Воспламеняемость и горючесть

Процессы воспламеняемости и сгорания обусловливают полноту использования химической энергии топлива. Сгорание топлива – это комплекс физико-химических превращений смеси горючего и окислителя, главная роль в котором принадлежит реакции окисления.

Сгорание развивается в условиях резко изменяющихся температур и концентраций взаимодействующих веществ. Температура при горении углеводородно-воздушной смеси изменяется в довольно широких пределах и достигает 2000⁰ С.

В процессе горения одновременно могут протекать разные стадии реакций предпламенного окисления и горения, детальное изучение которых затруднено. Например, испарение жидкого топлива, смешение его паров с воздухом, при этом необходимая для испарения теплота приводится из зоны горения. Законченной теории горения пока не создано. Химизм сгорания углеводородов и их смесей изучен недостаточно. Однако накоплен огромный экспериментальный материал, который наряду с имеющимися теориями позволяет во многих случаях управлять процессом горения, вести инженерные расчёты тепловых двигателей и разрабатывать мероприятия по повышению эффективности использования топлив.

При изучении сгорания топлива разграничивают два процесса: процесс воспламенения (инициирования горения) и процесс распространения пламени.

Для воспламенения горючей смеси необходимо подвести определённое количество энергии, достаточное для того, чтобы в некотором объёме смеси обеспечить такие начальные скорости химических реакций, при которых тепловыделение начинает превышать скорость отвода тепла от реагирующей смеси в стенки или в окружающую более холодную смесь. Воспламенение возможно самопроизвольное (самовоспламенение) или принудительное зажигание. В поршневых двигателях используют оба способа.

Самовоспламенение осуществляется при таких условиях, когда в отдельных местах камеры сгорания в горючей смеси начинают развиваться прогрессивно самоускоряющиеся реакции окисления углеводородов, завершающиеся возникновением пламени. Необходимая для таких реакций энергия подводится за счёт сильного сжатия воздуха, в который впрыскивается топливо.

Зажигание - это местное нагревание горючей смеси до высокой температуры. Искровой разряд в системе зажигания двигателя позволяет практически мгновенно нагреть газ в искровом канале до температуры выше 10000⁰ С. При такой температуре воспламенение некоторого объёма смеси происходит практически мгновенно. Однако для поддержания горения (распространения фронта пламени) количество энергии должно быть достаточным.

В отличии от воспламенения процесс распространения пламени идёт спонтанно, без внешнего воздействия на горючую смесь. Очередные слои или объёмы горючей смеси воспламеняются за счёт энергии, выделяющейся при сгорании предшествующих порций той же смеси.

Процессы распространения пламени различают по способам передачи энергии от горящих слоёв в свежую смесь: диффузионно-цепное и тепловое распространение пламени.

Скорость распространения пламени зависит от давления, температуры, коэффициента избытка воздуха. Поэтому все меры, направленные на повышение давления и температуры в камере сгорания, приводят к увеличению распространения фронта пламени, к увеличению скорости сгорания. Нормальная скорость 20...40 м/с. Максимальное значение скорости происходит при a =0,9. При обогащении или обеднении смеси скорость распространения фронта пламени уменьшается. Это происходит из-за нехватки кислорода при обогащении или за счёт расхода большого количества тепла на нагревание избытка воздуха при обеднении.

Процесс сгорания смеси паров топлива и воздуха с остаточными газами в двигателях с принудительным зажиганием можно разделить на три фазы (рис. 16).

Рис. 16. Фазы горения топливовоздушной смеси

Детонационное сгорание топливо-воздушной смеси может происходить по многим причинам, но наиболее важные это конструктивные особенности двигателя, качество применяемого топлива, а так же регулировка системы зажигания и манера вождения.

Нас интересует прежде всего химический состав топлива.

Углеводороды в составе топлива обладают различной детонационной стойкостью (ДС).

Наименьшая ДС у н-алаканов (парафины). С увеличением числа углеродных атомов в их цепи ДС ухудшается. У изомеров алканов ДС выше, но и у них с увеличением числа атомов углерода в цепи она уменьшается. Увеличение разветвлённости молекулы, симметричное расположение метильных групп и приближение их к центру молекулы способствуют повышению ДС изоалканов.

