Билет 50

1)Топливо для карбюраторных двигателей. Смесеобразующие свойства карбюраторного топлива. Нормальное и детонационное сгорание. Виды и марки бензинов.

Бензины являются топливом для поршневых двигателей с прину­дительным воспламенением рабочей смеси. Смесь топлива с воздухом готовится при относительно низких температурах либо в специальном устройстве - карбюраторе, либо во впускном трубопроводе или каме­рах сгорания, куда бензин впрыскивается с помощью форсунки. Непо­средственный впрыск бензина осуществляется в. авиационных порш­невых двигателях и в моделях последнего поколения автомобильных двигателей.

Смесеобразующие свойства бензина определяются испарением бен­зина, которое начинается с момента выхода его из каналов карбюра­тора в поток воздуха в диффузоре. Под действием кинетической энер­гии движущегося воздуха вытекающая струя бензина дробится на от­дельные капли. Мелкие капли успевают испариться в смесительной камере карбюратора. Более крупные капли увлекаются потоком воз­духа и испаряются при движении смеси по впускному тракту и в ци­линдрах двигателя. Наиболее крупные капли топлива оседают на стенках смесительной камеры и впускного трубопровода, образуя жидкую топливную пленку. Паровоздушный поток увлекает пленку по стенкам впускного трубопровода в направлении камер сгорания. Во впускном трубопроводе продолжается испарение бензина с поверхно­сти капель и жидкой пленки. Испарению пленки способствует подог­рев впускного трубопровода, который обычно осуществляют отрабо­тавшими газами или охлаждающей жидкостью.

Наличие жидкой пленки вносит ряд осложнений в процессе при­готовления однородной смеси, и одно из них - неравномерность рас­пределения смеси по цилиндрам двигателя. Пульсирующий характер перемещения паровоздушной смеси и жидкой пленки, обусловленный цикличностью открытия впускного клапана двигателя, а также разная протяженность впускных каналов отдельных цилиндров двигателя яв­ляются причиной неравномерного распределения смеси по цилиндрам двигателя. В одни цилиндры попадает больше топлива и меньше воз­духа, в другие, напротив, больше воздуха и меньше топлива. Эту не­равномерность распределения называют количественной неравномер­ностью, и если она слишком велика, снижается экономичность двига­теля, повышается токсичность выпускных газов и т. д.

Другая причина нарушений в работе двигателя связанна с нали­чием жидкой пленки на стенках впускного трубопровода. Она опреде­ляет качественную неравномерностью распределения топлива по ци­линдрам двигателя. Подобная неравномерность вызвана в первую очередь тем, что бензины являются смесью различных углеводородов. В процессе смесеобразования вначале из бензина испаряются более низкокипящие углеводороды. При этом капли и пленка обогащаются высококипящими углеводородами, а паровоздушная смесь - низкокипящими. Происходит так называемое низкотемпературное фракцио­нирование бензина. В связи с этим в цилиндрах, куда больше поступа­ет паровоздушной смеси, образуется избыток низкокипящих фракций бензина, а в цилиндрах, куда попадает больше жидкой пленки, преоб­ладают высококипящие фракции бензина.

В двигателях с принудительным воспламенением применяют также системы с впрыском топлива во впускной трубопровод, либо непосредственно в камеры сгорания. Такой способ подготовки топливовоздушной смеси имеет некоторые преимущества:

• отсутствие карбюратора снижает сопротивление впускной сис­темы;

• впрыск бензина одинаковыми порциями в каждый цилиндр повыша­ет количественную и качественную равномерность распределения топлива по цилиндрам двигателя и снижает токсичность про­дуктов сгорания.

Таким образом, в двигателях с принудительным воспламенением образование топливовоздушной смеси происходит при относительно низких температурах, поэтому использование этих двигателей выдви­гает наиболее жесткие требования к испаряемости топлив. Под испа­ряемостью понимают способность топлива переходить из жидкого со­стояния в парообразное. В свою очередь, испаряемость применяемых топлив обуславливает многие важнейшие эксплуатационные свойства двигателей с принудительным воспламенением.

