Топливо для карбюраторных двигателей

ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ ТРЕБОВАНИЯ

 

Тепловую энергию, выделяющуюся при сгорании топлива, тепловые двигатели преобразуют в механическую работу.

По характеру образования горючей смеси тепловые двигатели делятся на два вида: с внешним смесеобразованием (в цилиндр поступает заранее приготовленная горючая смесь) и с внутренним смесеобразованием (горючая смесь образуется непосредственно в цилиндре двигателя). К первым относятся карбюраторные, а также газовые двигатели, ко вторым – дизельные.

Карбюраторные двигатели устанавливаются на легковых и грузовых автомобилях, комбайнах, мотоциклах, самоходных шасси, тракторах, поршневой авиации. Долговечность, надёжность работы карбюраторного двигателя, его мощность и экономичность во многом зависят от качества применяемого топлива – бензина различных марок и керосина. Основную массу этих топлив получают из нефти, в небольших количествах – из твёрдых видов топлив (ископаемые угли, сланцы). Любое топливо должно отвечать требованиям ГОСТ, в котором указываются численные значения основных физико-химических параметров топлива. По этим параметрам можно установить, как топливо будет сгорать в двигателе, не вызовет ли детонации, каковы испаряемость топлива и его пусковые свойства, насколько оно склонно к нагарообразованию, не будет ли вызывать коррозии деталей двигателя. Партия топлива, поступающего к потребителю, должна иметь паспорт, в котором указываются основные свойства данного топлива. Сравнив данные паспорта с требованием ГОСТ, дают заключение о качестве топлива, его свойствах и возможности использования в двигателях. Топливо, не соответствующее требованиям ГОСТ, не должно использоваться в двигателях; в противном случае наблюдаются большие перерасходы топлива, быстрее изнашиваются детали двигателя, а иногда случаются аварии.

Основные эксплуатационные требования к топливу, используемому в карбюраторных двигателях:

- топливо должно иметь высокие карбюрационные свойства, то есть обеспечивать лёгкий пуск двигателя и образование горючей смеси, дающей устойчивую работу двигателя при всех возможных режимах;

- топливо должно иметь возможно более высокую теплоту сгорания;

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

- не должно вызывать смоло- и нагарообразования на деталях двигателя;

- при хранении и применении топливо не должно вызывать коррозии металла резервуаров, баков, топливопроводов и деталей двигателя, то есть должно иметь возможно более высокие антикоррозийные свойства.

 

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. Схема простейшего карбюратора показана на рис. 3.

В карбюраторе распылённое топливо смешивается с необходимым для сгорания воздухом. Полученная горючая смесь через впускной клапан поступает в цилиндр двигателя, где перемешивается с газами, оставшимися от предыдущего цикла (такая смесь называется рабочей), и подвергается сжатию. В конце процесса сжатия, за 15–20° до подхода поршня к ВМТ, рабочая смесь воспламеняется от электрической искры запальной свечи.

 

 

Рис. 3. Схема карбюратора:

1 – жиклёр; 2 – поплавковая камера; 3 – диффузор;

4 – камера сгорания

 

Топливо сгорает, образовавшиеся газообразные продукты расширяются и давят на днище поршня, совершается рабочий ход, после которого поршень двигается к ВМТ, а отработавшие газы уходят через выпускной клапан (выхлоп). Здесь совершается четырёхтактный цикл: всасывание, сжатие, рабочий ход, выхлоп – такие двигатели называются четырёхтактными. Один рабочий цикл совершается за четыре хода поршня. При всасывании поршень движется вниз, воздух с очень большой скоростью поступает через диффузор 3, создавая разрежение в пространстве над жиклёром 1. Благодаря разрежению топливо всасывается по жиклёру из поплавковой камеры 2, которая через топливный насос и фильтр-отстойник соединена с топливным баком. Топливо из жиклёра выходит тонкой струёй, подхватывается быстро движущимся воздушным потоком и распыляется на мельчайшие капельки. Бóльшая часть капелек испаряется, перемешивается с воздухом, и газообразная горючая смесь поступает в цилиндр двигателя. Небольшая часть топлива оседает на стенках трубопроводов, образуя жидкую плёнку, которая движется по ходу воздуха и также частично испаряется. Если топливо обладает хорошей испаряемостью, то в камеру сгорания 4 поступает паровоздушная смесь, где и происходит её полное сгорание.

