Основні властивості палива і їх вплив на конструкцію

Основні властивості палива і їх вплив на конструкцію, роботу, безвідмовність, довговічність та економічність двигунів

За агрегатним станом розрізняють тверде, рідке та газоподібне паливо. Тверде паливо у двигунах використовується рідко і тільки після газифікації в газогенераторних пристроях або в пиловидному стані. Рідке паливо є основним видом палива для всіх двигунів внутрішнього згоряння. Саме про нього і йтиметься нижче. Газоподібне паливо з кожним роком набуває все більшого значення як замінник рідкого палива. За рядом властивостей воно навіть перевершує останнє, тому слід чекати подальшого розширення його застосування.

Під теплотою згоряння палива для двигунів внутрішнього згоряння розуміють найнижчу теплоту згоряння з урахуванням утрати теплоти на випаровування води, що виникає при спалюванні палива. Теплоту згоряння палива можна визначити за його елементним складом, тому що при повному згорянні кожного з горючих елементів, які входять у паливо, виділяється певна кількість теплоти. Q 3 = 33, 913 С + 102, 995 Н + 10, 885 (О – S), де Q 3 – вища питома теплота згоряння, МДж/кг; С, Н, О, S – масові частки елементів (вуглецю, водню, кисню, сірки), що входять до складу палива.

Найвищу питому теплоту згоряння має водень (103 МДж/кг), найнижчу (з рідин, що використовуються як паливо) – метиловий спирт (22 МДж/кг). Бензин має нижчу питому теплоту згоряння 44 МДж/кг, дизельне паливо – 42, 7 МДж/кг, а етиловий спирт – 26 МДж/кг.

Теплова енергія, що виконує корисну роботу у двигуні внутрішнього згоряння, створюється внаслідок хімічної реакції між паливом та киснем повітря у процесі згоряння палива в циліндрах двигуна. В сучасних швидкохідних двигунах процес згоряння палива відбувається дуже швидко – за десяті або соті частки секунди. Відповідно настільки швидко мають проходити процеси підготовки суміші палива з повітрям. Вищезгадана обставина висуває певні вимоги до якості палива, яке застосовується у двигунах внутрішнього згоряння.

У загальному вигляді вимоги до якісних сортів палива можна сформулювати так: • паливо повинно мати високі експлуатаційні властивості, забезпечувати надійну й економічну роботу двигуна; • паливо не повинно створювати особливих ускладнень при зберіганні, транспортуванні, перекачуванні та заправленні в баки машин; • паливо не повинно бути токсичним і зумовлювати небезпеку забруднення навколишнього середовища.

За теплотою згоряння класифікація палива важлива тоді, коли треба оцінити його як енергоносій, а також при теплових розрахунках двигунів, розрахунках об'ємів паливних баків тощо. За цією ознакою розрізняють три види палива: висококалорійне – з питомою теплотою згоряння більш як 42 МДж/кг; середньокалорійне – з питомою теплотою згоряння 25. . . 42 МДж/кг; низькокалорійне – з питомою теплотою згоряння менше як 25 МДж/кг.

За походженням паливо класифікують при оцінці його сировинної бази або способу здобуття палива. Паливо розділяють на дві групи: нафтового та ненафтового походження. Часто паливо ненафтового походження називають альтернативним. До нього належать спирти, водень тощо. За цільовим призначенням паливо поділяється на паливо для двигунів з іскровим запалюванням (бензини), дизельне паливо, паливо для турбореактивних двигунів тощо.

Під час розроблення заходів, що передбачають економію палива, необхідно звертатись до глибинного розуміння та аналізу основ теорії будови двигуна, засобів приготування робочих сумішей, процесів згоряння палива у двигунах, особливостей робочих процесів у різних режимах роботи машин, а також враховувати різні умови праці, конструктивні й експлуатаційні параметри бензинових і дизельних двигунів.

