На что распадается бензин при сгорании

Содержание выхлопных газов. Анализ бензина при сгорании

Рубрика: Технические науки

Дата публикации: 08.05.2020 2020-05-08

Статья просмотрена: 225 раз

Библиографическое описание:

Зырянов, В. Ю. Содержание выхлопных газов. Анализ бензина при сгорании / В. Ю. Зырянов. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2020. — № 19 (309). — С. 25-28. — URL: https://moluch.ru/archive/309/69738/ (дата обращения: 18.12.2021).

Проблемы, связанные с использованием автомобилей, изучаются давно в российской науке и практике. Одной из основных проблем является необходимость изучения состава выхлопных газов от эксплуатации автомобилей в целях снижения их вредного воздействия.

Вопросы, связанные с работой двигателей внутреннего сгорания, исследовали такие авторы, как К. С. Голохваст, Н. К. Христофорова и др. [1], М. С. Ассад, В. В. Грушевский [2], Суфиянов Р. Ш., Моисеев А. Э. [3], Смоленская Н. М., Смоленский В. В. [4], Садов А. А., Говорухин И. А. [5].

Цель данной статьи — провести анализ состава выхлопных газов, образуемых при работе двигателя внутреннего сгорания и рассмотреть пути снижения их вредного воздействия на экологию, а также экономичность.

Актуальность темы заключается в том, что выхлопные газы загрязняют окружающую среду. В современных условиях всеобщей проблемой является глобальное потепление, а также высокий уровень загрязнённости городов. Одной из основных причин этого является растущее количество автомобилей, образующих выхлопные газы.

Для отдельного человека значимость темы заключается в необходимости выбора типа двигателя и оптимального топлива для него с точки зрения экономичности расхода самого топлива, обслуживания двигателя, а также долговечности его использования.

Следует рассмотреть сам двигатель внутреннего сгорания и процессы, происходящие в нём.

Двигатель внутреннего сгорания (ДВС) — тепловой двигатель, где химическая энергия топлива, сгорающая в камере сгорания, преобразуется в механическую работу.

Процессы, происходящие в двигателе внутреннего сгорания в течение каждого из 4 тактов (такты — отдельные процессы, протекающие в цилиндре за один ход поршня и составляющие полный рабочий цикл двигателя внутреннего сгорания):

− впрыск — камера сгорания расширяется, клапан открыт и наполняется топливной смесью;

− сжатие — клапан закрыт, поршень движется вверх, объем камеры уменьшается;

− рабочий такт — происходит воспламенение топливной смеси. Смесь расширяет камеру сгорания, толкая поршень;

− выпуск — поршень идёт вверх, клапан открыт, камера сгорания очищается от продуктов горения.

ДВС классифицируют по разным признакам.

1) по устройству: газотурбинные — работа сгорания воспринимается рабочими лопатками; реактивные — используется реактивное давление, возникающее при истечении продуктов сгорания из сопла; поршневые — работа газообразных продуктов сгорания производится в цилиндре, или используется в машине, приводимой в действие. Поршневые двигатели бывают двухтактные и четырёхтактные.

Двухтактный двигатель — поршневой двигатель внутреннего сгорания, в котором рабочий процесс в каждом из цилиндров совершается за два хода поршня.

Четырехтактный двигатель — поршневой двигатель внутреннего сгорания, в котором рабочий процесс в каждом из цилиндров совершается за четыре хода поршня.

2)по назначению: транспортные (автомобильные, судовые, самолётные); стационарные — работает на одном месте и прикреплен к фундаменту или к жесткой неподвижной раме; специальные — применение таких двигателей позволяет упростить электропривод и придать ему некоторые свойства, которые двигатели общего назначения не обеспечивают.

3) по виду применяемого топлива: работающие на тяжёлом топливе (дизельные); газовые; бензиновые.

Дизельное топливо — жидкий продукт, использующийся как топливо в дизельном двигателе внутреннего сгорания;

Наиболее распространены бензиновые двигатели, которые используются в легковых автомобилях. Именно они представляют наибольший интерес для раскрытия темы.

Бензин — бесцветная горючая жидкость, получаемая переработкой нефти. Бензин производится нескольких марок, их характеристики даны в таблице 1.

