Топлива для двс

На современных серийных машинах в основном устанав­ливаются двигатели двух типов - бензиновые и дизельные, ко­торые различаются между собой системами подачи топлива, процессами его смесеобразования и сгорания.

У бензиновых двигателей топливо подается в цилиндры в виде готовой смеси с воздухом. Смесеобразование происходит в карбюраторе путем ввода распыленного топлива в струю посту­пающего в цилиндр воздуха. Топливовоздушная смесь сжимает­ся поршнем и воспламеняется от электрической свечи.

В дизе­лях в цилиндры поступает, а затем сжимается только чистый воздух, необходимый для горения. Топливо подается отдельно форсункой при подходе поршня к верхнему крайнему по­ложению. К этому моменту давление воздуха в цилиндре дости­гает З...3,5 МПа, а температура 500...600 °С. Топливо в таких случаях самовоспламеняется без постороннего источника вос­пламенения.

Внедрение систем впрыска бензина в серийные автомоби­ли началось в 60-е годы, когда впервые возникла необходимость снизить токсичность отработавших газов. Вначале это были чисто механические системы, в которых количество впрыски­ваемого топлива напрямую зависело от степени открытия дрос­сельной заслонки. С развитием электротехники на смену меха­ническим системам пришли электронные.

В зависимости от количества форсунок и места подачи топлива системы впрыска делятся на три типа - одноточечный, многоточечный и непосредственный.

В инжекторных системах питания требования к качеству используемого топлива более высокие, чем в карбюраторных системах.

Автомобильные бензины

Автомобильные бензины являются смесями бензиновых дистиллятов прямой перегонки, термического крекинга, платформинга и каталитического крекинга. По мере совершенствования процессов каталитического крекинга и риформинга доля дистиллятов этих процессов в автомобильных бензинах увеличивается за счет снижения доли дистиллятов прямой перегонки и термического крекинга.

Это бесцветная жидкость с пределами кипения 40...205 °С и плотностью 700...780 кг/м³.

Существуют и синтетические бензины - синтины, которые получаются из оксида углерода и водорода, а также гид­рогенизации углей и переработкой сланца. Однако из-за большой стоимости получения широкого применения они не получили.

Качество топлива является одним из важнейших факто­ров, обусловливающих технико-экономические показатели дви­гателя и машины в целом. Поэтому оно должно обладать опре­деленными эксплуатационными свойствами. Эти свойства рег­ламентируются требованиями, т.е. значениями ряда физико-химических показателей, закрепленных в соответствующих ГОСТ.

Для топлива, применяемого в бензиновых двигателях, можно выделить следующие основные эксплуатационные свойства:

• карбюрационные свойства;

• детонационная стойкость;

• теплотворная способность;

• склонность к образованию отложений;

• химическая стабильность;

• коррозионные свойства;

• небольшие стоимость и токсичность.

Карбюрация - процесс приготовления в карбюраторе сме­си горючего с воздухом (рабочей смеси).

Карбюрационные свойства бензина оказывают существенное влияние на надежное и качественное образование горючей смеси, что во многом оп­ределяет полноту сгорания бензина и в целом экономичную ра­боту двигателя. Смесеобразование при различных условиях экс­плуатации двигателя зависит, прежде всего, от плотности, вяз­кости и испаряемости бензина.

Плотность влияет на массовое количество подаваемого в смесительную камеру бензина и на его уровень в поплавковой камере. Увеличение плотности против нормального значения вызывает всплывание поплавка, что затрудняет подачу бензина в смесительную камеру. Уменьшение плотности может вызвать переливание бензина через жиклеры даже при неработающем двигателе. Изменение плотности более чем на 60...80 кг/м³ вы­зывает необходимость в регулировке положения поплавка.

Вязкость влияет на объемную скорость протекания бензи­на через жиклеры. Для компенсации последствий изменения вязкости в связи с сезонными изменениями температуры необ­ходимо своевременно регулировать проходное сечение жиклера.

Испаряемость зависит от фракционного (химического) состава топлива, в физическом смысле - его способности пере­ходить из жидкого в газообразное состояние и влияет на образо­вание горючей смеси. В двигателе горючее сгорает, только на­ходясь в газообразном состоянии, поэтому сгоранию должно предшествовать его полное испарение и качественное переме­шивание образовавшихся паров с воздухом.

Испаряемость бензина оценивается фракционным соста­вом, характеризующим температурные пределы выкипания его отдельных частей (фракций).

От фракционного состава зависят легкость и надежность пуска, длительность прогрева, приеми­стость и другие эксплуатационные показатели двигателя.

