1 7 . Бензины

К бензинам относятся жидкие нефтяные топлива, предназначенные для применения в поршневых двигателях внутреннего сгорания с принудительным воспламенением (от искры). В зависимости от назначения их разделяют на автомобильные и авиационные.

Несмотря на различия в условиях применения, автомобильные и авиационные бензины характеризуются в основном общими показателями качества, определяющими их физико-химические и эксплуатационные свойства.

Условия применения и требования к качеству бензинов.

Условия применения бензинов определяются:

• условиями эксплуатации военной техники (на земле, в воздухе, летом, зимой, на равнинах, в горах, в южных районах, на Севере и т.д.);

• особенностями рабочего процесса двигателя.

Рабочий цикл двигателя с искровым зажиганием, как и всех двигателей внутреннего сгорания, слагается из процессов: испарения, смесеобразования, воспламенения и сгорания топлива. При сгорании топлива выделяется тепловая энергия, которая преобразуется двигателем в механическую работу. Горючая смесь в поршневых двигателях с искровым зажиганием образуется либо в специальном приборе карбюраторе, либо непосредственно в цилиндре двигателя, куда воздух и топливо поступают раздельно.

Соответственно различают карбюраторные двигатели и двигатели с непосредственным впрыском топлива. В настоящее время среди двигателей с искровым зажиганием наиболее распространенными являются карбюраторные двигатели.

Испарение бензина и образование горючей смеси в карбюраторном двигателе происходит в воздушном потоке на пути от карбюратора до цилиндра и завершается в камере сгорания. Скорость воздушного потока в диффузоре карбюратора составляет 40…150 м/с и в 20…30 раз превышает скорость топливной струи.

В

8

воздушном потоке струя топлива разбивается на мелкие капли, средний диаметр которых составляет 0,1…0,3 мм. Образовавшиеся капли подхватываются воздушными потоками и интенсивно испаряются. Часть капель попадает в цилиндры двигателя, где под действием высокой температуры испарение завершается. А другая часть капель при выходе из диффузора карбюратора оседает на стенках впускного коллектора и образует пленку жидкого топлива.

Паровоздушный поток двигает пленку в направлении цилиндров двигателя. Скорость перемещения пленки жидкого топлива в 50…60 раз меньше скорости паровоздушной смеси. В этих условиях происходит интенсивное испарение топлива с поверхности пленки.

О бразование пленки жидкого топлива приводит к неравномерному распределению смеси по цилиндрам двигателя, особенно на переменных режимах работы (рис.1.1).

Количество цилиндров

Рис.1.1. Количественная неравномерность распределения смеси по

цилиндрам двигателя при полностью открытой дроссельной

заслонке

Количественная неравномерность горючей смеси характеризуется различными коэффициентами избытка воздуха () в цилиндрах двигателя.

К

9

ачественная неравномерность характеризуется различным содержанием отдельных фракций бензина, и присадок в горючей смеси, поступающей в разные

цилиндры двигателя. Бензин является смесью различных углеводородов, поэтому по мере испарения легких фракций жидкая пленка обогащается более тяжелыми углеводородами. Это явление фракционирования топлива происходит в процессе подготовки горючей смеси во впускном коллекторе. В цилиндрах, куда поступает больше паровоздушной фазы, будет повышенное содержание легких фракций бензина, в цилиндрах, куда больше поступает жидкой фазы, будет повышенное содержание тяжелых фракций. Испарение присадок, содержащихся в бензине, происходит с фракциями бензина близкими по испаряемости к присадке. Неравномерность распределения фракций по цилиндрам ведет к неравномерному распределению присадок.

Установлено, что качество и неравномерность распределения смеси по цилиндрам зависят от давления насыщенных паров, фракционного состава, скрытой теплоты испарения, коэффициента диффузии паров, вязкости, поверхностного натяжения, теплоемкости, плотности, а также от скорости и температуры воздуха, степени разряжения в диффузоре и количества поступающего тепла от двигателя и режима его работы.

При образовании топливовоздушной смеси тепло, необходимое для испарения топлива отнимается от воздуха. При этом температура воздуха, а, следовательно, и смеси может понизиться настолько, что произойдет конденсация и последующее замерзание атмосферной влаги, т.е. произойдет обледенение карбюратора. Отмечено, что при температуре воздуха 7,5 ⁰С температура дроссельной заслонки через 2 мин. снижается до минус 14 ⁰С. Образование льда в основном наблюдается на дроссельной заслонке и на внутренних стенках диффузора карбюратора. Обледенение усиливается при увеличении влажности воздуха. На образование льда оказывает влияние соотношение топлива с воздухом, теплоемкость и скрытая теплота испарения топлива, и температура воздуха. Условия испарения улучшают путем подогрева впускного коллектора, однако при повышенных температурах топливовоздушной смеси коэффициент наполнения цилиндров снижается, и мощность двигателя падает.

П

10

роцессы воспламенения и сгорания топлива в карбюраторном двигателе происходят следующим образом. Топливовоздушная смесь поступает в цилиндры двигателя, где смешивается с продуктами сгорания, сжимается и поджигается.