Марки бензина иих характеристики

Марка

ГОСТ/ТУ

Октановое число (моторный метод)

Октановое число (исследовательский метод)

Октановое число — это показатель, характеризующий детонационную стойкость топлива, который применяется в ДВС с внешним смесеобразованием.

В России в настоящее время приняты и применяются только 2 метода для определения уровня октана в бензине. Исследовательский метод определения октанового числа означает проведение испытаний в строгом соответствии с ГОСТ 8226–82 [6] и ГОСТ Р 32339–2013 [7]. Моторный метод определения октанового числа предусмотрен ГОСТ 511–81 [8] и ГОСТ Р 32340–2013 [9]. Сравнительный анализ дизельного и бензинового двигателя представлен в таблице 2.

Сравнительные характеристики дизельного ибензинового двигателей

Дизельный двигатель

Бензиновый двигатель

— дизельное топливо меньше подвержено возгоранию

— дизельный агрегат более экологичный, так как полноценнее и эффективнее сжигает топливный заряд. Дизельное топливо также более экологически чистое, чем бензин

— расход горючего на дизеле на 30–35 % меньше, чем у бензиновых моторов

— ресурс дизельного двигателя больше, чем у бензиновых моторов

— отсутствие в конструкции дизеля системы зажигания исключает целый ряд проблем, которые присущи бензиновым силовым агрегатам

— бензиновые двигатели мощнее дизельных

— шум от бензинового двигателя меньше, чем у дизельного

— бензиновый двигатель работает тише, чем дизельный

— бензиновый мотор выгоднее дизельного по стоимости обслуживания

— дизель восприимчив к морозам

— стоимость дизельного автомобиля на 25–35 % дороже аналогов на бензине. Двигатель также более дорогой в обслуживании и ремонте. Также владельцы дизельных автомобилей должны чаще менять фильтры и масла

— дизельный мотор тяжелее бензинового, что влияет на развесовку автомобиля, его динамические характеристики и управляемость

— тяга на низах значительно хуже

— серьёзная требовательность к качеству масел

— больший расход топлива с ростом нагрузки

— взрыво- и пожароопасность выше, чем у дизельного топлива

С точки зрения экологичности лучше использовать дизельное топливо. Разница в цене и расход топлива также говорят в пользу дизельного двигателя.

Независимо от вида топлива, в процессе работы ДВС происходит образование выхлопных газов. Выхлопные газы — основной источник токсичных веществ, двухтактного и четырехтактного двигателя внутреннего сгорания, которые загрязняют окружающую среду.

Основными компонентами выхлопных газов двигателей являются оксиды углерода, азота и углеводорода (таблица 3).

Состав выхлопных газов при работе разных ДВС

Компоненты выхлопного газа

Содержание по объему,%

Токсичность

бензиновый двигатель

дизельный двигатель

Азот — хим. элемент 15-й группы с атомным номером 7. Это простое вещество представляет собой двухатомный газ без вкуса, запаха и цвета.

Кислород — химический элемент 16-й группы с атомным номером 8. Химически активный неметалл и самый лёгкий элемент из группы халькогенов.

Пары воды — газообразное агрегатное состояние воды. Отсутствует вкус, запах и цвет. Образуются молекулы воды при её испарении.

Диоксид углерода — бесцветный газ, почти не имеет запаха, с химической формулой СО2, плотность 1,98 кг/м3. Твёрдый диоксид углерода называют сухим льдом.

Оксид углерода — бинарные химические соединения углерода с кислородом. Кроме углекислого газа и угарного газа остальные оксиды углерода относятся к органическим соединениям.

Альдегиды — класс органических соединений, которые содержат альдегидную группу.

Оксид серы — соединение серы с кислородом состава SO2. Бесцветный газ с резким запахом, токсичен. Под давлением сжимается при комнатной температуре.

Сажа — аморфный углерод, продукт неполного сгорания или термического разложения углеводородов в неконтролируемых условиях. Применяется в резинотехнической и в шинной промышленности.

Бензпирен — ароматическое соединение, вещество первого класса опасности. Образуется при сгорании углеводородного жидкого, твёрдого и газообразного топлива.

При работе двигателя на этилированном бензине в составе выхлопных газов присутствует свинец, а у двигателей, работающих на дизельном топливе — сажа.

