Давление насыщенного пара бензина
Если бы вас попросили закупорить посуду парами бензина, вы могли бы это принять за шутку. Но оказывается, бензиновые пары могут, подобно пробке, закупорить трубопровод.
Паровые пробки - это пары бензина, образовавшиеся в системе питания двигателя. Наиболее опасно образование паровых пробок в трубопроводах, подводящих бензин к насосу, и в нагнетающих полостях насоса. Паровые пробки разрывают струю бензина, в связи с чем подача горючего к двигателю уменьшается или полностью прекращается.
О склонности бензина к образованию паровых пробок надёжно можно судить не по температуре перегонки 10 % бензина, а по давлению его насыщенного пара* определяемому в лабораторной бомбе Рейда (рис. 7), которая состоит из двух камер, соединённых трубкой. Верхняя камера, которая по объёму в 4 раза больше нижней, снабжена манометром для измерения давления. Нижнюю камеру заполняют бензином (в верхней находится воздух), затем бомбу помещают в нагретую водяную баню. По манометру замеряют давление пара бензина в бомбе в мм рт. ст. или в барах**. Давление паров сильно изменяется в зависимости от температуры, поэтому опыт ведут при стандартной температуре 38 °С.
По давлению насыщенного пара судят:
• о наличии легкоиспаряющихся фракций в бензине, способных образовывать паровые пробки: чем выше давление насыщенного пара бензина, тем больше в нём легкокипящих фракций и, следовательно, тем больше опасность образования паровых пробок при работе двигателя на таком бензине;
• о пусковых свойствах бензина: чем выше давление пара, тем лучше пусковые свойства бензина, тем быстрее может быть осуществлён пуск и прогрев двигателя;
• о возможных потерях бензина от испарения при хранении: чем выше давление пара бензина, тем больше потери бензина от испарения при хранении.
Рис. 7.Лабораторная бомба для определения давления
насыщенных паров бензина
Давление насыщенных паров – это давление пара, находящегося в равновесии с жидкостью при определённых соотношениях жидкой и паровой фаз и данной температуре; оно зависит от температуры и давления жидкости. Давление насыщенных паров бензина, кПа, не более:
летнего вида – 66,7
зимнего вида – 93,3
Давление насыщенных паров влияет не только на пусковые свойства бензина при низкой температуре окружающей среды, но и на работу двигателя в случае нагрева бензина в системе питания. Во время работы двигателя в условиях жаркого климата температура бензина в системе питания в среднем на 20-30 °С выше температуры окружающего воздуха. При чрезмерном повышении температуры из бензина выделяются пары углеводородов, кипящих при низкой температуре. Эти пары с воздухом, который в небольших концентрациях находится в бензине, образуют паровоздушные пузырьки. В результате горючая смесь, поступающая в цилиндры двигателя, будет содержать меньшую массовую долю бензина (обеднённая смесь) и может выйти за концентрационные пределы распространения пламени, а следовательно, привести к остановке двигателя. В зависимости от климатических условий эксплуатации двигателя используют бензины с различным фракционным составом и давлением насыщенных паров, обеспечивающие надёжный пуск и предотвращающие остановку двигателя из-за образования паровоздушных пузырьков в системе питания.
Таким образом, с одной стороны, высокое давление насыщенного пара бензина вредно, так как ведёт к образованию паровых пробок и повышенным потерям при хранении, а с другой - полезно, поскольку от него зависят лёгкость пуска и быстрый прогрев двигателя. Примирить между собой столь противоречивые свойства невозможно. Нельзя создать бензин, который не образовывал бы паровых пробок и в то же время обеспечивал лёгкий пуск двигателя и летом и зимой. Поэтому промышленность выпускает бензин с таким давлением насыщенного пара, чтобы склонность к образованию паровых пробок была минимальной летом, но чтобы он обладал необходимыми пусковыми свойствами зимой.
Для пуска двигателей зимой иногда применяют специальный пусковой бензин с высоким давлением насыщенного пара, на котором двигатель не может работать длительно из-за образования паровых пробок, но зато легко пускается при низкой температуре.
