Какие свойства бензина оценивают по фракционному составу

Стандартные показатели испаряемости бензинов

Для обеспечения полного сгорания топлива в двигателе необходимо его перевести в короткий промежуток времени из жидкого состояния в парообразное и смешать с воздухом в определенном соотношении — 1: 14 — то есть создать рабочую смесь.

Испаряемость топлив оценивают показателями фракционного состава и ДНП.

Фракционный состав показывает содержание в топливе отдельных фракций, выкипающих при перегонке топлива заданном интервале температур в стандартных условиях испытаний.

Выражают фракционный состав в объемных или массовых процентах выкипания при нагревании до определенной температуры, либо температурой выкипания определенной фракции.

Показатели испаряемости:

• · температура начала перегонки;
• · температура выкипания 10, 50, 90%;
• · температура конца перегонки;
• · объем остатка, неперегнанного топлива в стандартных условиях;
• · объем потерь при перегонке;
• · объем испарившегося бензина (%) при температуре 70С, 100С, 150С.
• · давление насыщенных паров при 38,7С, кПа;
• · индекс паровой пробки.

Влияние фракционного состава и ДНП бензина на работу ДВС

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, то есть создать горючую смесь. Такая смесь чаще создается вне двигателя, в карбюраторе. Испарение бензина начинается в карбюраторе после распыления, продолжается во впускном трубопроводе и заканчивается в камерах сгорания двигателя.

Поэтому испаряемость топлива 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 во 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 цилиндрах двигателя. Двигателям 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 физико-химических свойств топлив и условий их испарения. На испаряемость топлив влияют: тонкость распыления, скорость воздушного потока, температура и давление воздуха и другие факторы, зависящие главным образом от конструктивных особенностей систем питания двигателей.

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.

Наибольшее влияние на испаряемость бензинов оказывают фракционный состав и давление насыщенных паров. По этим показателям бензины могут существенно различаться между собой, тогда как другие показатели, влияющие на испаряемость, как правило, для всех бензинов очень близки и нивелируются в системе питания двигателя.

От фракционного состава и давления насыщенных паров бензинов зависят такие эксплуатационные свойства, как возможность пуска двигателя при низких температурах и склонность к образованию паровых пробок в системе питания, приемистость и скорость прогрева двигателя, износ цилиндропоршневой группы и расход горючего.

Для оценки влияния фракционного состава на работу двигателя фракции бензина условно делят на три части: пусковая, рабочая и концевая.

Пусковые качества бензина характеризуют температурой перегонки 10% и 20% и количеством фракции, выкипающей до 70С. Температура перегонки 10% (об.) характеризует пусковые качества бензина и склонность к образованию паровых пробок. При пуске холодного двигателя в системе смесеобразования испаряется лишь небольшая часть бензина, его самые легкие фракции. Остальная часть бензина попадает в цилиндры двигателя при пуске в виде жидкой пленки, в которой отсутствуют легкие фракции.

Если в бензине недостаточно легких фракций, ТВС может оказаться вне пределов воспламанения и двигатель не заведется. Чем ниже температура окружающего воздуха, тем больше требуется таких фракций. В ходе исследования автомобильных бензинов установлена следующая эмпирическая зависимость минимальной температуры воздуха, при которой возможен пуск двигателя, от температуры перегонки 10% бензина и температуры начала кипения:

Тв = 0,5Т10% — 50,5 + (Тнк — 50) / 3, (4)

где Тв — минимальная температура, при которой возможен пуск,С;

Тнк — температура начала кипения бензина,С;

Т10% — температура выкипания 10% бензина,С.

Пусковые свойства бензинов характеризуют также температура выкипания более тяжелой фракции — 20%, и количество бензина, выкипающего до 70С.

Рисунок 1 — Влияние фракционного состава на запуск двигателя при разной температуре воздуха

Зависимость предельной температуры воздуха и возможного запуска холодного двигателя от температуры выкипания 20% бензина имеет линейный вид:

Тв = (Т20% / 2) — 55,0, (5)

где Тв — минимальная температура, при которой возможен пуск,С;

Т20% — температура выкипания 20% бензина,С.

С увеличением содержания фракций бензина, выкипающих до 70С, температура возможного запуска холодного двигателя уменьшается. Для запуска карбюраторного двигателя необходимо, чтобы температура перегонки 10% и температура воздуха находились в следующей зависимости:

Т10% ? 1,25 (Тв + 59);

Тв = (Т10% / 2) — 50,5;

Т10% ? 1,25 (0,5Т10% + 8,5) (6)

На прогретом двигателе часть легких фракций может испариться в бензопроводе и образовать пробки, которые вызовут перебои в подаче бензина.