Несмотря на плюсы дизельного топлива, бензиновые двигатели наиболее распространены, соответственно бензин — наиболее используемое топливо в легковых автомобилях. При его сгорании происходит 92 % выбросов СО, из них 63 % углеводородов и 46 % оксидов азота. При недостатке воздуха происходит сгорание топлива и образуется большое количество оксида углерода.

Выводы ирекомендации

Чтобы снизить вредное воздействие выхлопных газов на окружающую среду, разработаны новые экологически чистые виды топлива:

1) биодизель — на основе растительных масел применяется в чистом виде и в качестве различных смесей с дизельным топливом;

2) сжатый воздух — помогает малолитражным машинам сократить расход топлива до 3 л на 100 км. Пневмогибрид может передвигаться до 80 % времени на сжатом воздухе, не создавая при этом вредных выбросов.

3) солнечные батареи — такие автомобили оснащены панелями, собирающие солнечную энергию и блоком батарей ёмкостью 6 киловатт-часов. При отсутствии солнечного света запаса батарей хватает на 600 км.

4) жидкий водород — такие автомобили могут работать на бензине и на жидком водороде. Они имеют бензиновый бак на 74 литра и резервуар для хранения 8 кг жидкого водорода. Эти автомобили могут использовать оба вида топлива во время одной поездки: переключение горючего происходит автоматически.

5) электрический двигатель — это элемент электропривода. Состоит из подвижной части (ротора) и неподвижной (статора). После подачи питания ротор вращается. Электрические двигатели в последнее время находят широкое применение в легковых автомобилях.

Также чтобы улучшить экологическую обстановку, необходимо реализовывать следующие мероприятия:

− производить строительство дорог по новым технологиям, что уменьшает выхлопы за счет уменьшения нагрузки на двигатель и увеличения скорости;

− уменьшить вред от эксплуатации транспорта за счёт использования его экологически чистых видов и общественного транспорта;

− улучшать качество горюче-смазочных материалов.

7. ГОСТ 32339–2013 (ISO 5164:2005) Нефтепродукты. Определение детонационных характеристик моторных топлив. Исследовательский метод.

8. ГОСТ 511–2015 Топливо для двигателей. Моторный метод определения октанового числа.

9. ГОСТ 32340–2013 (ISO 5163:2005) Нефтепродукты. Определение детонационных характеристик моторных и авиационных топлив. Моторный метод.

Источник

Процесс сгорания бензина

Конечная реакция сгорания водорода и углерода в результате окисления кислородом протекает так:

Горение – сложный процесс. Факел горящих углеводородов напоминает своеобразный организм, живущий до тех пор, пока в его огненной оболочке, в которую поступает газифицированное топливо и кислород воздуха, происходит правильный обмен веществ. Даже простейшие газообразные (метан, этилен, пары бензина) сами по себе не «горючи», пока не будут преобразованы до простейших составляющих в виде молекул СО и Н₂. При окислении (горении) углеводородная молекула «опускается» на более низкие энергетические уровни и достигает нулевого уровня, когда полностью разваливается на углекислый газ СО₂ и воду Н₂О.

Очаг горения – совокупность трех потоков: теплового (энергетического) и двух материальных – окислителя О₂ и топлива.

Окисление – реакция взаимодействия молекул углеводородного топлива с молекулами кислорода. Если температура воздуха достигает требуемого значения, то окисление переходит в процесс горения.

В жидком топливе имеют место легкие, средние и тяжелые молекулы. В процессе распыливания топлива легкие фракции уже являются газифицированными и в окружении кислорода воздуха под действием температуры электрической искры (10000 0 С) воспламеняются, образуя начальную зону пламени (бензиновые двигатели). Далее действует принцип цепной реакции. Под влиянием температуры более тяжелые молекулы испаряются, прогреваются, расщепляются на более мелкие (газифицируются) и в упрощенном газообразном состоянии вступают в процесс горения.

У дизеля топливо должно самостоятельно воспламеняться при нагреве его в кислороде воздуха до температуры самовоспламенения 250 – 300 0 С. Для надежного пуска и работы дизеля температура в конце такта сжатия должна быть не менее 500 … 600 0 С.

