Автомобильные эксплуатационные материалы. Рекомендации для подготовки студентов к экзамену, зачету. Учебное пособие

•топливно-воздушную смесь (ТВ-смесь) требуемого состава для каждого режима работы двигателя;

•бесперебойную подачу бензина в цилиндры двигателя;

•антикоррозийный износ деталей в механизмах двигателя;

•минимальное образование отложений внутри двигателя;

•стабильное сохранение качеств бензина при хранении, перекачке и транспортировке.

Таким образом, бензин в полном объеме должен обладать следующими качествами:

•детонационной стойкостью;

•оптимальными физико-химическими свойствами;

•хорошим фракционным составом;

•противокоррозионными свойствами;

•стабильностью;

•экологической сохранностью окружающей среды.

2.1.1.Детонационная стойкость бензинов

Рассматривая этот вопрос, необходимо отметить, что горючая смесь в цилиндрах бензинового двигателя может сгорать поразному:

если процесс сгорания происходит плавно, с равномерным протеканием реакции окисления топлива и средней скоростью распространения пламени 10…40 м/с, то такое сгорание рабочей смеси бу-

дет нормальным;

если процесс сгорания будет превышать нормальную скорость, то работа двигателя станет ненормальной.

Ненормальная работа двигателя является следствием накопления перекисей кислорода внутри рабочей смеси, которые имеют скорость сгорания, намного превышающую допустимую. Это вызывает взрывное воспламенение, и скорость распространения пламени резко возрастает.

Перекисиигидроперекиси–этопервыепродуктывзаимодействия углеводородов с кислородом. Они обладают большой избыточной энергией, а при повышении давления накапливаются и выделяют большое количество тепла. Резко возрастает температура в цилиндрах, от которой активные молекулы бензина самовоспламеняются.

Каждая молекула гидроперекиси дает начало другим молекулам, возникает цепная реакция, и скорость окисления рабочей смеси рез-

11

ко возрастает. Образуется много очагов горения, фронт пламени которых приобретает огромную скорость (1500…2000 м/с). В резуль-

тате образуется ударная (детонационная) волна.

Удар детонационной волны о стенки камеры сгорания вызывает отражение волны, вибрацию со звонким металлическим стуком. При этом слои рабочей смеси, прилегающие к стенкам цилиндра, подвергаются сильному сжатию детонационной волной.

В результате увеличивается теплопроводность, усиливается отдача тепла стенкам цилиндров, двигатель перегревается и начинает работать «жестко».

Работа бензинового двигателя при этом сопровождается перегревом, падением мощности, металлическими стуками, черным выхлопным дымом и механическими повреждениями деталей.

Факторы, которые способствуют увеличению или уменьшению детонационного процесса в двигателе, и их причины показаны в табл. 2.

Детонационная (ударная) волна может достигать сверхзвуковой скорости.

Таким образом, когда концентрация перекисей в какой-либо порции рабочей смеси, сгорающей на конечном этапе, достигнет своего критического значения, возникает детонация.

Разные марки бензинов по-разному реагируют на детонацию, так как обладают разной детонационной стойкостью, т. е. показателем, характеризующим его самовоспламенение.

Для подавления детонации необходимо:

•увеличитьуголопережениязажигания,т.е.прикрытьдроссельную заслонку;

•увеличить скорость вращения коленчатого вала, т. е. открыть дроссельную заслонку;

•подобрать для каждой марки двигателя бензин с соответствующей детонационной стойкостью, которая оценивается октановым числом.

Какотмечалось,детонационнаястойкостьбензинахарактеризует его самовоспламеняемость. Она зависит от конструкции двигателя, т. е. от степени сжатия, а также от углеводородов, входящих в состав бензина.

Минимальной детонационной стойкостью обладают парафиновые углеводороды (алканы) с общей формулой CnH2n − 6.

Остальные углеводороды занимают промежуточное положение.