Если испаряемость топлива плохая, то значительная его часть остаётся в капельножидком или плёночном состоянии, такая смесь полностью сгореть не может. Несгоревшие капли частично выбрасываются с отработавшими газами, а частично через неплотности цилиндра и поршневых колец проникают в картер двигателя, смывая смазку и увеличивая износ деталей двигателя. Несгоревшая часть топлива участвует в образовании нагара на горячих деталях двигателя. Следовательно, плохая испаряемость топлива вызывает его перерасход, приводит к повышенному износу деталей, повышенному нагарообразованию, падению мощности и другим неполадкам.

На испаряемость топлива и его карбюрационные свойства влияет ряд физико-химических параметров, но в первую очередь испаряемость зависит от фракционного состава топлива, который характеризует способность топлива переходить из жидкого состояния в газообразное. Карбюраторные топлива по своему составу — сложная смесь углеводородов с различными температурами кипения и плавления, вязкостью и плотностью. Обычно в состав бензинов входят углеводороды с температурами кипения от 40 до 200 °С, причём бензины разных марок имеют неодинаковый фракционный состав. У одних бензинов конец кипения 160 °С, у других 205 °С, то есть испаряемость последних хуже, чем первых. Конец кипения керосина 300 °С, и для его испарения предусмотрены специальные приспособления.

В практических условиях испаряемость топлива оценивается стандартным методом фракционной разгонки по ГОСТ.

По данным фракционной разгонки топлива строят кривую, откладывая по оси абсцисс полученные температуры в градусах цельсия, а по оси ординат — объёмные проценты отогнанного топлива при данных температурах. На рис. 4 приведена кривая разгонки бензина, на которой показаны основные фракции бензина. Фракционный состав в ГОСТ нормируется пятью характерными точками: начало перегонки, температура перегонки 10, 50, 90 % топлива и конец перегонки.

Температуры от начала перегонки до перегонки 10 % топлива соответствуют испарению легкокипящих углеводородов, обладающих высокой упругостью паров. Эта фракция называется головной, или пусковой. Чем ниже температура перегонки 10 % топлива (), тем лучше его пусковые свойства. Для возможности пуска холодного двигателя нужно, чтобы эта температура была не выше 70–80 °С. У специальных зимних бензинов пусковые фракции перегоняются до 55–65 °С. Эти бензины обеспечивают пуск холодного двигателя при температурах окружающего воздуха –20 –25 °С. Зная .можно подсчитать минимальную температуру воздуха (), при которой возможен пуск двигателя на данном топливе:

 

.

 

При температурах окружающего воздуха ниже –25 °С требуется предварительный прогрев двигателя и применение специальных сортов зимних масел.

 

 

Рис. 4. Основные фракции бензина

 

Разработан комплекс мероприятий, позволяющий запускать двигатель без предварительного прогрева при температурах окружающего воздуха до – 40 °С. В этот комплекс входят: использование северного бензина, арктического трансмиссионного масла, масел типа АКЗп-6 или Север-6М, а главное, применение пусковой жидкости. Разработана легковоспламеняющаяся пусковая жидкость «Арктика», содержащая диэтиловый эфир¹ (до 50–60 %), газовый бензин (около 35 %), различные продукты окисления углеводородов (пероксиды, альдегиды, спирты²), а также противоизносные и противозадирные присадки, улучшающие работу трущихся пар и снижающие износ деталей в пусковой период. Пусковая жидкость «Арктика» сильно облегчает запуск, значительно сокращает время от первой вспышки до устойчивой работы двигателя и не влияет на износ деталей.

Лёгкие, 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 пробки. Коэффициент наполнения цилиндра двигателя снижается, и нарушается нормальная работа, поэтому в бензинах не допускается в большом количестве содержание легкокипящих углеводородов (начало кипения летнего бензина должно быть не ниже +35 °С).

Температуры перегонки от 10 до 90 % топлива соответствуют испарению углеводородов, называемых рабочей фракцией. По стандарту на кривой нормируется точка, показывающая температуру, при которой перегоняется 50 % топлива. От испаряемости рабочей фракции зависит время прогрева двигателя, то есть 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 приёмистость двигателя и устойчивей его работа. Для бензинов 50 % топлива должно перегоняться при температуре не выше 145 °С, а для керосинов – не выше 200 °С. Чем ниже эта температура, тем лучше испаряется топливо.

Температуры перегонки от 90 % топлива до конца перегонки соответствуют испарению тяжёлых углеводородов, называемых хвостовой фракцией. Чем меньше разница между температурой перегонки 90 % и концом перегонки, тем выше качество топлива, меньше в нём содержится тяжёлых, трудноиспаряющихся углеводородов, полнее сгорает топливо. При плохом сгорании топлива часть его остаётся в капельножидком состоянии и, проникая в картер двигателя, разжижает масло, что приводит к повышенному износу поршневой группы и перерасходу топлива. Например, повышение

температуры конца кипения бензина от 200 до 225 °С в 2 раза повышает износ деталей и на 7–8 % увеличивает расход топлива.

