Топлива для двигателей с искровым зажиганием

Топлива для двигателей с искровым зажиганием

В качестве топлива в двигателях с искровым зажиганием применяются  автомобильные бензины, которые  подразделяются на летние и зимние (кроме марки АИ-98). Зимние сорта  применяют с 1 октября по 1 апреля. В период перехода с одного сорта  топлива на другой можно применять  их смеси. В соответствии с требованием  стандарта сорт топлива определяется по температуре t9o> ПРИ которой  перегоняется 90% топлива, и по температуре  конца кипения к-к. Для летних бензинов t90 < 180 °С и tKK < 195 °С, для  зимних — соответственно 160 и 185 °  С.

Бесперебойная подача топлива из бака к карбюратору обеспечивается отсутствием  паровоздушных пробок, механических примесей и воды. Паровоздушные пробки нарушают поток топлива, и насос  не подает топливо в карбюратор. Это происходит, когда температура  в подкапотном пространстве превышает  температуру начала кипения топлива.

Качество горючей смеси, подаваемой в цилиндр, зависит от дозирования  и испарения топлива. Дозирование  обеспечивается пропускной способностью жиклеров и уровнем топлива в  поплавковой камере карбюратора. Для  нормальной работы двигателя очень  важно полное испарение подаваемого  топлива и образование горючей  смеси (топлива с воздухом). Качество этой смеси зависит от вязкости, фракционного состава и температуры  топлива.

Полнота испарения топлива влияет на топливную экономичность и  устойчивость работы двигателя. Испаряемость бензина зависит от фракционного состава. В стандартах качество топлива  нормируется по пяти точкам: температуре  начала и конца кипения, выкипания 10, 50, 90% бензина. С увеличением в  бензине содержания легких углеводородов  облегчается запуск двигателя.

Для легкого запуска двигателя  температура выкипания 10% бензина  не должна превышать 79 °С. Однако температура  начала кипения не должна быть ниже 35 °С, так как в теплое время  года легкое топливо испаряется в  то-пливоподающей системе, что приводит к образованию газовых пробок, снижению эффективности работы и  перегреву двигателя.

Испаряемость топлива оценивается  давлением насыщенных паров на стенки сосуда, в котором оно находится. Для летних топлив давление насыщенных паров допускается до 66,5 кПа, а  для зимних — до 93,1 кПа.

Мягкая работа двигателя зависит  от скорости горения топлива. Нормальное горение характеризуется скоростью  распространения пламени в пределах 30-50 м/с. При неблагоприятных условиях протекания процесса горения скорость распространения пламени возрастает до 2000-2500 м/с. Это явление сопровождается характерным металлическим стуком и называется детонацией. Интенсивная  детонация приводит к разрушению поршней и отказу двигателя. Различают  три группы факторов, влияющих на детонацию: конструктивные, эксплуатационные и  связанные с химическим составом топлива. Экспериментальные исследования показывают, что детонация усиливается  с повышением степени сжатия и  увеличением диаметра цилиндра двигателя. К эксплуатационным факторам относятся: нагрузка, частота вращения, температура  охлаждающей жидкости и угол опережения зажигания.

Увеличение нагрузки, угла опережения зажигания, слоя нагара в камере сгорания, температуры охлаждающей жидкости и снижение частоты вращения приводят к усилению детонации.

Показателем, характеризующим топливо, является его детонационная стойкость, которая оценивается октановым  числом (04). Оно определяется по формуле 
04 = 125,4 – 413/6+ 0.183.D, 
где е — степень сжатия; D — диаметр цилиндра.

Повысить 04 топлива можно тремя  способами:  
1) применением современных технологий, например каталитического крекинга;  
2) добавлением в базовые бензины высокооктановых компонентов (изооктана и др.);  
3) добавлением антидетонаторов. Самым эффективным антидетонатором является тетра-этилсвинец; добавление 10,5 г тетраэтилсвинца на 1 кг топлива повышает 04 до 10 единиц, однако увеличение происходит нелинейно и добавление более 1 г/кг нерационально.

По антидетонационным свойствам  тетраэтилсвинец не имеет себе равных, однако обладает высокой токсичностью и в чистом виде не применяется, поскольку  при сгорании его образуются нелетучие  соединения свинца. Поэтому в качестве антидетонатора используется этиловая жидкость, состоящая из тетраэтилсвинца (53-58%) и выносителей свинца (хлористых  и бромистых соединений).

Имеется органическая присадка циклопентадиенилтрикарбонил  марганца, которая по антидетонационным  свойствам не уступает тетраэтилсвинцу, а по токсичности соответствует  неэтилированному бензину.