Олефины (алкены, одна двойная связь) имеют более высокие антидетонационные свойства, чем н-алканы с тем же числом атомов углерода. Влияние строения олефинов на их ДС подчиняется тем же законам, что и у алканов: с уменьшением длины цепи, увеличением степени разветвлённости и повышением компактности молекул ДС повышается. Лучшие детонационные свойства имеют те олефины, у которых двойная связь располагается ближе к центру углеродной цепи.

Среди диеновых (две двойных связи) более высокую ДС имеют углеводороды с сопряжённым расположением двойной цепи.

ДС нафтеновых углеводородов (циклоалканы, циклопарафины) выше, чем у н-алканов, но ниже, чем у ароматических углеводородов с тем же числом атомов углерода в молекуле. С уменьшением длины боковой цепи, увеличением степени её разветвлённости и компактности антидетонационные свойства нафтенов улучшаются. Однако это манне заметно по сравнению с парафинами и олефинами.

Ароматические углеводороды обладают высокой ДС, и в отличии от других углеводородов их ДС с увеличением числа углеродных атомов в молекуле не снижается. Уменьшение длины боковой цепи и повышение её разветвлённости улучшает ДС ароматических углеводородов. То же самое происходит при появлении в боковых цепях двойных связей и симметричное расположение алкильных групп.

Октановое число (ОЧ). Мерой ДС бензинов является ОЧ. Определяют ОЧ на установке УИТ-65 двумя методами, отличающимися режимом работы этого специального одноцилиндрового двигателя. Моторный метод - это форсированный режим работы с большой и длительной нагрузкой (междугородное движение). Исследовательский метод- меньшие нагрузки характерные для городского цикла. ОЧ, найденное исследовательским методом, несколько выше, чем ОЧ, определённого моторным методом. Разница в ОЧ бензина называется «чувствительностью». Чувствительность зависит от химического состава бензина: наибольшая у олефинов (алкенов, одна двойная связь), несколько меньше у ароматических углеводородов, затем идут нафтены (циклоалканы) и самая низкая у парафинов (алканы).Пути повышения ДС. По ДС определяют необходимое соотношение компонентов в товарных бензинах. Высокая ДС достигается тремя основными способами:

- использование в качестве базы наиболее высокооктановых вторичных продуктов переработки нефти или увеличение их доли в товарных бензинах;

- использование высокооктановых компонентов в товарных бензинах;

- применение антидетонационных присадок.

Используются все три. Товарные бензины готовят смешением компонентов, полученных прямой перегонкой, крекингом, риформингом, коксованием, алкилированием, полимеризацией, изомеризацией и другими способами переработки нефти и нефтяных фракций.

1. Бензины прямой перегонки имеют большое количество алканов с низким ОК и используют их в небольшом объёме для получения А-72 и А-76.

Компоненты, полученные термическим методом (большое количество алкенов [олефинов], ДС у которых выше, чем у н-алканов), добавляют только в автомобильные бензины.

Бензины, полученные каталитическим крекингом, имеют более высокую ДС, чем бензины термического крекинга. Это обусловлено повышенным содержанием в них изоалканов и ароматических углеводородов. Их используют как базовые для приготовления товарных высокооктановых бензинов.

В процессе каталитического риформинга получают бензины с высокой ДС за счёт ароматизации и частичной изомеризации углеводородов. В них до 70 % содержатся ароматические углеводороды. Их так же используют в качестве базовых для получения высокооктановых бензинов. Причём не только дистиллят, но и отдельные фракции, оставшиеся после извлечения индивидуальных ароматических углеводородов.

2. Для улучшения тех или иных характеристик базовых бензинов применяют высокооктановые компоненты. Некоторые их них получают алкилированием, изомеризацией, полимеризацией, и их стоимость выше стоимости базовых бензинов. Добавляют их в небольших объёмах. Наиболее распространённым компонентом является смесь низкокипящих углеводородов с различными пределами выкипания. Широкую фракцию низкокипящих углеводородов называют газовым бензином. Более узкие фракции с преобладанием того ил иного углеводорода называют по преобладающему углеводороду.

В смеси ОЧ компонентов отличаются от ОЧ их в чистом виде. Каждый компонент имеет свою смесительную характеристику или ОЧ смешения, которое зависит от массы введённого компонента, состава базового бензина, присутствия других компонентов.

3. Наиболее эффективным и экономически выгодным способом повышения детонационной стойкости бензинов является введение антидетонаторов. Эти вещества обладают способностью при добавлении в бензин в небольшой концентрации резко повышать его детонационную стойкость.