ХІММОТОЛОГІЯ БЕНЗИНІВ Експлуатаційні вимоги Потужність двигуна, його моторесурс, надійність роботи, витрати палива і моторної оливи, токсичність відпрацьованих газів залежать від якості палива. Товарний бензин складається з суміші бензинових фракцій, здобутих різними способами перероблення нафти (атмосферної перегонки та крекінгів). Крім того, в них додають різні високооктанові компоненти, альтернативне паливо, газовий бензин (для поліпшення пускових якостей), а також присадки й інгібітори окиснення (для збільшення терміну зберігання), присадки, що мають мийні, антиобмерзальні та інші властивості.

Бензини повинні мати такі фізико-хімічні властивості, які забезпечували б: - безперебійну подачу в систему живлення; - утворення паливоповітряної суміші потрібного складу; - нормальне та повне згоряння її у двигунах (без виникнення детонації); - зменшення корозії, а також корозійного зношування деталей двигунів; - зменшення відкладень у впускному трубопроводі, камері згоряння й інших деталях двигунів; - збереження якостей при зберіганні, перекачуваннях і транспортуванні.

Кожна з перелічених вимог визначається одним або кількома показниками. Ці показники за їх впливом на ті чи інші властивості можна умовно поділити на: - сумішотвірні, які забезпечують подачу бензину й утворення паливоповітряної суміші, та показники, що забезпечують пуск і роботу двигунів; - показники, які забезпечують повне згоряння бензинів, їхні антидетонаційні властивості та властивості, що впливають на корозію й утворення відкладень у двигунах.

Сумішотвірні показники та показники, що забезпечують пуск і роботу двигуна На сумішотвірні показники бензинів впливають їхні густина, в'язкість, поверхневий натяг, випаровуваність, тиск насичених парів і низькотемпературні властивості. Густина бензину впливає на витрати палива крізь жиклери та рівень бензину в попалвцевій камері карбюратора. Тому густина бензину має знаходитись у межах 690. . . 750 кг/м 3 при +20 °С. Збільшення в 'язкості бензинів може призвести до недопустимого збіднення робочої суміші.

Поверхневий натяг усіх автомобільних бензинів однаковий і при температурі +20 °С становить 20. . . 2. 4 м. Н/м, тобто приблизно в 3, 5 раза менший, ніж води. Властивості бензинів, які забезпечують пуск та роботу двигунів. Утворення горючої суміші палива і повітря залежить як від фізичних властивостей самого палива, так і від умов, в яких відбувається цей процес, тобто від кількості теплоти, що підводиться до горючої суміші, та тривалості процесу сумішоутворення. Ця властивість бензинів називається випаровуваністю. Вона характеризує його здатність переходити з рідкого стану в газоподібний. Від випаровуваності бензину залежать пуск і прийомистість двигуна, надійність його роботи в різних умовах, витрати та втрати бензину при транспортуванні, а також зношування деталей, які труться. Про випаровуваність бензину судять за двома стандартизованими показниками: фракційним складом і тиском насичених парів.

Фракційний склад визначають за температурою википання компонентів (фракцій) бензину, що характеризуються температурою початку кипіння, температурою википання 10 % фракцій, 50 % фракцій, 90 % фракцій, кінця кипіння та залишком у колбі.

Температура початку перегонки (кипіння) і температура перегонки 10 % бензину характеризують його пускові властивості, схильність до утворення парових пробок у системі живлення двигуна та обмерзання карбюратора. За температурою википання 10 % фракцій бензину можна приблизно визначити мінімальну температуру навколишнього повітря, при якій можливий пуск двигуна. Температура википання 50 % фракцій (t 50) характеризує середню випаровуваність бензину, що впливає на прийомистість, прогрівання, стійку роботу двигуна та обмерзання карбюратора. Чим нижча температура, тим вищі випаровуваність бензину і стійкість роботи двигуна на ньому, t 50 літніх бензинів становить 115°С, а зимових – 100°С. Температура википання 90 % фракцій бензину (t 90) і температура закінчення його кипіння характеризують повноту згоряння палива та визначають прийомистість гарячого двигуна, легкість переходу з малого газу на повний і, навпаки, робоче зношування двигуна, втрати палива і моторної оливи, склад відпрацьованих газів та інші експлуатаційні характеристики машини. Чим нижчі температури t 90 і t. KK, тим надійніше працює двигун.