Вообще говоря, нет таких бензинов, которые не могли бы образовывать паровых пробок. Дело в том, что образование паровых пробок зависит не только от качества бензина, но и от условий эксплуатации и от конструкции системы питания двигателя.
Жаркая погода, как и заправка баков машин тёплым бензином, способствуют образованию паровых пробок.
Известно, что чем больше высота над уровнем моря, тем воздух разрежённее и тем ниже температура кипения жидкости. Например, если на уровне моря бензин начинает кипеть при температуре 60 °С, то на высоте 6000 м над уровнем моря он закипает при 40 °С. Отсюда понятно, что, чем выше над уровнем моря взбирается автомобиль, чем выше поднимается самолёт, тем вероятнее опасность образования паровых пробок в системе питания двигателя.
Состав горючей смеси
В карбюраторных двигателях бензин вначале испаряется, смешивается с воздухом и лишь затем поджигается электрической искрой.
При сжигании паров бензина, смешанных с воздухом, большое значение имеет состав горючей смеси.
Состав горючей смеси в двигателе выражают в виде коэффициента избытка воздуха.
Коэффициент избытка воздуха () – это отношение количества воздуха в килограммах, расходуемого в двигателе на сгорание 1 кг топлива, к количеству воздуха в килограммах, теоретически необходимому для полного сгорания 1 кг топлива.
Поясним па примере. Теоретически для полного сгорания I кг бензина необходимо 14,9 кг воздуха. Если при работе двигателя на 1 кг бензина расходуется воздуха ровно столько, сколько требуется теоретически, то равняется 1 – такая горючая смесь называется нормальной.
Если же воздуха расходуется больше, чем требуется теоретически для сгорания 1 кг бензина, например 17,9 кг, то будет равна 1,2.
Горючие смеси с > 1 называются бедными, а с < 1 – богатыми.
Бедная смесь может сгорать, если воздуха в ней не более 21 кг на 1 кг бензина ( = 1,4), а богатая – если воздуха будет не менее 9 кг на 1 кг бензина ( = 0,6). Если на гептан, то есть 0,6 1,4. Более бедные или более богатые смеси гореть не будут.
Детонация
При создании двигателя с высокой степенью сжатия в камере сгорания неожиданно встретились с очень серьёзным препятствием: бензин, который хорошо сгорал в двигателях с низкой степенью сжатия, прекращал нормально гореть в двигателях с высокой степенью сжатия. Такой двигатель работал ненормально: стучал, температура цилиндров повышалась, мощность падала, отработавшие газы становились чёрными, разрушались детали двигателя (рис. 8).
Рис. 8. Поршень, разрушенный детонацией
Явление ненормального сгорания бензина в двигателе получило название детонации*. Когда при работе двигателя слышится характерный стук, говорят: «Двигатель детонирует».
В нормально работающем двигателе скорость распространения пламени равна 20-35 м/с. В детонирующем двигателе часть смеси паров бензина с воздухом не плавно сгорает, а взрывается. При взрывном сгорании детонационная волна распространяется со сверхзвуковой скоростью 1,5-2,5 км/с. При детонационном сгорании наблюдается повышение давления и температуры газов в цилиндре в 75–100 раз быстрее.
Наиболее распространённой теорией, объясняющей явление детонации в двигателе, является разработанная на основе классических работ академика Л. И. Баха теория, в соответствии с которой в горючей смеси до момента её сгорания образуются взрывчатые вещества - пероксиды.
При сильной детонации уменьшается мощность и, как следствие, увеличивается удельный расход бензина.
Перегреваются цилиндры, прогорают поршни и клапаны, пригорают поршневые кольца, разрушаются подшипники и другие детали.
Детонация не только сводит на нет все преимущества, связанные с повышением степени сжатия, но и резко ухудшает работу двигателя, а подчас выводит двигатель из строя.
Природа детонации сложна, и многое ещё остаётся невыясненным. Несмотря на это, всё же научились устранять детонацию и предупреждать её возникновение.
