воды.
В двигателях внутреннего сгорания температура выходящих газов выше температуры конденсации водяных паров, поэтому при расчетах пользуются значением низшей теплоты сгорания. Величина высшей теплоты сгорания для бензинов обычно больше низшей примерно на 600 ккал/кг.
Теплота сгорания топлива может быть экспериментально определена в калориметрах различной конструкции или ориенти' ровочно подсчитана на основании данных по элементному составу топлива.
При полном сгорании 1 кг углерода до диоксида углерода выделяется 8140 ккал, а при полном сгорании 1 кг водорода до водяного пара — 28 000 ккал.
Сгорание углерода и водорода, связанных между собой в различные соединения (углеводороды), протекает значительно сложнее, чем свободных углерода и водорода. Наличие, например, тройной связи в углеводородах (ацетиленовые) повышает их теплоту сгорания.
Для практических целей теплоту сгорания топлива определяют по эмпирическим формулам, например по формулам, предложенным Д.И. Менделеевым.
Для углеводородов существует зависимость теплоты сгорания от соотношения углерод:водород. Чем больше это соотношение п углеводороде, тем ниже его высшая теплота сгорания.
Наибольшей высшей теплотой сгорания обладают парафиновые углеводороды. Их теплота сгорания с увеличением молекулярного веса понижается. Ароматические углеводороды имеют самую
низкую высшую теплоту сгорания, повышающуюся с увеличением их молекулярной массы (табл. 5.1).
Поэтому бензины, содержащие преимущественно парафиновые углеводороды, будут характеризоваться более высокой высшей теплотой сгорания, чем бензины, содержащие значительное количество ароматических углеводородов (бензины каталитического крекинга и особенно каталитического риформинга жесткого режима).
Изомерное строение углеводородов не оказывает существенного влияния на их теплоту сгорания (см. табл. 5.1)
Соотношение углерод:водород в известной мере определяет значение плотности углеводорода: с увеличением соотношения в углеводороде повышается его плотность. На этом основании Е. Бассом предложена формула для вычисления низшей теплоты сгорания (в ккал/кг) углеводородного топлива по его плотности.
данные свидетельствуют о том, что углеводороды и углеводородные топлива лишь незначительно различаются по теплоте сгорания, поэтому повышение мощности или экономичности двигателей за счет использования бензинов с каким-то повышенным «энергозапасом» не представляется возможным. Каких-либо присадок или добавок, резко повышающих теплоту сгорания, пока не найдено. Для некоторых специальных целей теплоту сгорания углеводородных топлив увеличивают за счет использования индивидуальных углеводородов ацетиленового ряда, добавления металлических суспензий, боргидридов и т.п. Однако такие способы слишком дороги, ограничены ресурсами и поэтому вряд ли применимы к таким массовым топливам, как автомобильные бензины.
В двигателях сгорает смесь топлива с воздухом, поэтому для энергетической оценки топлива имеет значение не только его теплота сгорания, но и количество тепла, выделяющегося при сгорании топливно-воздушной смеси стехиометрического состава (при а= 1). Его величина зависит от теплоты сгорания топлива и от количества воздуха в такой смеси.
Для углеводородов с повышением теплоты сгорания увеличивается количество воздуха, необходимого для сгорания. В связи с этим количество тепла, выделяемого при сгорании различных топливно-воздушных смесей, изменяется весьма незначительно.
La, кг/кг Q, ккап/м1
Автомобильный бензин 15,0 824
Апиационпый бензин 15,0 826
Бензол 13,3 820
Этиловый спирт 9,0 825
Следует обратить внимание на теплоту сгорания спирто-воздушной смеси. Спирты содержат большое количество кислорода, и теплота сгорания их невелика. Но наличие кислорода в спиртах сокращает и количество воздуха, необходимого для сгорания, поэтому при сгорании спирто-воздушной смеси выделяется практически столько же тепла, сколько и при сгорании такого же объема бензовоздушной смеси.
При полном сгорании смеси автомобильных бензинов различного состава с воздухом выделяется 820—930 ккал/м3 смеси или 665—675 ккал/кг. Однако практически в двигателе выделяется значительно меньше тепла в связи с тем, что состав смеси неоднороден и в различных местах камеры сгорания стехиометрическое соотношение топлива с воздухом не достигается. Теплота сгорания смеси, поступающей в двигатель, зависит также от общего коэффициента избытка воздуха.