Для обеспечения полного сгорания смеси в двигателе
за очень малый промежуток времени необходимо перевести бензин из жидкого
состояния в парообразное и смешать пары с определенным объемом воздуха,
т. е. создать горючую смесь. Такая смесь чаще всего создается вне
цилиндра двигателя, в карбюраторе. Испарение бензина начинается в
карбюраторе после распыливания, продолжается во впускном трубопроводе и
заканчивается в камерах сгорания двигателя.
Испаряемость бензинов должна быть такой, чтобы обеспечить создание смеси
паров с воздухом, которую можно было бы воспламенить с помощью
электрической искры. При этом смесь должна быть воспламеняема на всех
режимах работы двигателя при любых климатических условиях. Кроме того,
испаряемость должна
быть такой, чтобы обеспечить полный переход бензина
из жидкого в парообразное состояние до завершения процесса сгорания в
ци-линдрах двигателя, двигатели с воспламенением от искры предъявляют
наиболее жесткие требования к испаряемости топлива, поэтому в них
применяют самые легкие, бензиновые фракции продуктов переработки нефти.
Испаряемость топлив зависит от физических свойств топлив и условий
испарения. На испаряемость топлив влияют: тонкость распыла, скорость
воздушного потока, температура и давление воздуха и другие факторы,
зависящие главным образом от конструктивных особенностей систем питания
двигателей [7].
К физическим свойствам, определяющим скорость и полноту испарения
бензина, относят фракционный состав, давление насыщенных паров, теплоту
испарения, коэффициент диффузии паров, вязкость, поверхностное
натяжение, теплоемкость и плотность.
Давление насыщенных паров бензинов принято
определять двумя методами. По методу Рейда по манометру регистрируют
давление насыщенных паров бензина в специальной бомбе при 38 СС и
соотношении жидкой и паровой фаз, равном 1 :4. По методу, разработанному
Валявским и Бударовым, определяют изменение объема паровоздушной смеси
при нагревании бензина до 38 °С в стеклянном приборе при соотношении
фаз, равном 1 : 1. С увеличением соотношения паровой фазы к жидкой
давление насыщенных паров бензинов уменьшается. Происходит это
вследствие того, что содержание легкоисларяющихся углеводородов в
бензине ограничено, и при насыщении большого объема паровой фазы
измеренное давление насыщенных паров получается несколько меньшим.
Результаты по методу Рейда обычно на 8—10 кПа ниже значений, полученных
по методу Валявского — Бударова.
Фракционный состав бензинов определяют перегонкой в стандартизованных
условиях на специальном приборе. Регистрируют температуры, при которых
начинается и заканчивается перегонка бензина, и отгоняется его
определенный объем.
Пусковые свойства и склонность к образованию
паровых пробок
При пуске двигателя бензин во впускной системе должен испариться
настолько, чтобы образовать смесь с воздухом, способную воспламениться
от искры. Пусковые свойства бензина тем лучше, чем больше в нем
низкокипящих фракций.
Зависимость температуры возможного пуска двигателя
от давления насыщенных паров носит более сложный характер (рис. 3). При
давлении насыщенных паров ниже 33,3 кПа пусковые свойства бензинов резко
ухудшаются [4].
Таким образом, пусковые свойства бензинов улучшаются по мере облегчения
фракционного состава бензинов. Но применение очень легких бензинов
вызывает другие эксплуатационные затруднения— образование паровых пробок
в системе питания двигателей.
Появление паровых пробок и связанные с ними неполадки в работе двигателя
объясняются следующим. При нагревании бензина в системе питания
низкокипящие углеводороды испаряются, образуя пары, объем которых в
150—200 раз больше объема жидкого бензина. В результате через систему
питания идет смесь жидкости и паров бензина с небольшим объемом воздуха,
который ранее находился в бензине и выделился из него при нагревании.
Массовая производительность бензонасоса снижается. При работе
автомобильного двигателя в летнее время года бензин может нагреться до
такой температуры, при которой образуется настолько много паров, что
горючая смесь в результате резкого обеднения не может воспламениться от
искры зажигания. Двигатель при этом «глохнет». Все внешние проявления
остановки двигателя такие же, как при засорении топливопроводов, в связи
с чем это явление и получило название «паровой пробки».
Установлены следующие зависимости предельных температур нагрева бензина
tп, при которых двигатель останавливается вследствие образования паровых
пробок, от температур начала кипе-НИЯ tнк, перегонки 10% t10% и давления
насыщенных паров бензина р (в кПа):
Следует отметить, что температура нагрева бензина в
системе питания двигателя может быть на 20—40 °С выше температуры
окружающего воздуха за счет нагревания бензина в подкапотном
пространстве автомобиля теплоизлучением от двигателя.
Существенное влияние на образование паровых пробок в системе питания
двигателей оказывает ат-мосферное давление. При резком подъеме на высоту
атмосферное давление резко падает, а температура бензина снижается
медленно. При эксплуатации самолетов с поршневыми двигателями, а также
автомобилей в высокогорных районах создаются благоприятные условия для
образования паровых пробок. Поэтому в авиационных бензинах содержится
меньше низкокипящих фракций, чем в автомобильных. Допустимая высота
полета самолета с порщне^ вым двигателем зависит от давления насыщенных
паров применяемого бензина (рис. 4).