12

Таблица 2

Факторы, способствующие образованию перекисей, в результате которых увеличивается (уменьшается) детонация

13

Следовательно, углеводородный состав можно варьировать, чтобы получить бензины с различной детонационной стойкостью для двигателей с соответствующей степенью сжатия. Это осуществляется путем подбора смеси, состоящей из гептана (C7H10) и изооктана

(C8H18).

Таким образом, октановым числом бензина называется показатель его детонационной стойкости, численно равный процентному содержанию изооктана в смеси с гектаном.

Кроме этого, для повышения детонационной стойкости бензинов в их состав вводят антидетонаторы, которые уменьшают скорость горения перекисей и гидроперекисей углеводородов. К их числу относятся металлоорганические соединения, в состав которых входит

14

металл, связанный с органическим веществом. Наиболее эффективным антидетонатором является тетраэтилсвинец – Pb (C2H5)4, но он сильно ядовит и оказывает сильное канцерогенное действие на окружающую среду, а также отравляет свинцом нейтрализаторы отработанных газов. В настоящее время антидетонатор – чистый тетраэтилсвинец запрещен, но в качестве антидетонатора остается этиловая жидкость, повышающая октановое число бензина на 17…18 ед. Концентрация этиловых жидкостей в бензинах ограничена – не более 0,5 г на 1 кг бензина.

Этиловые жидкости – это смесь тетраэтилсвинца плюс выносители, к которым относятся бромистый этил или дибромпропан. Выносители способны при сгорании со свинцом и его окисламиобразовывать соединения, имеющие более высокое давление насыщенных паров и очень низкую температуру плавления. Такие галоидные соединения свинца с выносителями на деталях двигателя не конденсируются, а выносятся в парообразном состоянии вместе с отработавшими газами.

Состав этиловых жидкостей показан в табл. 3. Этилированные бензины окрашиваются: А-76 – в ярко-желтый цвет – 2 г/кг; АИ-91 – в красный цвет – 1 г/кг; АИ-95 – в синий цвет – 0,46 г/кг.

15

2.1.2. Физико-химические свойства бензинов

Физические свойства оцениваются:

•по наличию в бензине воды;

•плотности бензина;

•вязкости бензина;

•поверхностному натяжению;

•испаряемости и фракционному составу.

Бензин по внешнему виду должен быть прозрачным, но если в нем видна мутность, значит, в нем есть вода и механические примеси. Наличие воды в бензине особенно опасно зимой, когда в нем образуются кристаллы льда, из-за которых нарушается его подача через жиклеры в системе питания двигателя. Кроме этого, вода усиливает коррозионную агрессивность бензина к металлам. Содержание воды допускается до 0,025 %. Такой процент воды в бензине называется «следы». Ароматические углеводороды, находящиеся в бензине, впитывают воду. Поэтому для снижения образования кристаллов льда в бензине при охлаждении необходимо, чтобы бензин содержал меньше ареновых углеводородов (в частности бензола).

Плотность бензина – отношение массы бензина к его объему, ρ = m/v, кг/м3.

При 20 °С плотность бензинов равна от 690 до 810 кг/м3. Она оказывает влияние на качество распыления бензина во впускном коллекторе до перехода его в парообразное состояние. Чем меньше плотность, тем более мелкую структуру будет иметь распыленное топливо, которая обеспечит лучшее перемешивание его с воздухом, что обеспечит полноту сгорания и повысит экономичность двигателя.

Если значение плотности определено без учета температуры, то ее обязательно приводят к значению плотности при температуре 20 °С по формуле ρ20 = ρt + γ (t − 20), где ρt – плотность при температуре t, °C; γ – температурная поправка; t – температура окружающей среды при измерении плотности.

Вязкость – это свойство бензина оказывать сопротивление перемещению одной его части относительно другой. Различают динамическую и кинематическую вязкости.