Детонация в двигателе зависит от качества бензина - его октанового числа, которое характеризует свойства бензина, проявляющиеся при его сгорании. Если бензин для двигателя подобран правильно и имеет высокое октановое число, то о детонации не может быть и речи. Двигатель начинает детонировать лишь при работе на бензине с более низким октановым числом, чем требуется. Поэтому самым радикальным средством борьбы с детонацией является подбор для двигателя бензина соответствующего качества.
Калильное зажигание
Причиной ненормальной работы карбюраторного и инжекторного двигателей может быть не только детонационное сгорание топлива. В определённых условиях в камере сгорания двигателя возникают горячие или раскалённые частицы, способные поджечь рабочую смесь.
Чаще всего это частицы нагара и инородных веществ, образующихся из антидетонатора, содержащегося в топливе, и из присадки, содержащейся в масле, а также частицы износа и пыли, попадающей в цилиндры вместе с воздухом.
Явление, когда рабочая смесь в камере сгорания не поддаваясь контролю, начинает воспламеняться не от искры свечи, а от горячих или раскалённых частиц, называют преждевременным воспламенением, или калильным зажиганием.
Преждевременное воспламенение горючей смеси в двигателе приносит не меньший вред, чем детонация. При работе двигателя с калильным зажиганием падает мощность, повышается расход топлива, разрушаются детали двигателя.
Преждевременное воспламенение может быть бесшумным, но чаще всего оно сопровождается стуками (от редкого, слабого до частого, громкого), напоминающими детонационные стуки.
Преждевременное воспламенение легко можно спутать с детонацией, тем более что оно происходит одновременно с детонацией.
Отличить калильное зажигание от детонационного сгорания можно по следующему признаку: если не нормальная работа двигателя связана с детонацией, то при выключении зажигания он сразу останавливается; если же ненормальная работа вызывается преждевременным воспламенением, то двигатель будет продолжать работать и с выключенным зажиганием.
Калильное зажигание возникает под влиянием различных факторов: увеличения степени сжатия, увеличения наддува, уменьшения угла опережения зажигания, обеднения рабочей смеси. На преждевременное воспламенение горючей смеси большое влияние также оказывают фракционный и химический состав топлива, содержание в нём антидетонатора, качество и расход масла, содержащиеся в нём присадки.
Иными словами, всё, что способствует повышению температуры и давления в камере сгорания и образованию в ней раскалённых частиц, способствует и преждевременному воспламенению горючей смеси. Для двигателей с повышенной степенью сжатия проблема калильного зажигания топлива становится даже более острой, чем проблема детонации.
Детонация в двигателе может быть устранена применением топлива с высоким октановым числом. К сожалению, этот путь не пригоден для устранения калильного зажигания, которое удаётся устранить только введением в топливо антинагарной фосфорсодержащей присадки, например триметилфосфата (СН3О)3РО.
Октановое число бензина
Оценка антидетонационных свойств бензинов в октановых числах была разработана в 1927 г. Октановое число бензина определяют на специальной установке, основу которой составляет стандартный одноцилиндровый двигатель (рис. 9), степень сжатия которого может быть изменена - увеличена или уменьшена.
Сущность определения октанового числа сводится к сравнению испытуемого бензина с эталонными сортами топлива по их способности вызывать детонацию в двигателе. Эталонные сорта составляются путём смешения двух химически чистых углеводородов: изооктана и нормального гептана.
2,2,4 – триметилпентан (изооктан)
Изооктан обладает высокими антидетонационными свойствами и способен при высокой степени сжатия сгорать, не вызывая детонации; его антидетонационные свойства условно приняты за 100 единиц.
Рис. 9.Если испытуемый бензин по своим
антидетонационным свойствам оказался одинаковым
с эталонным топливом, состоящим из 70 % (по объёму) изооктана и
30 % (по объёму) н-гептана, то октановое число испытуемого бензина равно 70
Нормальный гептан в противоположность изооктану обладает низкими антидетонационными свойствами, и двигатель начинает детонировать уже при низкой степени сжатия; антидетонационные свойства н-гептана условно приняты за 0 единиц.