Теоретическое количество воздуха, необходимое для сгорания 1кг бензина, определяют из выражения

L₀ = 1/0,23(8C/3 + 8H) = 1/0,23(8·0,855/3 + 8·0,145) ≈ 15 кг. (3.2)

В воздухе 23 % O₂; 1кг бензина содержит 0,855 кг С и 0,145 кг Н.

Коэффициент избытка воздуха – это отношение действительно поступившего количества воздуха в цилиндр к теоретически необходимому:

Если α > 1, смесь бедная; α

Процесс сгорания в координатах Р – φ изображен на рис. 3.1 (φ – угол поворота коленчатого вала). Примерно за 20 … 30 градусов до ВМТ подаётся искра (10 000 0 С), горючая смесь воспламеняется, кривая сгорания отделяется от кривой сжатия. У двигателя с искровым зажиганием процесс сгорания можно условно разбить на три фазы: 1 – начальный период горения (сгорает 6 … 8 % топлива от начала подачи искры до начала сгорания топлива и повышения давления); 2 – основная фаза горения (80 % топлива); 3 – догорание.

При нормальном процессе сгорания воспламенение свежих порций рабочей смеси и перемешивание фронта пламени по камере сгорания происходит вследствие передачи тепла под действием теплопроводности и лучеиспускания.

По анализу изменения давления во второй фазе сгорания судят о жесткости процесса сгорания (скорости повышения давления). Двигатель дожен работать мягко, без стуков с плавным повышением давления.

Для бензиновых ДВС жёсткость процесса сгорания (С =ΔР/Δφ, МПа/градус) С = 0,1…0,2 МПа/градус. Жесткость сгорания – это приращение давления на один градус поворота коленчатого вала двигателя.

Нормальный процесс сгорания протекает со скоростью 20 … 50 м/с. В процессе детонации скорость сгорания достигает 2 … 3 тыс. м/с. На осциллограмме процесс сгорания (в зоне третьей фазы) наблюдается в виде затухающих острых пиков. Частота вибрации давления равна частоте слышимых стуков. Звонкие металлические стуки являются результатом отражения ударных волн от стенок камеры сгорания.

На детонационное сгорание топлива влияют:

1. Степень сжатия (повышение степени сжатия ускоряет детонацию).

2. Угол опережения зажигания.

3. Сорт топлива (октановое число меньше, детонация больше).

4. Частота вращения коленчатого вала.

Причиной детонации является образование перекисей. Кислород при высокой температуре внедряется в углеводородную молекулу топлива, повышая её способность к самовоспламенению. Детонационному (взрывному) сгоранию подвергается та часть горючей смеси, которая должна сгореть в последнюю очередь. Перекиси накапливаются в несгоревшей части рабочей смеси и при достижении критической концентрации распадаются со взрывом и выделением большого количества тепла, активизируя всю рабочую смесь.

В современных автомобилях в блоке цилиндров установлен датчик детонации. При появлении детонациисигнал с датчика передается на бортовой компьютер, который при помощи исполнительного механизма уменьшает угол опережения зажигания и снижает детонацию.

Источник

Форум химиков

Какой химический процесс происходит при сгорании топлива.

Какой химический процесс происходит при сгорании топлива.

Сообщение MAX1 » Вт июл 18, 2006 12:20 pm

Re: Какой химический процесс происходит при сгорании топлива

Сообщение barsergey » Вт июл 18, 2006 5:11 pm

Какого топлива?
Насыщенные углеводороды полностью горят так:

CnH2n+2 + (1,5n+0,5)O2 = nCO2 + (n+1)H2O

А вообще, уточните, пожалйста, вопрос. Конкретизируйте.