Таким образом, пусковые качества бензинов улучшаются по мере облегчения фракционного состава бензинов. Но применение очень легких вызывает другие эксплуатационные затруднения — образование паровых пробок в системе питания двигателей.

Появление паровых пробок и связанные с ним неполадки работы 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. При работе 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. Установлены следующие зависимости предельных температур нагрева бензина, при которых двигатель останавливается вследствие образования паровых пробок, от температур начала кипения, перегонки 10% и давления насыщенных паров бензина.

Тб = 1,85Тнк — 4,Тб = Т10% +10,Тб = 123 — 0,75рн, (7)

где Тб — предельная температура нагрева бензина,С;

Тнк — температура начала кипения бензина,С;

Т10% — температура выкипания 10% бензина,С.

Следует отметить, что температура нагрева бензина в системе питания двигателя может быть на 20-40С температуры воздуха за счет нагревания бензина в подкапотном пространстве теплоизлучением от двигателя.

Существенное влияние на образование паровых пробок в системе питания двигателей оказывает атмосферное давление.

При применении бензинов с высоким содержанием низкокипящих фракций, кроме образования паровых пробок, сопровождается обледенение карбюратора и увеличения потерь бензина при хранении и транспортировании. 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, металлических частей карбюратора и впускной системы, вследствие этого низкокипящие фракции испаряются и нагреваются до возможного максимума, а система питания двигателя и воздух охлаждаются. При определенных условиях влага, присутствующая в воздухе, вымерзает и конденсируется на холодных деталях, образуя лед. При повышенной влажности воздуха дроссельная заслонка может примерзнуть к диффузору и двигатель остановится.

Отмечено, что при температуре окружающего воздуха 7,5С температура дроссельной заслонки через 2 минуты после пуска двигателя снижается до — 14С.

Снижение температуры во впускной системе двигателя, а следовательно, и обледенение карбюратора зависит от испаряемости бензина. 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 бензинов для предотвращения обледенения карбюратора в нормативно-технической документации 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 и обледенения карбюратора и потерь от испаряемости — лучше, когда таких фракций меньше. Оптимальное содержание в бензинах низкокипящих фракций зависит от климатических условий эксплуатации автомобилей. Для территории нашей страны технически целесообразно деление бензинов на зональные (географическое положение) и сезонные сорта.

Температура перегонки 50% -ной фракции топлива, характеризует скорость прогрева двигателя, устойчивость его работы на малых оборотах и приемистость. Прогрев двигателя охватывает время от момента его пуска до достижения плавной стабильной работы. Чем быстрее прогревается двигатель, тем меньше производительные затраты времени и расход бензина, меньше износ деталей двигателя.

Если температура перегонки 50% -ной фракции высока, то испарение происходит неполно и с небольшой скоростью; горючая смесь получается обедненной, прогрев двигателя затягивается, двигатель на малых оборотах работает неустойчиво, его приемистость ухудшается.

Приемистость предопределяет динамические качества машины, ее способность преодолевать подъемы без переключения передачи и небольшую длину разгона. За 100% динамичность бензина условно принята динамичность автомобиля при работе двигателя на бензине с Т50% = 90С. По мере повышения этой температуры динамичность падает и при применении бензина с Т50% = 150С составляет всего 50%. Наиболее существенное влияние на скорость прогрева, двигателя, его приемистость зависят от температуры окружающего воздуха. Чем ниже температура окружающего воздуха, тем ниже должна быть температура перегонки 50% бензина для обеспечения быстрого прогрева и хорошей приемистости двигателя. Поэтому нормы на этот показатель также зависят от температурных условий эксплуатации и различаются по сезону и климатическим зонам.

Температура перегонки 90% -ной фракции и температура конца кипения перегонки характеризуют наличие в бензине тяжелых фракций, которые не успевают испариться во впускном трубопроводе и «доиспаряются» в цилиндрах двигателя. Если тяжелых фракций много и температура их кипения высока, то они окажутся в жидком состоянии. В результате этого мощность двигателя упадет, повысится удельный расход топлива и увеличатся рабочие износы двигателя вследствие смывания масла и разжижения его топливом. Увеличение температуры выкипания 50% и конца кипения снижает скорость набора оборотов двигателя и, соответственно, мощности.

И как было указано выше, требования к испаряемости автомобильных бензинов в значительной мере зависят от температурных условий их применения. С учетом климатических особенностей нашей страны автомобильные бензины по фракционному составу и давлению насыщенных паров подразделяют на два вида: летний и зимний.

Таблица 3 — Влияние фракционного состава на достигаемое число оборотов в определенный момент времени

Объем остатка в колбе (количество неиспарившегося при перегонке бензина) характеризует наличие в бензине тяжелых, трудноиспаряемых углеводородов и примесей, которые оказывают вредное воздействие на работу двигателя. Как правило, эти остатки, попадая в двигатель, полностью не сгорают и увеличивают удельный расход топлив и рабочие износы двигателя.

