Визначення параметрів робочого тіла

Вибирають вид і марку палива, його склад.

Рідке паливо. Вибір типу рідкого палива робиться в залежності від типу двигуна, а марка визначається передбачуваними умовами експлуатації для дизелів (літнє, зимове чи арктичне дизельне паливо) і ступенем стиску для бензинових ДВЗ (показник – октанове число за моторним (MON) та дослідним (RON) методами) (див. Додаток А).

Після попереднього вибору октанового числа (ОЧ) бензину в залежності від ступеня стиску остаточно приймається його марка з ОЧ, що дорівнює чи вище обраного раніше.

Масовий зміст компонентів у паливі визначається його фракційним складом.

Бензини в Україні виробляють за ДСТУ 4839:2007 «Бензини автомобільні підвищеної якості. Технічні умови», що повністю відповідає екологічним нормам категорії Euro-4 згідно з європейським стандартом EN 228:2004 Automotive fuels – Unleaded petrol – Requirements and test methods (Автомобільні палива. Неетилований бензин. Вимоги та методи випробовування).

Відповідно до цього стандарту, паливо класифікується наступним чином.

За октановим числом:

- А-92-Євро – з RON ≥92; MON ≥82,5;

- А-95-Євро – з RON ≥95; MON ≥85;

- А-98-Євро – з RON ≥98; MON ≥85.

За вмістом сірки бензини ділять на два види:

I – вміст сірки не більше ніж 10 мг/кг;

II – вміст сірки не більше ніж 50 мг/кг.

Залежно від умов використовування встановлюють класи леткості: літні класи – А, В; зимові – С, D, E, F; перехідні – С₁, D₁, E₁, F₁. Класи визначаються за спеціальною діаграмою.

Приклад позначення: «Бензин автомобільний А-95-Євро виду І класу А згідно з ДСТУ 4839:2007».

Дизельні палива виробляють в Україні за ДСТУ 4840:2007 «Паливо дизельне підвищеної якості. Технічні умови», що повністю відповідає екологічним нормам категорії Euro-4 згідно з європейським стандартом EN 590:2004 Automotive fuels – Diesel – Requirements and test methods (Автомобільні палива. Дизельне паливо. Вимоги та методи випробовування).

Відповідно до цього стандарту, за вмістом сірки дизельні палива ділять на два види:

I – вміст сірки не більше ніж 10 мг/кг;

II – вміст сірки не більше ніж 50 мг/кг.

Залежно від умов використовування встановлюють такі марки та класи дизельного палива.

Для експлуатування в умовах помірного клімату:

- марка А – гранична температура фільтрованості не вище ніж 5ºС;

- марка В – гранична температура фільтрованості не вище ніж 0ºС;

- марка С – гранична температура фільтрованості не вище ніж мінус 5ºС;

- марка D – гранична температура фільтрованості не вище ніж мінус 10ºС;

- марка E – гранична температура фільтрованості не вище ніж мінус 15ºС;

- марка F – гранична температура фільтрованості не вище ніж мінус 20ºС.

Для експлуатування в умовах арктичного клімату:

- клас 0 – гранична температура фільтрованості не вище ніж мінус 20ºС;

- клас 1 – гранична температура фільтрованості не вище ніж мінус 26ºС.

Умовна познака дизельного палива має охоплювати його марку або клас залежно від граничної температури фільтрованості та вид палива залежно від умісту сірки.

Приклад позначення:

- для помірного клімату: «Паливо дизельне підвищеної якості (Євро) марки С виду І згідно з ДСТУ 4840:2007»;

- для арктичного клімату: «Паливо дизельне підвищеної якості (Євро) класу 1 виду ІІ згідно з ДСТУ 4840:2007».

