Константин Ефанов Химмотология. ДВС и переработка нефти

Введение

Настоящая монография является дополнительной главой к существующим объемным изданиям по этой теме.

Главный в работе является рассмотрение вопроса влияния процесса сгорания топлива в двигателе на структуру процессов в нефтепереработке и на проектирование нефтеперебатывабщих заводов.

Показано, что для структуры нефтепереработки исходными данными являются характеристики процесса сгорания топлива в двигателе. Это связано с тем, что под нужные свойства необходим соответствующий состав топлива. Под выпуск товарного топлива нужного состава выстраиваются производственные цепочки и процессы на нефтеперабатывающих заводах.

На двигателестроение химмотология влияния практически не оказывает. Автомобильные двигатели внутреннего сгорания проектируются под какой-либо тип топлива, например, бензин. А затем, совершенствуется конструкция двигателя и ужесточаются к требования к его работе в том числе экологические по выбросу в атмосферу продуктов окисления. Это можно увидеть при историческом прочтении развития нефтепереработки. И уже под более жесткие требования к топливам, в нефтепереработке меняются технологические процессы, направленные на его выработку.

Вместе с тем, для обеспечения новых норм по экологии двигателестроение производит новые модели двигателей, работающие на новых топливах с пониженным содержанием серы и тд. Например, стандарты Евро 3, 4, 5…

Влияние конструкций ДВС на применяемые топлива

Бензин впрыскивается в камеру сгорания форсункой с приготовлением топливовоздушной смеси. Испаряемость бензина определяют [1]: углеводородный состав бензиновой фракции, давление насыщенных паров, теплоту испарения, вязкость , теплоемкость, плотность, коэффициент диффузии паров, поверхностное натяжения. Больше всего на испаряемость бензина влияет состав бензиновой фракции и давление насыщенных паров. Испарение и образование паровоздушной смеси необходимо для возможности воспламенения от искры, вырабатываемой свечой.

Все перечисленные параметры определяются для топлива в лабораторных условиях.

Фракционный состав топлива определяет процессы нефтепереработки, используемые для получения бензина [6].

Кроме того, сейчас в проектировании двигателей внутреннего сгорания применяется концепция универсального цилиндра. То есть модуля, являющегося полноценным одноцилиндровым двигателем, сопряжением нескольких таких модулей можно получить, например, рядный четырехцилиндровый двигатель или V-образныйный восьмицилиндровый двигатель.

Для образцов техники, в которых применялись двухтактные двигатели теперь возможно устанавливать четырехтактные двигатели на основе универсального цилиндра и тем самым произойдет изменение в необходимых горюче-смазочных материалах.

Современные двигатели работают с высокой степенью сжатия и для их требуются бензины с высокими октановыми числами. В настоящее время наиболее распространённом является бензин АИ-95.

Октановое число является мерой склонности бензина к сгорания с процессом детонации. Испытывают бензин на октановое число на лабораторной установке, содержащей один цилиндр [1]. Отметим сходство с одноцилиндровым двигателем на основе унифицированного цилиндра. Под бензин подбирают смесь изооктана и гептана. Для изооктана число равно 100, для гептана 0, при смешивании можно получить число 95.

Рассмотрим процесс детонации и влияние на детонации химической структуры углеводородов бензиновой фракции.

При без детонационном сгорании смесь бензина с воздухом равномерно сгорает в камере сгорания двигателя. При детонации часть смеси самовоспламеняется и возникает волна (ударная), распространяющаяся со сверхзвуковой скоростью, то есть со скоростью на порядки выше скорости без детонационного сгорания. При многократном отражении волны от стенок в двигателе слышен характерный стук. В результате снижается ресурс ДВС.

На области топливовоздушной смеси в камере на максимальном расстоянии от искры свечи происходит наиболее длительное воздействие высокой температуры, которая выше температуры самовоспламенения [1]. Задержка самовоспламенения выше времени сгорания остатков топлива в фронте пламени. Если задержки самовоспламенения не происходит, несгоревшая часть топливовоздушной самовоспламеняется с детонацией, то есть с ударной волной.

Из конструктивных особенностей двигателя на склонность к детонационному сгоранию влияет [1]: высокая степень сжатия в камере, относительно длинный путь прохождения фронта пламени, недостаточное охлаждение последних порций топливной смеси.

Конструкция двигателя внутреннего сгорания и конкретно камеры горения влияют на равномерность протекания процессов горения, то есть окисления топлива. В этом наблюдается сходство с аппаратами, в которых получают бензин при переработке нефти, где также требуется равномерность процесса по объему аппарата, за счет чего достигается равномерность состава продукта.

Процессы сгорания топлива в камере моделируются в программных пакетах методом конечных элементов в учетом гидро- и газодинамики, температурного поля и химических реакций. Лучшей из таких программ можно отметить пакет ANSYS. В работе [2] представлена последовательность моделирования процессов методом конечных элементов. При моделировании процесса сгорании при расчете и проектировании двигателя, в расчет методом конечных элементов закладывают все протекающие физико-химические процессы. По результатам расчета получают блок цилиндра с оптимальной конструкцией.

Приведем общий порядок расчета процесса сгорания топлива методом конечных элементов:

1. Построение геометрии или экспорт из программ для твердотельного моделирования,

2. Выбор условий расчета и назначение вариантов расчета для разных условий работы цилиндра,

3. Задание материалов и их физико-химических параметров,

4. Введение ограничений в модель, таких как стенка цилиндра и др.,

5. Построение расчетной сетки из конечных элементов, в узлах которой будут решаться уравнения, описывающие совокупность протекающих процессов, составляющих общий процесс горения топливовоздушной смеси,

6. Поиск решений, проверка сходимости и др. расчетные операции.

7. Получение цветных диаграмм с результатами расчетов и интерпретация данных, выполнения заключения по результатам расчета о протекании процесса и конструкции двигателя.

Механический расчет в программе ANSYS представлен в работе [3].

Остальные факторы относятся к самому топливу и будут рассмотрены ниже.