Объем потерь при перегонке характеризует склонность бензина к испарению при транспортировании и хранении. Повышенные потери при перегонке говорят о наличии наиболее легких фракций в бензине, которые будут интенсивно испаряться при транспортировании и хранении, особенно в жаркое время года.

Давление насыщенных паров дополняет информацию фракционного состава об испаряемости бензина, о склонности к образованию паровых пробок, о возможных потерях от испарения.

Зависимость ДНП топлив от температуры часто представляют в виде прямой, определяемой по формуле:

lg Рнп = (-А/Т) + В, (8)

где Рнп — ДНП, Па;

Т — температура,С;

А, В — постоянные.

Таблица 4 — Значение постоянных А и В.

Влияние соотношения паровой и жидкой фаз на величину ДНП объясняют следующим. С увеличением отношения паровой фазы к жидкой, ДНП будет уменьшаться. Чем выше ДНП, тем больше потенциальные потери при хранении, сливе и наливе.

А — область, в которой пуск возможен;

Б — область, в которой пуск невозможен.

Рисунок 2 — Зависимость пуска двигателя, от ДНП бензина и температуры воздуха

При понижении давления насыщенных паров до 33,3 кПа пусковые свойства бензинов ухудшаются, а при дальнейшем снижении пуск невозможен. Товарные автомобильные бензины должны иметь ДНП не ниже 33,3 кПа, так как концентрация паров бензина в рабочей зоне при данном давлении настолько мала, что запуск двигателя становится невозможным. Однако чрезмерное содержание низкокипящих фракций в составе бензинов может вызвать неполадки в работе уже прогретого двигателя, связанные с образованием паровых пробок в системе топливоподачи.

Причиной образования паровых пробок в автомобильном двигателе является интенсивное испарение топлива вследствие его перегрева. В условиях жаркого климата это явление может иметь массовый характер.

От содержания в бензине легкокипящих фракций зависит его физическая стабильность, то есть склонность к потерям от испарения. Наибольшие потери от испарения имеют бензины, содержащие в своем составе низкокипящие углеводороды: бутаны, пентаны.

Давление насыщенных паров характеризует испаряемость головных фракций бензинов, и в первую очередь их пусковые качества, то есть представляет собой максимальную концентрацию паров топлива в воздухе, при которой устанавливается равновесие паром и жидкостью. Таким образом, чем выше давление насыщенных паров, тем легче испаряется бензин и тем быстрее происходит пуск и прогрев двигателя. Однако если бензин имеет слишком высокое давление насыщенных паров, то он может испариться до смесительной камеры карбюратора. Это приведет к ухудшению наполнения цилиндров, возможному образованию паровых пробок в системе питания и снижению мощности, перебоям и даже к остановке двигателя, в том числе к увеличению потерь от испарения при хранении.

В лабораторных условиях давление насыщенных паров определяют при температуре 37,8С и соотношении паровой и жидкой фаз (3,8-4,2): 1 в «бомбе Рейда»

Показателем склонности бензина к образованию паровых пробок принято критическое значение показателя соотношения пар — жидкость, исключающее образование паровых пробок в широком диапазоне оборотов и нагрузок двигателя.

На практике за показатель склонности бензина к образованию паровых пробок принимают температуру, при которой достигается предельно допустимое соотношение «пар-жидкость», 20:

1. Индекс паровой пробки (индекс испаряемости) рассчитывают по формуле:

ИПП=10ДНП+7V70, (9)

где ДНП — давление насыщенных паров, кПа;

V70 — объем бензина, выкипающего до 70С, мл.

Давление насыщенных паров характеризует способность бензина выделять газы и пары, которые в топливной системе образуют паровые пробки, уменьшают подачу топлива и вызывают кавитацию насоса. Разность между давлением на входе в насос Рвх и давлением насыщенных паров Рнас называют кавитационным запасом (Рвх — Рнас). С его уменьшением кавитация возрастает, и подача топлива прекращается при Рвх = Рнас. Чем выше давление насыщенных паров, тем больше должно быть давление на входе в насос.

Таблица 5 — Испаряемость бензинов по ГОСТ 51105 — 97

Таблица 6 — Испаряемость бензинов по ГОСТ 51866 — 2002

Требования к фракционному составу и давлению насыщенных паров определены в зависимости от сезона, климатического района применения и экологического класса бензина. Такая классификация в большей степени удовлетворяет требованиям эксплуатации двигателей в разных климатических условиях и будет способствовать более экономичному и рациональному использованию топлив.