Випаровування

Випаровування характеризує можливість переходу рідкого палива в пароподібний стан. В двигунах з примусовим запалюванням паливо згоряє в газоподібному стані. Перед згорянням відбувається випаровування палива і перемішування утворених парів із повітрям (приготування горючої суміші). Суміш палива з повітрям готується при відносно низьких температурах у спеціальному обладнанні - карбюраторі, або у впускних трубопроводах чи камерах згоряння, куди паливо впорскується за допомогою форсунки (в інжекторних системах).

Утворення горючої суміші належного складу, забезпечення нормальної роботи двигуна без перешкод залежить в великій мірі від прокачування бензину, яке може погіршитись або припинитись внаслідок вмісту в ньому механічних домішок та води. Такі показники якості як в'язкість та в'язкісно-температурні властивості бензинів, які не мають в своєму складі спиртів та деяких інших сполук як добавок, не завдають перешкод і забезпечують безперервне прокачування бензину до температур близьких до мінус 60⁰С:

В бензині не повинно бути води та механічних домішок. Їх наявність визначається візуально в чистому скляному посуді. Завдяки малій в’язкості бензину вода та механічні домішки легко відстоюються. Після відстоювання бензин необхідно використати в найкоротший термін, бо вода може спричинити підвищення корозійності, прискорити окислення бензину та погіршити ще деякі властивості.

В багатьох автомобілях з примусовим запалюванням приготування горючої суміші відбувається в карбюраторах. У карбюраторі паливо дозується, розпилюється, перемішується з повітрям і частково випаровується. Подальше випаровування палива продовжується у впускних трубопроводах. При цьому великі краплі (важка частина палива) осідають на стінках змішувальної камери і впускного трубопроводу, утворюючи рідку плівку, яка випаровується під впливом пароповітряного потоку. Випаровуванню плівки сприяє підігрівання впускного трубопроводу за рахунок відпрацьованих газів або охолоджувальної рідини. Наявність рідкої плівки є причиною нерівномірності розподілу суміші по циліндрах, кількісної і якісної. Різна відстань впускних каналів окремих циліндрів двигуна, пульсуючий характер переміщення плівки призводять до кількісної нерівномірності, тобто в одні циліндри надходить більше палива і менше повітря, в інші - навпаки. Якщо кількісна нерівномірність занадто велика, це призводить до зниження економічності двигуна, збільшення токсичності відпрацьованих газів.

Крім кількісної нерівномірності, має місце якісна нерівномірність розподілу палива у циліндрах двигуна, пов'язана з різним хімічних складом палива, різними температурами кипіння складових палива. Бензин - це суміш вуглеводнів та невуглеводневих сполук. У зв'язку з тим, що випаровуються в першу чергу легкі сполуки палива, краплі і плівка збагачуються висококиплячими вуглеводнями, а пароповітряна суміш - низькокиплячими. Тому в циліндрах, в які надходить більше рідкого палива у вигляді крапель і плівки, утворюється надлишок важкої частини палива з високою температурою випаровування, а в циліндрах, в які надходить більше пароповітряної суміші, утворюється надлишок легких вуглеводнів. Повне випаровування бензину повинно закінчитися в циліндрах двигуна в період тактів впуску і стиску. Паливо, яке не повністю випарилося, погіршує процес згоряння, сприяє нагароутворенню. Стікаючи по стінках циліндрів в оливний картер, рідкий бензин змиває мастильну плівку з циліндропоршневої групи (ЦПГ), що призводить до збільшення її зношування. Наявність рідинної плівки викликає падіння потужності і економічності двигуна, перевитрату палива, підвищення токсичності відпрацьованих газів.

В двигунах з безпосереднім упорскуванням бензину паливо подається циклічно в камеру згоряння або в трубопровід перед впускним клапаном кожного циліндра в момент їх відкриття. Великого ефекту досягають при використанні електронної системи живлення. Кращі показники в роботі цих циліндрів отримуються за рахунок рівномірного розподілу палива між циліндрами і більш точного його дозування на різних режимах роботи. За рахунок повного згоряння палива зменшуються його витрати, а також токсичність відпрацьованих газів.