СН3-СН2-СН2-СН2-СН2-СН2-СН3 или СН3(СН2)5СН3
Смешивая в различных пропорциях по объёму изооктан и нормальный гептан, получают ряд эталонных топлив с различными антидетонационными свойствами. Чем больше изооктана содержится в смеси, тем выше её антидетонационные свойства. Эталонное топливо, состоящее из 70 % изооктана и 30 % н-гептана (рис. 9), будет иметь антидетонационные свойства, равные 70 единицам. Эти единицы, которые, по существу, показывают процентное содержание изооктана в смеси, и называют октановыми числами.
При определении октанового числа испытуемого бензина на одноцилиндровом двигателе, работающем на этом бензине, повышают степень сжатия до появления детонации. Затем на этом же двигателе подбирают такое эталонное топливо, которое начинает детонировать при той же степени сжатия, при которой начал детонировать испытуемый бензин. Следовательно, испытуемый бензин и подобранное эталонное топливо имеют одинаковые антидетонационные свойства.
Октановое число бензина определяется двумя методами: моторным и исследовательским.
Октановое число, определённое моторным методом, характеризует детонационную стойкость бензинов при использовании их в двигателях, длительно работающих на номинальных нагрузочных и тепловых режимах.
Октановое число, определённое исследовательским методом, характеризует детонационную стойкость бензинов при использовании их в двигателях, работающих в условиях неустановившихся режимов (движение автомобилей в городских условиях).
Октановое число, определённое исследовательским методом, выше октанового числа, определённого моторным методом. Разность этих октановых чисел – чувствительность бензина – используется как дополнительный показатель детонационной стойкости при различных режимах работы двигателя. Чем выше чувствительность бензина, тем лучше его детонационная стойкость при работе двигателя на неустановившихся режимах. Чувствительность бензина зависит от его группового состава. Наибольшей чувствительностью обладают олефиновые и ароматические углеводороды, наименьшей – парафиновые углеводороды; нафтеновые углеводороды по чувствительности занимают промежуточное положение. Чувствительность автомобильных бензинов изменяется в пределах от 2 до 12 единиц.
Детонационная стойкость топлива положена в основу классификации автомобильных (А) бензинов, в марке которых указывается октановое число, определённое моторным (А-80) или исследовательским (И) методом (А-93, АИ-98).
Бензины имеют октановые числа от 70 до 100 единиц. Октановое число топлив, имеющих детонационную стойкость лучшую, чем у изооктана, оценивают по условной шкале октановых чисел; при этом за эталон принимают смесь изооктана с 1,59 мг/л тетраэтилсвинца, для которой октановое число равно 120.
Для повышения детонационной стойкости в бензины вводят высокооктановые кислородсодержащие соединения (спирты, эфиры, воду).
Бензин с октановым числом 100 по своим антидетонационным свойствам равнозначен изооктану.
Таким образом, октановое число бензина – это доля (в объемных пpoцентax) изооктана в эталонном топливе, которое по своим антидетонационным свойствам равнозначно этого бензина.
Склонность двигателя к детонации зависит от режима его работы и от условий эксплуатации.
Кроме качества бензина влияние на детонацию в двигателе оказывают следующие факторы:
• дросселирование двигателя - чем больше прикрыта дроссельная заслонка двигателя, тем меньше причин для возникновения детонации;
• состав горючей смеси - при работе на богатой смеси склонность двигателя к детонации уменьшается, а на бедной увеличивается:
• опережение зажигания - уменьшение угла опережения зажигания уменьшает склонность двигателя к детонации, а увеличение угла опережения зажигания - повышает;
•температура цилиндра - чем выше температура цилиндра, тем больше вероятность возникновения детонации, перегретый двигатель предрасположен к детонации;
• частота вращения коленчатого вала двигателя - с увеличением частоты вращения вала склонность двигателя к детонации уменьшается;
• нагарообразование - большое количество нагара в камере сгорания и на днище поршня способствует возникновению детонации;
•атмосферные условия - понижение температуры и барометрического давления воздуха, а также увеличение влажности воздуха уменьшают склонность двигателя к детонации.
