Какие свойства автомобильных бензинов влияют на процессы их подачи и образование
Бесперебойная подача топлива в цилиндры обеспечивается комплексом физико-химических свойств (которые зависят от химического и фракционного состава) и содержанием примесей; она оценивается как прокачиваемость топлива.
Некоторые физико-химические свойства дизельного топлива в очень сильной степени зависят от температуры. При понижении температуры возрастает вязкость – сопротивление при перемещении одних слоев топлива относительно других слоев, что затрудняет или делает невозможной работу топливной системы из-за высокого сопротивления при движении топлива.
При дальнейшем снижении температуры начинается образование мелких кристаллов насыщенных углеводородов – парафинов. Топливо становится непрозрачным, сохраняя текучесть, однако велика вероятность забивания топливных фильтров кристаллами. Выпадение кристаллов характеризуется температурой помутнения дизельного топлива.
Наконец, охлаждение до еще более низких температур и достижение температуры застывания приводит к потере текучести, топливо становится мазеобразным. Температуры помутнения и застывания определяют предельно низкую температуру применения дизельного топлива. Нижний температурный предел применения дизельного топлива на 3–5°С выше температуры помутнения и на 10–15°С выше температуры застывания.
Можно считать, что температура помутнения (tп) характеризует фильтруемость топлива, а температура застывания (tз) – прокачиваемость. Помимо этих показателей в стандарты введен более объективный показатель – предельная температура фильтруемости. Это минимальная температура, при которой заданный объем топлива прокачивается через стандартный фильтр за определенный промежуток времени (tф).
Требования к вязкостно-температурной характеристике дизельного топлива противоречивы. При высокой вязкости не достигается необходимая тонкость распыления топлива форсункой, ухудшается испарение и смесеобразование. Сгорание становится неполным, повышается дымность отработавших газов и нагарообразование, снижается экономичность работы двигателя. Низкая вязкость не обеспечивает хорошее смачивание трущихся металлических поверхностей, увеличивается износ, и, кроме того, возможно подтекание топлива через зазоры плунжерных пар насоса.
Для улучшения низкотемпературных свойств дизельных топлив (то есть для расширения температурного диапазона их возможного использования) при производстве дизельных топлив производят депарафинизацию дизельных фракций. Удаление части парафинов позволяет снизить температуры помутнения и застывания на несколько десятков градусов и получать топлива с весьма низкими температурами помутнения и застывания. По этим показателям дизельные топлива делятся на летние, зимние и арктические. (Необходимо учитывать, что при снижении содержания парафинов ухудшается самовоспламеняемость дизельного топлива, и это устанавливает некий предел депарафинизации.)
Низкотемпературные свойства дизельных топлив можно улучшить добавлением депрессантов. Депрессорные присадки снижают tз (на 20–25°С) и tф (на 12–15°С), но практически не изменяют tп.
Для топлив с депрессорной присадкой разница между температурой помутнения и температурой фильтруемости составляет 10–17°С, и в этом случае поведение топлива при низких температурах определяется не температурой помутнения, а предельной температурой фильтруемости.
В качестве примера можно привести показатели летнего дизельного топлива, полученного из западносибирской нефти, до и после введения депрессанта:
летнее топливо tп = –5°С, tф = –8°С, tз = –15°С
то же топливо с tп = –5°С , tф = –24°С, tз = –35°С
депрессантом
Таким образом, даже летние топлива с присадкой могут обеспечить пуск холодного двигателя. Специальные добавки – антигели – снижают tф настолько, что возможна эксплуатация двигателя до –45°С.
Стандартами установлены пределы вязкости при 20°С для всех марок дизельных топлив. Температура 20°С выбрана потому, что величина вязкости при этой температуре достаточно точно отражает изменения вязкости при более низких температурах, а это важно для прокачивания топлива в топливной системе двигателя. Поэтому для летних марок величина вязкости должна быть выше, чем для зимних и арктических топлив.
Нарушения работы в системе подачи топлива могут возникнуть при забивании фильтров тонкой очистки из-за высокого содержания примесей в дизельном топливе. Забиваться фильтры могут механическими примесями, попадающими в топливо при транспортировке, хранении, заправке двигателя, кристалликами льда, которые образуются при низких температурах из воды, присутствующей в растворенном виде или в виде эмульсии, смолистыми соединениями, солями нафтеновых кислот (мылами). Примеси вызывают износ топливной системы автомобиля, а их количество в дизельном топливе определяет срок службы фильтров тонкой очистки. Оно регламентируется коэффициентом фильтруемости. Коэффициент фильтруемости определяется как отношение времени фильтрования последней (десятой) порции топлива (2 мл) ко времени фильтрования первой порции топлива (также 2 мл) через специальный бумажный фильтр. Величина коэффициента фильтруемости не должна быть больше 3.
