1. АВТОМОБИЛЬНЫЕ ТОПЛИВА
1.1. Автомобильные бензины
Основные видытоплива для автомобилей — продукты переработки нефти — бензины и дизельныетоплива. Они представляют собой смеси углеводородов и присадок, предназначенныхдля улучшения их эксплуатационных свойств. В состав бензинов входятуглеводороды, выкипающие при температуре от 35 до 200 «С, а в составдизельных топлив — углеводороды, выкипающие в пределах 180...360 „С.
Бензины в силу своих физико-химическихсвойств применяются в двигателях с принудительным зажиганием (от искры). Болеетяжелые дизельные топлива вследствие лучшей самовоспламеняемостиприменяются в двигателях с воспламенением от сжатия, т.е. дизелях.
К автомобильнымбензинам предъявляются следующие требования:
•бесперебойнаяподача бензина в систему питания двигателя;
•образованиетопливовоздушной смеси требуемого состава;
•нормальное(без детонации) и полное сгорание смеси в двигателях;
•обеспечениебыстрого и надежного пуска двигателя при различных температурах окружающеговоздуха;
•отсутствиекоррозии и коррозионных износов;
•минимальноеобразование отложений во впускном и выпускном трактах, камере сгорания;
•сохранениекачества при хранении и транспортировке.
Для выполнения этихтребований бензины должны обладать рядом свойств. Рассмотрим наиболее важные изних.
Карбюранионные свойства. Бензин, подаваемый в систему питания смешивается своздухом и образует топливовоздушную смесь. Для полного сгорания необходимообеспечить однородность смеси с определенным соотношением паров бензина ивоздуха.
На протеканиепроцессов смесеобразования влияют следующие физико-химические свойства.
Плотностьтоплива - при +20 “С должна составлять 690...750 кг/м. При низкойплотности поплавок карбюратора тонет и бензин свободно вытекает из распылителя,переобогащая смесь. Плотность бензина со снижением температуры на каждые 10»С возрастает примерно на 1%.
Вязкость — сее увеличением затрудняется протекание топлива через жиклеры, что ведет кобеднению смеси. Вязкость в значительной степени зависит от температуры. Приизменении температуры от +40 до —40 °С расход бензина через жиклер меняется на20...30%.
Испаряемость -способность переходить из жидкого состояния в газообразное. Автомобильныебензины должны обладать такой испаряемостью, чтобы обеспечивались легкий пускдвигателя (особенно
зимой), его быстрыйпрогрев, полное сгорание топлива, а также исключалось образование паровыхпробок в топливной системе.
Давлениенасыщенных паров - чем выше давление паров при испарении топлива взамкнутом пространстве, тем интенсивнее процесс их конденсации. Стандартомограничивается верхний предел давления паров летом — до 670 ГПа и зимой — от670 до 930 ГПа. Бензины с более высоким давлением склонны к образованию паровыхпробок, при их использовании снижается наполнение цилиндров и теряется мощностьдвигателя, увеличиваются потери от испарения при хранении в баках автомобилей ина складах.
Низкотемпературныесвойства - характеризуют работоспособность топливоподающей системызимой. При низких температурах происходит выпадение кристаллов льда в бензине иобледенение деталей карбюратора. В бензине в растворенном состоянии находитсянесколько сотых долей процента воды. С понижением температуры растворимостьводы в бензине падает, и она образует кристаллы льда, которые нарушают подачубензина в двигатель.
Сгорание бензина. Под «сгоранием» применительно кавтомобильным двигателям понимают быструю реакцию взаимодействия углеводородовтоплива с кислородом воздуха с выделением значительного количества тепла.Температура паров при горении достигает 1500...2400 °С.
Теплота сгорания(теплотворная способность) — количество тепла, которое выделяется при полномсгорании 1 кг жидкого или твердого и м3 газообразного топлива (табл.17.1).
Таблица 1.1 Теплота сгорания различных топливТопливо Теплота сгорания, кДж/кг Бензин Дизельное топливо Спирт этиловый 44000 42 700 26000
Оттеплоты сгорания зависит топливная экономичность: чем выше теплота, тем меньшетоплива необходимо для м смеси.
Нормальное идетонационное сгорание. При нормальном сгорании процесс протекает плавно спочти полным окислением топлива и скоростью распространения пламени 10...40м/с. Когда скорость распространения пламени возрастает и достигает 1500...2000м/с, возникает детонационное сгорание, характеризующееся неравномернымпротеканием процесса, скачкообразным изменением скорости движения пламени ивозникновением ударной волны.
