Вся электронная библиотека >>>

 Топливо, смазки и охлаждающие жидкости >>>

     

 

 

Топливо, смазочные материалы и охлаждающие жидкости


Раздел: Техника

   

ГЛАВА 2 ТОПЛИВО ДЛЯ ДВИГАТЕЛЕЙ С ИСКРОВЫМ ЗАЖИГАНИЕМ

§ 3. ОСНОВНЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ КАЧЕСТВА

  

Требования к топливам

К двигателям с искровым зажиганием относятся поршневые и роторно-поршневые карбюраторные двигатели, двигатели с системой впрыскивания топлива и двигатели, работающие на газообразном топливе.

Исследования процесса воспламенения и сгорания топлива в этих двигателях показывают, что при заданной мощности и продолжительности искрового разряда эффективность сгорания топливо- воздушной смеси во многом зависит от физико-химических свойств топлива.

При изучении влияния различных свойств топлив на мощностные и экономические показатели двигателей, их надежность, токсичность и другие показатели определились основные требования к топливу для двигателей с искровым зажиганием. Прежде всего, топливо должно быть эффективным и удобным для применения энергоносителем, т. е. обладать большой теплотой сгорания.

Кроме того, при всех условиях физико-химические свойства топлива должны обеспечивать:

возможность бесперебойной его подачи из топливного бака к карбюратору, форсункам системы впрыскивания или газовому смесителю;

образование гомогенной горючей смеси, т. е. тонкое распиливание и быстрое, по возможности полное испарение;

нормальное сгорание, без самовоспламенения и детонации; минимальное коррозионное воздействие на детали двигателя; минимальное отложение нагара в камере сгорания и смолистых отложений во впускном трубопроводе, на клапанах и деталях системы питания;

возможно большую физическую и химическую стабильность при длительном хранении, транспортировании и хранении в баках транспортных средств;

невысокую токсичность до сгорания и минимальное образование продуктов особо высокой токсичности после сгорания.

Кроме того, топливо должно иметь широкую и недефицитиую сырьевую базу, а стоимость его производства, хранения, транспортирования и стоимость заправки транспортных средств должны быть экономически целесообразны.

Свойства топлив, влияющие на их подачу к приборам питания

Нарушение подачи жидкого топлива из топливного бака к при- борам питания происходит обычно вследствие образования в топливе паровоздушных пробок или присутствия в нем механических примесей и воды.

Паровоздушные пробки нарушают сплошность потока топлива 1 в топливопроводе, п топливный насос перестает действовать, Особенно часто паровоздушные пробки возникают при высокой температуре окружающего воздуха, когда топливо в подкапотном пространстве автомобиля может нагреться до температуры, превышающей температуру начала его кипения. Обычно это происходит или на линии всасывания в топливный насос, или в самом насосе, где этому способствует не только высокая температура топлива, но и пониженное его давление.

Между насосом и карбюратором возникновение паровоздушных пробок происходит реже, так как на данном участке давление топлива несколько повышено, и это затрудняет паровыделение.

В системах впрыскивания топлива (например, в современных системах с электронным управлением) опасность возникновения паровоздушных пробок практически исключена даже в самых неблагоприятных условиях, поскольку топливо подается к форсункам специальным насосом (с автономным приводом от электродвигателя), расположенным не в подкапотном пространстве, а у самого топливного бака (обычно или на уровне бака, или даже ниже его). Кроме того, топливо в насос поступает практически самотеком, а не под

действием разрежения, создаваемого насосом. Большая подача насоса позволяет применить циркуляционную систему подачи, при которой топливо непрерывно циркулирует по кольцу от бака к двигателю и обратно и поэтому не может сильно нагреться в подкапотном пространстве. К тому же, в кольцевой магистрали топливо находится под сравнительно высоким давлением (~0,2 МПа), что также препятствует образованию паровоздушных пробок.

При прочих равных условиях вероятность возникновения паровоздушных пробок зависит от давления насыщенных паров топлива (чем выше давление, тем больше эта вероятность). Давление насыщенных паров многокомпонентной жидкости, какой, например, является бензин, зависит не только от температуры, но и от соотношения жидкой и паровой фаз, т. е. от объемов жидкого и испарившегося топлива.

Для топлив стандартизован метод определения давления насыщенных паров при температуре +38+0'3 °С и соотношении жидкой и паровой фаз 1 : 4. Определение производится в лабораторных условиях с помощью специального прибора.

Для предотвращения образования паровоздушных пробок стандартом на автомобильные бензины предусмотрено ограничение по давлению насыщенных паров для летних видов бензинов (независимо от их марки): ps должно быть не более 67 кПа, для зимних видов — не более 67—93 кПа. Образование паровоздушных пробок возможно и при более высоком значении р&, особенно при недостаточно большой подаче топливного насоса.

На образование паровоздушных пробок влияют и головные фракции бензинов, т. е. фракции, характеризующиеся температурой начала кипения и температурой, при которой выкипает 10 % объема бензина. Поэтому температура начала кипения всех марок автомобильных бензинов не должна быть ниже 35 °С. Практически автомобильные бензины начинают кипеть при температуре 40—45 °С, что обычно исключает нарушение подачи топлива из-за образования паровоздушных пробок.

Подача топлива может нарушиться не только при высоких, но и при низких температурах воздуха.

Низкотемпературные свойства топлива, влияющие на их подачу, определяются температурой помутнения, начала кристаллизации и застывания.