Сюда относятся алкилсвинцовые антидетонаторы (в первую очередь тетраэтилсвинец Pb(C₂H₅)₄, а затем тетраметилсвинецPb(CH₃)₄ и кислородосодержащие соединения (спирты, эфиры и их смеси, в первую очередь метил-трет-бутиловый эфир).

Алкилсвинцовые антидетонаторы - бесцветные, прозрачные, сильно токсичные жидкости, тяжелее воды. В них добавляют «выносители» и красители. При высоких температурах в камере сгорания алкилсвинцовые антидетонаторы разлагаются с образованием свинца и радикалов. Свинец окисляется до диоксида свинца PbO₂, который разрушает активные соединения, предотвращая тем самым детонацию.

Оксид свинца имеет высокую температуру плавления и способен отлагаться на относительно холодных деталях двигателя в виде твёрдого нагара. Для предотвращения этого вводят «выносители», в качестве которых используют органические соединения брома и хлора. «Выносители» создают более летучие соединения свинца с низкой температурой плавления. Смесь «выносителя» и антидетонатора

называют этиловой жидкостью.

Калильное зажигание. Рабочая смесь в конце такта сжатия готова к воспламенению, поэтому создаются условия для самопроизвольного, неуправляемого воспламенения независимо от времени подачи искры зажигания. Источником воспламенения могут служить перегретые клапана, свечи, кромки прокладок, тлеющие частички нагара и т.д. КЗ нарушает протекание процесса сгорания, снижает мощность, ухудшает топливную экономичность. КЗ принципиально отличается от ДС, хотя в условиях работы ДВС тесно переплетаются. Сгорание смеси после КЗ протекает с нормальными скоростями и может не сопровождаться детонацией. Пути борьбы с ним – улучшение конструкций камеры сгорания и введение присадок, изменяющих свойства образующегося нагара. Наиболее распространены фосфорные присадки, например, трикрезилфосфат.

В дизельном двигателе воспламенение и сгорание топлива происходит иначе, чем в бензиновом. Для дизельного топлива одной из важнейших характеристик является время задержки воспламенения, оцениваемое цетановым числом (ЦЧ). Определяют ЦЧ на установке ИТ9-3 или на той же УИТ-65.

Применение топлив с ЦЧ менее 40 обычно приводит к жёсткой работе ДВС, а более 50 - к повышению удельного расхода топлива, вследствие уменьшения полноты сгорания.

ЦЧ зависит от содержания и строения углеводородов, входящих в его состав. Воспламеняемость углеводородов различных классов существенно различна. Парафины (алканы) и олефины (алкены, одна двойная связь) термически менее устойчивы, имеют высокие ЦЧ, особенно н-алканы. Углеводороды с одной или несколькими боковыми цепями обладают меньшим ЦЧ.

Для окисления ароматических углеводородов необходимы более высокая температура и большой промежуток времени, поэтому их ЦЧ невелики.

Увеличение числа углеродных атомов в молекуле ведёт к увеличению ЦЧ. ЦЧ высококипящих фракций дизельного топлива, как правило, выше ЦЧ низкокипящих фракций.

Углеводороды, имеющие высокие ЦЧ, обладают низкой детонационной стойкостью. Отсюда была выведена эмпирическая зависимость ЦЧ топлива от его ОЧ:

ЦЧ = 60 - ОЧ/2.

Чем выше ЦЧ топлива, тем ниже его ОЧ и наоборот. Поэтому добавление в дизельное топливо бензиновых фракций снижает его ЦЧ.

Для повышения ЦЧ в дизельное топливо добавляют специальные присадки. Наиболее эффективными являются некоторые пероксидные соединения и алкилнитраты. Пероксидные соединения при хранении подвергаются дальнейшему окислению и их эффективность падает, поэтому широкого применения не получили. В качестве присадки чаще используют в небольших концентрациях изопилнитрат.

ЦЧ характеризует пусковые свойства дизельного топлива: с увеличением ЦЧ пуск двигателя облегчается. Однако это справедливо для топлив, незначительно различающихся по фракционному составу. Тяжёлое топливо с высоким ЦЧ оказывается хуже по пусковым свойствам, чем лёгкое топливо с низким ЦЧ.

Прокачиваемость

Для нормальной работы двигателя необходима бесперебойная подача топлива в определённом объёме. Уменьшение подачи ведёт к обеднению топливо-воздушной смеси, снижению мощности и надёжности работы двигателя. Увеличение подачи также ухудшает нормальную работу двигателя и экономически невыгодно из-за повышенного расхода двигателя.