Детонация вызываетсясамовоспламенением наиболее удаленной от запальной свечи частибензино-воздушной смеси, горение которой приобретает взрывной характер. Условиядля детонации наиболее благоприятны в той части камеры сгорания, где вышетемпература и больше время пребывания смеси. Внешне детонация проявляется впоявлении звонких металлических стуков — результата многократных отражений отстенок камеры сгорания образующихся ударных волн.
Возникновению детонации способствуетповышение степени сжатия, увеличение угла опережения зажигания, повышеннаятемпература окружающего воздуха и его низкая влажность, особенности конструкциикамеры сгорания. Вероятность детонационного сгорания топлива возрастает приналичии нагара в камере сгорания и по мере ухудшения технического состояниядвигателя. В результате детонации снижаются экономические показатели двигателя,уменьшается его мощность, ухудшаются токсические показатели отработавших газов.
Бездетонационная работа двигателядостигается применением бензина с соответствующей детонационной скоростью.Углеводороды, входящие в состав бензинов, различаются по детонационнойстойкости. Наименее стойки к детонации нормальные парафиновые углеводороды,наиболее — ароматические. Остальные углеводороды входящие в состав бензинов, подетонационной стойкости занимают промежуточное положение. Варьируяуглеводородным составом, получают бензины с различной детонационной стойкостью, которая характеризуется октановым числом (04).
04 — это условный показательдетонационной стойкости бензина, численно равный процентному содержанию (пообъему) изооктана в смеси с нормальным гептаном, равноценной по детонагщоннойстойкости испытуемому топливу.
Для любого бензина октановое числоопределяют путем подбора смеси из двух эталонных углеводородов (нормальногогептана C7Hi6 с 04=0 иизооктана С^Н^ с 04=100), которая по детонационным свойствам эквивалентнаиспытуемому бензину. Процентное содержание в этой смеси изооктана принимают за04 бензина.
Определение 04 производится наспециальных моторных установках. Существуют два метода определения 04 — исследовательский (04И — октановое число по исследовательскому методу) и моторный(04М — октановое число по моторному методу). Моторный метод лучше характеризуетантидетонационные свойства бензина в условиях форсированной работы двигателя иего высокой теплонапряженности, а исследовательский — при эксплуатации вусловиях города, когда работа двигателя связана с относительно невысокимискоростями, частыми остановками и меньшей теплонапряженностью.
Наиболее важным конструктивнымфактором, определяющим требования двигателя к октановому числу, являетсястепень сжатия. Повышение степени сжатия двигателей автомобилей позволяетулучшить их технико-экономические и эксплуатационные показатели. При этомвозрастает мощность и снижается удельный расход топлива. Однако с увеличениемстепени сжатия необходимо повышать октановое число бензина. Поэтомуважнейшим условием бездетонационной работы двигателей является соответствиетребований к детонационной стойкости двигателей октановому числу применяемыхбензинов.
В топлива, детонационная стойкостькоторых не соответствуют требованиям, добавляют высокооктановые компоненты(бензол, этиловый спирт) или антидетонаторы.
Антидетонаторы. Несколько, десятилетий применяют тетраэтилсвинец (ТЭС) РЬ^СзЬ^д в сочетании с веществами, обеспечивающими отсутствие отложений окислов свинца в камересгорания, так называемыми выносителями. Например, в 1 кг бензина А-76содержится 0,24 г ТЭС.
В чистом виде ТЭС не применяют, аиспользуют этиловую жидкость (ЭЖ), состоящую из ТЭС, выносителей и красителей.ТЭС ядовит, поэтому искусственное окрашивание бензина, предупреждает обопасности. Добавлением ЭЖ увеличивают 04 на 8...12 единиц. Главный недостатокТЭС — ядовитость.
Ведутся исследования по созданиюантидетонаторов на основе марганца. Один из них — циклопентадиенилтрикарбонилмарганца -широко не применяется, так как отсутствует эффективный выноситель длянего.
Для определения детонационнойстойкости бензинов, полученных смешением двух марок с различными октановымичислами (по моторному методу), используется формула:
ОЧ=ОЧ„+Дп(ОЧв-ОЧн)/100, (17.1)
где ОЧц и ОЧв — октановые числа (по моторному методу)соответственно низко- и высокооктанового бензина;
Дв — доля высокооктанового бензина в смеси, %.
Следует обратить внимание на то, чтооктановое число бензина АИ-93 по моторному методу составляет не менее 85, абензина А-76 по исследовательскому методу — 80...82.
Отечественная промышленность выпускаетбензины следующих марок; А-76, А-80, АИ-92, АИ-93, АИ-95, АИ-98.
Маркировка бензинов включаетодну или две буквы и цифру: буква «А» — бензин автомобильный, «И» — исследовательский метод определения 04 (если нет «И» — то моторный), цифрауказывает на октановое число.