Температурой помутнения называют температуру, при которой обезвоженное, постепенно охлаждаемое топливо теряет свою прозрачность. Помутнение топлива происходит в результате образования в нем микроскопических кристаллов застывших углеводородов, например, парафина. Потерявшее прозрачность топливо еще обладает достаточной текучестью, но образовавшиеся кристаллики осаждаются на поверхности фильтрующих элементов, уменьшая их пропускную способность или даже полностью прекращая подачу топлива.

При дальнейшем охлаждении кристаллики увеличиваются и становятся видимыми невооруженным глазом. Температуру, при которой наблюдается это явление, называют температурой начала кристаллизации. И, наконец, при более глубоком охлаждении кристаллики сращиваются, образуя общий неподвижный каркас, и текучесть топлива прекращается.

Температуру, при которой поверхность топлива в специальном приборе при наклоне последнего на 45° к горизонту в течение 1 мин остается неподвижной относительно стенок, условно называют температурой застывания.

Низкотемпературные свойства у основного вида топлива для двигателей с искровым зажиганием (обычно у бензинов) не являются препятствием к его применению, так как температура застывания бензинов ниже —60 °С. Содержащийся в бензинах гексаи С6НИ имеет температуру застывания —95,3 сС, поэтому он улучшает их низкотемпературные свойства. Наоборот, ароматические углеводороды существенно повышают температуру застывания топлива. Например, добавление к бензину 20 % бензола повышает температуру его застывания от —60 до —40 °С. Вода в бензинах растворяется в очень небольших количествах (0,04—0,08 %). Чем выше температура, влажность воздуха и атмосферное давление, тем выше растворимость гзоды в бензине. При попадании в бензин относительно большого количества воды могут образоваться стойкие эмульсии, которые при охлаждении расслаиваются, и тогда кристаллики выделившегося льда быстро забивают сетку топливоприемника и поверхности фильтрующих элементов.

Нарушение подачи топлива, вызываемое засорением жиклеров карбюраторов или форсунок систем впрыскивания, происходит относительно редко, так как на современных двигателях предусмотрена эффективная система фильтрации топлива.

Требованиями стандартов Tie допускается присутствие в топливе механических примссей и воды. Однако практика показывает, что в процессе храпения, транспортирования и особенно заправки в топливо попадают пыль, песок и вода. Постепенно накапливаясь в топливных баках, эти примеси, несмотря на наличие системы фильтрации, могут явиться причиной нарушения подачи топлива к приборам питания. Особенно опасно скопление воды, которая зимой может образовать ледяные пробки и остановить поступление топлива. Поэтому следует регулярно спускать из баков воду и скопившиеся в них загрязнения.

Свойства топлив, влияющие на процесс смесеобразования

Процесс смесеобразования в двигателях с искровым зажиганием условно можно рассматривать состоящим из стадий дозирования и испарения топлива. В карбюраторных двигателях эти стадии взатшосвязаны, так как в дозирующей системе карбюратора протекают одновременно две стадии, причем испарение происходит здесь только частично.

В системах впрыскивания дозирование топлива производится или специальным дозирующим комплексом, или форсунками с электрическим управлением, для которых командный импульс формируется электронным блоком или специальным микропроцессором. Системы непосредственного впрыскивания топлива в цилиндр сохранились только в поршневых авиационных двигателях, а в автомобильных двигателях распространены системы с подачей топлива в зону впускных клапанов или в зону дроссельных заслонок (центральное впрыскивание),

В системах впрыскивания стадия дозирования и стадия испарения топлива четко разделены во времени и пространстве.

На дозирование топлива влияют в основном его физические свойства — плотность и вязкость.

плотность топлив зависит от их химического состава, молекулярной массы и температуры. Ее влияние на работу систем питания заметно проявляется изменением уровня в поплавковой камере карбюратора и расхода топлива в системах дозирования (жиклерах, форсунках, дозаторах и т. д.). Плотность определяют обычно нефтеденсиметрами — специальными ареометрами. Но существуют и другие методы, применяемые при лабораторных исследованиях нефтепродуктов, такие, как взвешивание на аналитических весах небольших специальных колб (пикнометров), имеющих строго определенный объем находящегося в них топлива, или погружение в топливо тел определенного объема и массы, подвешенных к специальным очень точным весам.

Плотность топлива для товарных марок бензина не нормируется, нсГ ее необходимо точно знать не только при расчете дозирующих систем приборов питания, но и при пересчете объемных единиц в массовые и массовых в объемные при определении расходов топлива во время испытаний двигателей.

Вязкость — это проявление внутримолекулярного трения. С увеличением молекулярной массы вязкость нефтепродуктов увеличивается, а с повышением температуры — уменьшается. Зависимость вязкости от температуры — важный показатель любых нефтепродуктов, в том числе и топлив, называемый вязкостно-температурной характеристикой. На  2 в качестве примера показаны вязкостно-температурные характеристики двух марок бензинов о различными вязкостно-температурными свойствами, обусловленными их групповым химическим составом.

Определяют вязкость специальными приборами — вискозиметрами. За единицу динамической вязкости (сокращенно — вязкосп:) принята вязкость такой жидкости, единица поверхности которой при градиенте скорости сдвига, равном единице, требует для своего- перемещения усилие, равное единице силы. Единицей динамической вязкости является Па-с.

Отношение вязкости жидкости к вязкости воды при той же температуре называют относительной вязкостью, а к вязкости воды при 0 °С — удельной вязкостью.

