Лекция № 2. ТОПЛИВО ДЛЯ КАРБЮРАТОРНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
Двигатели внутреннего сгорания представляют собой устройства, в которых химическая энергия топлива при сгорании преобразуется сначала в тепловую энергию, а затем в механическую работу.
Коэффициент полезного действия (к. п. д.) поршневых двигателя составляет 20...42%, остальное количество теплоты затрачивается непроизводительно. Потери происходят за счет неполного сгорания топлива, нагревания охлаждающей жидкости и деталей двигателя, уноса теплоты с отработавшими газами в атмосферу, передачи теплоты от двигателя непосредственно окружающей среде, затрат теплоты на преодоление трения, на привод вспомогательных механизмов двигателя и т.
В современных двигателях используют бензин, дизельное и газа образное топливо (природный, генераторный, сжиженный и сжатый газы); существуют также двигатели, работающие на жидком топливе.
Важнейший фактор, от которого зависят технико-экономические показатели двигателя, — качество применяемого топлива. Поэтому топливо должно обладать определенными эксплуатационными свойствам, которые регламентируются стандартными значениями его физико-химических показателей. По этим значениям можно установить вид топлива характер его смесеобразования и сгорания, устойчивость к нагарообразованию, склонность к коррозионному воздействию, возможность хранения без нарушения первоначальных качеств и т. п.
Для обеспечения надежной, экономичной и долговечной работ карбюраторных двигателей топливо должно отвечать следующим требованиям:
обладать высокой теплотой сгорания;
характеризоваться хорошими смесеобразующими свойствами;
не детонировать при всех эксплуатационных режимах;
не образовывать нагароотложений;
не вызывать коррозии деталей как при непосредственном контакте с ними, та и от образующихся продуктов сгорания;
быть стабильным при транспортировании и хранении;
застывать при достаточно низкой температуре;
не оказывать вредного воздействия на человека и окружающую среду.
Чтобы соответствовать этим требованиям, карбюраторное топлив должно иметь определенные углеводородный и фракционный состав, и высокую испаряемость, от которых прежде всего зависит качеств смесеобразования и полнота сгорания.
Смесеобразующие свойства
Полнота сгорания топлива определяется качеством топливовоздушной смеси, которая, с одной стороны, зависит от конструкции карбюратора и топливоподающей системы, а с другой — от физико-химических свойств топлива. Основное из них — испаряемость топлива;
Испаряемость — это свойство топлива переходить из жидкого в газообразное состояние. Она в значительной степени обусловлена химическим составом топлива и давлением его насыщенных паров. С увеличением молекулярной массы углеводородов топлива, а следовательно, его плотности и температуры кипения испаряемость ухудшается.
В карбюраторных двигателях сгорает топливо, находящееся только в газообразном состоянии. Этому процессу должно предшествовать полное испарение жидкого топлива и высококачественное перемешивание образовавшихся паров с воздухом. Неиспарившаяся часть топлива (жидкая фаза) не сгорает. Полнота испарения возрастает при повышении скорости движения воздуха в карбюраторе и температуры. Температура зависит от начальной температуры поступающего воздуха и от скрытой теплоты испарения топлива.
Испарение различают статическое, примером которого является испарение топлива из резервуаров, и динамическое, которое происходит в условиях относительного перемещения жидкости и воздуха. Последнее осуществляется в карбюраторе при образовании топливовоздушной смеси. Испаряемость топлива оценивают его фракционным составом.
Фракционный состав характеризуется температурными пределами выкипания отдельных частей топлива (фракций).
Фракция — это часть топлива, выкипающая в определенных температурных пределах.
Рис. Кривая фракционной разгонки автомобильного бензина А–72: 1 – пусковые фракции; 2 – рабочие фракции; 3 – концевые фракции; 0 – отгон по объему.
Существующие стандарты на бензины предусматривают определение температур начала кипения, выкипания 10, 50, 90% топлива и конца кипения (98; 97,5; 97%).
Количество легкокипящих углеводородов в бензинах ограничивается температурой начала кипения, которая для автомобильных бензинов всех марок должна быть не ниже 35 °С. При таком условии уменьшаются потери легкокипящих углеводородов бензина от испарения при хранении.
Фракция выкипания 10% бензина называется пусковой. Чем ниже температура выкипания этой фракции, тем лучше пуск двигателя. бензина зимних сортов необходимо, чтобы 10% топлива выкипало при температуре не выше 55 °С; летних — не выше 70 °С. Зная температуру выкипания 10% бензина (t10 %), можно определить минимальную температуру воздуха tв, при которой возможен легкий пуск двигателя:
tB = 0,5t10% – 50,5
Для облегчения пуска холодных двигателей при температуре окружающего воздуха ниже –20 0С следует предварительно прогревать двигатель или использовать бензин с более низким значением t10%. Легкие фракции топлива нужны главным образом в период пуска и прогрева двигателя, поэтому сорт бензина выбирают в зависимости от температуры окружающего воздуха.
В летнее время при относительно высокой температуре воздуха под капотом двигателя наиболее легкие фракции бензина испаряются в топливопроводах, что приводит к образованию "газовых пробок" и нарушению работы двигателя из-за чрезмерного обеднения рабочей смеси.
Применение бензина с максимально допустимым значением должно обеспечивать легкий пуск холодного двигателя в зимнее время, а с минимально допустимым — надежную работу прогретого двигателя без образования газовых пробок.
Фракция выкипания бензина от 10 до 90% называется рабочей. Температура ее испарения должна быть не выше 160...180 °С. Чем однороднее углеводородный состав бензина, тем более круто поднимается кривая разгонки в своей средней части. На бензине с таким характером кривой двигатель устойчиво и экономично работает при всех эксплуатационных режимах. В соответствии со стандартом рабочую фракцию нормируют по температуре выкипания 50 % бензина.
Температура выкипания 50 % (t50%) для автомобильных бензинов составляет 100... 115 °С. При такой t50% обеспечивается после пуска и прогрева плавный перевод двигателя с одного скоростного режима работы на другой. Увеличение этой температуры снижает приемистость двигателя.
Фракция выкипания от 90 % бензина до конца кипения называется концевой. Наличие таких фракций крайне нежелательно, так как приводит к отрицательным явлениям при работе двигателя: неполному сгоранию топлива; повышению износов деталей за счет смывания смазки с гильз цилиндров и разжижения моторного масла в двигателе; увеличению нагарообразования и т. д. Чем меньше интервал температуры от точки выкипания 90 % бензина до конца кипения, тем качество его выше. На рисунке представлена зависимость расхода бензина и износа деталей двигателей от температуры конца кипения.
Давление насыщенных паров — давление, которое развивают пары, находящиеся в условиях равновесного состояния с жидкостью при данной температуре. Этот показатель так же, как и фракционный состав, характеризует испаряемость топлива.
С повышением температуры давление насыщенных паров топлива возрастает. Чем выше это давление, тем лучше испаряемость топлива и тем меньше теплоты потребуется для его испарения при образовании топливовоздушной смеси. Вместе с тем использование топлива с высоким давление насыщенных паров недопустимо, т.к. это приводит к образованию газовых пробок, снижению наполнения цилиндров и, следовательно, к падению мощности.