Общие сведения [Л. 1, С. 40–48; Л. 2, С. 34–44, Л. 3, С. 13–20]
Топливами для поршневых ДВС являются бензины, дизельные топлива, сжатые и сжиженные газы. [Перспективные – синтетические, газоконденсатные топлива, водород]. Бензины и дизельные топлива получают путем переработки нефти. Они представляют собой смеси насыщенных парафиновых углеводородов (C n H2 n +2), нафтенов (C n H2 n), ароматических углеводородов (C n H2 n –6, C n H2 n –12).
Для обеспечения высоких мощностных и экономических показателей и минимального образования токсичных продуктов в отходящих газах топлива должны:
– иметь свойства, обеспечивающие надежную подачу топлива и высококачественное смесеобразование на всех режимах работы и в широком диапазоне внешних условий (плотность, вязкость, сжимаемость, прокачиваемость при низких температурах и др.);
– обладать высокими экологическими качествами;
– обеспечивать надежный пуск и полноту сгорания; иметь минимальную склонность к образованию нагара и коррозионно-агрессивных продуктов сгорания;
– сохранять свои свойства при хранении и транспортировке, не содержать механических примесей и воды, обладать возможно меньшей пожарной и токсикологической опасностью, быть недорогими, обеспечивать возможность массового производства.
Свойства топлив можно разделить на:
– физико-химические, характеризующие состояние и состав топлива (плотность, вязкость, поверхностное натяжение, химический и фракционный состав и т.д.);
– эксплуатационные, обеспечивающие надежность работы и необходимые энергетические, экономические и экологические показатели двигателей (испаряемость, пусковые, антидетонационные и низкотемпературные свойства, воспламеняемость и др.).
Бензины предназначены для ДВС с принудительным воспламенением от искры. Госстандартами регламентируется выпуск следующих марок бензинов:
– [А-72]; А-76; АИ-91; АИ-93; АИ-95 (ГОСТ 2084-77);
– Нормаль-80; Регуляр-91; Премиум-95; Супер-98 (ГОСТ Р 51105-97);
[– экспортные: А-80; А-92; А-96 (ТУ 38.001165-97)].
ГОСТ 2084-77 предусматривает выпуск как этилированных, так и неэтилированных бензинов, ГОСТ Р 51105-97 – только неэтилированных [но не отменяет ГОСТ 2084-77].
По ГОСТ 2084-77 бензины подразделяются на:
– летние [предназначены для применения во всех районах страны, кроме северных и северо-восточных, в период с 1 апреля по 1 октября; в южных районах допускается применение в течение всего года];
– зимние [предназначены для применения в течение всего года в северных и северо-восточных районах страны, в остальных районах – с 1 октября по 1 апреля].
ГОСТ Р 51105-97 для бензинов введено пять классов испаряемости для применения в различных климатических районах. [Бензины по ТУ 38.001165-97 являются всесезонными].
Основная характеристика бензинов – октановое число (ОЧ). ОЧ характеризует способность топлива противостоять детонации – самовоспламенению бензовоздушной смеси при сжатии [сопровождающемуся возникновением ударных волн]. ОЧ численно равно процентному содержанию (по объему) изооктана (ОЧ=100) в смеси с н-гептаном (ОЧ=0), которая эквивалентна по детонационным свойствам бензину при испытаниях на специальном одноцилиндровом двигателе. Повышение ОЧ соответствует большей детонационной стойкости топлива. Октановое число может определяться моторным (ОЧМ) или исследовательским (ОЧИ) методом. ОЧМ в большей степени характеризует детонационную стойкость топлива при работе двигателя в условиях повышенного теплового режима. ОЧИ больше характеризует бензин при работе на частичных нагрузках [ОЧМ<ОЧИ]. Разницу между ОЧИ и ОЧМ [8–12 единиц] называют чувствительностью бензина. В маркировке бензина для А-76 указывается ОЧМ, а для остальных – ОЧИ.
Требования к детонационной стойкости бензинов зависят от конструктивных параметров двигателя: степени сжатия ε и диаметра цилиндра D [эмпирическая формула]
 ;
| (4.1) |
Наибольшей детонационной стойкостью обладают ароматические углеводороды, наименьшей – парафиновые углеводороды нормального строения.
Дизельное топливо включает следующие группы углеводородов, % об.: нормальные парафиновые – 5–30; изопарафиновые – 18–46; нафтеновые – 23–60; ароматические – 14–35.
