Автомобильные бензины

1 Автомобильные бензины

1.1. Требования к качеству бензинов

Автомобильным бензином называют нефтяную фракцию, представляющую смесь  углеводородов, которая выкипает при  температурах от 40 до 200 °С.

К бензинам предъявляются  следующие требования:

обеспечение нормального  и полного сгорания полученной смеси  в двигателях (без возникновения  детонации);

образование горючей смеси  необходимого состава;

обеспечение бесперебойной  подачи в систему питания;

отсутствие коррозионного  воздействия на детали двигателя;

незначительное образование  отложений в двигателе;

сохранение качеств при хранении и транспортировке.

Каждое из перечисленных  требований выражается одним или  несколькими показателями, которые  устанавливаются соответствующими ГОСТами.

1.2. Свойства и показатели  бензинов, влияющие на смесеобразование

Показателями бензинов, влияющими на смесеобразование, являются плотность, вязкость, поверхностное  натяжение и испаряемость.

Плотность — отношение  массы вещества к его объему. Плотность  бензинов (от 690 до 810 кг/м3 при температуре 20 °С) наряду с поверхностным натяжением оказывает влияние на качество распыления топлива в карбюраторе, во впускном трубопроводе и цилиндрах двигателя вплоть до перехода его в парообразное состояние. Чем меньше плотность бензина, тем более мелкую структуру будет иметь распыленное топливо, что обеспечит лучшее перемешивание его с воздухом. Это, в свою очередь, улучшит полноту сгорания, т. е. повысит экономичность двигателя. Плотность бензина мало зависит от температуры; с понижением температуры на каждые 10 °С ее величина возрастает примерно на 1 %. Если значение плотности определено без учета температуры, то ее можно привести к значению плотности при температуре 20 ° С по формуле

Р20 - Р> + Y (У ~ 20),

где р, — плотность бензина при температуре /; у — температурная поправка; t — температура при измерении.

Плотность различных марок  бензина примерно одинакова и  определяется с помощью ареометра (рис. 1.2). Методы определения плотности нефтепродкутов определяет ГОСТ 3900—85. Ареометр погружают в стеклянный сосуд, заполненный бензином. По глубине погружения (верхняя шкала) определяют значение плотности, а по нижней шкале устанавливают температуру, при которой определялась плотность.

Вязкость — свойство жидкости оказывать сопротивление  перемещению одной части относительно другой. Различают динамическую г| и кинематическую v вязкости. За единицу динамической вязкости принята вязкость такой жидкости, которая оказывает сопротивление силой в 1 Н, вызванным взаимным сдвигом двух слоев этой жидкости площадью 1 м2, находящихся на расстоянии 1 м друг от друга и перемещающихся со скоростью 1 м/с. Динамическая вязкость измеряется в Па • с.

 

С понижением температуры  вязкость нефтяных топлив и их плотность  повышаются. При понижении температуры уменьшится объемный расход бензина через жиклеры карбюратора, но при этом увеличится его массовый расход. Таким образом, влияние изменения вязкости и плотности бензина на работу жиклера противоположно, но в итоге при понижении температуры расход топлива через жиклеры уменьшится, что приведет к обеднению смеси.

В ГОСТах на нефтепродукты  указывается кинематическая вязкость, которая равна отношению динамической вязкости вещества к его плотности р

v = л/Р-

Кинематическая вязкость измеряется в мм2/с. При температуре 20 °С вязкость бензина составляет от 0,5—0,7 мм2/с . С понижением температуры вязкость бензина повышается.

Поверхностное натяжение  равно работе образования единицы  площади (1 м2) поверхности жидкости при постоянной температуре и измеряется в Н/м. Для всех бензинов поверхностное натяжение одинаково и при температуре 20 °С равно 20—24 Н/м.

Испаряемость — это  способность вещества к переходу из жидкого состояния в газообразное. От испаряемости зависит надежность поступления бензина из топливного бака в карбюратор и скорость образования топливно-воздушной смеси. Поэтому бензины должны обладать определенной испаряемостью, обеспечивающей легкий пуск двигателя, быстрый его прогрев, полное сгорание после прогрева, невозможность образования паровых пробок в топливной системе. Испаряемость бензина оценивается фракционным составом.

Фракционный состав бензинов — это содержание в них тех  или иных фракций, выраженное в объемных или массовых соотношениях.

Фракционный состав топлив определяют на специальном приборе. Отмечают температуру начала перегонки /нп, конца перегонки /кп, температуры tl0, t50, t90, при которых перегоняется 10,

50 и 90 % бензина соответственно. На рис. 1.3 представлен график перегонки бензина, отражающий его фракционный состав, т. е. количество (q) перегоняемого топлива (в процентах) в зависимости от температуры перегонки (/).