За единицу динамической вязкости (η) в системе СИ принят 1 пуаз (Па · с). Это вязкость жидкости, которая оказывает сопротивление силой 1 Н, вызванное взаимным сдвигом двух слоев этой

16

жидкости площадью 1 м2 на расстоянии 1 м друг от друга и перемещающихся со скоростью 1 м/с. Расчет производится по формуле

η = C τp,

где С – постоянная вискозиметра; τ – длительность (время) истечения топлива через капилляр вискозиметра, с; p – среднее арифметическое давление, Па.

Кинематическая вязкость – это отношение динамической вязкости к плотности жидкости, определенной при той же температуре, что и динамическая вязкость, т. е.

ν = ηt ,

t ρt

где νt – кинематическая вязкость; η – динамическая вязкость; ρ – плотность; t – температура измерения.

За единицу кинематической вязкости приняты измерения: мм2/с – сСт – сантистокс; см2/с – Ст – стокс.

С понижением температуры вязкость повышается быстрее, чем плотность, в 10 раз, при этом объемный расход бензина уменьшается, а массовый увеличивается, т. е. вязкость и плотность бензина изменяются противоположно. В результате при понижении температуры расход бензина в приборах системы питания понизится (уменьшится). Но это приведет к обеднению ТВ-смеси.

Поверхностное натяжение бензина. На распыление и дробление капель бензина потоком воздуха кроме вязкости и плотности оказывает влияние еще одно физическое свойство бензина – поверхностное натяжение. Оно определяется образованием площади (1 м2) поверхности жидкости при постоянной температуре и измеряется в H/м.

Таким образом, плотность, поверхностное натяжение и особенно вязкость бензинов оказывают огромное влияние на процесс смесеобразования,ихнужновсегдаучитыватькакосновныефизическиесвойства бензинов при регулировке топливодозирующей аппаратуры.

Однако одним из главных физических свойств бензина является испаряемость, т. е. способность бензина переходить из жидкого состояния в газообразное. Диапазон температур испаряемости бензинов составляет 35…195 °С.

Испаряемость бензина оценивается его фракционным составом, т. е. содержанием в нем тех или иных частей (фракций), выражен-

17

ных в объемных или массовых соотношениях. От состава этих фракций зависит работа двигателя со следующими показателями:

•запуск двигателя;

•время прогрева двигателя;

•образование паровых пробок в системе питания, вызывающее перебои в работе двигателя;

•динамика (приемистость) работы двигателя;

•расход топлива и масла;

•мощность двигателя;

•образование углеродистых отложений;

•износ трущихся деталей.

Для оценки испаряемости определяют зависимость количества испарившегося бензина от температуры испарения при перегонке 10, 50 и 90 % бензина, а также температур начала и конца перегонки.

По характерным точкам можно построить кривую начала перегонки в виде графика [4], на котором можно различить три фракции: пусковую, рабочую, конечную (тяжелую).

Пусковая фракция представляет собой первые 10 % перегонки бензина и находится на графике между точками начала перегонки (tн.п) и 10 % перегонки бензина (t10 %). По этим точкам можно судить о некоторых эксплуатационных качествах бензина. Чем ниже будет температура выкипания 10 % бензина, тем легче будет осуществлен пуск холодного двигателя, так как большое количество бензина будет попадать в цилиндры в виде паровой фазы. Температура tн.п должна быть невысокой, так как зимой при отрицательных температурах ухудшается пуск двигателя, а летом образуются «паровые пробки» в системе питания. Экспериментально было установлено, что температура t10 % не должна превышать 70 °С. Если она будет ниже, то пуск двигателя будет лучше и надежнее, а если выше, то его пуск будет затруднен (особенно зимой).

Поконечнойтемпературе10%-нойперегонкиможноопределить минимальную температуру окружающей среды, при которой возможен пуск двигателя. Для этого используется формула

tо.с = 0,5t10 % − 50,5,

где tо.с – температура окружающей среды; t10 % – температура конца перегонки 10 % бензина.