Повнота випаровування і згоряння палива залежить від багатьох факторів. З фізичних показників якості до них належать фракційний склад, тиск насиченої пари (вплив цих двох факторів найбільший), теплота випаровування, коефіцієнт дифузії, в'язкість, поверхневий натяг, теплоємність, густина.

В'язкість і густина впливають на кількість бензину, що проходить через калібрований отвір карбюратора. Чим вища в'язкість, тим менше пройде через жиклери карбюратора палива за одиницю часу. Чим вища густина, тим більша маса його пройде через карбюратор. У цілому, із зниженням температури кількість бензину, що проходить через жиклери карбюратора, зменшується.

Від густини залежать склад горючої суміші, витрати палива, висота рівня палива в поплавковій камері, склад відпрацьованих газів тощо. Густина - це маса речовини в одиниці об'єму. Одиниця густини нафтопродуктів - кілограм на кубічний метр (кг/м³), дуже часто користуються виміром в г/см³. Різниця в значенні густини на 7-8 одиниць в останньому знаку вимагає регулювання карбюратора.

Густину треба знати, для точного обліку витрат пального. Маса бензину (або іншого нафтопродукту) дорівнює добутку об'єму на густину при температурі виміру. Густина - змінна, а не постійна величина, її значення залежить від температури (для одного й того ж нафтопродукту): чим вище температура, тим менше вага нафтопродукту в одиниці об’єму. Так, наприклад, 100л (100 дм³) певної марки бензину при температурі 18⁰С важить 75,5 кг, а при температурі 6⁰С -76,5 кг. Стандартами передбачається визначення густини при 20⁰С, всі розрахунки щодо обліку витрат та необхідності палив, олив ведуться за значенням густини при цій температурі. Визначають густину ареометрами. Значення густини бензину, яке коливається, в основному, в діапазоні від 720 до 790 кг/м³, залежить від його хімічного та фракційного складу (як і іншого нафтопродукту). Бензин однієї марки та сорту (виду), наприклад, А-80 літній, не має постійної густини, різниця в значенні може бути до 30 кг на 1 т при температурі 20⁰С. Тому таке важливе визначення густини для кожної партії палива для розрахунків надходження та витрат. При визначенні густини обов'язкове визначення температури. При значенні температури, яка відрізняється від 20⁰С, слід розрахувати значення густини при 20⁰С. за формулою:

₂₀ = _t +  (t – 20),

де ₂₀ - густина палива при температурі 20⁰С; _t - те саме при температурі визначення;  - температурна поправка на 1⁰С (додаток 1): t - температура визначення густини, ⁰С (за термометром). Відповідність маси і об'єму (переведення у кілограми) наведена в додатку 2.

Бензини - це складні суміші різних вуглеводневих і невуглеводневих сполук, які киплять в широкому діапазоні температур, мають різні температури пароутворення. Перехід рідкого палива в пароподібне, тобто його випаровування, оцінюється за температурами кипіння його окремих частин (певного об'єму - фракції) - фракційним складом. Фракційний склад визначається перегонкою палива на спеціальних стандартних приладах, при цьому фіксуються значення температур початку і кінця кипіння (t_п.к., t_к.к. ) також значення температур кипіння окремих об'ємів - фракцій. Від значення цих температур залежать легкість пуску та зношування двигуна, утворення парових пробок та обледеніння карбюратора, приймальність двигуна, повнота згоряння та витрати палива і оливи, склад відпрацьованих газів і деякі інші експлуатаційні характеристики. При визначенні температур кипіння вищеназваних фракцій заміряють залишок після розгонки і підраховують втрати.