В бензинах различают три  основные фракции: пусковую, рабочую, концевую. Пусковая фракция представляет собой первые 10 % перегонки бензина. Чем ниже температура выкипания первых 10 % топлива, тем легче будет осуществлен пуск холодного двигателя. Однако при содержании особо низких фракций возникает опасность преждевременного испарения бензина и образование паровых пробок. По температуре /10 можно определить минимальную температуру окружающей среды, при которой возможен пуск двигателя:

toc = 0,5/10 - 50,5.

Температура выкипания 50 % бензина характеризует однородность состава смеси по отдельным цилиндрам, продолжительность и приемистость прогрева двигателя.

При снижении /50 сокращается  время прогрева, увеличивается приемистость автомобиля и срок службы двигателя. Повышение /50 приводит к снижению ресурса двигателя, особенно при низких температурах окружающей среды.

Рис. 1.3. График перегонки  бензина

Показатели t90 и ^ определяют содержание в бензинах тяжелых трудноиспаряемых фракций. Чем выше /90 и /кп, тем вероятнее неполное испарение бензина и неполное его сгорание в цилиндрах, а это увеличивает расход бензина. Кроме того, несгоревшие частицы оседают на стенках цилиндра и смывают с них масло.

Давление насыщенных паров  бензина характеризует испаряемость пусковой и рабочей фракций бензина, определяет его пусковые свойства и нормируется ГОСТом: для летних бензинов — до 67,0 кПа, зимних — 66,7—93,3 кПа.

Свойства и показатели бензинов, влияющие на подачу топлива

К показателям бензинов, влияющим на подачу топлива кроме давления насыщенных паров относятся показатели содержания воды и механических примесей.

Механическими примесями  являются твердые вещества, образующие осадок или находящиеся во взвешенном состоянии. Это может быть пыль, технологическая грязь, продукты коррозии, разрушения шлангов, прокладок, фильтров, окисления и разложения углеводородов, которые могут привести к засорению жиклеров в карбюраторе, распылителей форсунок и т. д., а также стать причиной повышенного износа деталей двигателя. Поэтому бензины и дизельные топлива не должны содержать механические примеси.

Наличие механических примесей определяется визуально путем осмотра пробы на свету в стеклянной емкости. В топливе не должно быть частиц, видимых невооруженным глазом.

Наличие воды в топливе  вызывает коррозию деталей и осмо- ление непредельных углеводородов, содержащихся в бензине. Промышленное топливо практически не содержит воды. Однако зимой вода замерзает в топливных коммуникациях и может попасть в топливо при транспортировке, хранении и заправке. Поэтому топливо до заправки должно отстаиваться в складской таре, а при заправке фильтроваться. Наличие в топливе воды определяется также визуально.

Свойства и показатели бензинов, влияющие на процесс сгорания

Различают нормальное, детонационное  и калильное сгорание рабочей  смеси.

Сгорание смеси считается  нормальным, если воспламенение топлива  происходит от свечи зажигания, при  этом оно полностью сгорает со средней скоростью распространения фронта пламени 15—25 м/с. Такое сгорание обеспечивает полное тепловыделение и плавное увеличение давления в цилиндрах.

Детонационным сгоранием  называется такое сгорание рабочей  смеси, при котором кроме воспламенения  топлива от искры при определенных условиях происходит самовоспламенение  отдельной его части. При этом фронт пламени распространяется со скоростью 1500—2500 м/с. Детонационное сгорание сопровождается звонкими металлическими стуками в зоне камеры сгорания, неполнотой сгорания (черный дым в отработавших газах), перегревом и снижением мощности двигателя.

Переход от нормального  сгорания к детонационному обусловлен химическим составом топлива. Существует несколько теорий, объясняющих сущность детонационного сгорания, из них наиболее признанной является теория, по которой считается, что первыми продуктами взаимодействия углеводородов с кислородом являются перекиси и гидроперекиси. Они обладают большой избыточной энергией и при определенных условиях могут накапливаться с выделением большого количества тепла и активных частиц. При этом отмечено, что нормальные углеводороды легко образуют перекисные соединения, а разветвленные устойчивы к их образованию.

Так как каждая молекула гидроперекиси дает начало нескольким цепям, то скорость окисления резко возрастает. Таким образом, в конце такта сжатия при воспламенении смеси от свечи зажигания около нее формируется очаг пламени (рис. 1.4).

