Химия топлива . Октановое число и как его повысить на турбированых двигателях. Часть 4

Большая сила в человеке,
Который сумеет промолчать,
Хоть он и прав

Читая комментарии к своим статьям, я понял, что мы разговариваем на разных языках. С одной стороны – энтузиасты и тюнеры, которые все делают по установленным “Ka” правилам, а с другой физика и химия. Я не собираюсь никого убеждать в том, как надо делать правильно. А кому интересно, тогда читайте.

Основы химии
Я не химик, но для понимания процессов происходящих в ДВС необходимо знать элементарные вещи.
Одна из самых малых частиц называется атом. Атомы в комбинации с другими атомами образуют молекулы. Пример: два атома водорода и один кислорода образуют молекулу воды

У атомов есть “ руки” которые не должны быть свободны, им необходимо встретится с другими руками и пожать их. Атомы со свободными руками похожи на сидящего в кино рядом с шикарной девушкой парня, который всегда будет искать, куда бы эти руки пристроить. Но стоит ему в одну руку дать попкорн, а в другую кока-колу и девушка будет в безопасности.
Не все атомы имеют одинаковое количество рук. Атом водорода Н имеет одну руку, но вот газ водород Н2 состоит из 2 атомов Н, каждый из которых пожимает друг другу руку

У атома кислорода О две руки. Если 2 атома кислорода пожмут друг другу руки, у нас получится чистый кислород с формулой О2

Атом азота имеет три руки, если 2 атома встретятся (пожмут руки) то получится N2

Если два одноруких атома водорода пожмут руки одному атому кислорода – получится Вода Н2О

Или если 4 рукий атом углерода встретит 2 атома кислорода – получится углекислый газ

И так далее. Один атом углерода может соединится с 4 атомами водорода – СН4, или 2 атома углерода с 6 атомами водорода С2Н6.
Топливо, которое в основном состоит из атомов водорода и карбона (углерода), называется углеводородным — “Hydrocarbons” или сокращенно НС. Воздух состоит, в основном, из кислорода и азота. Хорошая новость – нам необходимо понять только взаимодействие 4 атомов, что бы разобраться в химии процессов, происходящих внутри двигателя.
Существует очень много НС топлив. Если формула топлива состоит из 4 или меньше атомов углерода – это будут газы (метан, пропан, бутан и т.д.)
Обыкновенное топливо, которое называется бензином, является смесью разных типов НС в разных комбинациях. Все эти компоненты имеют разные названия. Вам нет нужды помнить их, достаточно знать, что все они состоят из углерода и водорода — и только-то.
Вот пример углеводородов входящих в состав бензина

Воздух состоит из 78.09% азота, 20.95% кислорода и 0.96% других газов

ИДЕАЛЬНОЕ ГОРЕНИЕ СМЕСИ
В двигатель мы подаем воздух и топливо, сжимаем и зажигаем. Когда смесь горит атомы водорода и углерода отдельно друг от друга начинают искать атомы кислорода, чтобы пожать им руки. 2 атома водорода находят 1 атом кислорода и образуют воду 2Н + 1О= Н2О. Один атом углерода начинает дружить с двумя атомами кислорода — 1С +2О = СО2 и образуется углекислый газ.
В идеальном случае азот не вступает в реакцию с другими атомами и выходит из выхлопной трубы в виде N2.
Для следующего примера я предлагаю взять молекулу углеводорода С5Н10. Для идеального сгорания топлива и воздуха нам необходимо 5 атомов О кислорода для соединения с атомами водорода Н и образования воды Н2О. Также потребуется 10 атомов кислорода О для пожатия рук 5 атомам углерода С и образованию СО2.
Это значит, что нам надо 15 атомов кислорода для полного сгорания атома углерода. Только 21% кислорода содержится в воздухе. Поэтому к 15 атомам кислорода мы в придачу получим 56 атомов азота.
Предлагаю посмотреть, как это выглядит:

Мы знаем какое количество атомов кислорода необходимо, так же знаем какое количество атомов азота придет вместе с кислородом. Мы знаем массу разных атомов. Это значит, что мы можем рассчитать как много воздуха (в массе) необходимо для образования идеальной смеси воздух/топливо.
Я не буду объяснять сколько весит каждый атом. Постараюсь показать, как можно все расчеты делать без использования молей. Самый легкий атом на планете земля водород, пускай он будет весить 1 грамм. Если Н весит 1 грамм, то исходя из этого соотношения углерод будет весить 12 грамм, азот 14 грамм, а кислород 16 грамм.
Давайте рассчитаем массу молекулы НС — С5Н10:
5 атомов углерода Х 12 = 60 грамм
10 атомов водорода Х 1 = 10 грамм
Полная масса молекулы НС = 70 грамм
А теперь массу необходимого воздуха
15 атомов кислорода Х 16 = 240 гр.
56 атомов азота Х 14 = 784 гр.
Полная масса воздуха = 1024 гр.

1024 разделить на 70 = 14.6, т.е 14,6 грамм воздуха необходимо для одного грамма топлива . Мы получим химически идеальное соотношение воздух –бензин – 14.6/1, теоретически необходимое для полного сгорания бензина. Данная пропорция имеет название – Стехиометрическое соотношение.
Если смесь состоит из большего количества топлива – скажем, 13.0/1 то это богатая смесь, и наоборот, 15.5/1 бедная.
Заблуждение считать стехиометрическое соотношение для бензина равным 14.7/1. Как мы уже видели, бензин это микс, смесь разных молекул углеводородов, в разных пропорциях, следовательно и соотношение будет разным.