Температура перегонки 50 % бензина (t50 %) характеризует интенсивность прогрева двигателя после его пуска и влияет на устой-

18

чивость работы двигателя, а следовательно, на срок его службы. Интенсивность разгона автомобиля при полностью открытой дроссельной заслонке называется динамикой, или приемистостью, зависящей также от температуры перегонки 50 % бензина. Эта температура характеризует однородность состава горючей смеси по отдельным цилиндрам двигателя и будет характеризоваться рабо-

чей фракцией.

Чем ниже будет температура перегонки 50 % бензина, тем легче будутиспаряться средние(рабочие)фракциибензина,поступающие

вцилиндры еще недостаточно прогретого двигателя на малой частоте вращения коленчатого вала. При этом работа двигателя будет устойчивой и хорошо динамичной.

Повышение t50 % обычно приводит к снижению ресурса двигателя, особенно при низких температурах окружающей среды.

Таким образом, рабочую фракцию характеризует температура перегонки 50 % бензина, сильно влияющая на устойчивость работы двигателя. Чем меньше эта температура по сравнению с указанной

вГОСТе, тем меньше время прогрева, но динамика двигателя лучше.

Температураперегонки90%бензинаt90% (точкаросы)характеризует его склонность к конденсации, а интервал температуры от t90 % до tк.п – конца перегонки – будет характеризоваться конечной (тяжелой) фракцией. Чем меньше этот интервал температур, тем выше качество бензина, лучше его экономичность и меньше износ двигателя. При интервале температур от t90 % до tк.п тяжелые углеводороды испаряются не полностью. Они остаются в капельно-жидком состоянии и проникают в картер двигателя, разжижают масло, увеличивают расход бензина и приводят к износу деталей.

По конечной (тяжелой) фракции судят:

•о наличии в бензине тяжелых трудноиспаряемых фракций;

•полноте сгорания рабочей смеси в цилиндрах двигателя;

•мощностных возможностях двигателя.

Считается, что температура конца перегонки tк.п должна быть не выше 195 °С, так как при ее увеличении начинается повышенный износ двигателя.

Одной из главных характеристик испаряемости бензина является давление насыщенных паров (упругость паров), которое показывает, прежде всего, пусковые качества бензина.

Давление насыщенных паров – это показатель испаряемости бензинов, т. е. это давление пара, находящегося в равновесии с жидко-

19

стью или твердым телом при данной температуре. Он в основном характеризует испаряемость пусковой и рабочей фракций бензина (чем выше давление насыщенных паров бензина, тем легче он испаряется и тем быстрее происходит пуск и прогрев двигателя).

По давлению насыщенных паров определяют:

•наличие легкоиспаряющихся фракций в бензине, способных образовывать паровые пробки;

•пусковые свойства бензина;

•возможные потери бензина при хранении.

Чем выше показатель упругости паров, тем огнеопаснее бензин. Упругость паров зависит:

•от химического состава бензина;

•фракционного состава бензина;

•температуры окружающей среды, т. е. чем она выше, тем больше легкоиспаряющихся углеводородов в бензине, а с понижением температуры содержание их уменьшается.

2.1.3. Стабильность бензинов

Стабильность – способность бензинов сохранять свои свойства в допустимых пределах для конкретных условий. При эксплуатации бензин подвергается воздействию внешних факторов: изменение температуры; влияние кислорода воздуха; попадание в него влаги и механических примесей и т. д. При этом изменяются физико-химические свойства бензина. Ухудшаются фракционный

ихимический состав бензина. Если же бензин сохраняет свой состав

исвойства в пределах допустимых норм, значит, он стабилен.

При очень низких температурах (ниже −60 °С) происходит кристаллизация углеводородов в бензинах.

При высоких температурах происходит испарение легких фракций. Бензин обедняется, и его пусковые свойства ухудшаются. Изменяется октановое число и снижается давление насыщенных паров.

Способность топлива сохранять без изменения свои химические свойства является химической стабильностью. Такие отрицательные явления, как окисление, осмоление и выпадение в осадок антидетонатора, обусловливаются недостаточной химической стабильностью бензинов. Сернистые, кислородные, азотистые и металлоорганические соединения, находящиеся в бензинах, могут

20