Нормальное и детонационное сгорание: От совершенства процесса горения топлива в цилиндре зависят основные технико-экономические показатели двигателя. Главными факторами, влияющими на этот процесс являются: химический состав топлива, состав топливовоздушной смеси, давление, температура и время сгорания рабочей смеси.

При нормальном сгорании рабочей смеси отдельные ее части воспламеняются и фронт пламени перемещается за счет передачи теп­лоты посредством теплопроводности и лучеиспускания. В результате сгорания порции смеси давление повыша­ется и перемещает несгоревшую часть смеси впереди фронта пламени (рис. 1.21). Скорость распространения фронта пла­мени при нормальном сгорании топлива составляет 25...40 м/с. Эта скорость уве­личивается с повышением давления и температуры рабочей смеси. Максималь­ное значение скорости соответствует ко­эффициенту избытка воздуха α=0,93...0,95. Обогащение или обеднение смеси способствует снижению скорости. Увеличение частоты вращения ко­ленчатого вала двигателя вызывает уси­ление вихревых движений рабочей смеси, что приводит к увеличению поверхности фронта пламени. Это обстоя­тельство очень важно для эксплуатации двигателей. В противном слу­чае работа двигателя на переменных режимах была бы невозможна. При нормальном сгорании топлива в цилиндре двигателя давление нарастает плавно (рис. 1.22 - а), однако в результате повышения температуры и давле­ния нормальное сгорание может нарушиться и перейти в детона­ционное или взрывное сгорание. На некоторых режимах работы двигателя при использовании бензина, качество которого не соот­ветствует всем требованиям стан­дарта, можно наблюдать так на­зываемое детонационное сгорание рабочей смеси (детонацию).

П ри детонационном сгорании рабочей смеси в двигателе происходит процесс очень быстрого за­вершения сгорания в результате самовоспламенения части рабочей смеси и образования ударных волн, распространяющихся со сверхзву­ковой скоростью. На рис. 1.22 - б видны характерные пики повышения давления, которые являются следствием возникновения ударных волн. Внешние проявления детонации - это звонкие металлические стуки, образующиеся в результате многократного отражения ударных волн от стенок камер сгорания. При длительной работе с детонацией двига­тель перегревается, увеличивается износ цилиндропоршневой группы (рис. 1.23), а отдельные детали камеры сгорания разрушаются. Напри­мер обгорают кромки поршней, прокладки между блоком цилиндров и головкой блока, электроды и изоляторы свечей. Возникновение де­тонации связывают с неодинаковы­ми температурами в разных точках рабочей смеси. В камере сгорания двигателя энергичное окисление уг­леводородов и накопление активных нестабильных промежуточных про­дуктов начинается в конце такта сжатия, в связи с резким повышени­ем температуры. Эти процессы приобретают особенно большую скорость после воспламенения смеси и образования фронта пламени. По мере сгорания рабочей смеси температура и давление в камере сгора­ния быстро возрастают. Последние порции несгоревшего топлива, на­ходящиеся в местах камеры сгорания, наиболее удаленные от свечи зажигания, подвергаются воздействию высоких температур самое дли­тельное время. Они нагреваются до температур, превышающих темпе­ратуру самовоспламенения практически всех углеводородов. При этом отсутствие самовоспламенения и детонации может быть обусловлено только тем, что период задержки самовоспламенения данной смеси превышает время сгорания последних порций смеси во фронте пламе­ни. В противном случае в несгоревшей порции рабочей смеси могут возникнуть очаги самовоспламенения с образованием ударных волн.

Дополнительное сжатие и нагревание газа во фронте образовав­шейся ударной волны стимулирует возникновение самовоспламенения смеси в других очагах. При этом ударная волна движется в рабочей смеси, в которой предпламенные реакции близки к своему заверше­нию. Следом за ударной волной возникает самовоспламенение несго­ревшей части смеси. Такое распространение самовоспламенения со­вместно с фронтом ударной волны и составляет сущность явления де­тонации в двигателе.