Неустойчивая работа двигателя  наблюдается и при неуправляемом  процессе горения, когда горючая  смесь воспламеняется не от искрового  разряда, а от перегретых частиц нагара. Неуправляемое горение сопровождается глухими ударами, вибрацией, дымным выхлопом и работой на холостом ходу при выключенном зажигании.

Коррозионная активность топлива  зависит от наличия в нем серы, кислот и щелочей. Кислоты и щелочи вследствие их сильного коррозионного  воздействия на металлы должны в  топливах отсутствовать. Содержание серы жестко нормируется и не должно превышать 0,1%, а для бензинов высшего сорта  — 0,01%. Все соединения серы при сгорании образуют оксиды SO2 и SO3, которые при  взаимодействии с водой переходят  в серную или сернистую кислоту, обладающую сильным коррозионным воздействием на металлы.

Химическая стабильность топлива  зависит от содержания в нем смол и нестабильных углеводородов. Ее оценивают  индукционным периодом — временем (в минутах), в течение которого топливо при температуре 100 °С и  давлении 0,7 МПане вступает с кислородом в реакцию окисления. Для автомобильных  бензинов индукционный период должен быть не ниже 600-900 мин, а для бензинов высшего сорта — не менее 1200 мин.

Наличие в топливе смол, серы и  тяжелых фракций углеводородов  способствует образованию отложений  нагара и лака, которые увеличивают  расход топлива и снижают надежность работы двигателя.

Маркировка бензинов зависит от октанового числа и метода его  определения. В настоящее время  применяют моторный и исследовательский  методы. При моторном методе определения  октанового числа бензины обозначают буквой А и цифрой, указывающей  октановое число (например, А-72 или  А-76), а при исследовательском  методе — буквами АИ (например, АИ-93 или АИ-98). Отметим, что при исследовательском  методе октановое число на 5-8 единиц выше.

Для повышения качества топлив ужесточена норма на содержание вредных составляющих. Так, в бензинах допускается до 0,05% серы и введена норма на содержание бензола — не более 5%. Реализуются  также программы, направленные на решение  экологических проблем. ГОСТ Р51105-97 «Бензин для автомобильного транспорта»  предусматривают доведение требований к бензинам до уровня европейских  норм. В соответствии с ГОСТ Р51105-97 вырабатываются только неэтилированные  бензины. В зависимости от октанового числа по исследовательскому методу установлено четыре марки бензинов: «Нормаль-80», «Регуляр-91», «Премиум-95», «Супер-98». Две последние марки  по тексту полностью отвечают европейским  требованиям, конкурентоспособны на нефтяном рынке и предназначены в основном для зарубежных машин.

Для регионов с высокой плотностью автомобильного транспорта выпускаются  бензины с улучшенными экологическими показателями. Технические условия  на эти бензины устанавливают  более жесткие нормы по содержанию бензола, предусмотрено нормирование ароматических углеродов и увеличение моющих присадок. В маркировку этих бензинов после октанового числа  добавляют буквы ЭК. Например, АИ-92ЭК, АН-98ЭК.

Первый газовый двигатель построен в 1860 г. В настоящее время для  карбюраторных двигателей широко используются метан и пропан-бутановая смесь. Газ как моторное топливо по многим параметрам превосходит бензины. Он сгорает полнее, и концентрация оксида углерода в выхлопе в несколько  раз меньше. Кроме того, в природном  газе, как правило, нет серы, поэтому  в выхлопах газового двигателя нет  вредного для окружающей среды и  цилин-дропоршневой группы сернистого газа. Для газового топлива характерна более высокая антидетонационная  стойкость, так как среднее октановое  число природного газа недостижимо  для лучших марок бензина и  составляет 105 единиц (у лучшего бензина  «Экстра»— 95). Учитывая высокооктановые  характеристики природного газа, степень  сжатия можно повысить на 25%. По сравнению  с бензином газ горит при меньших  концентрациях, что позволяет изменением состава смеси регулировать мощность двигателя, т.е. газ как топливо значительно «послушнее» бензина. Он в 3 раза дешевле бензина.

Многочисленные испытания показали, что двигатель на газе имеет средний  ресурс на 40% выше. Это объясняется  тем, что при сгорании газа образуется меньше твердых частиц, вызывающих повышенный износ цилиндропорш-невой  группы, масляная пленка не смывается  бензином и газ практически не вызывает коррозии металла. Продолжительность  работы моторного масла выше в 2-2,5 раза.