 

 

Рис. 5. Кривые перегонки основных сортов карбюраторных топлив:

1 – бензин авиационный; 2, 3 – бензины автомобильные; 4 – керосин тракторный

 

В связи с тем, что температура перегонки 90 % топлива показывает склонность его к конденсации, эту температуру также называют точкой росы, для бензинов различных марок она составляет 160–195 °С. Фракционный состав современных бензинов (ГОСТ) обеспечивает полноту их сгорания. Дальнейшее облегчение состава нецелесообразно, так как существенно не влияет на уменьшение износа деталей двигателя и расход бензина, но значительно уменьшает его количество при его получении.

Фракционная перегонка выявляет качество карбюраторного топлива; по ней можно судить об образовании горючей смеси не только при пуске двигателя, но и при всех режимах его работы. На рис. 5. показаны кривые перегонки основных сортов карбюраторных топлив.

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

Жидкость испаряется с поверхности при любой температуре, но количество образующегося пара и его упругость при низкой температуре будут небольшими. При повышении температуры возрастают количество образующегося пара и его упругость. Упругость паров бензинов одинакового фракционного состава различна, так как зависит от химического состава углеводородов. Как правило, чем ниже температура кипения жидкости, тем выше упругость пара. 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 (бензопомпа подаёт смесь жидкой и паровой фаз топлива), что вызывает падение мощности и перегрев двигателя. Для бензинов ограничивается содержание легкокипящих углеводородов и упругость пара. Так, для всех марок авиационных бензинов 10 % топлива должны перегоняться в пределах температур от 60 до 70 °С, а упругость пара должна быть не ниже 240 мм рт. ст. (для обеспечения пусковых свойств) и не выше 360 мм рт. ст. (во избежание образования паровых пробок в бензосистемах). Давление насыщенных паров летних автомобильных бензинов допускается не выше 500 мм рт. ст., а зимних сортов – от 500 до 700 мм рт. ст.

Для определения давления насыщенного пара (методом по ГОСТ) используется специальный прибор (бомба Рейда), схема которого показана на рис. 6. Основная часть прибора – стальная бомба 2, состоящая из двух соединённых между собой цилиндрических камер А и В. Верхняя камера В, имеющая объём в 4 раза больше, чем камера А, соединена с манометром. Топливо (100 мл) заливают в нижнюю камеру, собирают прибор и помещают бомбу в водяную баню 1. Постоянная температура бани (+38 °С) поддерживается автоматическим термостатом 4 (выше этой температуры топливо не нагревается в баках машин). Испаряющееся в камере А топливо поступает в камеру В и оказывает давление на стенки сосуда и манометр 3.

Упругость пара – это максимальное давление, показываемое манометром. Этим методом можно определить давление насыщенного пара с погрешностью до ±15 мм рт. ст. ( 0,02 Вar).

Более точным является метод, разработанный Валявским и Бударовым, позволяющий определять давление насыщенных паров моторных топлив в широких интервалах отношений паровой и жидкой фаз от 60: 1 и до 1: 1 и в широком диапазоне температур от 0 до 100 °С. Однако при определении упругости пара автомобильных бензинов этот метод широкого распространения не имеет.

Образование горючей смеси зависит от скрытой теплоты парообразования, то есть от количества теплоты, необходимой для получения из 1 кг жидкости 1 кг пара при той же температуре. Значения теплоты парообразования различных автомобильных бензинов близки: 293–314 кДж/кг, для бензола эта величина составляет 377 кДж/кг. Чем выше теплота парообразования, тем хуже карбюрационные свойства топлива.

 

 

Рис. 6. Схема прибора для определения упругости пара (а)

и разрез бомбы Рейда (б):

1 – водяная баня; 2 – бомба; 3 – манометр; 4 – термостат; 5 - термометр

 

На образование горючей смеси существенное влияние оказывает поверхностное натяжение жидкости, то есть сила, с которой жидкость сопротивляется изменению своей поверхности. Обычно, чем выше вязкость продукта, тем больше его поверхностное натяжение; при повышении температуры и давления поверхностное натяжение уменьшается.

Поверхностное натяжение зависит от среды, где происходит образование капель. Для бензинов поверхностное натяжение на границе с воздухом примерно в 2 раза меньше, чем на границе с водой. Чем плотнее плёнку образуют капли топлива, тем труднее условия его испарения, чем ниже поверхностное натяжение, тем лучше распыливание и испарение топлива.