Образование отложений во впускной системе двигателя

 

При работе двигателя часть низкокипящих фракций бензина попадает на стенки впускного трубопровода и движется по ним в направлении цилиндров двигателя. Вместе с этими фракциями бензина в жидкой пленке находится большая часть высокомолекулярных продуктов окисления – смолистых веществ. Естественно, что концентрация смолистых веществ в жидкой пленке в десятки раз превышает концентрацию смолистых веществ в исходном бензине. На пути от карбюратора до впускного клапана стенки трубопровода, по которому поступает жидкая пленка, для лучшего испарения непрерывно подогреваются выпускными газами или охлаждающей жидкостью, применяемой для охлаждения двигателя. В этих условиях происходит довольно энергичное окисление не только углеводородной части бензина, но и ранее накопившихся смолистых веществ с образованием продуктов, нерастворимых в бензине. Выпавшие смолы отлагаются на стенках впускного трубопровода, где под действием температуры претерпевают химические изменения и превращаются в твердые, трудно удаляемые отложения.

Слой смолистых отложений сокращает полезное сечение впускного трубопровода и создает дополнительное сопротивление на всасывании, в результате чего ухудшается наполнение цилиндров двигателя горючей смесью. Отложения, образующиеся во впускном трубопроводе, кроме того, обладают плохой теплопроводимостью, что затрудняет подвод тепла к рабочей смеси и тем самым ухудшает условия испарения топлива. Отложения такого типа, образующиеся на штоках и тарелках впускных клапанов, нарушают нормальную работу клапанного механизма и могут привести к зависанию клапанов. Все эти явления сопровождаются снижением мощности и экономичности двигателя.

Содержание фактических смол в бензине является одним из важнейших показателей его качества и обязательно указывается в паспорте на бензин.

Между содержанием фактических смол в бензине и количеством отложений, образующихся во впускном трубопроводе, существует прямая зависимость, рис.4.

Отложения во впускном трубопроводе, мг
10 20 30 40 50
Фактические смолы, мг/100 мл

 

Рис.4. Зависимость количества отложений во впускной системе двигателя от содержания фактических смол в бензине

 

Из этого рисунка видно, что при нормальном содержании смол в бензине отложений во впускном трубопроводе должно быть не больше 50 мг, при использовании же заданного в задании бензина АИ-93 с фактическим содержанием смол 36 мг/100 мл будем иметь 200 мг отложений, что превышает норму в 4 раза.

Т.е. имеем из-за твердых отложений смол на элементах системы питания (а они точно будут, т.к. смол в 5 раз больше, чем допускается стандартом, и отложений в трубопроводе как минимум в 4 раза больше) плохое распыление бензина, плохую его испаряемость, следовательно, плохое смесеобразование (бедная смесь, т.к. недостаточно паров бензина).

 

Нагарообразование в камерах сгорания

Образование нагара в камерах сгорания вызывает значительное ухудшение эксплуатационных показателей автомобильных карбюра­торных двигателей. В результате нагарообразования снижается к. п. д. двигателя и соответственно ухудшаются его мощностные и экономиче­ские показатели. Одной из основных причин снижения к. п. д. дви­гателя является уменьшение коэффициента наполнения, связанное с подогревом горючей смеси от слоя отложений.

Образование нагара в камере сгорания вызывает увеличение требу­емого октанового числа топлива, а при неизменном октановом числе приводит к работе с детонацией или падению мощности при более позднем угле опережения зажигания.

Причины, вызывающие увеличение требуемого октанового числа топлива из-за образования нагара в камере сгорания двигателя, могут быть разделены на три основные группы.

1. Влияние нагара на объем камеры сгорания. Отложение нагара занимает часть объема камеры сгорания, поэтому в его присутствии увеличивается степень сжатия двигателя и соответственно возрастают требования к детонационной стойкости применяемых бензинов.

2. Термическое влияние нагара. Склонность топливо-воздушной смеси к детонации увеличивается с повышением температуры. Отложения нагара обладают хорошими теплоизоляционными свойствами и препятствуют теплопередаче от горючих газов к охлаждающей жидкости. Кроме того, экспериментально установлено, что отложения имеют большую теплоемкость и, поглощая тепло при сгорании топлива, отдают его вновь поступающим порциям смеси, нагревая их до высоких температур. Такое совместное действие, как передача тепла свежим порциям смеси и уменьшение отвода тепла от продуктов сгорания. Приводит к общему повышению температуры в камере сгорания и способствует протеканию реакций, подготавливающих детонацию.

3. Каталитическое влияние нагара. Горячие отложения на стенках камеры сгорания способствуют каталитическому ускорению реакций, вызывающих детонацию.

Влияние каждого из перечисленных свойств нагара на повышение требований к октановому числу бензина неодинаково. Наибольшее влияние оказывает термическое действие нагара.

Отложения нагара могут вызывать неуправляемое воспламенение рабочей смеси. Частички углеродистого нагара, "тлеющие" в камере сгорания, могут служить источником произвольного воспламенения рабочей смеси, что приводит к потере мощности, возрастанию нагрузок на поршень и появлению шумов.