Самый распространённый способ повышения октанового числа бензинов - использование антидетонаторов.
Наиболее эффективными антидетонаторами, получившими в своё время широкое распространение, были тетраэтилсвинец [ТЭС - Рb(С2Н5)4] и тетраметилсвинец [ТМС – Рb(СН3)4].
Другой способ повышения октанового числа состоит в добавлении к бензину высокооктановых компонентов - индивидуальных углеводородов или смесей углеводородов, которые улучшают антидетонационные свойства бензина. Обычно высокооктановые компоненты имеют октановое число от 90 и выше. В отличие от антидетонатора, массовое содержание которого в бензине не превышает 0,3 %, высокооктановые компоненты добавляют к бензину в количестве 10-40 %.
Известны различные высокооктановые компоненты: изооктан, изопептан, алкилат (смесь изопарафиновых углеводородов), алкилбензол (смесь ароматических углеводородов), толуол.
Третий способ повышения октановых чисел основан на одновременном добавлении к бензину антидетонатора и одного или нескольких высокооктановых компонентов.
Групповой химический состав бензинов определяет допустимую степень сжатия в камере сгорания двигателя, при которой сгорание горючей смеси протекает нормально. При несоответствии группового состава бензина и степени сжатия нарушается нормальное сгорание; оно становится детонационным с возникновением ударных волн. Работа двигателя с детонацией недопустима, так как связана с перегревом двигателя, падением мощности, ухудшением экономичности, металлическими стуками в цилиндре и появлением сажи в отработавших газах. При длительной работе двигателя с детонацией возможно прогорание поршней и клапанов, а также разрушение подшипников.
Наименее склонны к детонационному сгоранию ароматические и насыщенные (разветвлённые) углеводороды, наиболее склонны – н-парафины; нафтены и олефины по этому свойству занимают промежуточное положение. Соотношение между углеводородами указанных групп в бензинах меняется в широких пределах и их детонационная стойкость различна.
Детонационная стойкость бензинов определяется на специальном двигателе при стандартных условиях испытания. Высокой детонационной стойкостью среди углеводородов обладает изооктан (его стойкость принимается за 100 единиц), низкой – нормальный гептан (его стойкость принимается равной нулю). Детонационная стойкость бензина характеризуется октановым числом, то есть процентным (по объёму) содержанием изооктана в такой смеси с н-гептаном, которая по детонационной стойкости равноценна данному топливу. Так, например, если бензин при испытаниях детонирует так же, как смесь, содержащая 76 % и 24 % н-гептана, то октановое число такого бензина равно 76. Чем больше октановое число бензина, тем выше максимально допустимая степень сжатия в камере сгорания, при которой бензин будет сгорать без детонации.
Сортность бензина
Сортность бензина - это показатель антидетонационных свойств авиационных бензинов. Определяют его на лабораторном одноцилиндровом двигателе, несколько отличающемся от двигателя, на котором определяют октановое число. Отличие в основном сводится к тому, что двигатель имеет наддув и оборудован приспособлением для замера мощности.
Сортность определяется при постоянной степени сжатия, равной 7, но при переменном наддуве. Двигатель при этом работает на богатой смеси. Постепенно повышая наддув, определяют, когда начнётся детонация. Максимальная мощность, которую при этом развивает двигатель без детонации, является показателем антидетонационных свойств авиационного бензина.
Максимальная мощность, получаемая при работе на техническом изооктане. принимается за 100 %. Мощность, получаемую на испытуемом бензине, выражают в процентах по отношению к мощности, получаемой на техническом изооктане. Например, на испытуемом бензине получили мощность на 25 % больше, чем на техническом изооктане, следовательно, сортность бензина 125.
Иными словами, сортностью авиационного бензина называется число, показывающее в процентах, какую мощность может развить двигатель на данном бензине по сравнению с мощностью, развиваемой при работе на техническом изооктане.
Чем выше сортность бензина, тем лучше его антидетонационные свойства на богатой смеси.