Скорость детонационного сгорания в десятки раз выше скорости обычного сгорания и может достигать сверхзвуковых величин 1500...2500 м/с. Многократное отражение ударных волн от стенок ка­мер сгорания складывается в звенящий металлический стук, явно слы­шимый при детонации. Повышенный износ двигателя при детонации приводит к разрушению ударными волнами масляных пленок на тру­щихся поверхностях, в результате чего возникает сухое трение.

Детонацией в двигателе называют процесс очень быстрого за­вершения сгорания в результате самовоспламенения части рабочей смеси и образования ударных волн, распространяющихся со сверхзву­ковой скоростью.

Под детонационной стойкостью бензина понимают его способ­ность противостоять нарушению нормального протекания сгорания в двигателе, возникающему в результате взрывного сгорания и образо­вания детонационных и ударных волн. Детонационная стойкость топ­лива - один из основных показателей пригодности топлива для приме­нения в поршневых карбюраторных двигателях с искровым зажигани­ем.

Детонационная стойкость бензинов находится в следующей эм­пирической зависимости от конструктивных параметров двигателя:

OЧ = 125,4-413/ε + 0,183D где 0Ч - необходимая для двигателя детонационная стойкость бензина, выражаемая октановым числом; ε - степень сжатия; D- диаметр цилиндра, мм.

Детонацию можно предотвратить, снижая температуру рабочей смеси при сгорании. Это возможно при хорошем охлаждении деталей двигателя и интенсивном отводе теплоты от стенок камеры сгорания. Увеличение влажности подаваемого в двигатель воздуха или впрыск воды в цилиндр также снижают температуру рабочей смеси за счет то­го, что вода отнимает часть теплоты на свое испарение. Кроме того, водяные пары в составе рабочей смеси действуют как инертные газы, препятствуя образованию перекисей.

Этому также способствует более совершенная конструктивная форма камеры сгорания, использование для деталей металла с боль­шей теплопроводностью и т.д. Например, изготовление поршней из алюминия, с более высокой теплопроводностью в сравнении с чугу­ном, позволяет снизить температуру рабочей смеси и, как следствие этого, уменьшить детонацию.

Существует следующая классификация бензинов по климатиче­ским условиям применения.

Всесезоипый северный бензин предназначен для использования в районах, расположенных севернее и северо-восточнее изотермы янва­ря -20°С. Бензин должен обеспечивать пуск холодного двигателя при температуре воздуха минус 30 °С и в то же время не вызывать образо­вания паровых пробок в условиях летней эксплуатации автомобилей при температуре воздуха до плюс 30 °С.

Всесезонный южный бензин предназначен для применения в юж­ных районах страны, расположенных южнее изотермы июля плюс 25 °С. Основным требованием к бензину является отсутствие паровых пробок в системе питания при температуре воздуха до плюс 55 °С. Бензин должен обеспечивать пуск холодного двигателя в зимнее время года при температуре воздуха до минус 10 °С.

Летний и зимний бензины рассчитаны на использование в средней полосе страны. Зимний бензин должен обеспечивать пуск холодного двигателя при температуре воздуха до минус 25 °С и отсутствие паро­вых пробок при температуре воздуха плюс 35 °С, летний бензин - со­ответственно пуск до минус 15 °С и отсутствие паровых пробок до плюс 50 "С.

Марки бензинов согласно: В соответствии с новым стандартом, вводимым с 1999 года на неэтилированный бензин, регламентируются четыре его марки: «Нормаль-80», «Регулятор-91», «Премиум-95» и «Супер-98». Первый из них заменит А-76 и АИ-80, остальные соответственно АИ-91, АИ-93 и АИ-98. Содержание свинца в них не должно превышать 0,01 г/л, ог­раничена концентрация железа и марганца соответственно до 0,37 и 0,5 г/л.; А- автомобильный; 95 – октановое число; И – по исследовательскому методу;

Октано­вое число (0Ч) Октановое число численно равно содержанию изооктана (Выраженного в % по объему) в эталонной смеси с гептаном, ко­торая по детонационной стойкости в условиях стандартного одноци­линдрового двигателя эквивалентна испытуемому бензину. Если октановое число бензина равно 76, то это значит, что его детонационная стойкость такая же, как у смеси, состоящей из 76% изооктана и 24% гептана.