20.3. Топливо для карбюраторных двигателей

20.3.1. Эксплуатационные требования

Топливо для карбюраторных двигателей – бензин различных марок, получают из нефти, в небольших количествах – из твердых видов топлив (ископаемые угли, сланцы).

Основные эксплуатационные требования к топливу, используемому в карбюраторных двигателях, следующие:

1) топливо должно иметь высокие карбюрационные свойства, т.е. обеспечивать легкий пуск двигателя и образование горючей смеси, дающей устойчивую работу двигателя при всех возможных режимах;

2) иметь возможно более высокую теплоту сгорания;

3) при всех режимах работы двигателя топливо не должно вызывать детонации, т. е. должно иметь высокие антидетонационные качества;

4) не должно вызывать смолообразования и нагарообразования на деталях двигателя;

5) при хранении и применении не должно вызывать коррозии металла резервуаров, баков, топливопроводов и деталей двигателя, т. е. должно иметь возможно более высокие антикоррозийные свойства.

20.3.2. Карбюрационные свойства

Карбюрационные свойства топлива зависят от ряда физико-химических параметров: испаряемости, упругости паров, скрытой теплоты парообразования, поверхностного натяжения и вязкости. Важнейшая операция – подготовка и образование горючей смеси – осуществляется в карбюраторе.

Топливо из жиклера выходит тонкой струей, подхватывается быстро движущимся воздушным потоком и распыляется на мельчайшие капельки. Большая часть капелек испаряется, перемешивается с воздухом, и газообразная горючая смесь поступает в цилиндр двигателя. Небольшая часть топлива оседает на стенках трубопроводов, образуя жидкую пленку, которая движется по ходу воздуха, и также частично испаряется. Если топливо обладает хорошей испаряемостью, то в камеру сгорания поступает паро-воздушная смесь, где и происходит ее полное сгорание.

Если испаряемость плохая, то значительная часть топлива остается в капельножидком или пленочном состоянии, такая смесь полностью сгореть не может. Не сгоревшие капли частично выбрасываются с выхлопными газами, частично через неплотности цилиндра и поршневых колец проникают в картер двигателя, смывая смазку и увеличивая износ деталей двигателя. Плохая испаряемость топлива вызывает его перерасход, приводит к повышенному износу деталей, повышенному нагарообразованию, падению мощности и другим неполадкам.

Обычно в состав бензинов входят углеводороды с температурами кипения от 40 до 200°, причем бензины разных марок имеют неодинаковый фракционный состав. У одних бензинов конец кипения 160°, у других 205°, т.е. испаряемость последних хуже, чем первых.

В практических условиях испаряемость топлива оценивается стандартным методом фракционной разгонки.

По данным фракционной разгонки топлива строят кривую, откладывая по оси абсцисс, полученные температуры в градусах, а по оси ординат – объемные проценты отогнанного топлива при данных температурах. На рисунке 15 показана кривая разгонки бензина; на кривой показаны основные фракции бензина. Фракционный состав в ГОСТах нормируется пятью характерными точками: начало кипения, температура выкипания 10, 50, 90% топлива и конец кипения.

Рис. 15 Основные фракции бензина

Температуры от начала кипения до выкипания 10% топлива соответствуют испарению легкокипящих углеводородов, обладающих высокой упругостью паров. Эта фракция называется головной или пусковой. Чем ниже температура выкипания 10% топлива ( ), тем лучше пусковые свойства последнего. Для возможности пуска холодного двигателя нужно, чтобы эта температура была не выше 70–80°. В настоящее время выпускаются специальные зимние бензины, у которых пусковые фракции выкипают до 55–65°. Эти бензины обеспечивают пуск холодного двигателя при температурах окружающего воздуха до -20 -25°.

Легкие, головные фракции в бензине нужны на период пуска и прогрева двигателя. Дальше при повышении температуры легкокипящие углеводороды интенсивно испаряются в топливопроводах, образуя в них паровые пузырьки и даже газовые пробки. Коэффициент наполнения цилиндра двигателя снижается, и нарушается нормальная работа, поэтому в бензинах не допускается в большом количестве содержание легкокипящих углеводородов (начало кипения бензина должно быть не ниже +35°).

Температуры выкипания от 10 до 90% топлива соответствуют испарению углеводородов, называемых рабочей фракцией. По стандарту на кривой нормируется точка, показывающая температуру, при которой выкипает 50% топлива. От испаряемости рабочей фракции зависит время прогрева двигателя, т.е. время, через которое двигатель можно с холостого хода перевести под нагрузку и образование горючей смеси в уже прогретом двигателе. Чем круче поднимается в средней части кривая разгонки, тем однороднее топливо и состав горючей смеси по отдельным цилиндрам двигателя, а, следовательно, тем лучше приемистость машины и устойчивей работа двигателя. Для бензинов 50% топлива должно выкипать при температуре не выше 145°. Чем ниже эта температура, – тем лучше испаряется топливо.

Температуры выкипания от 90% топлива до конца кипения соответствуют испарению тяжелых углеводородов, называемых хвостовой фракцией. Чем меньше разница между температурой выкипания 90% и концом кипения, тем выше качество топлива, меньше в нем содержится тяжелых, трудно испаряющихся углеводородов, полнее сгорает топливо. При плохом сгорании топлива часть его остается в капельножидком состоянии и, проникая в картер двигателя, разжижает масло, что приводит к повышенным износам поршневой группы и перерасходам топлива. Например, повышение температуры конца кипения бензина от 200 до 225° в два раза повышает износ деталей и на 7–8% увеличивает расход топлива.

В связи с тем, что температура выкипания 90% топлива показывает склонность его к конденсации, эту температуру также называют точкой росы, для бензинов различных марок она составляет 160–195°.

Упругость паров – это давление насыщенных паров испаряющейся жидкости на стенки сосуда, изменяется оно в мм. рт. ст. Топливо, содержащее много низкокипящих углеводородов, имеет высокую упругость паров, оно мало пригодно для работы двигателя.

Если в топливе много легкокипящих углеводородов, то в топливопроводах увеличивается паровая фаза и уменьшается жидкая, а также увеличивается размер паровых пузырьков. Коэффициент наполнения цилиндра двигателя снижается, что вызывает падение мощности и перегрев двигателя. Для бензинов ограничивается содержание легкокипящих углеводородов и упругость паров. Так, давление насыщенных паров летних автомобильных бензинов допускается не выше 500 мм рт. ст., а зимних сортов – от 500 до 700 мм рт. ст.

Образование горючей смеси зависит от скрытой теплоты парообразования, т. е. от количества тепла, необходимого для получения из 1 кг жидкости 1 кг пара при той же температуре. Значения теплоты парообразования различных автомобильных бензинов близки: 293–314 кдж/кг (70–75 ккал/кг), для бензола эта величина составляет 377 кдж/кг (90 ккал/кг). Чем выше теплота парообразования, тем хуже карбюрационные свойства топлива.