Нарушение подачи связано со следующими показателями качества топлива:

ü вязкостью;

ü образованием кристаллов льда и углеводородов;

ü загрязнением механическими примесями, смолистыми веществами и т.д.;

ü испарением топлива в системе подачи.

Вязкость. От вязкости топлива зависит гидравлическое сопротивление всех элементов системы питания – при увеличении вязкости гидравлическое сопротивление элементов увеличивается. Например, с понижением температуры окружающего воздуха вязкость всех жидких топлив резко возрастает. Вследствие этого гидравлическое сопротивление может настолько увеличиться, что подача топлива окажется недостаточной для нормальной работы двигателя.

Скорость нарастания вязкости топлива при его охлаждении зависти от строения и молекулярной массы, входящих в него углеводородов. При увеличении молекулярной массы всех углеводородов вязкость увеличивается, а скорость её нарастания при охлаждении становится всё больше. Из всех классов углеводородов наименьшая вязкость у алифатических углеводородов, то есть с ациклическим углеродным скелетом. Эти же углеводороды в меньшей степени изменяют свою вязкость при охлаждении. Нормальные, неразветвлённые углеводороды имеют меньшую вязкость и при охлаждении изменяют её в не так резко, как разветвлённые. При этом чем больше атомом углерода в боковых цепях, тем вязкость выше и её изменения сильнее. У алифатических углеводородов с двойной связью в молекуле вязкость меньше.

Ароматические углеводороды в молекуле повышают вязкость и ухудшают вязкостно-температурную характеристику, деля её кривую более крутой. Бициклические углеводороды (два цикла в молекуле) при одинаковой молекулярной массе с моноциклическими имеют более высокую вязкость и более резкое её изменение с понижением температуры.

Из жидких топлив наименьшую вязкость и самую пологую вязкостно-температурную характеристику имеют бензины. Гидравлическое сопротивление системы питания при прокачке бензина с понижением температуры растёт незначительно и практически не влияет на работу двигателя. Однако и изменение вязкости бензина также влияет на работу двигателя: чем ниже вязкость, тем больше подача бензина и тем больше расход топлива.

Образование в топливе кристаллов воды.При температуре окружающего воздуха 20⁰ С содержание воды в топливе незначительно – не более 0,02…0,03 %. При положительных температурах окружающего воздуха такое содержание воды не влияет на их эксплуатационные свойства.

Однако с понижением температуры окружающего воздуха ниже 0⁰ С растворимость воды в топливе уменьшается, появляется её избыток и если этот избыток воды не успевает перейти в воздух, образуются мелкие капли, превращающиеся в кристаллы льда. Такие условия создаются в топливных баках. Эти кристаллы задерживаются в фильтрующих элементах, что в начале ведёт к частичной, а затем к полной забивке фильтров и прекращении подачи топлива. В большой степени это явление зависит от растворимости воды в топливе.

Наибольшая растворяющая способность по отношению к воде у ароматических углеводородов. С увеличением молекулярной массы и разветвлённостью молекулы растворимость воды в ароматических углеводородах уменьшается. Алкены (непредельные углеводороды, олефины) растворяют воды значительно больше, чем алканы (наиболее насыщенные углеводороды, парафины) и циклоалканы (предельные углеводороды, нафтены). При увеличении молекулярной массы парафинов и нафтенов растворимость воды в них снижается, однако не так резко, как у ароматических углеводородов. В смесях растворимость воды изменяется аддитивно, то есть суммируется.

Для топлив, мало различающихся по фракционному составу, растворимость воды тем выше, чем больше в них содержится ароматических углеводородов. При равном содержании ароматических углеводородов в разных топливах растворимость воды уменьшается с утяжелением их фракционного состава.

Содержание воды в топливе зависит и от влажности воздуха, и чем выше влажность, тем выше содержание воды в топливе. При этом вода переходит из воздуха в топливо и обратно очень быстро, так как находится в топливе в молекулярном состоянии. Из воздуха вода переходит в топливо гораздо быстрее, чем из жидкой фазы.

Кристаллы льда образуются в топливе не только за счёт замерзания капель избыточной воды, но и за счёт перехода в топливо инея со стенок сосудов, ёмкостей, баков. Стенки охлаждаются быстрее, чем само топливо и воздух над ним. В результате пары воды конденсируются на стенках и образуется иней, который либо переходит в топливо, либо просто осыпается или смывается.