Стандартами ограничено содержание смолистых веществ, а механические примеси и вода должны отсутствовать (что изначально может быть достигнуто только на месте производства). От механических примесей избавляются также отстаиванием и фильтрованием при сливе топлива в резервуары и при заправке. При эксплуатации автомобиля топливо также очищается фильтрующими элементами.
В дизельных двигателях, о чем упоминалось раньше, смесеобразование происходит в очень короткие отрезки времени (тысячные доли секунды). На первой стадии смесеобразования – распылении топлива, основное влияние оказывают вязкость и плотность топлива. На второй стадии – испарении – основное значение имеет фракционный состав дизельного топлива, который определяет его испаряемость.
При высоком содержании низкокипящих фракций испаряемость хорошая, горючая смесь однородна. Однако ухудшается способность смеси к самовоспламенению от сжатия, запуск двигателя затруднен, он работает жестко.
«Утяжеленное» дизельное топливо хуже распыляется, имеет низкое давление паров из-за плохой испаряемости, смесеобразование ухудшается, пуск холодного двигателя затруднен, увеличивается нагароотложение, дымность из-за неполного сгорания. Несгоревшая часть (тяжелые фракции) топлива смывает со стенок цилиндра масло, что приводит к износу двигателя.
Таким образом, для нормальной и экономичной работы двигателя необходимы топлива определенного фракционного состава.
Температура начала кипения дизельных топлив не регламентируется (она составляет 180–190°С). Стандартами установлены лишь два температурных показателя фракционного состава – температуры выкипания 50 % и 96 % топлива (t50% и t96%). Первый показатель характеризует пусковые свойства дизельного топлива, так как топливо должно содержать некоторое количество легких фракций для обеспечения запуска, а второй ограничивает содержание тяжелых фракций для того, чтобы обеспечить полное сгорание. Кроме того, установлены различные показатели t50% и t96% для летних, зимних и арктических дизельных топлив.
Основными марками бензина, вырабатываемого в России, являются А-76, А-80, А-92, АИ-91, АИ-93, АИ-95 и АИ-95 «Экстра» (табл. 2.1). Причем автомобильные бензины АИ-91, АИ-95, АИ-95 «Экстра» выпускаются только неэтилированными с содержанием свинца не более 0,01 г на 1 дм3. Бензины остальных марок могут быть как этилированными, так и неэтилированными. Бензины А-72, А-76, АИ-91, АИ-93 и АИ-95 изготавливаются зимнего и летнего видов.
Применение того или иного сорта бензина определяется конструктивными особенностями двигателей внутреннего сгорания, а также условиями, в которых они эксплуатируются.
За рубежом в промышленно развитых странах применяется в основном бензин двух марок — «Премиум» с ОЧИ 97… 98 и «Регуляр» с ОЧИ 90…94.
В странах Европейского экономического сообщества доля бензина марки «Премиум» составляет 78 %, а бензина марки «Регуляр» — 22 %, причем в Европе в настоящее время практически все бензины этилированные с содержанием свинца 0,15…0,4 г/л.
В Японии используется практически только неэтилированный бензин марки «Регуляр» (97%) с ОЧИ 91; бензина марки «Премиум» выпускается около 2 %, а этилированных бензинов — 0,5 %.
В США доля бензинов с ОЧИ 96 составляет 15 %, с ОЧИ 93 — 40%, а с ОЧИ 92 — 45%, но намечен постепенный переход на производство только неэтилированных бензинов марок «Регуляр» (85 %) и «Премиум».
Остальные основные показатели качества зарубежных бензинов практически не отличаются от показателей бензинов, выпускаемых в России.
В России в настоящее время выпускаются неэтилированные бензины А-76, АИ-80, АИ-91, АИ-92, АИ-93, АИ-95, АИ-96, АИ-98 и этилированные — А-76, АИ-80, АИ-92, АИ-93. Планируется полный переход в 2003 г. на производство неэтилированных бензинов, а до этого полностью заменить выпуск бензинов А-76 (АИ-80) на производство неэтилированных бензинов с ОЧИ 91 и выше.
Необходимо также обеспечить рост производства бензинов по ГОСТ Р 51105 — 97, а в городах и районах с высокой плотностью транспортных средств организовать возможность использования бензина АИ-95, отвечающего требованиям европейских норм по токсичности отработавших газов.
Решение о возможности использования нефтепродукта по назначению принимается на основании его паспорта. Показатели топлива, приведенные в паспорте, позволяют сделать заключение о соответствии его стандарту и оценить возможность применения в различных условиях эксплуатации автомобилей. Одновременно данные паспорта позволяют предвидеть возможные отклонения в работе двигателя от нормального режима при использовании этого топлива и провести необходимые профилактические мероприятия и регулировки.