При расчете пропускной способности жиклеров в карбюраторе или дозирующих устройств систем впрыскивания надо иметь в виду, что с понижением температуры возрастают одновременно вязкость и плотность топлива. При понижении температуры вязкость топлива увеличивается в 8—10 раз быстрее, чем его плотность, поэтому массовый расход через дозирующие устройства уменьшается ( 3). Кроме того, понижение температуры топлива обычно происходит зимой и совпадает с понижением температуры воздуха на впуске, увеличивающим массовый расход воздуха. Все это вместе взятое, если не принять специальных мер, может привести к недопустимому обеднению горючей смеси.

В современных системах впрыскивания с электронным управлением изменением температуры топлива и воздуха программа дозирования топлива корректируется автоматически, что исключает обеднение горючей смеси.

Но для нормальной работы двигателя еще недостаточно точно реализовать программу дозирования топлива. Очень важно, чтобы топливо перед сгоранием испарилось и образовалась горючая смесь с воздухом.

Образование горючей смеси топлива и воздуха зависит как от физических свойств самого топлива, так и от условий, в которых происходит этот процесс, т. е. от относительной скорости топлива и воздуха и ее изменения в течение всего времени смесеобразования; температуры воздуха и топлива; количества теплоты, подводимой к топливу и воздуху в течение всего времени смесеобразования; продолжительности процесса смесеобразования.

Если перечисленные условия считать постоянными, то на полноту испарения топлива влияют давление насыщенных паров, поверхностное натяжение, коэффициент диффузии, вязкость, скрытая теплота парообразования, теплоемкость и фракционный состав.

При одинаковых условиях в двигателе более полно испарится то топливо, у которого больше давление насыщенных паров, коэффициент диффузии и теплоемкость и у которого меньше поверхностное натяжение, скрытая теплота парообразования и вязкость. Во всех случаях, чем легче фракционный состав топлива, т. е. чем ниже температура выкипания его фракций, тем л\чше (полнее и быстрее) протекает процесс испарения.

Рассмотрим физические свойства топлива, влияющие на его испарение.

Давление насыщенных паров определяет процесс испарения топлива. Чем око больше, тем быстрее испаряется топливо. Следовательно, этот показатель лимитируется только условием предупреждения образования паровоздушных пробок. Давление насыщенных паров многокомпонентной жидкости зависит не только от свойств отдельных компонентов, но и от соотношения жидкой и паровой фаз. В жидкой фазе всегда меньше легких компонентов, чем в паровой. Поэтому для определения насыщенных паров бензинов по стандарту должно быть выдержано определенное отношение паровой и жидкой фаз, равное четырем.

В реальных условиях испарения топлива соотношение его паровой и жидкой фаз значительно больше. Например, на установившемся режиме работы во впускном трубопроводе прогретого двигателя соотношение указанных фаз может достигать 9—12 тыс.; при пуске холодного двигателя оно уменьшается до 700 и даже 500. Таким образом в двигателе насыщения горючей смеси парами топлива не возникает-

Поверхностное натяжение выражается величиной работы, необходимой для выхода молекул из объема жидкости в поверхностный слой площадью 1 см2.

Поверхностное натяжение зависит от температуры топлива. При температуре кипения каждого индивидуального углеводорода его поверхностное натяжение становится равным нулю. Определить значение поверхностного натяжения можно прибором, главной частью которого является капиллярная трубка строго определенного диаметра. Трубку погружают в топливо на глубину 1—1,5 мм и потом приподнимают с таким расчетом, чтобы смачивающее ее топливо удерживалось на конце трубки. После этого в трубку постепенно нагнетают воздух, давление которого контролируют с помощью водяного пьезометра. При образовании на конце капилляра пузырька воздуха замеряют (пьезометром) его давление.

Поверхностное натяжение влияет на тонкость распыливания топлива как в карбюраторном двигателе, так и в дизеле.

В карбюраторном двигателе скорость истечения топлива из распылителя мала по отношению к скорости воздушного потока в диффузоре. Топливо захватывается воздушным потоком и образует тонкие жгуты, пленки, бусообразные структуры, которые начинают быстро распадаться на капельки различной величины и формы. В этот момент поверхностное натяжение способствует разрушению пленок и жгутов топлива, так как оно сопровождается уменьшением их поверхности.

Образовавшиеся капли топлива в результате аэродинамических воздействий деформируются и начинают дробиться на более мелкие капли. Поверхностное натяжение при этом препятствует распиливанию топлива, поскольку общая поверхность топлива увеличивается.

Экспериментально установлено, что при критерии We > 14 происходит многократное дробление капли. Вместе с тем критерий деформации в реальном потоке быстро убывает, так как уменьшается •относительная скорость воздуха и капли, причем, чем мельче капля, тем быстрее уравнивается скорость ее движения со скоростью потока. Поэтому «зона действия» аэродинамического критерия деформации -ограниченна. При полном открытии дроссельной заслонки карбюратора эта зона не распространяется дальше начала впускного трубопровода. На частичных режимах, когда в зоне дроссельной щели скорости потока резко возрастают и наступает как бы второй этап «разгона» капли, эта зона распространяется несколько дальше. В каждом отдельном случае зоны действия критерия зависят от конструктивных особенностей карбюратора и впускного трубопровода, режима работы двигателя, теплообменных процессов, фракционного состава топлива, так как дробление капли происходит одновременно с ее испарением, а следовательно, с уменьшением ее размера.