Більше половини загального зношування двигуна припадає на період пуску, так зване пускове зношування. Легкість пуску двигуна характеризується температурою кипіння 10% бензину, фракція називається пусковою. Чим нижча ця температура, тим легше запустити двигун при низьких температурах оточуючого повітря без використання методів полегшення пуску, тим менше зношення деталей двигуна. Пуск на важкому паливі утруднений, потрібне значне збагачення суміші бензином, більша частина якого не випариться. Це призводить до перевитрат палива, підвищення зношення циліндра і поршня, розрідження оливи паливом, що не згоріло, підвищення токсичності відпрацьованих газів тощо. Підвищення зношування двигуна в період пуску пояснюється змивом мастильної плівки з циліндро-поршневої групи невипареним важким паливом. Можливість пуску двигуна при низьких температурах оточуючого повітря на конкретному бензині можна підрахувати (приблизно) за формулою:

t_п = 0,5 t_10% - 50,5 + (t_п.к. –50)/3,

де t_п - температура повітря, до якої можливий пуск двигуна, ⁰С;

t_10% та t_п.к. - температури перегонки 10% бензину та початку кипіння відповідно, ⁰С.

Залежно від конструктивних особливостей двигунів мінімальні значення температур повітря можливого пуску (t_пов.) відрізняються між собою.

Для полегшення пуску двигуна при низьких температурах повітря, економії бензину необхідно збільшити кількість легкої частини (фракції) бензину. З цією метою в умовах експлуатації можлива добавка до бензину "газового" бензину ( газоліну), рідкої (бензинової) частини палив газових магістралей, а також конденсату, злитого з балонів із зрідженим газом (пропан-бутану). Газові бензини, які киплять у межах температур 33...103⁰С, як правило, мають октанові числа до 89 за дослідницьким методом. При температурах повітря від 0 до мінус І5..20⁰С можлива кількість легкого конденсату (газоліну, "газового" бензину) може становити до 10%, при більш низькій температурі повітря - до 20%. Повністю заміняти бензин газоліном, рідким (газовим) конденсатом та “газовим" бензином не слід. До стандартних бензинів можна додавати бензинові фракції, що одержують на газоконденсатних родовищах, після їх стабілізації (бензин газовий стабільний легкий і бензин газовий стабільний важкий) до 50%.

Наявність великої кількості легкої частини в паливі при використанні його влітку викликає інші ускладнення, зокрема, утворення "парових пробок". Можливість виникнення "парових пробок" залежить від багатьох факторів, головними з яких є кількість легкої частини палива і температура повітря. В підкапотному просторі температура на 40...50⁰С вища від температури повітря. Підвищення температури сприяє виникненню парових пробок. Під час експлуатації автомобілів, наприклад, у гірських місцевостях, в умовах бездоріжжя, на малій швидкості можливість виникнення парових пробок збільшується. В системі живлення двигуна при нагріванні бензину відбувається випаровування легкокиплячих компонентів не тільки з відкритої поверхні, але і в об'ємі палива, з утворенням великої кількості пари. Об'єм пари в 150...200 разів більший за об'єм цих же компонентів до випаровування, тобто в рідкому стані. Таким чином, у бензині сильно підвищується об'єм парової фази і зменшується об'єм рідкої. Через систему живлення двигуна в цьому випадку йде суміш, яка складається з рідкого бензину, його парів і невеликої кількості повітря, яке виділилось при нагріванні бензину, в той час, коли мусить поступати тільки рідкий бензин. Це призводить до зниження подачі насосом масової кількості палива, надмірного збіднення горючої суміші, перебоїв у роботі двигуна, падіння його потужності, а іноді - до зупинки двигуна. Зупинка двигуна в жаркі дні внаслідок інтенсивного випаровування легких фракцій бензину має такий самий характер, як і при забрудненні паливопроводів механічними домішками. Тому це явище одержало назву "парових пробок", хоча зупинка двигуна відбувається не за рахунок перекриття паливного тракту паровою пробкою, яка припиняє зовсім подачу палива. При експлуатації автомобіля основним фактором, що впливає на утворення парових пробок, є кількість легких фракцій у бензині, температура бензину в системі живлення, яка залежить від конструктивних особливостей системи живлення і температури оточуючого середовища.

