Анализ фракционного состава

 

Фракционный состав – один из важнейших показателей качества автомобильных бензинов. От фракционного состава бензина зависят такие характеристики двигателя, как легкость и надежность пуска, длительность прогрева, приемистость автомобиля и другие эксплуатационные показатели.

Фракцией называют часть бензина, выкипающую в определенных температурных переделах. Содержание в бензине тех или иных фракций характеризуют его фракционным составом.

Фракционный состав бензинов должен быть таким, чтобы обеспечить

- быстрый разгон автомобиля,

- минимальный расход топлива,

- равномерное качественное и количественное распределение смеси по цилиндрам двигателя,

- минимальный износ цилиндро-поршневой группы.

 

Климатические особенности эксплуатации автомобилей в различных районах страны в разное время года выдвигают два основных требования к фракционному составу бензинов

- обеспечение надежного пуска двигателя при низких температурах воздуха и

- предотвращение нарушений в работе системы питания двигателей, связанных с частичным испарением бензина при высоких температурах воздуха.

 

Влияние фракционного состава на пусковые свойства холодного двигателя

 

Трудности пуска холодного карбюраторного двигателя в зимнее время при низких температурах окружающего воздуха обуславливаются тремя основными причинами:

- ухудшением испаряемости бензина,

- возрастанием вязкости смазочного масла,

- понижением емкости и напряжения аккумуляторных батарей.

Кроме этих основных причин, пуск холодного двигателя затруднен вследствие увеличения утечек горючей смеси через неплотности, более интенсивной теплоотдачи в стенки камеры сгорания, низкой температуры нагрева смеси после сжатия.

При пуске двигателя испаряемость бензина во впускной системе ухудшается как за счет низкой температуры бензина, так и за счет плотного распиливания его при малых скоростях воздуха в диффузоре.

Содержание низкокипящих фракций, которые, испаряясь во впускном трубопроводе, создают тепловоздушную смесь, способную к воспламенению от искры, в современных бензинах контролируется величиной давления насыщенных паров и температурами начала перегонки и перегонки 10% бензина.

Предельная температура, при которой возможен пуск холодного двигателя, определяется по следующей зависимости:

t = 0,5*t_10% - 50,5 + (t_н – 50)/3,

t – минимальная температура воздуха, при которой возможен пуск двигателя, ⁰С;

t_10% - температура перегонки 10% бензина, ⁰С;

t_н – температура начала перегонки, ⁰С.

Для данного топлива минимальная температура воздуха, при которой возможен пуск двигателя, равна –12 ⁰С.

Применительно к Санкт-Петербургу, это очень маленькое значение, что приведет к серьезным проблемам запуска холодного двигателя.

Проанализируем еще одну характеристику фракционного состава – давление насыщенных паров.

Зависимость температуры возможного пуска двигателя от давления насыщенных паров изображено на рисунке 1.

Снижение давления насыщенных паров ниже 250 мм рт. ст. сопровождается резким ухудшением пусковых свойств.

 

 

Температура воздуха, ⁰С

		Пуск холодного двигателя возможен
Холодный двигатель не пускается

-4

-8

-12

-16

-20

-24

-28

150 200 250 300 350 400 450 500 550

Давление насыщенных паров, мм рт. ст.

 

Рис. 1. Зависимость температуры воздуха, при которой возможен пуск двигателя, от давления насыщенных паров бензинов

 

Как видно из рисунка, при заданном в условии давлении насыщенных паров (220 мм рт. ст.), минимальная температура воздуха, при которой возможен пуск двигателя, равна приблизительно -13 ⁰С. Т. е. Если температура воздуха будет ниже – холодный двигатель не запуститься. Соответственно, вывод – использование этого бензина зимой сопровождается плохим запуском холодного двигателя.