На скорость испарения топлива влияет коэффициент диффузии его паров в воздух. Существует молекулярная диффузия, которая происходит в спокойной среде, и вихревая или турбулентная диффузия — в турбулентном потоке. В реальных условиях смесеобразования общий перенос паров топлива в воздушную среду характеризуется суммой молекулярной и турбулентной диффузии. Коэффициент молекулярной диффузии можно определить методом, предложенным проф. А, С. Ирисовым, который заключается в определении скорости возрастания давления паров жидкости в закрытом термостатированном сосуде.

После интегрирования уравнения Дальтона получим зависимость давления в данный момент времени от давления насыщенных паров при температуре опыта

При расчетах испаряемости следует учитывать теплоемкость топлив. С повышением температуры теплоемкость углеводородных топлив увеличивается, с ростом давления — понижается. Групповой химический состав также влияет на теплоемкость углеводородов. При одинаковых температуре, давлении и числе атомов углерода углеводороды различных групп в порядке возрастания теплоемкости располагаются в такой последовательности: ароматические — цикланы— изоалканы — нормальные алканы.

^ Вязкость топлива влияет не только на его дозирование, но через тонкость распыливапия топлива и на полноту испарения, так как чем тоньше распыливается топливо, тем больше его поверхность испарения.

Испаряемость топлива является параметром, позволяющим оценить ряд его важнейших эксплуатационных свойств. Ее характеристикой служит фракционный состав. Его определяют в лабораторных условиях с помощью специального прибора (рис, 4),

В стеклянную колбу прибора наливают 100 мл исследуемого топлива и закрывают горловину колбы пробкой со вставленным в ней термометром. Нижний конец термометра должен находиться на уровне боковой трубки, соединенной с холодильником. Мерный цилиндр, которым отмеривали и заливали в колбу топливо, ставят у выходной трубки холодильника для сбора конденсата.

При нагревании колбы находящееся в ней топливо постепенно прогревается и начинает испаряться. По мере повышения температуры из колбы последовательно выкипают и поступают в холодильник все более тяжелые фракции. По данным наблюдений за термометром и мерным цилиндром, в котором собираются выкипевшие и сконденсировавшиеся фракции, можно составить тгблииу, а затем построить график зависимости количества испарившегося топлива от температуры. За температуру начала кипения принимают температуру, при которой из холодильника в мерный цилиндр упала первая капля топлива.

Перегонка считается законченной, когда прекратится рост температуры и наступит ее небольшое падение. Это состояние свидетельствует о прекращении потока паров топлива и переноса вместе с ним теплоты; наивысшая достигнутая температура считается температурой конца кипения топлива.

Определение проводят в строгом соответствии с действующим стандартом на стандартном приборе и стандартном режиме.

В стандарте на бензины нормированы характерные точки. К ним относятся температура начала кипения и температура, при которой выкипает 10, 50 и 90 % топлива (по объему). Кроме того, нормированы температура конца кипения, остаток топлива в колбе после окончания перегонки, а также суммарный остаток и потери при перегонке.

Перечисленные константы и показатели качества топлива из-за сложности процесса испарения в реальном двигателе могут быть использованы только для сравнительной оценки испаряемости различных топлив или для выявления действия на этот процесс каких- либо факторов. Поэтому стало необходимым разработать метод оценки испаряемости топлива, который был бы ближе к реальным условиям его испарения в двигателе.

Одним из первых в СССР такой комплексный метод оценки испаряемости моторных топлив был предложен проф. А. С. Ирисовым.

На специальной безмоторной установке имитируют условия, близкие к реальным. Топливо подается карбюратором; процесс испарения происходит в испарительной трубе, через которую воздух просасывается не двигателем, а мощным вентилятором (воздушным насосом). В трубе устанавливают специальные уловители, предназначенные для улавливания неиспарившегося топлива.

Количественную оценку проводят по показателю динамической испаряемости. Этот показатель представляет собой отношение количества испарившегося топлива к количеству топлива, прошедшему через карбюратор и поданному в испарительную трубу. Выражают динамическую испаряемость обычно в процентах.

Изменяя скорость воздушного потока, его температуру, состав горючей смеси, можно проводить исследования испаряемости топлив в условиях, приближенных к реальным. На установке удобно выявлять зависимость полноты испарения от температуры воздуха при заданных скоростях потока горючей смеси или от скорости потока при заданных температурах. Установив постоянную скорость потока и температуру, можно сравнивать различные параметры топлива.

В настоящее время методика оценки динамической испаряемости значительно усовершенствована.

Современная аппаратура позволяет с высокой точностью измерять температуры жидкой и паровой фаз, осциллографировать изменения температуры, создавать пульсацию потока и многое другое.

Скрытая теплота испарения — одна из важных характеристик топлива. Процесс испарения топлива происходит в условиях сложного теплообмена между топливом, воздухом и стенкой впускного тракта. Если предположить, что вся теплота, необходимая для испарения топлива, передается ему от воздуха и самого топлива, можно определить стр'огую зависимость между скрытой теплотой испарения и понижением температуры горючей смеси. При применении спирта в качестве топлива такое понижение температуры настолько вначительно, что широко используется для уменьшения тепловой напряженности форсированных двигателей спортивных автомобилей и мотоциклов. В  6 приведены данные, показывающие влияние скрытой теплоты испарения различных топлив на понижение температуры стехиометрической горючей смеси (а = 1).

Для компенсации понижения температуры в зоне интенсивного испарения топлива подогревают впускной трубопровод, что позволяет предотвратить образование инея; при большой влажности воздуха в неподогреваемом впускном тракте двигателя иней образуется в таких количествах, что может перекрыть все сечение трубопровода и вызвать остановку двигателя.