Автомобильные бензины, за исключением марки АИ-98, подразделяются на виды:
летний - для применения во всехрайонах, кроме северных и северовосточных, в период с 1 апреля до 1 октября; вюжных районах допускается применять летний вид бензина в течение всего года;
зимний - для применения втечение всех сезонов в северных и северо-восточных районах; в остальных районах- с 1 октября до 1 апреля.
В промышленно развитых странахприменяется в основном четыре типа бензинов: обычный неэтилированный с04=92..95, обычный этилированный с 04=92..95, «Супер» неэтилированный с04=96..98, «Супер» этилированный с 04=96..98. В'разных странах они называютсяпо-разному, но, зная возможные варианты, можно всегда определить, к какому типуотносится тот или иной бензин.
Например, в Германии используютследующие бензины: «Bleifrei» (дословный перевод «безсвинца») с 04=95, «Verbleit» (дословный перевод «сосвинцом») с 04=95, «Super bleifrei» с 04=96..98, «Super verbleit» с 04=96...98, «Super plus bleifrei» с 04=98.
1.2. Дизельные топлива
Дизельныедвигатели в силу особенностей рабочего процесса на 25...30% экономичнеебензиновых двигателей, что и предопределило их широкое применение. В настоящиевремя они устанавливается на большинство грузовых автомобилей и автобусов, атакже на часть легковых.
Эксплуатационныетребования к дизельным топливам (ДТ):
•бесперебойнаяподача топлива в систему питания двигателя;
•обеспечениехорошего смесеобразования;
•отсутствиекоррозии и коррозионных износов;
•минимальноеобразование отложений в выпускном тракте, камере сгорания, на игле ираспылителе форсунки;
•сохранениекачества при хранении и транспортировке. Наиболее важными эксплуатационнымисвойствами дизельного топлива являются его испаряемость, воспламеняемость и низкотемпературные свойства.
Испаряемостьтоплива определяется (^р^ционным составом.При облегчении топлива ухудшается пуск дизелей, так как легкие фракции имеют худшую по сравнению с тяжелыми фракциями самовоспламеняемость.Поэтому пусковые свойства дизельных топлив для автомобилей в некоторой степениопределяет температура выкипания 50%
топлива. Температура выкипания 96% топлива регламентирует содержание в топливе наиболее тяжелыхфракций, увеличение которых ухудшает смесеобразование, снижает экономичность, повышает нагарообразование и дымность отработавших газов.
Воспламеняемость ДТ характеризует его способность к самовоспламенению в камере сгорания.Это свойство в значительной мере определяет подготовительную фазу процессасгорания — период задержки воспламенения, который в свою очередьскладывается из времени, затрачиваемого на распад топливной струи на капли,частичное их испарение и смешение паров потлива с воздухом (физическаясоставляющая), а также времени, необходимого для завершения предпламенныхреакций и формирование очагов самовоспламенения (химическая составляющая).
Физическаясоставляющая времени задержки воспламенения зависит от конструктивныхособенностей двигателя, а химическая — от свойств применяемого топлива.Длительность периода задержки воспламенения существенно влияет на последующеетечение всего процесса сгорания. При большой длительности периода задержки воспламенения увеличивается количество топлива, химически подготовленного длясамовоспламенения. Сгорание топливовоздушной смеси в этом случае происходит сбольшей скоростью, что сопровождается резким нарастанием давления в камересгорания. В этом случае дизель работает «жестко».
«Жесткость» работыоценивают по нарастанию давления на 1° поворота коленчатого вала (KB). Двигатель работает мягко при нарастании давления2,5...5,0 кгс/см' на 1" поворота KB, жестко — при6...9 кгс/см, очень жестко — при нарастании давления более 9 кгс/см2.При жесткой работе поршень подвергается повышенному ударному воздействию. Этоведет к повышенному износу деталей кривошипно-шатунного механизма, снижаетэкономичность двигателя.
Склонность ДТ ксамовоспламенению оценивают по цетановому числу (ЦЧ).
ЦЧ — этоусловный, показатель воспламеняемости дизельного топлива, численно равныйобъемному проценту цетана в эталонной смеси с альфаметилнафталином, котораяравноценна, по воспламеняемости испытуемому топливу.
Для определения ЦЧсоставляют эталонные смеси. В их состав входят цетан С|^Нз4 и а-метилнафталинСцНю. Склонность цетана к самовоспламенению принимают за 100 единиц, аальфаметилнафталина -за 0 единиц. Цетановое число смеси, составленной из них,численно равно процентному содержанию (по объему) цетана.