Скраплений нафтовий газ (СНГ, англ. LPG – liquefied petroleum gas). До СНГ відносять пальні гази, основними вуглеводнями в яких є пропан або бутан. ГОСТ 27578-87 «Газы углеводородные сжиженные для автомобильного транспорта. Технические условия» передбачено 2 марки скрапленого (зрідженого) нафтового газу: літній ПБА (пропан-бутан автомобільний) і зимовий ПА (пропан автомобільний). Пропан автомобільний містить (за масою) 80…90% пропану, інше бутан, етан, метан і ненасичені вуглеводні. ПА застосовується у зимовий період у тих кліматичних районах, де діапазон температур навколишнього середовища знаходиться у межах від -20°C до -35°C. Пропан-бутан автомобільний містить 40...60% пропану, інше бутан, етан, метан і ненасичені вуглеводні. ПБА застосовується в діапазоні температур навколишнього середовища від +45°C до -20°C.

Пропан і бутан мають високі октанові числа (RON ≥100), дуже маленьке цетанове число (4...5). У рідкий стан вони переходять при звичайній температурі під дією невеликого тиску. У зв'язку з цим для зберігання і транспортування скраплених газів використовують балони з робочим тиском 1,6 МПа.

При температурах навколишнього середовища нижче -35°C, відповідно до ТУ 33.1011184-89, для автомобільного транспорту застосовують марку скрапленого нафтового газу ЕПА (етан-пропан автомобільний) із вмістом пропану 85±10%.

На автомобільні газонаповнювальні станції надходить також (і, переважно, саме він) газ за ДСТУ 4047-2001 «Гази вуглеводневі скраплені паливні для комунально-побутового споживання. Технічні умови». У відповідності з цими технічними умовами вироблюється суміш пропану технічного і бутану технічного (СПБТ), вміст пропану у якій не нормується.

В Україні в 2009 р. розроблено (але ще не затверджено) проект ДСТУ EN 589-20ХХ "Палива автомобільні. Газ нафтовий скраплений. Технічні умови", що гармонізований з європейським стандартом EN 589:2008 «Automotive fuels – LPG – Requirements and test methods». Метою розробки цього стандарту є забезпечення вітчизняної нафтопереробної промисловості нормативною документацією для можливості організації виробництва на нафтопереробних заводах СНГ для автомобільного транспорту.

Склад СНГ (в об'ємних частках) для розрахунків наведений у Додатку А.

Компримований природний газ (КПГ, англ. CNG – compressed natural gas) виробляється заДСТУ ГОСТ 27577:2005 «Газ природний паливний компримований для двигунів внутрішнього згоряння. Технічні умови» (до 01.07.2006, за ГОСТ 27577-87, цей газ називали стисненим природним). КПГ не має марок. Його склад (в об'ємних частках):

- метан СН ₄ 0,95;

- азот N ₂ 0,04;

- вуглекислий газ СО ₂ 0,01.

Європейські КПГ мають вміст метану 80...99%.

Газодизелі працюють (частіше за все) на природному газі, але можуть працювати і на пропані. При цьому наприкінці такту стиску в камеру згоряння впорскується невелика кількість дизельного палива, що, самозаймаючись, запалює суміш. При розрахунку газодизеля необхідно враховувати наявність і газового, і дизельного палива.

У якості альтернативних видів палива можуть використовуватися спирти (насамперед, метанол СН₃ОН та етанол С₂Н₅ОН). Метанол виробляють з вугілля, нафти, природного газу, етанол – з біомас (цукрового очерету, зернових культур).

Спирти застосовують як у якості безпосередньо палива, так і у якості добавок до нього.

Спирти мають високе октанове і низьке цетанове число, завдяки чому їх доцільно використовувати в двигунах з примусовим запалюванням. Октанове число за моторним методом у метанолу дорівнює 90, у етанолу – 88; за дослідним методом у метанолу – 110, у етанолу – 106. Стехіометрична кількість повітря (кг повітря / кг палива) у метанолу – 6,5; у етанолу – 9,0.