Попадание нагара на электроды и изоляторы свечей приводит к нарушению нормальной работы свечей зажигания.

Новые форсированные двигатели с высокими степенями сжатия и жесткими тепловыми режимами особенно чувствительны к нагарообразованию в камерах сгорания. рабочая смесь по мере повышения степени сжатия становится в конце такта сжатия все более и более подготовленной к воспламенению. Такая смесь легко воспламеняется от горячих частиц нагара.

Кроме того, отложение нагара в двигателях с высокими степенями сжатия приводит к необходимости увеличения детонационной стойкости высокооктановых бензинов, что связанно не только с техническими трудностями, но и с большими экономическими затратами.

Была исследована склонность к образованию нагара у ряда товарных бензинов. Наибольшую склонностью к нагарообразованию показали бензины А-66, а минимальная оказалась у бензинов А-72.

Наименьшую склонность к нагарообразованию среди компонентов автомобильных бензинов имеют продукты прямой перегонки нефти (в бензине АИ-93 их по стандарту около 23%) Наибольшую склонность к нагарообразованию имеют бензины термического крекинга и каталитического риформинга жесткого режима. При их сгорании образуется в 6-7 раз больше нагар, чем при сгорании бензинов прямой перегонки. Бензины других каталитических процессов по склонности к нагарообразованию занимают промежуточное положение между бензинами прямой перегонки (5-13 мг/ч) и термического крекинга (48-49 мг/ч).

Склонность автомобильных бензинов к нагарообразованию зависит главным образом от содержания в них непредельных и ароматических углеводоровов. Но общее количество непредельных углеводородов в бензине не может служить критерием оценки его склонности к нагарообразованию.

Современные высокооктановые бензины либо не содержат непредельных углеводородов, либо содержат небольшое количество относительно неактивных углеводородов этого класса.

На нагарообразование также оказывают влияние неуглеводородные примеси, наибольшее могут оказывать сернистые и кислородные соединения.

Об участии сернистых соединений в образовании нагаров говорит то, что в составе нагаров всегда отмечается относительно большое содержание серы. Испытания бензинов показали, что с увеличением содержания серы в бензине возрастает его склонность к нагарообразованию. Вот эта зависимость:

Содержание серы в бензине, % 0,046 0,100 0,200 0,367 Количество нагара, г 1,9 2,93 4,26 5,67

Различное содержание фактических смол в бензине в пределах допустимых норм практически не влияет на нагарообразование в двигателе. Однако, при длительной работе двигателя на бензинах с большим содержанием фактических смол или даже при кратковременных испытаниях бензинов с чрезвычайно большим количеством смол (что наблюдается в заданном в задании бензине) замечено некоторое увеличение нагарообразовния, которое является следствием механического уноса некоторой части смолистых отложений из впускной системы в камеру сгорания двигателя.

В заданном в задании бензине содержание серы равно 0,3% (в 3 раза превышает норму), как видно из зависимости при норме (0,1% серы в бензине) может быть 2,93 г нагара, а в заданном АИ-93 значение нормы превышается почти в 2 раза (около 5 г). Следовательно, у данного бензина склонность к увеличению нагарообразования.

 

Коррозийные свойства бензинов

Автомобильные бензины при транспортировке, хранении и применении соприкасаются с самыми различными металлами. Сталь трубопроводов и резервуаров, медь, латунь и другие сплавы топливных систем автомобилей подвергаются коррозийному разрушению под действием автомобильных бензинов.

Коррозийная агрессивность бензинов обуславливается содержащимися в них неуглеводородными примесями и, в первую очередь, сернистыми и кислородными соединениями и водорастворимыми кислотами и щелочами.

Среди кислородных соединений, попадающих в бензин из нефти, наибольшей коррозийной агрессивностью обладают нафтеновые кислоты. Однако они оказывают заметное коррозийное действие только на свинец и цинк, на прочие цветные металлы, а тем более на черные, они действуют незначительно.

Обычно в бензинах присутствует очень незначительное количество нафтеновых кислот, которое регламентируют нормой на кислотность только что выработанного бензина. Кислотность бензина определяется по

ГОСТ 5985-59. Кислотность выражается в миллиграммах едкого калия (КОН), необходимого для нейтрализации кислот, находящихся в 100 мл бензина.

Установлено, что в процессе хранения одновременно с ростом содержания смолистых веществ в бензинах увеличивается их коррозийная агрессивность. Однако содержание смолистых веществ в бензине достигает предельно допустимых величин значительно раньше, чем начинает заметно увеличивается коррозийная агрессивность.

Из сказанного выплывает, что, поскольку кислотность в 3 раза меньше, чем необходимо по стандарту, коррозийная агрессивность будет в 3 раза выше, т.к. для нейтрализации кислот, находящихся в бензине и обуславливающих коррозию, вместо 3 мг едкого калия на 100 мл бензина присутствует всего 1 мг. Будет иметь место высокая коррозийная агрессивность бензина, а особенно на свинец и цинк.

 

Коррозия деталей двигателя