На рис. 4.3 показана кривая фракционной разгонки авто­мобильного бензина марки А-76. Стандарты на бензины преду­сматривают обязательное определение температуры начала ки­пения, температуры выкипания 10, 50 и 90 % бензина и темпе­ратуры конца его кипения (98 %).

Давление его насыщенных паров показывает наличие в бензине растворенных газов и легкоиспа­ряющихся фракций.

С увеличением температуры давление насыщенных паров возрастает. Чем выше давление насыщенных паров, тем лучше испаряемость горючего, тем меньше тепла потребуется для ис­парения при образовании горючей смеси. Вместе с тем исполь­зование горючего с высоким давлением насыщенных паров также недопустимо, поскольку это приводит к образованию па­ровых пробок, снижению наполнения цилиндров и т.д. Поэтому ГОСТ регламентирует значения давления насыщенных паров для летних и зимних сортов бензина.

Теплотворная способность (наибольшая теплота сгорания) является важнейшим эксплуатационным свойством бензина. Сгорание представляет собой окислительный процесс соединения горючего с кислородом воздуха, сопровождающий­ся выделением значительного тепла и излучением света. Про­цесс сгорания определяет мощностные и экономические показа­тели двигателя, а характер его протекания существенно влияет на надежность и долговечность двигателя.

Теплота сгорания горючей смеси, поступающей в двига­тель, зависит от общего коэффициента избытка воздуха. Вычис­ление теплоты сгорания смеси при различных значениях коэф­фициента избытка воздуха и полноты сгорания проводится по формуле

Коэффициент избытка воздуха а представляет собой от­ношение массы воздуха, расходуемого двигателем, к массе воз­духа, теоретически необходимого для полного сгорания топлива.

Рабочая смесь в пределах воспламеняемости может быть теоретической или нормальной (при а= 1), бедной (при а > 1) или богатой (при а < 1).

Теоретически необходимое количество воздуха для полного сгорания 1 кг бензина различ­ных сортов составляет около 12,5 кг при нормальном атмосфер­ном давлении и температуре 20 °С.

Высший предел воспламеняемости - не менее 5 кг воздуха на 1 кг топлива - при таком содержании паров горючего в воздухе, когда дальнейшее обогащение смеси делает ее невос­пламеняемой. (а - 0,45...0,5)

Низший предел - до 20 кг воздуха на 1 кг топлива - при недостатке паров горючего в воздухе, когда дальнейшее обеднение смеси делает ее невоспламеняемой. (а = 1,35... 1,4)

В обычных условиях двигатели работают на слегка обед­ненной горючей смеси при а = 1,05... 1,15, что обеспечивает пол­ное сгорание горючего и создает наиболее экономичный режим.

Детонационная стойкость - способность топлива сгорать с нормальной скоростью.

Различают нормальное сгорание - скорость распространения пламени - 20...40 м/с, и детонацион­ное сгорание - достигая 1500...2000 м/с.

Детонаци­онная волна, ударяясь о стенки камеры сгорания, многократно отражается от них в виде ударных волн, что вызывает вибрацию деталей двигателя. В результате взрывного горения часть горю­чего не успевает полностью сгореть и выбрасывается в атмо­сферу, при этом мощность двигателя падает.

Лучшей детонационной стойкостью обладают ароматиче­ские и изопарафиновые углеводороды, худшей - парафиновые углеводороды нормального строения. Ненасыщенные и нафте­новые углеводороды занимают промежуточное положение.

Таким образом, можно сделать вывод, что в состав высо­кокачественных бензинов должны входить изопарафиновые и ароматические углеводороды, обладающие наивысшей детона­ционной стойкостью.

Способность горючего противостоять детонации (детона­ционная стойкость) оценивается октановым числом (ОЧ), кото­рое определяется двумя методами: моторным и исследователь­ским. Различаются они режимом проведения испытаний.

Октановое число бензина есть условная единица измере­ния детонационной стойкости, численно равная процентному (по объему) содержанию изооктана в смеси его с нормальным гептаном, эквивалентным по детонационной стойкости испы­туемому горючему.

Сущность определения октанового числа сводится к срав­нению на моторных установках ИТ-9-1, ИТ-9-М испытуемого бензина с эталонными сортами горючего, которые составляются путем смешивания двух химически чистых углеводородов: изо­октана и нормального гептана. Изооктан дето­нирует только при высокой степени сжатия; его детонационная стойкость принимается равной 100 октановым единицам. Нор­мальный гептан обладает плохими антидетонационными свой­ствами; его октановое число принимается за нуль.

Например, если смесь состоит из 76% изооктана и 24% нормального гептана, то считается, что октановое число бензина равно 76.

Октановое число характеризует детонационную стойкость горючего на бедных смесях. Чем выше октановое число, тем лучше детонационная стойкость горючего.