Суміш етанолу і бензину позначається у більшості країн у вигляді букви «Е» і числа, що позначає відсоток етанолу (за масою) у суміші (інше – бензин). Найбільш росповсюджені наступні суміші: Е25, Е85, Е95 та Е100 (більш вірне позначення – Е96h, 96% етанолу і 4% води). В Україні позначення відрізняється, відповідно до ТУ підприємств-виробників паливо позначається А95-Е або Е-95-40 (можливі інші варіанти) із вмістом етанолу до 40%.

Метанол використовується у якості палива значно рідше, деяке поширення отримала лише суміш М85 (85% метанолу і 15% бензину).

Біодизель – вид біопалива, а також паливна добавка, які отримують із рослинної олії чи тваринного жиру і використовують для заміни нафтового дизельного палива. З хімічної точки зору це пальне являє собою суміш метилових та/або етилових моноалкілових ефірів довголанцюжкових жирних кислот (насичених і ненасичених). Виробництво в Україні стандартизовано ДСТУ 6081:2009 «Паливо моторне. Ефіри метилові жирних кислот олій і жирів для дизельних двигунів. Технічні вимоги» відповідно до європейського стандарту EN 14214:2003.

Для помірного клімату визначено шість марок використання ефірів (А, В, С, D, E, F) з граничною температурою фільтрованості (+5, 0, -5, -10, -15, -20) та для арктичного клімату визначено 5 класів (0, 1, 2, 3, 4) з граничною температурою фільтрованості (-20, -26, -32, -38, -44). У зимовий період в Україні рекомендується використовувати ефіри для арктичної зони (клас 1 – клас 4).

Біодизель може використовуватись самостійно або в суміші зі звичайним дизельним паливом. Для позначення палива застосовується літера «В», наприклад: В100 (100% біодизеля), В20 (20% біодизеля і 80% нафтового дизельного палива).

 

 

Для рідких палив найнижчу теплоту згоряння палива H_U, МДж/кг, визначають за формулою Менделєєва:

 

H_U = 33,91· C + 125,6· H – 10,89·(O - S) – 2,51·(9· H + W),

 

де С, Н, О, S, W – масові частки вуглецю, водню, кисню, сірки і вологи в 1 кг палива (див. Додаток А).

 

Для паливних сумішей найнижчу теплоту згоряння палива розраховують за наведеною вище формулою відповідно до вмісту компонентів за масою.

Для газоподібних палив обчислюють найнижчу теплоту згоряння 1м³ газу Q_U, МДж/м³:

Q_U = 12,8· CO +10,8· H ₂+35,7· CH ₄+56,0· C ₂ H ₂+59,5· C ₂ H ₄+63,3· C ₂ H ₆+

+90,9· C ₃ H ₈+119,7· C ₄ H ₁₀+146,2· C ₅ H ₁₂ ,

 

де CO, H ₂, CH ₄, C ₂ H ₂, C ₂ H ₄, C ₂ H ₆, C ₃ H ₈, C ₄ H ₁₀, C ₅ H ₁₂ – об'ємні частки відповідних компонентів у 1 м³ палива.

 

Для газодизелів обчислюють загальну теплоту згоряння рідкого і газового палива H_U^ГД, МДж/кмоль:

 

де g_Т – маса рідкого палива, що приходиться на 1 кмоль газового палива, кг/кмоль:

 

 

де q – відносна частина теплоти, що вноситься рідким паливом, від загальної кількості тепла. На номінальному режимі величину q приймають у межах q = 0,05...0,2.

 

Кількість повітря, що теоретично необхідна для згоряння 1 кг рідкого палива l ₀, кг/кг, і L ₀, кмоль/кг:

 

Кількість повітря, що теоретично необхідна для згоряння 1 кг газоподібного палива (суміші газів С_xH_yO_z) L ₀ ^Г, кмоль/кмоль (м³/м³):

 

 

де x_i, y_i, z_i – число атомів відповідно вуглецю, водню і кисню в молекулі i- того компонента палива;

C_xH_yO_z – об'ємна частка i- того компонента у паливі.