П ри зажигании электрической свечой смесь в зоне разряда нагревается мгновенно. Скорость химических реакций приобретает само ускоряющийся характер, завершающийся возникновением пламени. Распространение пламени может быть ламинарным или турбулентным в зависимости от характера движения смеси. Наполнение цилиндра смесью происходит с большими скоростями, при этом создается сильное вихревое движение. В этих условиях горение носит турбулентный характер, а нормальная скорость распространения фронта пламени составляют 10…40 м/с. Эта скорость зависит от частоты вращения коленчатого вала (рис. 1.2) и состава топливовоздушной смеси.

Частота вращения коленчатого вала, мин ^-1

Рис.1.2. Влияние частоты вращения коленчатого вала на

среднюю скорость распространения пламени

У

11

величение степени сжатия и применение наддува приводит к росту скорости распространения фронта пламени.

Максимальное значение скорости распространения пламени наблюдается при  = 0,9.

П ри обогащении рабочей смеси скорость распространения фронта пламени уменьшается вследствие недостатка кислорода, а при обеднении - вследствие расхода тепла на нагревание избыточного количества воздуха. Принято считать, что в условиях двигателя пределы воспламенения топливовоздушной смеси составляют: 0,4…0,5 <  < 1,3…1,4. С точки зрения процессов смесеобразования и горения топлива необходимо обеспечить более высокую температуру горючей смеси, что с одной стороны улучшит испарение топлива, а с другой – расширит концентрационные пределы воспламеняемости горючей смеси (рис. 1.3).

Температура, ⁰С

Рис.1.3. Зависимость воспламеняемости топливовоздушной смеси

от температуры при давлении Р равном 0,1 МПа

Р

12

асширение концентрационных пределов воспламенения создает предпосылки для обеспечения устойчивой работы двигателя на обедненных смесях.

Сгорание топливовоздушной смеси может быть условно разделено на три фазы (рис.1.4): первая – начальная фаза, в которой небольшой очаг горения, возникший в зоне электродов свечи, превращается в развитый фронт турбулентного пламени; вторая – основная фаза распространения пламени; третья – фаза догорания смеси. Первая фаза начинается с момента искрового разряда между электродами свечи (точка «» на индикаторной диаграмме) и длится до «точки отрыва» линии сгорания от линии сжатия (точка «» на индикаторной диаграмме) т.е. до момента начала ощутимого повышения давления в результате сгорания.

Рис.1.4. Диаграмма изменения давления Р и температуры Т

в двигателе с искровым зажиганием в зависимости

от угла поворота коленчатого вала 

В течение первой фазы происходит формирование фронта пламени из отдельных очагов, возникших в зоне электрического разряда. Длительность первой фазы зависит от мощности электрического разряда и физико-химических свойств горючей смеси.

В

13

торая фаза сгорания характеризуется резким увеличением скорости распространения фронта пламени за счет интенсивной турбулизации смеси. В этой фазе происходит основное выделение тепла, и она длится от момента начала нарастания давления (точка «») до момента достижения максимального давления (точка «в»). Скорость сгорания топлива зависит от степени сжатия, угла опережения зажигания, состава смеси, физико-химических свойств топлива и других факторов.

Третья фаза начинается, когда давление снижается. Основная масса топлива к этому моменту уже сгорела, поршень движется вниз и объем камеры сгорания увеличивается. В третьей фазе под действием турбулентных пульсаций фронт пламени искривляется и распадается на отдельные очаги горения. Время догорания в отдельных очагах зависит от состава смеси и скорости распространения фронта пламени. От количества смеси догорающей в третьей фазе зависят эффективность рабочего процесса, а соответственно и максимальная мощность и экономичность двигателя, так как при теоретическом рабочем цикле двигателя предполагается сгорание всей смеси вблизи верхней мертвой точки. Чем выше скорость сгорания, тем большую мощность развивает двигатель при одинаковом расходе топлива.

В современных быстроходных двигателях со степенью сжатия 7…8 длительность основной фазы сгорания составляет 25…30 ^о угла поворота коленчатого вала, что соответствует 0,0025 с при 2000 мин ^-1. При такой длительности основной фазы сгорания «жесткость» работы двигателя, оцениваемая скоростью нарастания давления в камере сгорания по углу поворота коленчатого вала, составляет 1,5…2,0 кг/см^{2 .} град для двигателей со степенью сжатия 8…10.

«Своевременность» процессов сгорания в значительной мере регулируется моментом поджигания смеси, т.е. углом опережения зажигания. Если смесь поджечь слишком поздно, то сгорание может начаться на ходе расширения, при этом падает мощность двигателя и ухудшается его экономичность. Если смесь поджечь слишком рано, то ее сгорание произойдет во время хода сжатия, при этом значительно возрастут потери мощности на преодоление давления газов на поршень при его движении к верхней мертвой точке.