Виявлено, що особливо бензин нагрівається в жаркий день під час нетривалої зупинки двигуна, що працював з підвищеним навантаженням. При зупинці двигуна вентиляція підкапотного простору припиняється, бензин у карбюраторі нагрівається за рахунок теплоти, що випромінюється самим двигуном. Приблизно за 10 хв. після зупинки двигуна температура бензину стає на 30...40⁰С вищою за температуру оточуючого повітря. Бензин у карбюраторі починає інтенсивно випаровуватись, в його каналах з'являються парові бульки, рівень палива в поплавковій камері знижується.

Утворення парових пробок спричинює великі ускладнення щодо повторного пуску двигунів під час короткочасних зупинок внаслідок нестачі бензину в поплавковій камері та труднощів загоряння збідненої суміші. Для повторного пуску двигуна слід охолодити карбюратор, насос.

У зв'язку з легким утворенням парових пробок у літній період неможливе використання легких фракцій (газоліну, “газового” бензину, конденсатів, які зливають з балонів із зрідженим пропан-бутаном) як добавок до бензину.

При використанні влітку зимових бензинів, крім перебоїв у роботі двигуна за рахунок утворення парових пробок, можуть бути великі втрати палива і забруднення навколишнього середовища легкими фракціями бензину. З бака автомобіля втрати бензину становлять близько 200 кг/рік за рахунок випаровування легкої фракції. При використанні зимового бензину влітку ця цифра може підвищуватись в З...5 разів і більше. В міру споживання бензину рівень його в баці автомобіля знижується. Цей простір заповнюється паливо-повітряною сумішшю. Чим нижча температура кипіння бензину і вища температура оточуючого повітря, тим більша доля бензину в такій суміші. При заповненні бака новою порцією палива бензино-повітряна суміш витискується в атмосферу рідким паливом. Це і є незворотні втрати (звичайні втрати) бензину з баку автомобіля. Чим менший ступінь заповнення бака кожною порцією палива, тим більші втрати з бака. Для зменшення втрат бензину бак автомобіля кожного разу повинен заповнюватись повністю.

Прогрівання двигуна, його динамічність, приймальність, тобто перехід до більшої частоти обертання колінчастого вала при різкому відкритті дросельної заслінки, забезпечення розгону до необхідної швидкості за малий проміжок часу, властивість подолання підйомів без переключення передачі та інше залежать від температури перегонки 50% бензину. Чим нижча температура перегонки 50% бензину, тим швидше прогрівається двигун. Якщо бензин має високу температуру перегонки 50%, то деяка частина його (висококиплячі компоненти, які входять до складу робочої фракції) не випаровується в системі живлення, горюча суміш збідниться і двигун не може розвинути більш високу частоту обертання колінчастого вала. Щоб відновити тепловий режим системи живлення, потрібен певний час. Теплова рівновага відновлюється тим швидше, чим більше в бензині низькокиплячих фракцій і чим нижча температура кипіння 50% бензину.

Температура кипіння 50% бензину впливає на обледеніння карбюратора. При випаровуванні бензину у впускній системі двигуна спостерігається зниження температури горючої суміші. Теплота, необхідна для випаровування бензину, відбирається від повітря і металевих деталей карбюратора. Встановлено, що при температурі оточуючого повітря +7,5⁰С через 2 хв. після пуску двигуна температура дросельної заслінки може знизитись до -14⁰С. Зниження температури у впускній системі двигуна залежить від випаровування бензину. Під час роботи двигуна на бензинах із високим випаровуванням (великою кількістю легких фракцій) температура деталей карбюратора знижується значно швидше, ніж при роботі на бензинах із низьким випаровуванням, тобто з меншою кількістю легких фракцій. При охолодженні деталей карбюратора до температур нижчих 0⁰С волога з повітря переходить у лід. Обледеніння карбюратора відбувається при експлуатації автомобілів у холодну сиру погоду, коли температура повітря становить від мінус 2⁰С до плюс 11⁰С, а відносна вологість повітря перевищує 70%. Найбільша кількість перебоїв у роботі двигуна внаслідок обледеніння карбюратора спостерігається, якщо вологість повітря становить 100%, а температура повітря - +4...+5⁰С. Найчастіше умови для обледеніння карбюратора утворюються в районах із морським кліматом у весняний і осінній періоди, при експлуатації автомобілів на зимових легких бензинах з низькою температурою перегонки 50%.