 

Для газодизелів кількість повітря, теоретично необхідне для згоряння 1 кг суміші газоподібного і рідкого палива L ₀ ^ГД, кмоль/кмоль (м³/м³):

 

L ₀ ^ГД = L ₀ ^Г + g_Т · L ₀.

 

Задаємося значенням коефіцієнта надлишку повітря a (або λ): a = l / l ₀ = L / L ₀,

 

де l, L – дійсна кількість повітря в суміші, відповідно, кг/кг і кмоль/кг.

 

Коефіцієнт надлишку повітря на номінальному режимі знаходиться в межах:

- для бензинових з розподіленим і безпосереднім впорскуванням: a = 0,9...1,3;

- те ж при наявності каталітичного нейтралізатора: a = 0,96...0,98;

- для дизелів з наддувом: a = 1,7...2,2;

- для газових двигунів: a ≈ 1;

- для газодизелів: a = 1,6...2,0.

 

Для газодизелів також необхідно визначити коефіцієнт надлишку повітря в газоповітряній суміші a _Г:

 

Кількість пальної суміші M ₁, кмоль/кг (кмоль/кмоль):

- для бензинових двигунів, кмоль/кг M ₁ = a· L ₀ + 1/ m_п;

- для дизельних двигунів, кмоль/кг M ₁ = a· L ₀;

- для газових і газодизельних двигунів, кмоль/кмоль M ₁ = a· L^Г ₀ +1.

де m_п – молекулярна маса парів палива, кг/кмоль, m_п = 110...120 кг/кмоль чи відповідно до завдання.

 

Теплота згоряння пальної суміші для рідких палив H_{пал.сум .}, МДж/кмоль:

 

H_{пал.сум .} = H_U / M ₁.

 

Якщо a < 1, то втрата теплоти DH_U,МДж/кг,через неповноту згоряння складе:

 

DH_U = 119,95·(1 - a)· L ₀.

Теплота згоряння пальної суміші для газових палив H_{пал.сум .}, МДж/кмоль:

 

 

Теплота згоряння пальної суміші для газодизелів H_{пал.сум .}, МДж/кмоль:

 

 

Кількість продуктів згоряння для рідких палив M_і, кмоль/кг:

а) при повному згорянні палива (a ³ 1):

 

тоді загальна кількість продуктів згоряння M ₂, кмоль/кг:

 

 

б) при неповному згорянні палива (a < 1):

 

 

де K – постійна для бензину: K = 0,45...0,50;

 

тоді загальна кількість продуктів згоряння M ₂, кмоль/кг:

 

 

Кількість продуктів згоряння для газових палив M_і, кмоль/кмоль (м³/м³):

 

де N_Т – частка азоту в 1 м³ палива, N_Т = 0 для СНГ, N_Т = 0,04 для КПГ;

 

тоді загальна кількість продуктів згоряння M ₂, кмоль/кмоль (м³/м³):

 

 

Таблиця 2.1 – Параметри продуктів згоряння

Компонент	СО	СО 2	Н 2	Н 2 О	О 2	N 2	Σ
Mі
ri
							-

Кількість продуктів згоряння для газодизелів M_і, кмоль/кмоль (м³/м³):

 

де N_Т – частка азоту в 1 м³ палива, N_Т = 0 для СНГ, N_Т = 0,04 для КПГ;

 

тоді загальна кількість продуктів згоряння M ₂, кмоль/кмоль (м³/м³):

 

Результати заносимо у другий рядок таблиці 2.1. У останній стовпчик заносимо суму значень попередніх стовпчиків, яка має дорівнювати M ₂.

Для усіх видів палив:

- зміна кількості молей при згорянні D M, кмоль/кг (кмоль/кмоль):

 

D M = M ₂ - M ₁;

 

- відносна зміна об'єму суміші μ ₀:

 

m ₀ = M ₂/ M ₁ .