2.3 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 у 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 у своєму складі спиртів та деяких інших сполук, як до­бавок, не завдають перешкод і забезпечують безперервне прокачу­вання бензину до температур близьких до мінус 60 °С:

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. 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. 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.

Для випаровування палива необхідна енергія, яка називається питомою теплотою випаровування. Для хімічно чистих речовин теп­лота випаровування - енергія, яка необхідна для випаровування одиниці маси речовини при постійному тиску і температурі. Але па­лива є сумішшю вуглеводнів та інших речовин, які киплять при різних температурах або у визначеному інтервалі температур, і теплота (енергія) витрачається не тільки на випаровування, але й на підви­щення температури суміші.

В'язкість і густина впливають на кількість бензину, що прохо­дить через калібрований отвір карбюратора чи форсунку. Чим вища в'язкість, тим менше пройде палива за одиницю часу. Чим вища густина, тим більша маса його пройде. В цілому, із зниженням тем­ператури кількість бензину, що проходить через жиклери карбюра­тора, форсунку, 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 18 °С важить 75,5 кг, а при температурі 6 °С - 76,5 кг. Стандартами передбачається визначення густини при 20 °С, 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 700 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 20 °С. 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 20 °С, слід розрахувати значен­ня густини при 20 °С за формулою:

Рго ⁼ Р,⁺ їО-20),

де р₂₀ - густина палива при температурі 20 °С;

р₁ - те саме при температурі визначення; у - температурна поправка на 1 °С (дода­ток 1): І - температура визначення густини, °С (за термометром).

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 температури початку і кінця кипіння (і , ^ також значення температури 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 вимірюють за­лишок після розгонки і підраховують втрати. Більше половини загального зношування двигуна припадає на період пуску, так зване пускове зношування. Для пуску двигуна го­рюча суміш повинна загорітися від іскри. Існують верхня і нижня межі можливості загоряння (спалаху) суміші. При верхній межі суміш має вміст палива, при збільшенні якого суміш не спалахне. При нижній межі суміш має вміст палива, при зменшенні якого суміш також не спалахне. Наприклад, для автомобільного бензину при­близні межі загоряння суміші при 20 °С і тиску повітря - 101,3 кПа складають: верхня - при вміст» парів бензину в суміші 2,58 % об. (при коефіциєнті надлишку повітря а - 0,709); нижня - при вмісті парів бензину в суміші 1,67 % об. (при коефіциєнті надлишку по­вітря а = 1,1).

Чим ширші межі загоряння горючої суміші, тим кращі пускові властивості палива. На межі загоряння горючої суміші впливають хімічний склад палива, тампература та тиск суміші, кількість легких фракцій в паливі тощо.

Легкість пуску двигуна характеризується температурою кипіння 10% бензину, ця фракція називається пусковою. Чим нижча темпе­ратура, тим легше запустити двигун при низьких температурах ото­чуючого повітря без використання методів полегшення пуску, тим менше зношування деталей двигуна. Пуск на важкому паливі ут­руднений, потрібне значне збагачення суміші бензином, більша ча­стина якого не випариться. Це призводить до перевитрат палива, підвищення зношування 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 циліндропоршневої групи невипаре-ним важким паливом. Можливість пуску двигуна при низьких темпе­ратурах оточуючого повітря на конкретному бензині можна підраху­вати (приблизно) за формулою:

!_п = 0,5 і_т - 50,5 * - 50)/3,

де і_п _ температура повітря, до якої можливий пуск двигуна, °С; І та !" - температури перегонки 10% бензину та початку кипіння

10% п.к,

відповідно, °С.

Залежно від конструкційних особливостей двигунів мінімальні значення температури повітря можливого пуску (т_пов) відрізняються між собою, незважаючи на однакові значення температури кипіння 10% бензину:

т 48 59 64 68 75

Т -22...-27 -19...-23 -16...-19 -13...-17 -8...-13

Витрати пального в зимовий період, економічність і моторесурс двигуна, крім температури оточуючого повітря, значно залежать від технічного стану двигуна, упорядкованості автомобільних доріг, се­зонності (зимові, літні) палива і оливи, якості оливи та багатьох інших факторів. Так, застосування бензину з температурою початку кипін­ня на 30% вище нормальної веде не тільки до перевитрат палива, але й до скорочення терміну служби двигунів до 60%. Використан­ня літніх бензинів взимку веде до перевитрат палива на 3...5% і більше.

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...103 °С, як правило, мають октанові числа до 89 за дослідницьким методом. При температурах повітря від 0 до мінус І5..20 °С 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...50 °С 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. У 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 конструкцій­них особливостей системи живлення і температури оточуючого се­редовища.