В стандарте на автомобильные бензины из всех рассмотренные физических свойств, влияющих на процесс смесеобразования, нормируются только фракционный состав и давление насыщенных паров.

^Рассмотрим влияние фракционного состава топлива на важнейшие эксплуатационные показатели двигателей.

Температура начала перегонки (начала кипения) tlu и ограничена в сторону уменьшения: так, она не должна быть меньше 35 °С для всех марок бензина летнего вида. Этим условием предусматривается гарантия от возникновения паровоздушных пробок при сохранении в то же время пусковых свойств топлива. Кроме того, дальнейшее понижение этой температуры, особенно летом, увеличило бы потери бензина от испарения при хранении и транспортировке, а также пожарную опасность при его применении. Температура выкипания 10 % топлива t10 так же, как и температура начала кипения, характеризует пусковые свойства топлива и должна быть не выше определенной стандартом температуры, например, для летнего вида автомобильных бензинов не выше 70 СС, а для зимнего — не выше 55 °С. Фракции топлива, выкипающие до температуры перегонки 10 % объема топлива, условно называют «пусковыми», так как они определяют температуру окружающего воздуха, при которой еще возможен пуск непрогретого двигателя.

Для стандартных автомобильных бензинов зимнего вида эта формула дает значение fmln примерно —28 °С. В реальных условиях эксплуатации предельная температура воздуха, при которой возможен пуск холодного двигателя, может отличаться от расчетной, так как она зависит еще от многих факторов, таких, как вязкость масла, состав горючей смеси, частота вращения вала двигателя и др.

В настоящее время имеются средства, позволяющие обеспечить пуск двигателя при низких температурах. К ним относятся предпусковые подогреватели, пусковые жидкости, пусковые устройства в карбюраторах и системах впрыскивания топлива.

Температура перегонки 50 % объема топлива fa является характеристикой скорости прогрева двигателя и его приемистости, т. е. способности быстро увеличивать частоту вращения коленчатого вала при резком открытии дроссельной заслонки. Чем ниже температура tm тем быстрее прогревается двигатель и тем лучше его при- емистость. В соответствии с действующим стандартом температура fa для летнего вида бензинов должна быть не выше 115 °С, а для зимнего — не выше 100 °С. При таких значениях температуры fa все современные двигатели как с жидкостным, так и с газовым подогревом впускного трубопровода быстро прогреваются и имеют хорошую приемистость. Дальнейшее снижение температуры /5о дает незначительное улучшение этих показателей.

Температура tm, при которой перегоняется 90 % топлива, и температура конца кипения к характеризуют полноту его испарения и необходимую интенсивность подогрева впускного трубопровода. Полнота испарения топлива во многом предопределяет топливную экономичность двигателя, его мощность, токсичность отработавших газов и, наконец, износ цилиндропоршневой группы, так как неиспарившееся топливо, попадая на зеркало цилиндров, смывает с него масляную пленку.

Для автомобильных бензинов летнего вида в соответствии с требованиями стандарта температура /90<:180оС, а температура к < 195 °С; для бензинов зимнего вида эти температуры должны быть соответственно не более 160 и 185 °С. Уменьшение температуры конца кипения современных бензинов в сравнении со снятыми с производства бензинами дало возможность уменьшить износ цилиндропоршневой группы на 20—25 %.

Для индивидуальных углеводородов, например, изооктана, бензола или спиртов (метанола, этанола) понятия фракционный состав не существует, так как эти жидкости выкипают при постоянной температуре, которая для каждой из них является константой.

Процесс детонации и механизм ее возникновения очень сложны. Главный критерий детонации — скорость распространения фронта пламени. При нормальном сгорании пламя распространяется со скоростью 30—50 м/с, при детонации скорость возрастает до 1500— 2300 м/с.

Детонацию в двигателях изучают уже более 60 лет. Ведущая роль в создании фундаментальной теории детонации принадлежит советским ученым и, в первую очередь, акад. Н. Н. Семенову и его школе.

Детонирует обычно относительно небольшая часть горючей смеси, сгорающая в последнюю очередь. При определенных условиях температура этой части смеси поднимается выше температуры самовоспламенения, и смесь воспламеняется по всему объему за столь короткое время, что сгорание приобретает характер взрыва. От очага воспламенения с высокой скоростью распространяется ударная волна, и даже если детонация возникла лишь в небольшой части несгоревшей смеси, эта волна рождает новые и более интенсивные очаги детонации. Процесс сгорания при детонации протекает с очень высокими скоростями потому, что начинает действовать механизм, характерный для разветвляющихся цепных реакций. Существенное значение имеет и преддетонационное состояние горючей смеси, в которой накапливаются продукты неполного окисления углеводородов (альдегиды, оксид углерода, перекисные и другие соединения), характерные для предпламенного процесса.

Если детонация очень интенсивная и продолжается относительно долго, то поршни начинают разрушаться и двигатель приходит в полную негодность. Легкая и непродолжительная детонация обычно повреждений не вызывает, но топливная экономичность двигателя при этом ухудшается, в отработавших газах появляется дым.

Механизм возникновения и протекания детонации управляется химическими и физическими факторами. Среди химических— главным является склонность топлива к образованию перекисных соединений, при критической концентрации которых возникает детонация. Перекисные соединения крайне неустойчивы, продолжительность их существования измеряется тысячными долями секунды, поэтому за время преддетонационной стадии сгорания наблюдается процесс их образования и распада. Распад перекисных соединений происходит с выделением теплоты и возникновением «холодного» пламени, фронт которого движется впереди видимого «горячего» пламени. Фронт распространения холодного пламени носит диффузионный характер, насыщая горючую смесь продуктами распада перекисей, которые содержат много активных центров, способствующих возникновению фронта горячего пламени.