Несмотря на многочисленные достоинства  природного газа, перевод на него двигателей затруднен из-за значительно более  низкой плотности газа (в 1000 раз) по сравнению с бензином, т.е. если заправлять автомобиль газом при атмосферном  давлении, то вместимость бака должна быть в 1000 раз больше. Чтобы не возить огромный прицеп с топливом, необходимо увеличить плотность газа путем  охлаждения его до -162 °С, превратив  в жидкость, или сжать до 20-25 МПа  и хранить в специальных баллонах. Затраты на сжатие газа в 3 раза меньше, поэтому данный способ применяется  более широко. Следует также учитывать, что наработка на одной заправке снижается на 45%.

Пропан-бутановая смесь находится  в жидком состоянии при давлении всего 1,6 МПа. Процесс заправки машин  пропан-бутановой смесью не сложен и аналогичен заправке бензином. Однако пропан-бутана получают в 25 раз меньше, чем природного газа, и применение его ограничено.

Пусковые качества двигателя, работающего  на газе, при температуре ниже -5 °С значительно ухудшаются.

В настоящее время в зависимости  от температуры окружающей среды  рекомендуются газы двух марок: СПБТЗ (смесь пропан-бутановая техническая  зимняя), которая применяется при  отрицательных температурах, и СПБТЛ (смесь пропан-бутановая техническая  летняя).

Фракционный состав бензинов

Фракционный состав бензинов определяют перегонкой на специальном приборе, при этом отмечают температуру начала перегонки, температуру выпаривания 10, 50, 90 % и конца кипения, или объем выпаривания при 70, 100 и 180°С. Требования к фракционному составу и давлению насыщенных паров бензинов определяются конструкцией автомобильного двигателя и климатическими условиями его эксплуатации.  
1. С одной стороны, необходимо обеспечить запуск двигателя при низких температурах, с другой стороны - предотвратить нарушения в работе двигателя, связанные с образованием паровых пробок при высоких температурах. Пусковые свойства бензина зависят от содержания в нем легких фракций, которое может быть определено по давлению насыщенных паров и температуре перегонки 10 % или объему легких фракций, выкипающих при температуре до 70°С. Чем ниже температура окружающего воздуха, тем больше легких фракций требуется для запуска двигателя. Однако чрезмерное содержание низкокипящих фракций в составе бензинов может вызвать неполадки в работе прогретого двигателя, связанные с образованием паровых пробок в системе топливоподачи. Причиной образования паровых пробок в автомобильном двигателе является интенсивное испарение топлива вследствие его перегрева. В условиях жаркого климата это явление может иметь массовый характер. Образование паровых пробок зависит от испаряемости бензина, температуры и конструкции двигателя. Чем выше давление насыщенных паров бензина, ниже температуры начала кипения и перегонки 10 % и больше объем фракции, выкипающей при температуре до 70 °С, тем больше его склонность к образованию паровых пробок.  
От содержания в бензине легкокипящих фракций зависит его физическая стабильность, т.е. склонность к потерям от испарения. Наибольшие потери от испарения имеют бензины, содержащие в своем составе низкокипящие углеводороды.  
2. От фракционного состава зависят такие показатели как скорость прогрева двигателя, его приемистость, износ цилиндро-поршневой группы. Приемистость - способность бензинов к повышению детонационной стойкости при добавлении антидетонаторов. Наиболее существенное влияние на скорость прогрева двигателя и его приемистость оказывает температура перегонки 50 % бензина. Температура выкипания 90 % бензина также влияет на эти характеристики, но в меньшей степени. Скорость прогрева двигателя, его приемистость зависят и от температуры окружающего воздуха. Чем ниже температура воздуха, тем ниже должна быть температура перегонки 50 % бензина для обеспечения быстрого прогрева и хорошей приемистости двигателя. При понижении температуры это влияние усиливается. Поэтому нормы на этот показатель также зависят от температурных условий эксплуатации и различаются по сезону и климатическим зонам.  
3. Для нормальной работы двигателя большое значение имеет полнота испарения топлива, которая характеризуется температурой перегонки 90 % бензина и температурой конца кипения. При неполном испарении бензина во впускной системе часть его может поступать в камеру сгорания в жидком виде, смывая масло со стенок цилиндров. Жидкая пленка через зазоры поршневых колец может проникать в картер, при этом происходит разжижение масла. Это приводит к повышенным износам и отрицательно влияет на мощность и экономичность работы двигателя. Снижение температуры конца кипения бензинов может повысить их эксплуатационные свойства, однако это снижает ресурс бензинов. Температура конца кипения (tк.к.) бензинов также характеризует полноту сгорания бензинов и равномерность распределения рабочей смеси по цилиндрам двигателя; при tк.к. выше 220 оС происходит неполное сгорание бензинов, повышается его расход, а также увеличивается износ двигателя, снижаются его экономичность и мощность.