 

Влияние фракционного состава на обледенение карбюратора

 

Испарение бензина во впускной системе двигателя сопровождается понижением температуры топливно-воздушной смеси вследствие того, что тепло, необходимое для испарения бензина (теплота испарения), отнимается от воздуха, в котором происходит испарение, и от металлических деталей впускной системы. Отмечено, что при температуре окружающего воздуха +7,5^о С температура дросселя через 2 минуты после пуска двигателя снижается до –14^о С.

Исследованиями установлено, что снижение температуры во впускной системе двигателя зависит от испаряемости бензинов.

Вследствие понижения температуры топливно-воздушной смеси влага, находящаяся в воздухе, вымерзает и конденсируется на холодных деталях впускной системы, образуя корочки льда.

Обледенение дросселя ведет к уменьшению проходного сечения для воздуха. На малой частоте вращения коленчатого вала при неполной нагрузке на двигатель количество поступающей топливно-воздушной смеси уменьшается, частота вращения коленчатого вала двигателя снижается, появляются перебои в работ, сопровождающиеся тряской всего двигателя. В особо неблагоприятных случаях дроссельная заслонка может примерзнуть к диффузору и двигатель остановиться.

Образование льда на жиклерах нарушает нормальное истечение бензина, обедняет горючую смесь и ведет к нарушению процесса смесеобразования.

Степень обледенения карбюратора зависит от температуры и влажности воздуха, конструкции впускной системы, испаряемости бензина и величины скрытой теплоты испарения наиболее легких фракций бензина.

Наиболее "благоприятные" условия для обледенения карбюратора создаются в холодный сырой день, во время дождя или тумана. Наибольшее количество перебоев в работе двигателя вследствие обледенения карбюратора наблюдается при 100-% относительной влажности и температуре окружающего воздуха около 4-5⁰ С. Температура 11⁰ С слишком высокая для обледенения карбюратора, а при температуре ниже –2⁰ С даже в насыщенном воздухе находиться слишком мало влаги, чтобы вызвать обледенение карбюратора.

Исследования показали, что во всех случаях повышение температуры перегонки 10 и 505 бензина уменьшает возможность обледенения крбюратора. Повышение температуры испарения 10% бензина с целью предотвращения обледенения карбюратора не применяют, так как это ухудшает пусковые свойства бензина.

Итак, в связи с завышенными температурами перегонки 10 и 50% бензина имеем ухудшение пусковых свойст в автомобиля и отсутствие проблемы обледенения карбюратора.

 

Влияние фракционного состава на образование паровых пробок

Использование данного топлива летом

 

При эксплуатации отечественных автомобилей в жаркое время года довольно часто наблюдаются случаи самопроизвольной остановки двигателей вследствие образования паровых пробок.

Объясняется это явление следующим образом. При нагревании бензина в системе питания наиболее низкокипящие углеводороды испаряются, образуя пары, объемы которых в 150-200 раз больше объема испарившегося жидкого бензина. В этих условиях через систему питания идет смесь жидкости и паров бензина с небольшим количеством воздуха, который ранее находился в бензине и выделился из него при нагревании. Весовая производительность бензонасоса снижается. Горючая смесь, поступающая в двигатель, обедняется и двигатель останавливается.

Образование паровых пробок в системе питания зависит от

- испаряемости бензина,

- температуры давления бензина в системе,

- пропускной способности топливной системы и

- расхода бензина (режима работы двигателя).

Однако решающим фактором, обусловливающим образование паровых пробок, является температура нагрева бензина, она зависит от конструктивных особенностей системы и температуры окружающего воздуха. Температура воздуха в подкапотном пространстве обычно намного выше, чем температура окружающего воздуха.

Наиболее "удобным" местом образования паровых пробок является топливный насос.