Сообщение Mendeleev » Ср июл 19, 2006 3:41 am

Когда смешивается пары бензина и воздуха получается сложная смесь: главным образом смесь углеводородов, кислорода и азота, которые взяты в определенной пропорции.
При горении молекулы веществ, участвующих в реакции, распадаются на атомы, после чего из этих атомов образуются молекулы новых веществ. Часть освободившейся при перестройке молекул химической энергии превращается в тепловую энергию.
Между атомами углерода и водорода, входящими в состав молекулы бензина, существуют взаимные связи. Требуется затратить вполне определенное количество энергии, чтобы вырвать атом углерода или водорода из молекулы бензина. Для того чтобы разбить молекулу, необходим внешний тепловой импульс, молекулы смеси вблизи теплового импульса, получив «тепловой толчок», устремляются в стороны от центра начала реакции и с силой ударяются о соседние молекулы, которые под действием этих ударов распадаются на составные части.
Составные части распавшихся молекул кислорода и паров бензина вновь перегруппировываются, образуя молекулы новых веществ: водяных паров и углекислого газа.
Выделившаяся при этом тепловая энергия заставит с огромной скоростью двигаться следующую группу молекул. Каждая группа молекул топлива и кислорода испытывает в зоне горения определенное число столкновений, после чего не выдерживает и распадается, вступая в реакцию. При этом выделяется тепло, и тепловой толчок получает следующая группа молекул, так как при горении выделившаяся тепловая энергия значительно больше энергии, затраченной на разрушение молекул реагирующих веществ.

Поскольку вопрос не конкретизированный, то и ответ- общетеоритический.

Источник

О горении бензина

Эти знания помогут производителям завоевать любовь клиентов и увеличить прибыль

На современном рынке продажи топлива господствуют и усиливают свои позиции ВИНКи. Но частнику реально работать и зарабатывать наравне с ними. Зная это, вдохновленные специалисты открывают собственные АЗС, строят мини нефтеперерабатывающие заводы и ждут прибыли и признания. Но на практике оказывается все сложнее. Автомобилисты привычно едут на заправки крупных федеральных сетей, потребитель приобретает бензин у производителей с громкими именами. Как быть? Заявить о себе, создав качественный продукт, соответствующий современным требованиям.

Что важно учесть при производстве бензина? Как завоевать потребителя? Разберем в материале.

Разнообразие — вот что важно!

Основная характеристика бензина — октановое число. Чем оно выше, тем меньше вероятность самовоспламенения топлива. Несмотря на ГОСТы, ТУ и стандарты федеральных монополий в России нет идентично одинакового бензина, даже если это одна и та же марка (АИ-95, АИ — 92 и пр.), но у разных производителей. Специалист скажет: важна не марка или бренд, а углеводородный состав. Именно от него зависит скорость горения паров воздуха и бензина.

Любой бензин имеет свой нормальный фронт воспламенения. Как правило, это от 10 до 30 м/с. Если топливо подобрано грамотно, то потенциал механической и тепловой энергии используется на 100%, двигатель работает с максимальным КПД, и его ресурс не снижается.

«Разнообразие — вот что важно. Сегодня бензин, как правило, имеет около 200 — 300 углеводородных соединений. Они бывают разные: нормального строения, изостроения, ароматические и прочие. Хорошо, если присутствуют и кислородосодержащие соединения — спирты, эфиры или все сразу. Например, тот же МТБЭ гораздо эффективнее работает со спиртом. Горение сразу равномерное, экологичное» — рассказывает Александр Владимирович Салищев, кандидат технических наук, начальник отдела контроля качества нефтепродуктов «Кузбасс Терминал».

Ароматика горит медленнее, чем парафины и изопарафины, а оксигенаты — быстрее. Если бензин содержит большое количество оксигенатов, особенно спиртов, то скорость сгорания будет самой высокой. Например, оксигенатные топлива используются для заправки гоночных автомобилей.

Чтобы оценить важность всего вышесказанного, для начала подробно разберем процесс сгорания бензина в двигателе.

3 фазы сгорания

Первая — начальная фаза сгорания или фаза формирования фронта пламени.

Она начинается в момент возникновения электрической искры (момент зажигания), а заканчивается, когда давление в цилиндре в результате выделения теплоты становится выше, чем при сжатии смеси до верхней мертвой точки (ВМТ) без сгорания.

Для своевременного выделения теплоты при лучших условиях электрический разряд на электроды свечи подается в конце хода сжатия за 20-55° поворота коленчатого вала (КВ) до прихода поршня в ВМТ. Этот угол поворота называется углом опережения зажигания. Температура искры может составлять 10000 К.

Продолжительность первой фазы — 0,5 — 1 мс, что соответствует 10-30° поворота КВ. В течение нее сгорает около 2-3 % топлива, поданного в цилиндр.

Если в камеру сгорания будет подана обедненная смесь, то продолжительность фазы увеличится, а стабильность воспламенения нарушится. Сократить продолжительность можно, увеличив степень сжатия, длительность искрового разряда.