Фронт пламени Несгоревшая

 

Очаги холодно-пламенного Самовоспламеняющаяся окисления смесь

Отраженные волны

Рис. 1.4. Этапы детонационного сгорания в рабочей смеси: а —  зажигание смеси от свечи зажигания; б — формирование очага горения; в — нормальное движение фронта пламени; г — образование очагов холодно-пламенного окисления в несгоревшей смеси; д — образование детонационной волны; е — движение отраженных волн

Образовавшийся фронт  пламенного горения устремляется от свечи зажигания в противоположную  часть камеры сгорания. Позади фронта пламени находятся продукты сгорания температурой 2000—2500 °С, а впереди — несгоревшая еще рабочая смесь. По мере нарастания давления в зоне сгоревших газов (0,35—0,5 МПа) сгоревшая часть смеси как бы поджимает несго- ревшую, отчего температура последней повышается до 380—450 °С. Поэтому в несгоревшей части смеси ускоряются процессы окисления и повышается концентрация перекисей.

Если концентрация перекисей  в несгоревшей части рабочей  смеси окажется ниже критической, то фронт пламени горения без  существенного изменения скорости достигнет противоположных стенок камеры сгорания, и процесс сгорания смеси пройдет нормально. Если же концентрация перекисей и активных продуктов их распада в несгоревшей части рабочей смеси достигнет критической величины, то начнутся цепные реакции окисления с образованием множества очагов горения.

Так как рабочая смесь  уже подготовлена к горению (много  перекисей), то она сгорает с большой  скоростью и резким повышением давления, в результате чего формируется ударная волна, двигающаяся по камере сгорания со сверхзвуковой скоростью. Мгновенно воспламеняются соседние слои рабочей смеси, а сама ударная волна оказывается совмещенной с фронтом пламени, при этом образуется детонационная волна. Избавиться от этого вредного явления можно подбором для каждой марки двигателя бензина с соответствующей детонационной стойкостью. С другой стороны, известно, что самый простой способ форсирования мощности двигателя путем увеличения степени сжатия ограничен именно детонационной стойкостью бензинов.

Удар детонационной  волны о стенки камеры сгорания вызывает отраженные волны, вибрацию стенок и порождает звонкие металлические стуки, характерные для детонации. Слои рабочей смеси, прилегающие к стенкам цилиндра, подвергаются сильному сжатию детонационной волной, в результате чего увеличивается их теплопроводность и усиливается отдача тепла стенкам, двигатель перегревается и его работа становится жесткой.

Калильное сгорание — это  воспламенение рабочей смеси  от перегретых деталей и нагара в  камере сгорания, когда при выключении зажигания сгорание смеси не прекращается, а она воспламеняется на такте очередного сжатия. При этом процесс сгорания и расширения смеси может наступить до завершения такта сжатия с последствиями, аналогичными для детонационного сгорания.

Детонационная стойкость  оценивается октановым числом.

На рис. 1.5 представлена развернутая индикаторная диаграмма, т. е. зависимость изменения давления Р в цилиндре двигателя от угла поворота коленчатого вала фпв, при нормальном и детонационном сгорании смеси.

Октановое число — условный показатель антидетонационной стойкости  бензина, численно равный процентному  содержанию изооктана С8Н18, октановое число которого принято за 100, в его смеси с н-гептаном С7Н16, октановое число которого равно 0, эквивалентной по детонационной стойкости испытываемому бензину. Смеси изооктана и н-гептана различных соотношений будут иметь детонационную стойкость от 0 до 100. Например, октановое число бензина равно 80. Это значит, что данный бензин по детонационной стойкости эквивалентен смеси изооктана и н-гептана, в которой изооктана 80 %.

Существуют два метода определения октанового числа: моторный и исследовательский.

Моторным методом определяют октановое число на установке УИТ-65 (рис. 1.6), позволяющей изменять степень сжатия от 4 до 9, где сравнивают детонационную стойкость исследуемого бензина с эталонными образцами при температуре горючей смеси 150 °С и частоте вращения 900 мин"1.

Исследовательским способом детонационную стойкость определяют при температуре горючей смеси 25—35 °С (смесь не подогревается) и частоте вращения 600 мин-1. В этом случае в марке бензина присутствует буква «И». Например, АИ-92 — автомобильный бензин с октановым числом по исследовательскому методу не ниже 92.

Рис. 1.5. Индикаторная диаграмма: 1 — нормальное сгорание; 2 — детонационное  сгорание; ВМТ — верхняя мертвая  точка

Так как определение  детонационной стойкости по моторному методу проходит в более жестких условиях, то результат будет несколько ниже, чем он был бы получен при определении по исследовательскому методу (табл. 1.1). В обоих случаях после прогрева двигателя постепенно увеличивается степень сжатия до появления детонации определенной стандартной интенсивности, определяемой по шкале указа