Тиск насичених парів бензинів визначають при температурі 38°С за допомогою стандартних герметично закритих приладів. Цей показник дає можливість зробити точніший висновок про пускові властивості бензину. Чим вищий тиск насичених парів, тим більше в бензині фракцій, які легко випаровуються, і, як наслідок, кращі його пускові властивості та швидше прогрівається двигун. Водночас зростає небезпека утворення повітряних пробок і втрати бензину від випаровування при його зберіганні. Можливість виникнення парових пробок залежить від багатьох чинників, основними з яких є кількість легкої частини палива та температура повітря в підкапотному просторі, що на 40. . . 50 °С перевищує температуру повітря. Підвищення температури сприяє виникненню парових пробок.

Таким чином, з одного боку, наявність у бензині фракцій, що легко випаровуються та мають високий тиск насичених парів, є шкідливою, оскільки веде до утворення повітряних пробок і підвищених витрат бензину при його зберіганні, а з іншого – корисною, тому що від неї залежать легкість пуску та швидке прогрівання двигуна. Тому промисловість випускає бензин із таким фракційним складом і таким тиском насичених парів, щоб схильність до утворення у паливопроводах парових пробок була мінімальною влітку, але щоб він мав необхідні пускові властивості взимку.

Низькотемпературні властивості бензинів обумовлюють їхні можливості щодо забезпечення працездатності паливопідвідної системи при мінусових температурах. При низьких температурах може статись обмерзання карбюратора або припинення подачі бензину у двигун через випадання кристалів льоду. Обмерзання карбюратора залежить від наявності в бензині легких фракцій і характеризується температурою випаровування 10 та 50 % бензину. Це явище пов'язане з поглинанням теплоти під час випаровування бензину. При температурі навколишнього повітря 5. . . 7 °С через 2, 5 хв після пуску двигуна температура дросельної заслінки може знизитись до -14 °С, а вода, що конденсується на ній з повітря, перетворитися на лід.

Автомобільний транспорт, будівельні та інші машини на більшій частині території нашої країни понад півроку експлуатуються при знижених температурах повітря, тому боротьба з їх обмерзанням є досить актуальною. З цією метою до бензинів додають спеціальні присадки: поверхневоактивні речовини (ПАР), іноді спирти, гліколі, ефіри, аміди й інші речовини в кількості 1. . . 3 %. Можна використовувати присадку «Найк» , що має мийні та захисні властивості, в кількості 0, 02. . . 0, 4 %.

Найбільші ускладнення при експлуатації двигунів в умовах низьких температур пов'язані з утворенням у бензинах кристалів льоду. У бензинах у розчиненому стані може знаходитися лише кілька сотих відсотка води, але зі зниженням температури розчинність води в бензинах зменшується. При підвищеній вологості повітря та плюсовій температурі кількість води навіть у зневодненому бензині майже миттєво досягає максимального значення. При швидкому охолодженні бензину зайва волога не встигає випаровуватись і відокремлюється у вигляді дрібних крапель, які при мінусових температурах перетворюються на кристали льоду, що засмічують фільтри та порушують подачу палива у двигун.

Властивості бензинових сумішей, що забезпечують їх повне згоряння Процес згоряння бензинів – складний і до кінця не вивчений. Проте цілком очевидно, що на цей процес значною мірою впливає кількість повітря. При його нестачі горіння бензину проходить повільно, його температура є невисокою, утворюються продукти неповного згоряння бензину (оксид вуглецю, сажа тощо), а відпрацьовані гази стають темними чи навіть чорними. Якщо кількість повітря перевищуватиме певну межу, то багато теплоти буде витрачатися на нагрівання азоту – основного компонента повітря та надлишкового кисню. При цьому температура палива знижується, швидкість його згоряння зменшується і виникає перевитрата палива. Теоретично необхідна кількість повітря залежить від складу палива. Для згоряння 1 кг вуглецю до СО 2 треба мати 2, 67 кг кисню, а для згоряння 1 кг водню до Н 2 О – 8 кг кисню.