Применение бензинов с высоким содержанием низкокипящих фракций, кроме
образования паровых пробок, сопровождается обледенением карбюратора и
увеличением потерь бензина при хранении и транспортировании [4}-
Обледенение карбюратора происходит из-за резкого снижения температуры во
впускной системе за счет испарения низкокипящих фракций бензина. Тепло,
необходимое для испарения бензина (теплота испарения), отнимается от
воздуха, в котором происходит испарение, и от металлических деталей
карбюратора и всей впускной системы. Чем больше в бензине низкокипящих
фракций, тем ниже температура топливовоздушной смеси. При определенных
условиях влага, присутствующая в воздухе, вымерзает и конденсируется на
холодных деталях, образуя корочки льда. При повышенной влажности воздуха
дроссельная заслонка может примерзнуть к диффузору и двигатель
остановится.
Отмечено, что, например, при температуре
окружающего воздуха + 7,5°С температура дроссельной заслонки через 2 мин
после пуска двигателя снижается до —14 °С.
Снижение температуры во впускной системе двигателя, а следовательно, и
обледенение карбюратора зависит от испаряемости бензина (рис. 5). Чем
выше испаряемость бензина, тем больше опасность обледенения карбюратора.
Это учитывают при разработке оптимального фракционного состава и
давления насыщенных паров. Каких-либо специальных требований к качеству
бензи-на для предотвращения обледенения карбюратора в технических
условиях нет.
Бензины с высоким содержанием низкокипящих фракций имеют большую
склонность к потерям от испарения и загрязнению атмосферного воздуха
парами углеводородов.
Таким образом, требования к содержанию низкокипящих фракций в бензине
противоречивы. С точки зрения пусковых свойств бензинов — чем их больше,
тем лучше; с точки зрения образования паровых пробок, обледенения
карбюратора и потерь от испарения— лучше, когда таких фракций меньше.
Оптимальное содержание в бензинах низкокипящих фракций зависит от
климатических условий эксплуатации автомобилей. Для территории нашей
страны технически оправдано деление бензинов на два всесезонных
зональных (северный и южный) и два сезонных сорта (табл. 2) для средней
климатической полосы (зимний и летний). Однако, учитывая трудности с
производством и отгрузкой бензинов различного фракционного состава,
стандартом предусмотрена выработка автомобильных бензинов только зимнего
и летнего видов. Бензины с оптимальной испаряемостью позволяют надежно
эксплуатировать автомобили в любое время года, во всех климатических
зонах на^ шей страны.
В авиационных бензинах содержание низкокипящих углеводородов резко
ограничено, так как образование паровых пробок на всех высотах полета
недопустимо. Давление насыщенных паров всех марок авиационных бензинов —
не более 48 кПа и температура начала кипения — не ниже 40 °С. С целью
обеспечения пусковых свойств давление насыщенных паров авиационных
бензинов не должно быть ниже 29,3—32,0 кПа (табл. 3).
Прогрев и приемистость двигателя
Температуру перегонки 50% (об.) бензина лимитируют,
исходя из требований к приемистости двигателя и времени его прогрева.
Под приемистостью двигателя имеют в виду его способность обеспечить
быстрый разгон автомобиля до нужной скорости после резкого открытия
дросселя.
Прогрев двигателя охватывает время от момента его пуска до достижения
плавной стабильной работы. Чем быстрее прогревается двигатель, тем
меньше непроизводительные затраты времени и расход бензина, меньше износ
деталей двигателя. Время прогрева двигателя связано с температурой
перегонки 50% (об.) бензина и зависит от температуры воздуха, при
которой двигатель прогревается. С понижением температуры воздуха
необходимы бензины с более низкой температурой перегонки 50% (об.)
бензина. В результате проведенных исследований установлены следующие
требования к фракционному составу бензинов:
Выполнение этих требований к температуре выкипания
50% (об.) бензина обеспечивает не только быстрый прогрев двигателя, но и
его хорошую приемистость.
Износ двигателя и экономичность его работы
Экономичность работы двигателя и износ его деталей связывают с
температурами перегонки 90% (об.) бензина и конца его кипения.
При высоких температурах тяжелые фракции бензина не
испа- ряются во впускном трубопроводе двигателя и поступают в цилиндры в
жидком виде. Жидкая часть бензина испаряется в камере сгорания не
полностью и через замки поршневых колец и зазоры протекает в картер
двигателя. При этом часть бензина не сгорает, и экономичность двигателя
ухудшается (рис. 6). Кроме того, тяжелые фракции бензина смывают со
стенок цилиндра масло, вызывая полусухое трение, и, как следствие,
повышенные износы трущихся деталей двигателя. Повышение температуры
конца кипения бензина сопровождается усилением неравномерности
распределения горючей смеси по цилиндрам двигателя, увеличением
склонности к нагарообразованию и т. д. Снижение температуры отгона 90%
(об.) и к.к. улучшает эксплуатационные свойства бензинов, но при этом
значительно сокращаются их ресурсы.
В настоящее время установлены оптимальные температуры перегонки 90%
(об.) и конца кипения (см. выше). Однако широкое развитие
каталитического риформинга бензиновых фракций может привести к
пересмотру оптимальных температур конца кипения-товарных автомобильных
бензинов (особенно для неэтилированных АИ-93 с государственным Знаком
качества). Как известно, в процессе каталитического риформинга за счет
ароматизации температура конца кипения бензина возрастает. И в отличие
от бензинов прямой перегонки и термического крекинга именно в
высококипя-щих фракциях бензинов риформинга концентрируются наиболее
высокооктановые углеводороды. Снижение температуры конца кипения
бензинов риформинга ухудшает их детонационную стойкость.
Для авиационных бензинов температуры перегонки 90% (об.) и конца кипения
не выше 145 и 180 °С соответственно, очевидно, оптимальны и не требуют
пересмотра, несмотря на широкое внедрение бензинов каталитического
риформинга в качестве базовых для приготовления товарных авиационных
бензинов.