Контрольные вопросы
1. Какие свойства автомобильных бензинов влияют на процессы их подачи и образования топливовоздушной смеси?
2. По каким показателям оценивают фракционный состав бензина?
3. Какие факторы определяют нормальное и детонационное сгорание рабочей смеси в двигателе?
4. В чем заключаются моторный и исследовательский методы определения октанового числа автомобильного бензина?
5. Какие существуют методы повышения октанового числа автомобильного бензина?
6. Какие показатели определяют физическую и химическую стабильность бензина?
7. Какие марки бензина выпускаются в России для современных карбюраторных двигателей?
ГЛАВА 3
Основными марками бензина, вырабатываемого в России, являются А-76, А-80, А-92, АИ-91, АИ-93, АИ-95 и АИ-95 «Экстра» (табл. 2.1). Причем автомобильные бензины АИ-91, АИ-95, АИ-95 «Экстра» выпускаются только неэтилированными с содержанием свинца не более 0,01 г на 1 дм3. Бензины остальных марок могут быть как этилированными, так и неэтилированными. Бензины А-72, А-76, АИ-91, АИ-93 и АИ-95 изготавливаются зимнего и летнего видов.
Применение того или иного сорта бензина определяется конструктивными особенностями двигателей внутреннего сгорания, а также условиями, в которых они эксплуатируются.
За рубежом в промышленно развитых странах применяется в основном бензин двух марок — «Премиум» с ОЧИ 97… 98 и «Регуляр» с ОЧИ 90…94.
В странах Европейского экономического сообщества доля бензина марки «Премиум» составляет 78 %, а бензина марки «Регуляр» — 22 %, причем в Европе в настоящее время практически все бензины этилированные с содержанием свинца 0,15…0,4 г/л.
В Японии используется практически только неэтилированный бензин марки «Регуляр» (97%) с ОЧИ 91; бензина марки «Премиум» выпускается около 2 %, а этилированных бензинов — 0,5 %.
В США доля бензинов с ОЧИ 96 составляет 15 %, с ОЧИ 93 — 40%, а с ОЧИ 92 — 45%, но намечен постепенный переход на производство только неэтилированных бензинов марок «Регуляр» (85 %) и «Премиум».
Остальные основные показатели качества зарубежных бензинов практически не отличаются от показателей бензинов, выпускаемых в России.
В России в настоящее время выпускаются неэтилированные бензины А-76, АИ-80, АИ-91, АИ-92, АИ-93, АИ-95, АИ-96, АИ-98 и этилированные — А-76, АИ-80, АИ-92, АИ-93. Планируется полный переход в 2003 г. на производство неэтилированных бензинов, а до этого полностью заменить выпуск бензинов А-76 (АИ-80) на производство неэтилированных бензинов с ОЧИ 91 и выше.
Необходимо также обеспечить рост производства бензинов по ГОСТ Р 51105 — 97, а в городах и районах с высокой плотностью транспортных средств организовать возможность использования бензина АИ-95, отвечающего требованиям европейских норм по токсичности отработавших газов.
Решение о возможности использования нефтепродукта по назначению принимается на основании его паспорта. Показатели топлива, приведенные в паспорте, позволяют сделать заключение о соответствии его стандарту и оценить возможность применения в различных условиях эксплуатации автомобилей. Одновременно данные паспорта позволяют предвидеть возможные отклонения в работе двигателя от нормального режима при использовании этого топлива и провести необходимые профилактические мероприятия и регулировки.
Контрольные вопросы
1. Какие свойства автомобильных бензинов влияют на процессы их подачи и образования топливовоздушной смеси?
2. По каким показателям оценивают фракционный состав бензина?
3. Какие факторы определяют нормальное и детонационное сгорание рабочей смеси в двигателе?
4. В чем заключаются моторный и исследовательский методы определения октанового числа автомобильного бензина?
5. Какие существуют методы повышения октанового числа автомобильного бензина?
6. Какие показатели определяют физическую и химическую стабильность бензина?
7. Какие марки бензина выпускаются в России для современных карбюраторных двигателей?
ГЛАВА 3
АВТОМОБИЛЬНЫЕ ДИЗЕЛЬНЫЕ ТОПЛИВА
Требования к качеству дизельных топлив
Дизельные топлива должны отвечать следующим требованиям: бесперебойно поступать в цилиндры при любых температурах и обеспечивать легкий пуск двигателя;
хорошо распыливаться и обеспечивать хорошее смесеобразование в цилиндрах двигателя;
образовывать минимальное количество нагара и отложений, а также не вызывать коррозии и коррозионных износов деталей, соприкасающихся с ним и продуктами его сгорания.