Из физических факторов наибольшее влияние оказывает степень сжатия двигателя. При ее увеличении растет и давление и температура в камере сгорания. В результате последняя порция рабочей смеси оказывается в особо неблагоприятных условиях для нормального сгорания и при наступлении критических значений давлений и температуры воспламеняется и сгорает со скоростью взрыва.

Различают три группы факторов, влияющих на возникновение и интенсивность детонации: зависящие от конструкции двигателя эксплуатационные и связанные со свойствами топлива.

Многолетний опыт показывает, что детонация усиливается, если при прочих неизменных условиях повышена степень сжатия, увеличен размер цилиндра (в основном его диаметр), применены чугунные головки и поршни. Эти факторы определяются особенностями кон* стр у кци и дви г ат ел ей.

Детонация также усиливается, если при постоянной частоте вращения коленчатого вала увеличивается нагрузка двигателя или при постоянной нагрузке уменьшается частота вращения; если увеличивается угол опережения зажигания, возрастает температура охлаждающей жидкости, уменьшается влажность воздуха, увеличивается рапия.

Эти факторы относятся к группе эксплуатационных. Фактором, связанным со свойствами топлива, является его детонационная стойкость. Причем при фракционировании топлива в процессе смесеобразования (вследствие различной детонационной стойкости отдельных фракций) детонация также может усилиться.

Детонационная стойкость топлива является важнейшим фактором, влияющим на допустимую степень сжатия двигателя, и, следовательно, фактором, определяющим его мощностные и экономические показатели. Стойкость топлива к возникновению детонационного сгорания зависит от его группового химического состава, количества в нем стойких к детонации соединений и наличия антидетонационных присадок (антидетонаторов). В настоящее время детонационную стойкость топлив практически повсеместно оценивают октановыми числами (ОЧ).

Октановым числом называется процентное {по объему) содержа- ние изооктана в его смеси с нормальным гептаном при условии, что эта смесь при стандартном методе испытания обладает такой же детонационной стойкостью, как и испытуемое топливо.

Разработан и стандартизован ряд методов определения ОЧ. В частности, для автомобильных марок бензина применяют два метода — моторный и исследовательский, которые различаются режимами работы моторной установки для определения ОЧ. Для бензинов А-72, А-76 ОЧ определяют по моторному методу (ОЧМ). Для бензинов АИ-93, АИ-98 ОЧ определяют обоими указанными методами (ОЧМ и ОЧИ).

Оценка ОЧ одновременно двумя методами дает возможность определить чувствительность топлива к изменению режима. Чувствительность оценивают разностью 04, полученных исследовательским и моторным методами.

Рассхмотрим моторный метод определения 04.

Установка УИТ-65 для определения 04. Главным агрегатом установки УИТ-65 ( 6) является одноцилиндровый четырехтактный двигатель с устройством, позволяющим изменять степень сжатия во время работы в диапазоне от 4 до 10.

Установка снабжена электродвигателем, генератором постоянного тока и специальным ресивером для поддержания постоянной влажности воздуха. В комплект установки входят также электронная аппаратура для измерения интенсивности детонации и пульт управления.

Определение 04 производится в следующем порядке:

1)        двигатель после предварительного прогрева масла выводят на температурный режим испытаний;

2)        двигатель переводят на работу на испытуемом топливе;

3)        постепенно увеличивая степень сжатия, доводят процесс сгорания до детонации. Интенсивность детонации должна соответствовать отклонению стрелки гальванометра на 40—45 делений;

4)        изменением уровня топливного бака доводят состав горючей смеси до такого, при котором детонация по показанию прибора достигает максимальной интенсивности;

5)        добившись максимальной интенсивности детонации по составу смеси, вновь увеличивают степень сжатия до тех пор, пока стрелка прибора достигнет 55 + 3 деления шкалы, т. е. стандартной интенсивности детонации. После этого степень сжатия сохраняют постоянной;

6)        по микрометрическому указателю детонации определяют установленную степень сжатия, а по таблице — 04;

7)        зная приблизительное значение 04 топлива, подбирают два вторичных эталона. Один из них должен иметь 04 на единицу больше приблизительно оцененного 04 топлива, а другой на единицу меньше;

8)        эталонные топлива заливают в бачки установки и двигатель переводят на питание сначала одним, потом другим эталонным топливом. Состав смеси должен так же, как и в испытуемом топливе, cooi ветствов ать макс и му м у де гонаци и;

9)        если в результате испытаний окажется, что по интенсивности детонации испытуемое топливо не попадает в интервал между двумя эталонами, то один из них заменяют эталоном с большим или меньшим октановым числом;

10)      для более падежного результата двигатель трижды переводят на питание исследуемым топливом и двумя эталонами, после чего берут среднее значение показаний прибора.

Особенностью установки У ИТ-65 является возможность определения на пей 04 как моторным, так и исследовательским методами (раньше для исследовательского метода использовали специальную установку ИТ9-6). При исследовательском методе режим работы установки менее напряженный, поэтому октановые числа, определенные этим методом, получаются более высокими, чем при моторном методе.