Исследовательским методом детонационную стойкость бензина определяют на установке ИТ9-6 в режиме работы легкового автомобиля при его движении в условиях города. В этом случае в марку бензина включают букву «И», например, АИ-95 — автомобильный бензин с октановым числом по исследовательскому ме­тоду не менее 95.

Разница в ОЧ, определенных по исследовательскому и моторному методам, составляет 7-10 единиц (при исследовательском методе величина ОЧ выше).

Октановое число, приближенно соответствующее ОЧ по исследовательскому методу, может быть определено по формуле:

где: t ср — средняя температура разгонки топлива, 'С; р20 — плотность топлива при темпера­туре +20 *С.

Среднюю температуру разгонки топлива определяют по формуле:

где: t НР — температура начала разгонки топлива, 'С; t КР — температура конца разгонки топлива, 'С.

Применение на дви­гателях бензинов с более высокими октановыми числами позво­ляет:

• увеличить степень сжатия двигателя,

• что при прочих рав­ных условиях обеспечивает более высокую мощность

• и лучшую экономичность.

Однако ресурсы получения высокооктановых бензинов ограничены, а стоимость высока.

Антидетонаторы

В топлива, антидетонационные свойства которых не соответствуют эксплуа­тационным требованиям, добавляют высокооктановые компоненты (бензол, эти­ловый спирт) или антидетонаторы. Самые дешевые из них — тетраэтилсвинец (ТЭС) или тетраметилсвинец (ТМС) в составе этиловой жидкости.

Тетраэтилсвинец РЬ(С2Н5)4 представляет собой тяжелую маслянистую бес­цветную и очень ядовитую жидкость, легко растворяющуюся во всех нефтепро­дуктах и не растворяющуюся в воде (плотность 1652 кг/м3, ). Тетраметилсвинец РЬ(СН3)4 имеет более низкую температуру кипения (110°С) и более высокое давление насыщенных паров. В чистом виде тетраэтил­свинец не применяют, так как это приводит к отложению окислов свинца в каме­ре сгорания, на клапанах и поршневых кольцах и даже выходу двигателя из строя. Поэтому в бензин вводят этиловую жидкость, представляющую собой смесь ТЭС с выносителями и красителями. В зависимости от химического соста­ва бензина при добавлении этиловой жидкости 0Ч увеличивается на 8-12 еди­ниц. Наибольший эффект дает добавление антидетонатора в количестве 0,5-1,0 г/кг топлива.

Этилированные бензины являются источником свинцовых загрязнений окру­жающей среды и препятствием к использованию каталитических систем нейтра­лизации отработавших газов на автомобилях, так как их каталитическая основа быстро разрушается оксидами свинца. Поэтому, несмотря на высокие антидето­национные свойства ТЭС, поиск и разработка новых, в частности, менее токсич­ных антидетонаторов продолжается.

Антидетонационная присадка на основе метилтретбутилового эфира (МТБЭ) не ядовита, отличается более высокой теплотой сгорания, хорошо смешивается с бензином в любых соотношениях, не агрессивна к конструкци­онным материалам. При добавке 10 % МТБЭ октановое число бензинов повы­шается на 2,1-5,8 единиц (по исследовательскому методу), при добавке 20 % — на 4,6-12,6 единиц. Кроме того, при введении МТБЭ в бензин в коли­честве 11 процентов минимальная температура холодного пуска двигателя снижается на 10-12 °С. Максимально допустимое содержание МТБЭ (ТУ 38.103704-90) или его смеси «Фетерол» (ТУ 301-03-130-93) в отечественных бензинах составляет 15 %.

В качестве антидетонационных присадок применяют также составы, содер­жащие марганец и железо. Они имеют высокие антидетонационные свойства и менее токсичны по сравнению с ТЭС.

Однако бензины с марганцевыми антиде­тонаторами (ЦТМ, МЦТМ) образуют повышенные отложения на поверхностях свечей зажигания и катализаторах дожигателя, снижая эффективность их рабо­ты. Кроме того, соединения марганца при вдыхании обладают нейротоксичным действием и при массовом применении в местах скопления автомобилей на за­крытых стоянках или в ремонтных зонах могут превысить предельно допустимую концентрацию. Поэтому их применение ограничено Межведомственной комис­сией (МВК) при Госстандарте РФ по времени и не должно носить массового ха­рактера.

Железосодержащие присадки (ферроцены) не токсичны, сравнительно де­шевы и эффективны, но вызывают повышенный износ деталей двигателей, ин­тенсивное нагарообразование и отложение лаковых пленок.

Исходя из постоянно возрастающих требований к надежности и экологическим характеристикам двигателей, этилированный бензин признан несоответствующим по техническому уровню стандарту EN 228, и его производство в России и других странах мира прекращено.