Можливість обледеніння карбюратора збільшується при використанні альтернативних палив, передусім спиртів, як добавок до бензинів, тому що спирти мають найвищу теплоту пароутворення серед альтернативних палив. При використанні бензино-спиртових сумішей температура у впускному трубопроводі знижується приблизно в 3 рази швидше, ніж при використанні нафтового палива.

Температура кипіння 90% бензину і кінця кипіння характеризує склад робочої суміші в циліндрі в кінці такту стиснення, повноту згоряння палива. Вона визначає також приймальність гарячого двигуна, легкість переходу з малої частоти обертів колінчастого вала до підвищеної і навпаки, зношування двигуна, витрати палива і моторної оливи, склад відпрацьованих газів та деякі інші експлуатаційні характеристики автомобіля. Чим нижча температура кипіння 90% і кінця кипіння бензину, тим надійніше працює двигун.

При високих температурах t_90% і t_к.к. бензин повністю не випаровується у впускному трубопроводі двигуна і надходить в циліндри у рідкому стані. Краплинки палива, які не випарувались, летять з великою швидкістю і можуть спричинити механічне зношування верхньої частини стінки циліндра. Рідкі краплі бензину не повністю випаровуються і згоряють у циліндрах двигуна. Отже, залишається недовикористаною теплота згоряння бензину, витрати палива зростають. У відпрацьованих газах збільшується кількість токсичних сполук. Частина рідкого палива, що не випарувалась, стікає через замки поршневих кілець в оливний картер, розріджуючи оливу. В оливу надходить частина бензину з температурою кипіння вищою за 180...185⁰С.

На витрати палива, склад відпрацьованих газів значно впливають швидкість руху, підйоми, спуски, обтічність автомобіля, режим роботи двигуна. Змінний режим роботи автомобіля значно впливає на витрати палива і токсичність відпрацьованих газів (табл.).

Таблиця. Залежність складу відпрацьованих газів від режиму роботи двигуна

Режим роботи двигуна	Склад газу, %
	Вуглеводні	Оксид вуглецю	Оксиди азоту
Холостий хід Рівномірний рух Розгін Сповільнення	5,9 14,1 56,3 23,7	7,5 14,3 62,1 16,1	0,3 21,4 78,1 0,2
Усього:	100,0	100,0	100,0

Наявність легких фракцій у бензині характеризується тиском насичених парів - тиском, який утворюється парами, що перебувають у рівновазі з рідиною при даній температурі і при визначеному співвідношенні об'ємів рідкої і парової фаз. Чим більше легких фракцій у бензині, тим вищий тиск насичених парів. При високих температурах оточуючого повітря в паливопроводах збільшується кількість парової фази і відповідно зменшується кількість рідкої фази, збільшується розмір парових бульбашок, збільшується можливість утворення парових пробок в системі живлення. Коефіцієнт наповнення циліндрів двигуна знижується, що веде до падіння потужності і перегрівання двигуна, погіршується рівномірність наповнення циліндрів. Парові пробки утворюються в тому випадку, коли тиск насичених парів вищий від зовнішнього тиску. При високому тиску насичених парів двигун буде працювати з перебоями, може не завестися або заглухнути, виникають великі труднощі при повторному пуску гарячого двигуна, роботі на холостому ході.

За тиском насичених парів бензину роблять висновки щодо здатності палива до утворення парових пробок при високих температурах оточуючого повітря, пускових якостей бензину при низьких температурах оточуючого повітря, можливостей втрати палива від випаровування легких фракцій при зберіганні, транспортуванні, заправленні автомобіля паливом, з паливного баку автомобіля. При малих значеннях тиску насичених парів бензину виникають ускладнення пуску двигуна при низьких температурах повітря. Залежність можливого пуску двигуна (тобто температури повітря) від тиску насичених парів досить складна порівняно з залежністю пуску двигуна від температури перегонки 10% бензину. Якщо значення тиску насичених парів нижче 33.3 кПа, то пускові властивості бензину взимку різко погіршуються.