Оценкусамовоспламеняемости ДТ производят аналогично методу оценки детонационнойстойкости бензйнов. Образец сопоставляется с эталонными топливами наодноцилиндровых двигателях ИТ-9.
СамовоспламеняемостьДТ влияет на их склонность к образованию отложений, легкость пуска и работудвигателя. Для современных быстроходных дизелей применяются топлива сЦЧ=45...50. Применение топлив с ЦЧ ниже 40 ведет к жесткой работе двигателя.Повышение ЦЧ выше 50 нецелесообразно, т.к. из-за малого периода задержкисамовоспламенения топливо сгорает, не успев распространиться по всему объемукамеры сгорания. При этом воздух, находящийся далеко от форсунки, не участвуетв горении, поэтому топливо сгорает не полностью. Экономичность дизеляухудшается, наблюдается дымление.
ЦЧ влияет напусковые качества ДТ. При высоких ЦЧ время пуска снижается, особенно при низкихтемпературах.
ЦЧ может бытьповышено двумя способами: регулированием углеводородного состава и введениемспециальных присадок.
1-й способ.В порядке убывания ЦЧ углеводороды располагаются следующим образом: нормальныепарафины — изопарафины — нафтены -ароматические. ЦЧ можно существенно повысить, увеличивая концентрацию нормальных парафинов и снижая содержание ароматических.
2-й способ более эффективен. Вводят специальные кислородосодержащие присадки — органическиеперекиси, сложные эфиры азотной кислоты и др. Эти присадки являются сильнымиокислителями и способствуют зарождению и развитию процесса горения. Пример:
добавление 1%изопропилнитрата повышает ЦЧ на 10...12 единиц. Кроме того, эта присадкаулучшает пусковые качества при низкой температуре и снижает нагарообразование.
Низкотемпературные свойства. При низких температурах высокоплавкие углеводороды, прежде всего нормальныепарафины, кристаллизуются. По мере понижения температуры дизельное топливопроходит через три стадии; вначале мутнеет, затем достигает так называемогопредела фильтруемости и, наконец, застывает. Связано это с тем, что сначала втопливе появляются разрозненные кристаллы, которые оседают на фильтрах иухудшают подачу топлива. При дальнейшем охлаждении теряется подвижность нефтепродуктов вследствие образования из кристаллизующихся углеводородовкаркаса.
Показатели, характеризующие начало кристаллизации углеводородов в топливе и потерю их подвижности стандартизованы.
Температурой помутненияназывают температуру, при которой топливо теряет прозрачность в результатевыпадения кристаллов углеводородов и льда. Бесперебойная работа двигателяобеспечивается при температуре помутнения топлива на 5...10 °С ниже температурывоздуха, при которой эксплуатируется автомобиль.
Температурой застыванияназывают температуру, при которой ДТ теряет подвижность, что определяют встандартном приборе, наклоненном
подуглом 45° к горизонтали, в течение 1 мин. Дизель работает бесперебойно притемпературе застывания топлива на 5...10 °С ниже температуры воздуха, прикоторой эксплуатируется автомобиль.
Нанефтеперерабатывающих заводах температуру помутнения и температуру застыванияпонижают удалением избытка высокоплавких углеводородов (депарафинизация).
Вэксплуатации такого же эффекта добиваются добавлением реактивного топлива.Например, при добавке 25% топлива Т-1 температура застывания летнего ДТ снижаетсяна 8...12 °С.
Низкотемпературныесвойства ДТ могут быть улучшены путем добавления присадок-депрессаторов(присадка «А», АзНИИ-ЦИАТИМ-1, полиметакрилат «Д»).
АссортиментДТ:
•ДЛ- дизельное летнее — для эксплуатации при температуре окружающего воздуха нениже 0 «С;
•ДЗ- дизельное зимнее — для эксплуатации при температуре окружающего воздуха нениже -30 „С;
•ДА- дизельное арктическое — для эксплуатации при температуре окружающего воздухане ниже -50 “С.
Таблица1.1
Требованияк дизельным топливамПоказатели ДЛ ДЗ ДА Цетановое число, не менее 45 45 45 Температура застывания (°С), не выше -10 -45 -55 Температура помутнения (»С), не выше -5 -35 Температура вспышки («С), не ниже 50 35 30
Таблица 1.2
Эффективность депрессорных присадокСостав Изготовитель присадки Показатели
Я 0й 0. ^
^§
g-ё
1^
» s
(- 0
с
с. ^
&. 5
>1 ПЗ 0 \- С; s
IIIй
2 с S
^ §
-9-
^ ^•1
и. 5 g S
^
E— rt эт ДЛ (без присадок) - -5 -7 -13 ДЛ + «STP Diesel Anti First Brands Corp. (США) -7 -15 -22