Коефіцієнт надлишку повітря – це відношення кількості повітря в кілограмах, витраченого у двигуні на згоряння 1 кг пального (Vф), до кількості повітря, теоретично необхідного для повного згоряння 1 кг пального (Vт = 14, 9). Відношення Vф/Vт характеризує нормальну (стехіометричну) паливну суміш. При α < 1 ця суміш називається збагаченою, а при α > 1 – збідненою. Сучасні бензинові двигуни працюють на бензині при α = 0, 8. . . 1, 1. На стехіометричній суміші двигун працює стійко, розвиває потужність, близьку до розрахункової, але має знижену економічність. Тому практично повітря в горючій суміші має бути трохи більше від теоретично необхідної кількості. Найбільша економічність при повному навантаженні двигуна досягається на бідній суміші, коли αек =1, 1. Це пояснюється наявністю в циліндрі залишку газів і неоднорідністю робочої суміші, які негативно впливають на процес її згоряння. Подальше збіднення суміші знижує потужність двигуна й економічність його роботи.

Максимальну потужність розвиває двигун, який працює на багатій суміші α - 0, 8. . . 0, 9. Однак економічність двигуна при цьому знижується. Зайве збагачення горючої суміші зумовлює неповне її згоряння, зменшення потужності двигуна, збільшення витрат палива. Крім того, при роботі на занадто збагачених сумішах підвищується нагароутворення на клапанах, днищі поршня, електродах свічок та стінках камери згоряння. Частина незгорілого палива змиває оливу із стінок циліндрів і, проникаючи в картер, розріджує її.

Робоча суміш при надмірному збідненні горючої суміші, а також перезбагаченні її не спалахує від електричної іскри. Нижня межа спалаху збіднених сумішей відповідає коефіцієнту надлишку повітря α = 1, 4; а верхня межа спалаху збагачених сумішей – α = 0, 4.

Компоненти відпрацьованих газів за характером їхньої дії на людину поділяють на отруйні (оксид вуглецю, сполуки свинцю), канцерогенні (беноперін), дратливі (оксиди азоту, сірчані сполуки, альдегіди) і забруднювальні (сажа й альдегіди). Продукти неповного згоряння пального забруднюють навколишню атмосферу, шкідливо впливають на живі організми та рослинний світ. Тому поряд із забезпеченням повного згоряння палива, що підвищує економічність двигуна, велике значення має проблема зниження токсичності відпрацьованих газів.

Структуру процесу згоряння палива у з іскровим запалюванням можна двигуні зобразити у вигляді двох фаз: утворення осередку горіння й утворення полум'я. Вивчається процес в дисципліні Автомобільні двигуни.

Антидетонаційні властивості палива, поняття детонації двигуна Природа детонації дуже складна і багато чого ще залишається нез'ясованим. Незважаючи на це, все ж навчились усувати детонацію та запобігати її виникненню. Установлено, що чим вища температура, тим більша швидкість окиснення вуглеводнів. У бензинових двигунах тиск у кінці такту стиску становить 1, 0. . . 1, 07 МПа, а температура – 330. . . 340 °С. За цих умов швидкість окиснення вуглеводнів збільшується, особливо вона зростає після спалаху робочої суміші, що сприяє утворенню великої кількості перокисних сполук. Особливо довго високі температура і тиск діють на останні порції незгорілого палива. Тому в них утворюється багато пероксидів та з'являються умови для переходу нормального згоряння палива в детонаційне.