Установлена зависимость предельных температур нагрева бензина, при которых двигатель останавливается вследствие образования паровых пробок, от температур перегонки 10% и давления насыщенных паров бензина. При температуре перегонки 10% бензина свыше 70 ⁰С температура нагрева бензинов до образования паровых пробок резко возрастает. Это характерно для заданного в задании топлива, у которого эта температура равна 84 ⁰С. В этом случае пропускная способность топливной системы оказывается достаточной для обеспечения бесперебойной работы двигателя при высоких температурах нагрева бензинов. Количество паров, образующихся при испарении таких бензинов в топливной системе, настолько мало, что поступление жидкой фазы полностью обеспечивает расход топлива на данном режиме работы двигателя. Использование этого бензина не повлечет образование перовых пробок.

Эти выводы следуют из следующих графических зависимостей (рис.2).

 

 

Температура бензина, при которой двигатель перестает работать, 0С                                                                                                                   Давление насыщенных паров, мм рт.ст

1                                                                                                 Температура перегонки 10% бензина, 0С

Рис.2. Зависимость температуры нагрева бензина, при которой образуются паровые пробки, от показателей фракционного состава и давления насыщенных паров, где

1,2,3 – это соответственно насосы типа Б-10, Б-9, Б-6

 

Проанализировав все вышеописанное, а также рассмотрев схемы температурных пределов работоспособности автомобильных двигателей в зависимости от фракционного состава и давления насыщенных паров применяемых бензинов (рис.28, ст. 75 источника 1), я могу сказать, что в данном задании речь идет о всесезонном южном сорте бензина. Он предназначен для применения в южных районах страны, расположенных южнее изотермы +25 ⁰С. Основным требованием к бензину является отсутствие паровых пробок в системе питания при температуре воздуха до +55 ⁰С. Бензин должен обеспечивать пуск холодного двигателя в зимнее время года при температуре воздуха –10 ⁰С.

Влияние фракционного состава на горячий пуск и работу двигателя на холостом ходу

Испаряемость бензина также может влиять на работу двигателя при повторном пуске. Возможно из-за чрезмерного испарения паров бензина вытеснение ними из карбюратора жидкого бензина в смесительную камеру, что приводит к образованию слишком богатой смеси. Но, поскольку проблем с испарением и работой при высоких температур нет, то проблем с запуском горячего двигателя теоретически быть не должно.

 

Влияние фракционного состава на приемистость и прогрев двигателя

Прогрев двигателя охватывает время от момента его пуска до достижения плавной устойчивой работы. Чем быстрее прогревается двигатель, тем меньше непроизводительные затраты времени и бензина, меньше износ деталей двигателя.

Скорость прогрева двигателя в значительной мере зависит от фракционного состава применяемого бензина.

Если бензин по фракционному составу не отвечает требованиям двигателя, то увеличивается время разогрева, при этом работа двигателя в период разогрева сопровождается рывками. В некоторых случаях возможны остановки двигателя в период прогрева.

На прогрев двигателя оказывает влияние температура перегонки 10,50 и 90% бензина, преобладающее влияние имеет температура перегонки 50% бензина.

Оптимальное значение температуры перегонки 50% бензина зависит от температуры воздуха, при которой происходит прогрев двигателя. С понижением температуры воздуха необходима более низкая температура перегонки 50% бензина. Результаты исследований позволяют рекомендовать для отечественных автомобильных бензинов определенные требования к температуре выкипания 50% сезонных бензинов, для бензина, о котором идет речь в этом задании, всесезонного южного она должна быть не выше 120 ⁰С. В заданном бензине это значение равно 158 ⁰С, что превышает рекомендуемую норму на почти 32%.

Весьма близкие требования к фракционному составу бензинов предъявляются для обеспечения хорошей приемистости двигателя. Под приемистостью двигателя принято понимать его способность обеспечить быстрый разгон автомобиля до нужной скорости после резкого открытия дросселя.

Приемистость автомобильного двигателя зависит от фракционного состава бензина (главным образом, температуры перегонки 50% бензина) и конструктивных особенностей карбюратора и впускной системы двигателя.

Оптимальный разгон достигается в том случае, если испаряемость топлива обеспечивает создание смеси воздуха с парами топлива в соотношении 12:1. При таком соотношении двигатель развивает наибольшую мощность.