Н

14

аивыгоднейшим является такое опережение зажигания, при котором основная фаза сгорания располагается на индикаторной диаграмме симметрично верхней мертвой точке. Для автоматического регулирования угла опережения зажигания в современных двигателях устанавливается центробежный регулятор опережения зажигания, который изменяет угол в зависимости от скорости вращения коленчатого вала, и вакуумный регулятор, для изменения угла при изменении нагрузки на двигатель. Но все это относится к нормальному сгоранию. Нормальным называется сгорание, при котором распространение фронта пламени по объему камеры сгорания является следствием передачи тепла путем теплопроводности и лучеиспускания. При нормальном сгорании топлива в двигателе скорость распространения фронта пламени относительно невелика и не превышает 40…50 м/с.

На некоторых режимах работы двигателя, особенно связанных с большими нагрузками или при использовании топлива, качество которого не соответствует условиям нормального сгорания, может возникнуть детонационное сгорание.

Суть его заключается в следующем: в рабочей смеси в тактах всасывания и сжатия развиваются предпламенные химические реакции окисления с образованием активных промежуточных продуктов. Глубина и скорость этих химических реакций возрастает с повышением температуры и давления, т.е. с повышением степени сжатия. По мере сгорания смеси температура и давление в камере сгорания быстро нарастают. На последние порции смеси высокие температура и давление действуют наиболее интенсивно, что приводит к их воспламенению. Образуется новый фронт пламени. Одновременно с новым фронтом пламени возникает новая ударная волна, которая, распространяясь по нагретой активной смеси, в которой предпламенные реакции близки к завершению, ускоряет ее самовоспламенение. При этом скорость распространения фронта пламени становится такой же, как и скорость распространения ударных волн. Таким образом появляется де-

т

15

онационная волна сгорания, которая представляет собой распространение ударной волны с фронтом пламени со скоростью 1500…2500 м/с. Металлический стук в двигателе при работе с детонацией является результатом многократных периодических отражений ударных волн от стенок камеры сгорания. При этом на индикаторной диаграмме в конце сгорания регистрируется вибрация давления в виде ряда затухающих пиков (рис. 1.5).

В результате большой скорости и взрывного характера сгорания при детонации часть топлива и промежуточных продуктов сгорания «разбрасывается по объему», перемешивается с продуктами сгорания и не успевает полностью сгореть.

Главная опасность детонации заключается в повышенной отдаче тепла от сгоревших газов в стенки камеры сгорания и днище поршня из-за более высоких температур в детонационной волне и увеличения коэффициента теплоотдачи в результате срыва пограничного слоя более холодного газа.

Рис. 1.5. Развернутая индикаторная диаграмма карбюраторного двигателя:

1 – нормальное сгорание; 2 – детонационное сгорание

У

16

величение теплоотдачи в стенки приводит к перегреву двигателя и может вызвать местные разрушения поверхности камеры сгорания и днища поршня. Кроме того, работа двигателя с детонацией ведет к повышенному износу деталей.

Основными факторами, влияющими на возникновение детонации, являются: степень сжатия двигателя, форма камеры сгорания, диаметр цилиндра, материал поршней и головки блока цилиндра, наличие отложений нагара, угол опережения зажигания, число оборотов коленчатого вала, температура и влажность окружающего воздуха, состав смеси, температура охлаждающей жидкости и т.д.

В двигателях с высокой степенью сжатия иногда возникает «калильное» зажигание – самопроизвольное воспламенение рабочей смеси независимо от времени подачи искры свечей зажигания. Источниками калильного зажигания являются раскаленные тела (тлеющий нагар, перегретые части деталей цилиндропоршневой группы).

Калильное зажигание по своему характеру принципиально отличается от детонационного сгорания, хотя эти явления в условиях работы автомобильного двигателя тесно связаны. Однако процесс сгорания смеси после калильного зажигания протекает с нормальными скоростями и может не сопровождаться детонацией. И хотя калильное зажигание и детонация тесно связаны между собой и часто оба явления имеют место в двигателе в одно и то же время, но механизм протекания этих процессов и меры борьбы с ними существенно различаются.

Калильное зажигание нарушает нормальное протекание процесса сгорания, делает его неуправляемым. Неуправляемое развитие процесса горения при «калильном» зажигании также вызывает появление стука, перегрев двигателя и падение мощности.

Таким образом, исходя из вышеизложенного, для обеспечения высокой эффективности применения бензинов в современных двигателях и оптимизации физико-химических показателей качества к ним предъявляются следующие требования, которые можно разделить на четыре направления:

1 – обусловленные конструкцией двигателя:

• иметь оптимальные антидетонационные свойства на бедных и богатых смесях, на различных режимах работы двигателя;

• о

  17

  бладать хорошей испаряемостью, обеспечивать легкий запуск, устойчивую

работу и хорошую приемистость двигателя;

• иметь хорошую совместимость с конструкционными материалами.

2 – обусловленные условиями эксплуатации:

• хорошо прокачиваться при различных условиях, не образовывать паровых пробок и не выделять твердой фазы при низких температурах;

• быть стабильными при хранении и не образовывать отложений в системе питания.

3- обусловленные производственной базой:

• иметь широкую сырьевую и производственную базу, отработанные технологии.

4- обусловленные экологической безопасностью:

• быть безопасными в обращении;

• не вызывать загрязнения окружающей среды самим и продуктами сгорания.