При детонаційному згорянні палива значно підвищується віддача теплоти від газів стінкам камери згоряння як завдяки вищим температурам у детонаційній хвилі, так і в зв'язку зі збільшенням тепловіддачі від газів до стінок камери згоряння завдяки зриву із стінок більш холодного граничного шару оливи. При цьому двигун перегрівається, починають руйнуватися поверхня камери згоряння, днище поршня та антифрикційний шар підшипників, а прокладки між блоком циліндра і головкою прогоряють. Крім того, підвищується зношування поршневих кілець та дзеркала циліндрів, оскільки детонаційні хвилі, багаторазово відбиваючись від поверхні циліндрів, знімають з них шар оливи.

Однак, якщо до складу бензину входять такі вуглеводні, які за даних умов не утворюють пероксиди, то концентрація пероксидних сумішей не досягне критичного значення і згоряння закінчується нормально (без вибуху). Здатність бензину згоряти без вибуху у двигуні з іскровим запалюванням дістала назву його детонаційної стійкості. Установлено, що детонаційна стійкість залежить не тільки від антидетонаційних властивостей бензину, а й від режиму роботи двигуна й умов його експлуатації: атмосферних умов, нагароутворення, частоти обертання колінчастого вала двигуна, випередження запалювання, температури циліндрів, складу робочої суміші та дроселювання двигуна. Зниження температури повітря і барометричного тиску, а також збільшення вологості повітря зменшують схильність двигуна до детонації.

Нагароутворення в камері згоряння та на днищі поршня сприяють виникненню детонації. Із підвищенням частоти обертання схильність двигуна до детонації зменшується, а із збільшенням кута випередження запалювання – збільшується. При роботі двигуна на багатій суміші його схильність до детонації зменшується, а на бідній – збільшується. Чим більше прикрито дросельну заслінку, тим менше причин для появи детонації двигуна. Таким чином, для усунення детонації двигунів доцільно використовувати зменшення випередження запалювання, прикриття дроселя і збільшення частоти обертання колінчастого вала. Кожний із трьох названих чинників окремо, а тим більше в їх поєднанні є досить ефективним засобом боротьби з детонацією двигунів.

Показник, що визначає детонаційну стійкість бензину, дістав назву октанового числа. Октановим числом називається відсотковий (об'ємний) вміст ізооктану в еталонному паливі, яке за своїми антидетонаційними властивостями аналогічне досліджуваному. Еталонне паливо створюють змішуванням двох хімічно чистих вуглеводнів – ізооктану С 8 Н 18 та н-гептану С 7 Н 6. Ізооктан має високі антидетонаційні властивості, він здатний при стиску згоряти без детонації: його антидетонаційні властивості (октанове число) умовно приймають за 100 одиниць, а н-гептан, навпаки, має низькі антидетонаційні властивості, так що двигун починає детонувати навіть при низькому ступені стиску. Антидетонаційні властивості (октанове число) н-гептану умовно приймають за нуль.

Змішуванням у різних пропорціях за об'ємом ізооктану та н-гептану одержують еталонні сорти палива з різними антидетонаційними властивостями. Наприклад, якщо октанове число бензину дорівнює 76, то це значить, що він має такі самі антидетонаційні властивості, як і еталонна суміш, що містить 76 % ізооктану та 24 % н-гептану. Ці умовно прийняті одиниці, які по суті показують відсотковий вміст ізооктану в еталонній суміші, мають назву октанових чисел. Чим більше ізооктану міститься в еталонній суміші, тим вище її антидетонаційні властивості.

Октанові числа бензинів для бездетонаційної роботи двигунів Існує два методи оцінювання октанового числа: моторний і дослідний.