В данном случае испаряемость хуже оптимальной на почти 32%, т.е. в результате смесеобразования получиться бедная смесь приблизительно 16:1, что значительно увеличит длительность разгона.

Поскольку прогрев двигателя обеспечивает приемистость двигателя, то из вышесказанного можно сделать вывод, что понадобиться больше времени для прогрева холодного двигателя, особенно эта проблема будет актуальна в зимнее время.

 

Влияние фракционного состава на износ двигателя и экономичность его работы

 

Полное испарение бензина в двигателе характеризуется температурами перегонки 90% бензина и конца его кипения. При высоких значениях этих температур тяжелые фракции бензина не испаряются во впускном трубопроводе двигателя и поступают в цилиндры в жидком виде. Жидкая часть бензина испаряется в камере сгорания не полностью, а неиспарившаяся часть протекает через замки поршневых колец в картер двигателя. При этом масло смывается со стенок цилиндров, а картерное масло разжижается.

Так установлено, что в картерное масло попадают главным образом фракции бензина, выкипающие при температуре выше 180 ⁰С, и вязкость смазочного масла несколько снижается. Однако основной причиной быстрого изнашивания автомобильных двигателей при использовании топлив с плохой испаряемостью является не разжижение масла, а его смывание с трущихся деталей неиспарившимся топливом. В месте смывания масла происходит полусухое трение деталей, сопровождающееся повышенным износом. Разжижение масла в картере лишь свидетельствует о том, что в двигателе происходит смывание масла, вызывающее повышенные износы. Сам бензин, попавший в масло, довольно быстро испаряется при работе двигателя, и вязкость масла восстанавливается.

Зависимость между температурой конца кипения применяемого бензина и общими износами двигателя показаны на рис.3.

Общий износ двигателя, %	400
Температура конца кипения бензина, 0С

 

 

Расход бензина, %
Температура конца кипения бензина, 0С

Рис.3. Влияние температуры конца кипения бензина

на его расход при эксплуатации автомобиля.

 

Весьма резкое увеличение износов двигателя происходит при использовании бензина с повышенной температурой конца кипения, (превышение ГОСТ-овской нормы на 25⁰).

При использовании бензинов с высокой температурой конца кипения наряду с повышенными износами наблюдается увеличение расхода топлива, усиливается неравномерность распределения горючей смеси по цилиндрам двигателя и повышается склонность бензина к нагарообразованию.

 

Анализ химической стабильности. Склонность бензинов к окислению

 

Способность бензинов противостоять химическим изменениям называют химической стабильностью.

На процесс окисления бензинов влияют неуглеводородные соединения, содержащиеся в бензинах. Сернистые соединения в больших концентрациях несколько ускоряют окисление.

Процесс окисления бензина первое время идет очень медленно и лишь после определенного промежутка времени скорость его возрастает, эта скорость определяет стабильность бензина, или склонность к окислению. Наиболее стабильным является бензин прямой перегонки, несколько ниже стабильность у бензина каталитического реформинга, еще ниже – у бензина каталитического крекинга и еще ниже у бензина термического крекинга. Наименее стабилен бензин термического риформинга. Другие бензины (продукты алкирования, изомеризации, гидрорирования) имеют высокую химическую стойкость.

Бензин АИ-93 готовят смешением компонентов, полученных только каталитическими процессами. Базовым компонентом является бензин платформинга жесткого режима. Также для обеспечения требований по фракционному составу добавляют бензин прямой перегонки и низкокипящие углеводороды и фракции.

На основе таблицы 29 на ст. 106 источника 1, я делаю вывод, что данный бензин обладает средней склонностью к окислению (если считать, что бензин прямой перегонки обладает 100%-ой стабильностью, то данный бензин обладает только 42%).

 

Склонность к образованию отложений в двигателе

 

При использовании автомобильных бензинов в двигателях наблюдается образование отложений в системе питания, впускном трубопроводе и на стенках камер сгорания.