Рабочий процесс в дизельных двигателях отличается от рабочего процесса в карбюраторных двигателях: в дизелях топливо смешивается с воздухом непосредственно в камере сгорания и при этом отсутствует принудительное зажигание рабочей смеси. Особенности смесеобразования и воспламенения и обусловливают отличие роли и значения некоторых показателей дизельных топлив от бензинов.
Рассмотрим схему системы питания дизельного двигателя, приведенную на рис. 3.1.
Топливо заливается в бак 2 через горловину 1 с мелкой фильтрующей сеткой. С помощью подкачивающего насоса 4 оно последовательно прогоняется сквозь фильтры грубой 3 и тонкой 6 очистки, освобождаясь в результате от самых мелких примесей и даже смолисто-асфальтовых веществ, а затем поступает в топливный насос 5, секции которого под высоким давлением по трубопроводу 8 нагнетают топливо к форсункам 9. В определенные моменты и при высоком давлении (до 150 МПа) форсунки впрыскивают топливо в камеру сгорания 10, где находится
Рис. 3.1. Схема системы питания дизельного двигателя:
1 — горловина бака; 2 — бак; 3 — фильтр грубой очистки; 4 — подкачивающий насос; 5 — топливный насос; 6— фильтр тонкой очистки; 7— воздухоочиститель; 8 — трубопровод; 9 — форсунка; 10 — камера сгорания; 11 — глушитель
сжатый поршнем цилиндра и нагревшийся от давления 3…7 МПа до значительной температуры (500… 800 °С) воздух, предварительно тщательно очищенный в воздухоочистителе 7. Здесь топливо испаряется, нагревается до температуры самовоспламенения, перемешивается с горячим воздухом и сгорает.
Продукты сгорания выходят через выпускную трубу и глушитель П. Высокая степень очистки воздуха и топлива необходимы для обеспечения надежной и долговечной работы дизельного двигателя.
Дизельные двигатели имеют следующие преимущества по сравнению с карбюраторными: высокую экономичность; использование в качестве топлива более дешевых и доступных фракций нефти; большую пожаробезопасность; лучшую приемистость и возможность перехода на работу с нагрузкой без полного прогрева; более высокую надежность и долговечность в эксплуатации и др., что обусловливает их широкое применение.
В настоящее время практически на всех тракторах, комбайнах, многих мощных автомобилях, некоторых легковых автомобилях и автобусах установлены дизельные двигатели.
Процесс смесеобразования в дизелях в значительной степени предопределяет протекание рабочего процесса, а следовательно, его эффективность и экономичность. Большое влияние на протекание процесса смесеобразования оказывают вязкость и фракционный состав дизельного топлива.
Вязкость дизельных топлив
Вязкость является показателем, определяющим прокачиваемость дизельного топлива по системе питания двигателя. Топлива с чрезмерно высокой вязкостью оказывают значительное сопротивление при движении по трубопроводу, через фильтр, отверстия форсунок и т.д.
При использовании же дизельных топлив с очень низкой вязкостью ухудшается смазывание деталей насоса высокого давления и нарушается дозировка подачи вследствие возрастающего его просачивания через зазоры между плунжером и гильзой того же насоса.
Кроме того, от вязкости существенно зависит качество распыливания топлива при его впрыске в цилиндры (рис. 3.2). Из высоковязкого топлива капли получаются крупными, а факел, образующийся из них, — с излишне большой дальнобойностью, что приводит к замедленному их испарению и частичному оседанию на днище поршня и стенках камеры сгорания. При этом наступает нарушение процесса горения, сопровождающееся понижением КПД двигателя, увеличением образования количества нагара на деталях камеры сгорания и другим неприятностям.
Рис. 3.2. Конусы распыливания и образующиеся факелы высоковязкого (а) и маловязкого (б) дизельного топлива
При чрезмерно низкой вязкости топлива капли при распыливании получаются очень мелкими, дальность их полета настолько уменьшается, что они концентрируются и сгорают в основном в непосредственной близости от форсунок. В этом случае возможны перегрев и деформация форсунок, а также неполное использование воздуха, находящегося в наибольшем удалении от них.
Вязкость дизельного топлива так же, как и других нефтепродуктов, зависит от температуры: с ростом температуры она понижается, а при ее падении увеличивается.
Лучшими свойствами обладает топливо с вязкостью 2,5…4,0 мм2/с при 20 ˚С, но чем выше вязкость при 20 ˚С, тем значительнее ее изменение при понижении температуры. Поэтому в стандартах на отечественные дизельные топлива вязкость устанавливается при 20˚С в зависимости от их марки (т.е. условий применения): для летних 3,0…6,0 мм2/с; для зимних 1,8…5,0 мм2/с; для арктических 1,5…4,0мм2/с.