Способи підвищення октанового числа. Антидетонатори. Один із способів підвищення октанового числа ґрунтується на використанні сучасні технологій здобуття бензинів, наприклад каталітичного крекінгу, реформінгу тощо. Ця технологія дає можливість одержувати базові бензини з октановим числом 75. . . 80 за моторним методом і 80. . . 94 – за дослідним. Інший спосіб підвищення октанового числа полягає у доданні до бензину високооктанових компонентів (суміші ізопарафінових чи ароматичних вуглеводнів), які мають октанове число 90 та вище. їх додають у кількості 10. . . 40 %

Більш поширеним способом підвищення октанового числа бензинів є застосування як домішки антидетонаторів – ТЕС Рb (С 2 Н 5)4 і тетраметилсвинцю (ТМС) Рb(СН 3)4 високої ефективності. Введення всього 0, 3 % ТЕС підвищує октанове число палива на 15. . . 25 одиниць. Однак на шляху практичного використання ТЕС є серйозні труднощі, зумовлені двома його недоліками. По-перше, при застосуванні етилованого бензину на клапанах, свічках та стінках камери згоряння відкладається так багато свинцю і його оксиду, що двигун швидко виходить із ладу. Крім того, його деталі зазнають сильної ерозії. По-друге, ТЕС дуже отруйний та небезпечний для організму людини. Перший недолік удалось майже повністю усунути введенням у бензин домішок бромистих і хлористих сполук, які при згорянні разом із ТЕС утворюють легколеткі сполуки свинцю.

Суміш ТЕС з тим або іншим виносником та фарбою дістала назву етилової рідини, яка залежно від її складу має різний колір: жовтий (А-76), темно-синій (АИ-93), оранжевий (АИ-95) і характерний запах. Бензин з етиловою рідиною називають етилованим. Слід пам'ятати, що етилова рідина дуже отруйна й може проходити в організм людини крізь шкіру.

Вплив властивостей палива на корозію та утворення відкладень у двигуні Роль мінеральних (водорозчинних) кислот і лугів. Мінеральні кислоти та інші водорозчинні сполуки кислого характеру дуже сильно впливають як на чорні, так і на кольорові метали, а луги – лише на кольорові метали, їх наявність у паливі – недопустима. Наявність кислот установлюється за допомогою водяного розчину метилоранжу, а лугів – спиртового розчину фінолфталеїну. Водяна витяжка має бути нейтральною, інакше паливо слід забракувати. Роль органічних (нафтенових) кислот. Органічні кислоти за корозійною активністю незмірно слабкіші від мінеральних. Тому наявність їх у паливі в обмеженій кількості допускається. Наявність у паливі кислот та інших продуктів із кислою реакцією характеризується показником, який називається кислотністю.

Кислотність оцінюється кількістю гідроксиду калію (КОН) у міліграмах, необхідною для нейтралізації вільних кислот, що містяться в 1 г нафтопродукту. Присутність мінеральних кислот і лугів у свіжому бензині не допускається, тобто паливо має бути нейтральним, Однак із часом його кислотність збільшується. Роль сірчистих та сірчаних сполук. Наявність активних сірчистих сполук у паливі виявляють випробуванням на мідну пластинку, яку після ретельного очищення витримують протягом З год при температурі +50 °С. Нафтопродукт вважається таким, що не витримав випробування на мідну пластинку, якщо вона вкрилася чорним, темно-коричневим або сіростальним нальотом або плямами.

Стабільність палив. Під стабільністю палива розуміють його здатність зберігати властивості в допустимих межах для конкретних експлуатаційних умов. Стабільність палив залежить насамперед від їхніх фізико хімічних властивостей (густини, в'язкості, температури кипіння, вуглеводневого складу), наявності різних домішок та ін. В умовах експлуатації фракційний і хімічний склад палива погіршується внаслідок взаємодії із киснем повітря, нестабільності температури, наявності забруднення, вологості та механічних домішок. Умовно розрізняють фізичну і хімічну стабільність палива, враховуючи, що ці властивості пов'язані між собою, тобто при зміні деяких його фізичних властивостей в ньому можуть статися зміни хімічного складу та навпаки.

Асортимент бензинів і їх застосування Як товарні автомобільні бензини використовують суміші бензинів прямої перегонки та крекінгу з доданням високооктанових компонентів і різних присадок. На бензин споживачеві видається нафтобазою паспорт, в якому зазначається октанове число, вміст ТЕС, фракційний склад, тиск насичених парів та вміст фактичних смол.