Применение бензинов с металлосодержащими присад­ками рассматривается как временная альтернатива этилированным бензинам. Производство высококачественных неэтилированных бензинов позволит отечест­венной промышленности освоить выпуск и оборудовать все выпускаемые автомо­били с бензиновыми двигателями каталитическими нейтрализаторами отработав­ших газов, что значительно снизит концентрацию в них токсичных компонентов.

Применение на двигателях бензина с октановым числом, меньшим требуемого, ведет:

• к возникновению детонации в ци­линдрах,

• которая может вызвать перегрев двигателя,

• привести к его ускоренному износу и

• повышению расхода бензина,

• а также к нарушениям в работе двигателя

• и отказам из-за прогара про­кладки головки блока цилиндров,

• детонационного разрушения днищ поршней и т. д.

Использование бензина с октановым числом, большим требуемого, приводит к увеличению теплонапряженности дви­гателя и возможного прогара выпускных клапанов. Кроме того, такое применение экономически невыгодно.

Частично устранить вредные последствия применения не­рекомендуемого бензина можно изменением угла опережения зажигания. В первом случае угол уменьшается, во втором - уве­личивается.

Другими способами подавления детонации являют­ся прикрытие дросселя, и увеличение частоты вращения колен­чатого вяла (за счет перехода на более низкую передачу).

Склонность к образованию отложений в двигателях связа­на главным образом с химическим составом горючего (температурные условия и качество топлива).

В процессе работы двигателя в сборочных единицах то­пливной системы на деталях газораспределительного механиз­ма, на поверхностях деталей камеры сгорания отлагаются смо­листые вещества различной консистенции.

Если в баке, фильтре и карбюраторе эти отложения сравнительно мягкие и липкие, то уже во всасывающем патрубке, где температура неизмеримо выше, они плотнее, а на стержнях клапанов настолько плотны, что мешают нормальной работе газораспределительного меха­низма (зависание клапанов). На поверхностях камеры сгорания образуется уже твердое отложение в виде нагара, который мо­жет служить причиной замыкания электродов свечей.

Весьма существенно на мощностных и экономических показателях дви­гателя сказывается образование в жиклерах карбюратора смоли­стых отложений, которые уменьшают их проходное сечение, обедняя горючую смесь.

Важной характеристикой применяемого горючего служит содержание в нем фактических смол, т. е. находящихся в горю­чем различных нестойких соединений (не­предельные углеводороды), которые под действием времени, повышенной температуры, кислорода и других факторов пере­ходят в смолы.

Содержание фактических смол нормируется стандартами. Если их содержание отвечает требованиям стандартов, двигате­ли длительное время работают без повышения смоло- и нагаро-образования.

Склонность бензина к накоплению смолистых веществ (ста­бильность) оценивается индукционным периодом, который характеризует способность горючего сохранять неизменный состав при правильных условиях перевозки, хранения и использования.

Индукционный период - это время в минутах от начала окисления бензина до активного поглощения им кислорода.

Коррозионные свойства бензина существенно влияют на износ деталей. Коррозия топливных баков, трубопроводов, де­талей топливоподающей аппаратуры происходит при наличии в топливе коррозионно-агрессивных соединений, таких, как водо­растворимые (минеральные кислоты) и щелочи, активные сер­нистые соединения, вода, органические кислоты. Углеводороды самого топлива коррозии металлов не вызывают.

Скорость изнашивания деталей двигателя тесно связана с содержанием серы в топливе. Так, при увеличении ко­личества серы в топливе от 0,05 до 0,3 % износ повышается в несколько раз.

Коррозионные свойства топлива нормируются такими по­казателями, как кислотность, испытание на медной пластине, содержание серы.

При транспортировании и хранении топлива наиболее не­стабильные их соединения самопроизвольно под действием ки­слорода воздуха претерпевают химические изменения с образо­ванием продуктов окисления.

Химическая стабильность - это способность топлива про­тивостоять химическим изменениям. Она зависит от состава и строения содержащихся в горючем углеводородов, от количест­ва неуглеводородных примесей, а также от эффективности до­бавленных антиокислительных присадок.

Наибольшей склонностью к окислению обладают непре­дельные углеводороды.

Бензины термического крекинга содержат значительное количество реакционно способных непредельных углеводородов и имеют низкую химическую стабильность.

Более стабильные бензины получают каталитическими методами переработки нефти. Так, бензин, полученный методом риформинга, почти не содержит непредельных углеводородов и отличается высокой химической стабильностью.

Стандартами на топливо химическая стабильность норми­руется такими показателями, как йодное число, индукционный период, содержание фактических смол и др.