Многие наверное подумают — да зачем мне все это надо, итак все понятно, смеси оптимальные давно известны, крути себе и готово. Да нет! Есть усредненное значение для атмо- и турбо- моторов, которым многие пользуются, совершенно не задумываясь откуда растут ноги. Ну да ладно, этот пост не об этом.
Идеальное сгорание смеси образует только СО2 и Н2О, но в реальности воздух и топливо смешиваются не совсем равномерно. Поэтому мы можем найти участки, в которых смесь богаче или беднее чем в других. Часть топлива оседает на металле в каналах и КС, поэтому не сгорает. Часть уходит в carbon deposit в КС и т.д.
Из-за наличия кислорода в местах с бедной смесью в КС мы можем получить больше мощность используя в среднем более богатую смесь. Увеличение степени обогащения работает, конечно, только до определенного уровня. Обычно для получения максимальной мощности на атмосферных двигателях используется смесь 13.0/1, на турбо 12.4/1 (все, что богаче приводит к потери мощности, но более безопасно для двигателя).
Есть еще один момент. Даже при абсолютно равномерном перемешивании смеси 100%-ой реакции кислорода с топливом не произойдет. Причин много – существенно нестационарный процесс горения, ограниченное время, изменение давления в процессе горения и пр. Поэтому для получения максимальной мощности нужно заставить прореагировать как можно больше кислорода, т.е. чуток перелить бензина. Для получения максимальной экономичности наоборот, необходимо максимально сжечь топливо, т.е. создать некоторый избыток воздуха в смеси.

Много получается для одного поста… но я должен продолжить, чтобы читатель не потерял нить. Мы говорили о максимально допустимой температуре (условной для бензина) 596 К. И я обещал подробней остановится на этом вопросе. В принципе, все вышенаписанное поможет понять причины возникновения детонации.
Охлаждение при испарении — это физическое явление, при котором испарение жидкости охлаждает объект, контактирующий с ней. Этот принцип широко используется в ДВС. Давайте рассчитаем степень понижения температуры при испарении.
Думаю, многих уже утомили примеры с двигателями субару, так что предлагаю поменять тип машины. В качестве примера рассмотрим что-то посерьезней. Возьмем реальный компрессорный двигатель с самолета, который имеет 900 Киловатт при 3600 об/мин. В качестве основного компонента топлива (углеводорода) используется изооктан С8Н18. Рассчитаем, как сильно понизится температура при испарении топлива

Qevap = Nf*Mf*Hfg = Na*Ma*Cp*deltaT
Qevap – теплопередача (heat transfer), в данном случае при охлаждении испарением (Evaporative cooling from C8H18)
Nf – количество молекул топлива
Mf – масса молекул топлива
Hfg – коэффициент теплопередачи (heat transfer coefficient). В данном случае имеется ввиду теплота парообразования (heat of vaporization) – для изооктана 290 KJ/Kg смотри таб. ниже

Na – количество молекул воздуха
Ma – масса молекул воздуха
Cp – теплоемкость газа при постоянном давлении – 1005 КJ/Kg – K (таблица в предыдущем посте)
Q= масса молекул топлива * Hfg
Delta T = Q / масса молекул воздуха * Ср
С8Н18 – для идеального сгорания топлива необходимо 25 атомов кислорода и 94 атома азота
Теперь найдем массу молекул топлива и воздуха. Напоминаю: H -1 gr, C – 12 gr, N–14 gr, O–16 грамм.
Масса топлива = (8*12) + 18*1 – 114, следовательно Q = 114 *290 = 34996
Масса воздуха = 25 * 16 + 94 * 14 = 1717
Делта Т = 34996/1717*1.005 = 20.38 градусов.
При испарении топлива температура понизится на 20 градусов.
Данные типы самолетных двигателей используют систему впрыска воды для охлаждения смеси в количестве 25% от массы топлива. Предлагаю рассчитать дельту Т для воды:
Hfg — heat transfer coefficient. В данном случае имеется ввиду- heat of vaporization – для воды 2350 KJ/Kg, обратите внимание насколько больше чем у изооктана (290)
Масса топлива осталась неизменна -114
Масса воду = (0.25) * (114) = 28.5
Qevap – heat transfer, в данном случае Evaporative cooling from H2O
Q = масса молекул воды * 2350 = 114 *2350 = 66975
Дельта Т = Q / массу молекул воздуха * Ср= 66975 / 1717 * 1.005 = 40 градусов
А это уже не плохо. Переведем в прирост мощности. Как было показано в предыдущих постах, уменьшение температуры увеличивает плотность воздушного заряда. Соответственно, увеличивается количество молекул воздуха и, конечно же, кислорода. В свою очередь это способствует увеличению мощности двигателя.
Допустим, что температура на впуске была 60 градусов Цельсия:
Wwith = Wwithout * (Twithout/Twith) = 900 Kw * (338 K / 297 K ) = 1024 Kw
Прирост составил 124 киловатт или 124 * 1.36 = 168 л/сил. Неплохо. Хочу заметить, это реальный расчет для системы впрыска воды, которая применяется в самолетном двигателе. Раньше уже писал, что эта система с успехом использовалась еще во времена второй мировой войны. Если обратится к примерам использования впрыска воды на серийных автомобилях, так этим занималась компания SAAB (кстати, если кто не знает, имя и репутацию эта компания заработала как производитель самолетов). Цель была повысить экономичность на высоких скоростях и при акселерации. Результаты были не плохи – 20- 30% экономии топлива.
На сегодня, думаю, достаточно. Следующей пост по этой теме будет завершающий, постараемся применить полученные знания. А именно развеем миф о том, что моторы субару имеют проблему с системой охлаждения и почему они в России так мало выдерживают. Наконец-то поговорим о бензине. Надеюсь теперь мы будем говорить на одном языке, коллеги.