Определение детонационной стойкости топлив на специальных лабораторных установках отличается высокой сходимостью результатов отдельных определений, хотя испытания проводят в очень далеких от реальных условиях применения топлив на современных двигателях. Поэтому разработана специальная методика оценки детонационной стойкости топлив на реальных полноразмерных автомобильных двигателях при работе их на моторных тормозных стендах, или в составе всего автомобиля на стенде с беговыми барабанами, имитирующими движение в дорожных условиях, или, наконец, непосредственно в дорожных условиях.

Такая методика позволяет определить фактические значения детонационной стойкости топлив (то же в единицах ОЧ), но для конкретного двигателя. Этот метод применяют обычно для подбора топлив при создании новых образцов двигателей и автомобилей с широким диапазоном их эксплуатационных режимов.

Определение детонационной стойкости современных топлив, и в частности бензинов, полученных способами каталитического крекинга и риформингп, осложняется специфическим групповым составом этих топлив, высокая детонационная ci ой кость которых обусловлена содержанием в них ароматических углеводородов с относительно высокой температурой кипения. Поэтому в реальных условиях эксплуатации, особенно на переменных режимах, свойственных автомобильным двигателям, в процессе смесеобразования происходит частичное фракционирование бензина. Легкокипящие фракции, обладающие более низкой детонационной стойкостью, могут попасть в цилиндры раньше, чем тяжелые фракции ароматических соединений, и вызвать интенсивную детонацию. К фракционированию самого топлива при некоторых условиях может прибавиться фракционирование антидетонаторов, когда они, имея более высокую температуру кипения, вместе с высококипящими фракциями топлива оседают на стенки впускного трубопровода и попадают в цилиндры с некоторым опозданием и значительной неравномерностью по отдельным цилиндрам. Этот крайне нежелательный процесс также может вызвать значительную нестабильность детонационной стойкости топлива.

Повышение детонационной стойкости топлив. Повышать 04 топлив можно несколькими способами. Первый способ — применение современных технологий получения топлив, например, каталитического крекинга, риформинга и др. Современная технология дает возможность получить базовые бензины с 04 75—80 по моторному методу и 80—94 по исследовательскому методу.

Второй способ повышения 04 заключается в добавлении в базовые бензины высокооктановых компонентов, таких, как изооктан, алкилбензол и др., которые обладают 04 по моторному методу около 100 ед. Таких компонентов добавляют в базовый бензин до 40 %, значительно повышая его детонационную стойкость.

Третьим способом повышения детонационной стойкости топлив является добавление к ним антидетонаторов, т. е. химических соединений, которые при очень незначительной их концентрации в топливе (десятые доли грамма на 1 кг топлива) существенно увеличивают его детонационную стойкость.

Самым известным и эффективным антидетонатором является тетраэтилсвинец (ТЭС) РЬ (С2Н5)4. ТЭС — бесцветная или слегка желтоватая жидкость высокой плотности (р = 1652 кг/м3), хорошо растворяется в бензине. Температура кипения около 200 °С. Эффективность ТЭС в 600 раз выше, чем у бензола; по своим антидетонационным свойствам он практически не имеет себе равных. Большим недостатком ТЭС является высокая токсичность этого соединения, поэтому обращение с ним требует самых строгих мер предосторожности и защиты.

В чистом виде этот антидетонатор применять нельзя, так как при его сгорании образуются нелетучие соединения свинца, которые откладываются на поверхности камеры сгорания и электродах свечей. Во избежание этого используют смесь ТЭС с выносителями, обеспечивающими вынос соединений свинца с отработавшими газами и тем самым предотвращающими образование отложений. Смесь ТЭС с выносителями называется этиловой жидкостью. Для этилирования автомобильных бензинов применяют жидкость марки Р-9.

Увеличение октанового числа в зависимости от количества добавленной к топливу этиловой жидкости происходит нелинейно ( 7), поэтому добавлять жидкость в количествах, больших чем 1—2 г на 1 кг топлива, нерационально, а с учетом высокой токсичности тетраэти л свинца недопустимо.

Поэтому предельные концентрации ТЭС в бензинах жестко ограниченны, и, например, для автомобильных бензинов не должны превышать 0,5 г/кг топлива.

Учитывая высокую токсичность этилированных бензинов, применение их запрещено в ряде крупных городов, а также в курортной местности, в связи с чем нефтяная промышленность выпускает часть автомобильных бензинов в неэтилированном варианте.

В нашей стране было предложено в качестве заменителя тетра- этилсвинца органическое соединение циклопентадиенилтрикарбонил марганца (ЦТМ), По своим антидетонационным свойствам ЦТМ практически не уступает тетраэтилсвинцу, но по токсичности он не опаснее обычного неэтилированного бензина. Основным недостатком ЦТМ является интенсивное образование окиси марганца на электродах свечей, быстро приводящее к замыканию искрового промежутка и, следовательно, к остановке двигателя.

Следует отметить, что при одинаковых условиях применения ЦТМ вызывает меньше отложений на поверхности камеры сгорания, чем ТЭС; кроме того, фракционирование ЦТМ на переменных режимах работы двигателя вследствие более низкой температуры его кипения также меньше, чем у этиловой жидкости. При сильной освещенности ЦТМ разлагается, образуя в топливе хлопья нерастворимого в бензине осадка. Однако этот процесс можно замедлить или совсем остановить добавлением в топливо специального красителя, защищающего ЦТМ от воздействия света.

Одним из способов повышения детонационной стойкости бензин является использование относительно малотоксичных, но достаточно эффективных присадок, таких, как метилтретичнобутиловый эфир, вторичный бутиловый и третичнобутиловый спирты.