Вторая — основная фаза сгорания.

Длится от конца первой фазы до момента достижения максимального давления сгорания. Весь процесс занимает 1- 1,2 мс, т.е. 25-30° поворота КВ. Во время второй фазы пламя распространяется по камере сгорания, выделяется 75-85% теплоты. Температура РТ в конце фазы повышается до 2300 К, а давление достигает 3,5-5 МПа. К моменту окончания сгорание не заканчивается, поэтому средняя температура газов продолжает расти.

Третья — фаза догорания.

Начинается в момент достижения максимального давления цикла.

В этой фазе смесь горит в пристеночных слоях, где турбулентных пульсаций в разы меньше, чем в основном объеме камеры сгорания. Третья фаза не имеет четко выраженного окончания из-за замедления горения. В среднем ее продолжительность — 1-1,5 мс, т. е. 20-35° угла поворота КВ. Максимальная температура — 2300-2600 К. В третьей фазе выделяется еще 10-15 % теплоты.

В итоге, общее тепловыделение за весь процесс сгорания составляет 80-91%. Остальные 9-20 % теплоты теряются на теплопередачу через стенки цилиндра и на неполноту сгорания.

Гори, гори ясно: как улучшить горение бензина?

«Частнику важно расширять функциональный состав топлива, чтобы завоевать потребителя. Это делается с помощью присадок, как правило. Конечно, можно забрендировать бензин, добавить цвет, запах и прочие вещи. Но именно функциональное разнообразие состава делает бензин богатым, полноценным. Даже хороший, простой бензин, содержащий 3-5 компонентов, нужно и можно улучшать. Простой бензин — как каша без масла» — отвечает на вопрос Александр Владимирович Салищев.

Да, действительно, присадки улучшат характеристики бензина. Производитель получит «богатый» качественный продукт, соответствующий современным нормам, и, как следствие, завоюет доверие потребителя. Самое важное, ответственно подходить к выбору присадки и доверить ее внедрение в продукт специалистам, которые с точностью определят нужную дозировку и лично проконтролируют ее внедрение на ваших мощностях.

Компания «Одуванчик» предлагает комплексный подход к изготовлению топлива, предлагая как единое сбалансированное решение для мини НПЗ и сетей АЗС, так и отдельные присадки для получения эффективной формулы топлива для бензина.

Комплексная присадка Element

Основная проблема современных мини НПЗ и частных сетей АЗС — плохо настроенное оборудование. Из-за чего компоненты и присадки топливной формулы нередко подбирается «на глаз». Результат — нестабильное качество получаемого топлива, разное содержание элементов и даже разное ОЧ от партии к партии. Кроме того, для производства топлива задействованы собственные производственные мощности — резервуары, емкости, оборудование. Есть зависимость от цены и сроков поставки компонентов топлива, расходов на логистику.

Имея 12 лет опыта работы с НПЗ и сетями АЗС и огромную исследовательскую базу, специалисты научно-исследовательского центра компании «Одуванчик» разработали единое решение для получения оптимальной формулы бензина.

Заказчик, имея базовый прямогонный бензин с ОЧ 60-70, обращается в «Одуванчик». Специалисты создают сбалансированную и экономически эффективную формулу бензина на своих производственных мощностях, тестирует ее на сырье клиента. В итоге он получает одну присадку Element5 (для ЕВРО5) или Element4 (для ЕВРО4), которая дополнительно содержит еще несколько правильно и точно подобранных присадок. Это топливо обеспечивает ровное горение, эффективную работу ДВС и, как следствие, лояльность потребителей. А это — залог успеха. Кроме того, заказчики «Одуванчика» экономят за счет сокращения издержек на производство и логистику.

Таким образом, вместе с присадкой вы получаете технологическое сопровождение и правовое консультирование по продукту вместо букета проблем и задач при производстве топлива.

Использовать присадки или нет — решать вам. Но чтобы в топливной сфере обойти конкурентов, нужно обладать особой предусмотрительностью, вниманием и расчетливостью. Тогда появляется шанс стать первыми.

За помощь в подготовке материала благодарим Александра Владимировича Салищева, кандидата технических наук, начальника отдела контроля качества нефтепродуктов «Кузбасс Терминал».

Источник