Для борьбы с кристаллами льда разработаны конструктивные и физико-химические способы.

Конструктивные способы заключаются в подогреве топлива в системе питания или впрыскивании на фильтр специальных жидкостей, растворяющих воду.

К физико-химическим способам борьбы со льдом относятся специальные присадки, вводимые в товарное топливо. Они способны не только предотвращать кристаллообразование льда, но и растворять ранее образовавшиеся кристаллы. Они увеличивают растворимость воды в топливах и сами хорошо растворяются как в топливе, так и в воде.

Образование кристаллов углеводородов.В состав топлив входят с разной температурой кристаллизации. В топливе они находятся в растворённом состоянии и при понижении температуры, их растворимость уменьшается, и они выпадают в виде кристаллов. Такая температура называется температурой помутнения. При дальнейшем понижении температуры кристаллы углеводородов «сращиваются» образуя каркас. При этом топливо теряет подвижность, а температура называется температурой застывания. Считается, что температура помутнения топлива характеризует фильтруемость топлив при низкой температуре, а температура застывания – прокачиваемость.

Растворимость отдельных углеводородов в топливах и температуры выпадения кристаллов зависят от строения углеводородов и состава топлива. Как правило, температура кристаллизации всех углеводородов повышается с увеличением молекулярной массы, а следовательно, и температура кипения. В большой степени температура кристаллизации зависит от строения углеводородов. Самую высокую температуру кристаллизации имеют нормальные алканы (парафины с неразветвлённым углеродным скелетом). С увеличением длины скелета температура кристаллизации повышается. У изомеров алканов (разветвлённый углеродный скелет) температура кристаллизации понижается. Олефины (алкены, ненасыщенные углеводороды) имеют более низкую температуру кристаллизации, чем соответствующие алканы. Нафтеновые (циклоалканы, циклопарафины, предельные углеводороды) и ароматические углеводороды с разветвлёнными алкильными цепями кристаллизуются при более низких температурах, чем соответствующие алканы. С увеличением длины неразветвлённой боковой цепи температура кристаллизации этих углеводородов повышается.

Содержащиеся в бензинах низкомолекулярные углеводороды имеют приемлемые низкотемпературные свойства. В тяжёлых углеводородных фракциях дизельных топлив наиболее высокими температурами кристаллизации обладают нормальные малоразветвлённые алканы. Застывание дизельных топлив вызывают и моноциклические нафтеновые и ароматические углеводороды с длинными боковыми цепями нормального (неразветвлённые) строения.

Возникновение кристаллов зависит и от концентрации и строении примесей: смолистых веществ и сераорганических соединений.

Вязкость топлива пропорциональна скорости роста кристаллов: с повышение вязкости топлива размеры выпадающих кристаллов уменьшаются, и скорость их роста замедляется. После выдерживания топлива при постоянной температуре содержащиеся в нём кристаллы сращиваются друг с другом, образуя каркасы. Эти каркасы захватывают в свои ячейки жидкие углеводороды, не кристаллизующиеся при данной температуре.

В настоящее время для устранения застывания топлива используют депрессорные присадки. Такие присадки снижают температуру застывания топлива и не влияют на температуру помутнения. Твёрдые углеводороды начинают кристаллизоваться при одной и той же температуре независимо от присутствия в топливе депрессорной присадки. Но сращивание кристаллов в присутствии присадки происходит при более низкой температуре.

Загрязнение и механические примеси.В процессе транспортирования топливо загрязняется механическими примесями: почвенная пыль, продукты коррозии ёмкостей и трубопроводов, продукты износа перекачивающих средств. На этих неорганических примесях адсорбируются органические асфальтено-смолистые вещества – продукты окисления нестабильных составляющих топлива.

К основным компонентам механических примесей относятся: оксиды кремния, алюминия, железа, соединения кальция, магния, натрия. В почвенной пыли содержится от 50 до 95 % кварца, твёрдость которого больше твёрдости конструкционных материалов двигателя. Поэтому именно кварц вызывает абразивное изнашивание деталей, засорение каналов и жиклёров, отложение во впускном трубопроводе, в камерах сгорания, на клапанах, нарушает плотность посадки. Для снижения содержания механических примесей необходимо топливо отстаивать и отфильтровывать.