Неуправляемое воспламенение

Одной из форм аномального сгорания является сгорание, вызванное неуправляемым воспламенением, когда горючая смесь воспламеняется не от искрового разряда свечи в точно установленный момент, а произвольно от перегретых частиц нагара или поверхности камеры сгорания. Источником воспламенения в этом случае является электрод свечи или нижняя часть керамического электрода, находящихся в камере сгорания. Реже неуправляемое воспламенение возникает от обращенной внутрь камеры сгорания поверхности выпускных клапанов.

Неуправляемое (калильное) воспламенение нарушает нормальное сгорание, а следовательно, ухудшает мощностные и экономические показатели двигателя. Неуправляемое сгорание сопровождается глухими ударами, резкими с большой амплитудой колебаниями двигателя, появлением дымного выпуска; при этом двигатель продолжает работать на режиме холостого хода даже при выключенном зажигании.

Для современных двигателей с высокой степенью сжатия возникновение неуправляемого воспламенения может привести к другим отрицательным явлениям, например, детонации. Особенно опасно, когда неуправляемое воспламенение возникает до искрового разряда. При этом наблюдаются явления, характерные для очень раннего угла опережения зажигания: резкое возрастание давления и температуры (в момент, когда кривошипный механизм на 80—90° не дошел до ВМТ) вызывает увеличение нагрузки на поршень, шатун и коленчатый вал.

Большая поверхность теплопередачи резко увеличивает потери в стенки, а преждевременное воспламенение горючей смеси действует аналогично слишком раннему опережению зажигания и вызывает детонацию.

Практика показывает, что неуправляемое зажигание и детонация тесно связаны. Например, детонационная волна, разрушая нагар и отрывая его частички, образует выступы, которые накаливаясь в процессе сгорания предыдущих циклов, могут вызвать неуправляемое воспламенение в последующих.

Большое влияние на вероятность неуправляемого зажигания имеет температура изолятора и центрального электрода свечи. Все эти факторы следует учитывать при разработке конструкции свечей зажигания. Имеются специальные тепловые ряды свечей, в которых свечи различаются по калильным числам.

Калильное число — величина безразмерная, индекс, пропорциональный среднему индикаторному давлению, при котором во время испытаний свечей на специальной моторной установке возникает калильное зажигание.

На процесс нагарообразования большое влияние оказывает групповой химический состав топлива. Чем больше в топливе ароматических углеводородов, тем больше образуется нагара. Смеси богатых составов также способствуют возникновению нагарообразования.

Предотвращение неуправляемого воспламенения осложняется тем, что нагар, в отличие от металлических деталей камеры сгорания, является не просто аккумулятором теплоты, а горючим материалом. При определенных условиях частицы нагара в процессе впуска не охлаждаются, а разгораются, как угли в горне. Это создает повышенную опасность неуправляемого воспламенения.

Уменьшить опасность неуправляемого калильного зажигания можно правильным подбором свечей.

Установлено также, что большое значение имеют структура и состав нагара. Плотный нагар, состоящий из чистого углерода, устойчив к самовоспламенению и редко вызывает неуправляемое воспламенение; температура его самовоспламенения более 500 °С. Такой нагар образуется при длительной работе двигателя на неэтилированном бензине с малым содержанием ароматических углеводородов.

При работе на этилированном бензине в нагаре появляются соединения свинца и галоидов. Это делает нагар рыхлым, атемпература его самовоспламенения резко понижается и обычно составляет 200—300 °С. Такой нагар является основной причиной неуправляемого воспламенения.

 

 

СОДЕРЖАНИЕ:  Топливо, смазочные материалы и охлаждающие жидкости

 

Смотрите также:

 

Топливо для двигателей внутреннего сгорания

Все виды топлива, применяемого для двигателей строительных машин, можно разделить на две группы: топливо для карбюраторных двигателей с искровым зажиганием и топливо для двигателей с высокой степенью сжатия...

 

Двигатель работающий на бензине. Автомобиль...

Все дальнейшие конструкции Даймлера были рассчитаны исключительно на жидкое топливо. Для этого он применил специальное
В 1885 г. Карл Бенц построил четырехтактный бензиновый одноцилиндровый двигатель с искровым зажиганием.

 

Рабочий цикл четырехтактного карбюраторного двигателя

В отличие от дизеля у карбюраторного двигателя воздух и топливо поступают в цилиндр одновременно в виде
Воспламенение горючей смеси происходит от искры, которая образуется в искровой свече зажигания, установленной в головке цилиндра.

 

Двигатель. Машинное масло. Система зажигания, клапаны...

Двигатель преобразует энергию топлива в механическую энергию для привода колес.
Топливно-воздушная смесь воспламеняется в результате искры зажигания от 10 000 до 15 000 В.

 

Система зажигания автомобиля представляет...

вырабатывать напряжение, достаточное для пробоя искрового промежутка между электродами свечи
угла опережения зажигания от оптимального на 15...20° приводит к увеличению расхода топлива до 10 % и потере мощности двигателя до...

 

Система зажигания автомобиля

При слишком позднем зажигании резко возрастает расход топлива, двигатель перегревается, заметно ухудшаются
проверки системы зажи¬гания, оборудованном трехэлектрод-ными игольчатыми разрядниками с искровым промежутком 7 мм.

 

ЗАЖИГАНИЕ. Батарейное зажигание

электродами свечей возникает искровой разряд, зажигающий рабочую смесь.
Выбирают свечи зажигания для двигателя по их обозначениям
Для регулирования угла опережения зажигания в зависимости от октанового числа топлива применяют...