По ГОСТ 305-82 вырабатывается дизельное топливо марок:
– Л (летнее) – для эксплуатации при температуре окружающего воздуха 0 ºC и выше;
– З (зимнее) – для эксплуатации при температуре до –20 ºC (температура застывания t заст<–35 ºC; температура помутнения t п<–25 ºC) и при температуре до –30 ºC (t заст<–45 ºC; t п<–35 ºC) [при температуре помутнения из топлива начинают выпадать твердые углеводороды];
– А (арктическое) – для эксплуатации при температуре до – 50 ºC.
Техническими условиями ТУ 38.1011348-90 предусмотрена выработка экологически чистого дизельного топлива ДЛЭч-В; ДЛЭч; ДЗЭч [с меньшим содержанием серы и ароматических углеводородов].
Основной показатель дизельного топлива – цетановое число (ЦЧ), определяющее способность топлива к самовоспламенению [чем выше цетановое число, тем легче оно воспламеняется]. ЦЧ топлива равно содержанию [% об.] цетана C16H34 (ЦЧ=100) в смеси с α-метилнафталином C11H10 (ЦЧ=0), имеющей такой же период задержки воспламенения. Оптимальные значения цетанового числа дизелей от 40 до 50. Европейскими стандартами установлен нижний предел ЦЧ=48.
Повышение ЦЧ достигается добавкой в топливо специальных присадок (нитраты, перекиси), понижение – увеличением доли ароматических углеводородов.
Средний элементный состав бензина, кг/кг: C=0,855; H=0,145; дизельного топлива, кг/кг: C=0,870; H=0,126; O=0,004.
Синтетические топлива – жидкие (синтетические бензины и дизельные топлива) или газообразные (метанол, этанол и др.) – получают переработкой каменного угля. Они применяются, в основном, в виде добавок к углеводородным топливам. Недостатки: малая теплота сгорания [по сравнению с продуктами переработки нефти], повышенное содержание серы и соединений азота, пониженное содержание водорода и т.д.
В ДВС также применяют газообразные топлива. Преимущества – экологическая чистота: отсутствие оксидов металлов, свинца, ароматических углеводородов; низкое содержание серы; более высокие значения октанового числа [позволяет повысить КПД двигателя за счет увеличения степени сжатия при бездетонационной работе]. Газообразные топлива транспортируют в баллонах в сжатом или сжиженном состоянии и подаются непосредственно в цилиндры двигателя через подогреватель(или испаритель), редуктор и смеситель.
Теплота сгорания
Теплота сгорания – количество теплоты, выделяющееся при полном сгорании 1 кг жидкого или 1 м3 газообразного топлива. Различают высшую и низшую теплоту сгорания. Высшая учитывает теплоту конденсации водяного пара и используется, если происходит охлаждение продуктов горения ниже температуры точки росы, т.е. когда имеет место конденсация водяных паров из газов.
Низшая теплота сгорания может быть приближенно определена по формулам:
– для жидкого топлива, МДж/кг
 ,
| (4.2) |
– для газообразного топлива,МДж/м3
| (4.3) |
где W – влага, содержащаяся в 1 кг топлива, кг/кг; компоненты топлива подставляются в массовых (для жидкого) или объемных (для газообразного) долях, кг/кг (м3/м3); цифры – теплота сгорания компонентов топлива.
Теплоемкость газов [Л. 1, С. 57–60], [Л. 4, С. 89–93, 106–107]
Средняя теплоемкость рабочего тела – отношение количества теплоты, подведенного к телу при определенном термодинамическом процессе, к изменению его температуры в интервале от T 1 до T 2.
Различают удельную, объемную и мольную теплоемкости. При расчетах рабочих процессов ДВС используют средние мольные изохорные (mcV) или изобарные (mcp) теплоемкости. Средняя мольная теплоемкость – количество теплоты, которое необходимо подвести к 1 моль рабочего тела, чтобы нагреть его на 1 градус. Между мольной изобарной и изохорной теплоемкостями существует зависимость: mcp – mcV = R = 8,315 кДж/(кмоль·град).
Значения мольных теплоемкостей определяются в зависимости от температуры по эмпирическим формулам [полиномам] [можно также определить по справочным таблицам или графикам].
Теплоемкость свежего заряда в бензиновых двигателях и дизелях принимают равной теплоемкости воздуха [пренебрегают теплоемкостью паров топлива].
Средняя мольная теплоемкость продуктов сгорания определяется как теплоемкость смеси газов
 ,
| (4.4) |
где ri = Mi/M 2 – объемная доля i - го компонента продуктов сгорания; 
– средняя мольная теплоемкость i - го компонента продуктов сгорания при температуре tx; Mi – количество i - го компонента продуктов сгорания; M 2 – общее количество продуктов сгорания.