Виявлено, що бензин особливо 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 ЗО...40 °С 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 вантажного автомобіля втрати бензину можуть становити близько 200 кг/рік за рахунок випарову­вання легкої фракції. При використанні зимового бензину влітку ця цифра може підвищуватись в 3...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 бака 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. Наприклад, прогрівання холод­ного двигуна взимку до робочого стану (температури охолоджуваль ної рідини в системі охолодження 80 °С) на бензині з температурою кипіння 50%, що становить 100 °С, відбувається протягом 9...10 хв, а на бензині з температурою кипіння 50%, що становить 130 °С, це відбувається за 15...17 хв. 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 низькокипля-чих 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 +7,5 °С через 2 хв після пуску двигуна темпе­ратура дросельної заслінки може знизитись до мінус 4 °С. 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 0 °С волога з повітря переходить у лід. Обледеніння карбюра­тора відбувається при експлуатації автомобілів у холодну сиру пого­ду, коли температура повітря становить від мінус 2 °С до плюс 11 °С, 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...+5 °С. 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 З рази швидше, ніж при використанні нафтового палива.

Автомобільний транспорт на території нашої країни близько 6 мі­сяців експлуатується при знижених температурах повітря, тому про­блеми з обледенінням мають місце. З метою запобігання обледені­ння карбюратора до палива можна додавати спеціальні присадки: поверхнево-активні речовини, гліколі, аміди та деякі інші в кількості до 1...3%.

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 190% і 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 недовико-ристаною 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...185 °С.

За значенням температури википання 90% бензину можна пе­редбачити можливість розбавлення моторної оливи паливом, яке не повністю згоріло. Це стосується, в основному, холодного періоду року. Між температурою википання 90% палива та температурою повітря, до значення якої не відбувається розбавлення оливи пали­вом, що не згоріло, є така приблизна залежність:

Температура википання 180 185 190 195 200 90 % бензину, °С

Середня температура -18-13-9 -4 0

повітря, °С

Автомобіль, трактор, комбайн, дорожньо-будівельна та інша техніха є рухомим джерелом забруднення атмосфери. Ступінь за­бруднення залежить від кількості і якості викидів, які мають три основ­них джерела: відпрацьовані гази (близько 90%), система змащування і вентиляція картера (близько 6%) і паливні випаровування з систе­ми живлення (близько 4%). Найбільш токсичними є картерні вики­ди, які містять у своєму складі важкі вуглеводні, але кількість їх від­носно невелика.

На долю викидів автомобільним транспортом в містах припа­дає до 60% усіх промислових викидів вуглецю і близько 12% усіх викидів азоту. Крім того, у складі відпрацьованих газів автомобілів містяться оксиди сірки, альдегіди, вуглець та деякі інші токсичні речовини. Дію токсичних компонентів більш докладно розглянуто в розділі "Екологічні властивості ПММ". Для токсичних речовин гра­нично допустимі концентрації у робочій зоні приміщень становлять, мг/м³: акролеїн - 0,2; оксиди азоту - 5,0; вуглеводні - 300; сірчаний ангідрид - 10; оксид вуглецю - 20; тетраетилсвинець - 0,005.

Деякі із сполук "викидів" спричинюють утворення смогу, кислот­них дощів, деякі викликають онкологічні захворювання тощо. Ос­новна доля токсичних сполук належить відпрацьованим газам, кількісний і якісний склад яких залежать від повноти згоряння пали­ва, якості оливи, конструкції двигуна та автомобіля вцілому, режиму його роботи, дорожніх умов, температури повітря, якості охолоджу­вальної рідини та технічного стану системи охолодження, тиску в шинах, майстерності водія.

Н а витрати палива, склад відпрацьованих газів значно вплива­ють швидкість руху, підйоми, спуски, обтічність автомобіля, режим роботи двигуна. Рух автомобіля на великій швидкості, особливо на близькій до максимальної, веде до різкого збільшення витрат пали­ва і оливи. Мала швидкість також не може бути економічною, хоча витрати палива при цьому менші порівняно з витратами палива при максимальній швидкості руху. Економічна швидкість автомобіля -це така, при якій досягаються умови роботи двигуна з максималь­ним крутним моментом, яка становить 2/3 від максимальної. При однаковій швидкості витрати палива тим менше, чим краща обтіч­ність автомобіля, бо зменшуються витрати палива на подолання опору сили вітру. Змінний режим роботи автомобіля значно впли­ває на витрати палива і токсичність відпрацьованих газів (табл. 17).

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 о>ази 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, заправлянні автомобіля паливом, з паливного бака 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 більш 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.