Влияние свойств бензина на характеристики работы двс

Групповой состав бензинов, реализуемых в настоящее время на топливном рынке России, весьма разнороден. Он определяется источником происхождения сырья, технологиями его переработки, а также способами получения заданных физико-химических показателей топлива.

По данным кафедры ДВС СПбГПУ, полученным в ходе периодических исследований уровня качества бензинов, содержание ароматических углеводородов в зависимости от марки топлива и его вида меняется в достаточно широких пределах – от 30 до 56 %, олифиновых углеводородов – от 2 до 18 %, оксигенатов – от 0 до 15 % (см. Приложения 2, 3).

Различие группового состава топлива оказывает существенное влияние на процессы смесеобразования и сгорания бензовоздушных смесей в

двигателе и тем самым определяет параметры мощности, топливной экономичности и токсичности отработавших газов.

Проведенные исследования показали, что для топлив с близкими значениями октановых чисел, определенными по моторному и исследовательскому методам, изменение группового состава топлив может дать весьма значительную разницу в выходных показателях бензинового ДВС. По мощности различие может составить до 2..3 % для карбюраторных ДВС и 4…6 % для впрысковых (рис. 24).

Различие в эффективном к.п.д. цикла, определяющем качество процессов сгорания и смесеобразования, еще более значительно – соответственно 4…7 % для карбюраторных и 5…9 % для впрысковых двигателей. Особенно велико различие в показателях токсичности. Так, по компонентам СН и NО_x оно может составлять до 20…25 % для двигателей обоих типов (рис. 25).

Влияние химического состава топлива на параметры работы двигателя внутреннего сгорания проявляется через изменение следующих физико-химических показателей топлива.

Во-первых, с изменением состава топлива изменяется его теплотворная способность. В настоящее время этот параметр действующими ГОСТами не нормируется (кроме авиационных бензинов), однако он оказывает значительное влияние на работу двигателя в реальных условиях. Так, в товарных бензинах в зависимости от состава низшая теплотворная способность может изменяться в пределах от 41,0 до 44,0 МДж/кг (см. Приложения 1–3), т. е. изменяться от топлива к топливу более чем на 5 %. Особенно заметно понижение теплотворной способности топлив на бензинах с высоким содержанием кислородсодержащих высокооктановых компонентов, например МТБЭ. Изменение теплотворной способности наиболее значимо влияет на параметры мощности и топливной экономичности бензинового двигателя.

В-вторых, состав топлива существенно меняет скорость и полноту сгорания топлива, особенно в зоне обогащенных топливовоздушных смесей. Наименьшими скоростями сгорания обладают топлива с высоким содержанием полициклических ароматических углеводородов (ПАУ). Наличие в бензинах связанного кислорода повышает скорость и полноту сгорания. Эти параметры определяют изменение как экономических характеристик двигателя, так и содержания токсичных компонент, особенно остаточных углеводородов СН и оксидов азота NO_x при использовании различных бензинов.

В-третьих, бензины различного группового состава могут существенно отличаться по плотности. Этот параметр ранее действующими ГОСТами нормировался и должен был находиться в диапазоне 720…775 кг/м³. Однако в новом Техническом регламенте (Приложение 4) эта норма отсутствует. А ведь плотность топлива для реального двигателя имеет принципиальное значение. Это объясняется тем, что все дозирующие
элементы системы топливоподачи настроены на объемные расходы
топлива, т. е. массовые цикловые подачи на одних и тех же режимах для разных бензинов будут отличаться в зависимости от плотности топлива. Это в свою очередь меняет состав топливовоздушной смеси, причем в
достаточно широком диапазоне, чтобы оказать существенное влияние на работу двигателя, особенно в зоне мощностного обогащения на высоких нагрузках.

В-четвертых, от химического состава топлива существенно зависит его фракционный состав, что в свою очередь влияет на его испаряемость, и следовательно, на карбюрационные свойства бензина.

В-пятых, групповой состав топлив оказывает значительное влияние на фактическую детонационную стойкость бензинов. Проведенные исследования показывают, что даже при весьма близких значениях ОЧИ и ОЧМ пределы детонации в реальных условиях сильно зависят от состава топлив, метода получения заданного октанового числа, наличия или отсутствия оксигенатов. Так, при испытаниях бензинов АИ-92 было отмечено различие в нагрузке на двигатель, при которой фиксировались детонационные стуки, на 12…17 % в зависимости от состава бензина и скоростного режима работы двигателя. Этот эффект особенно влияет на характеристики впрысковых ДВС, где фактор детонации является одним из сигналов для системы управления, которая меняет алгоритм работы системы зажигания.

Из основных параметров состава бензинов влияние на выходные показатели двигателя в большей степени оказывают содержание ароматических углеводородов и оксигенатов, а также наличие или отсутствие моющих присадок.

Влияние содержания ароматических углеводородов на параметры мощности и топливной экономичности имеет сложный характер с оптимумом, близким к величинам порядка 40 %, т. е. в зоне бензинов класса “Евро-3”. Минимум токсичности отработавших газов наблюдается при уменьшении содержания ароматики до уровня 30…32 %, т. е. в зоне бензинов класса “Евро-4”. Дальнейшее снижение содержания ароматических углеводородов не приводит к существенному улучшению экологических показателей двигателя, но значительно ухудшает мощностные. Отчасти это связано с тем, что чрезмерное уменьшение доли ароматики приводит к снижению фактической детонационной стойкости топлива и требует использования низкокалорийных высокооктановых кислородсодержащих компонент. А это, в свою очередь, приводит к снижению общей теплотворной способности топлива.

Кроме того, топлива с низким содержанием ароматических углеводородов (менее 30 %) и оксигенатов чаще всего характеризуются низкой плотностью, что существенно меняет состав топливовоздушной смеси, уводя его в зону неэффективных регулировок. Повышенные же концентрации ароматических углеводородов (более 45 %) существенно снижают скорость сгорания топлива, уменьшая термическую эффективность цикла, уменьшают полноту сгорания, что в значительной степени влияет на увеличение выхода остаточных углеводородов. С другой стороны, выход оксидов азота на таких видах топлив существенно уменьшается из-за снижения температур сгорания в цилиндрах двигателя. Такие топлива обладают повышенной плотностью (до 770 кг/м³), что также меняет состав смеси в неблагоприятном для эффективного сгорания направлении. Особенно сильно влияет содержание ароматических углеводородов на параметры впрыскового двигателя, имеющего l-регулирование.

Важным фактором, определяющим качество реальной работы бензинов, является содержание в их составе оксигенатов. Наиболее используемая в настоящее время кислородсодержащая компонента – метилтретбутиловый эфир (МТБЭ). Действующими нормативами содержание МТБЭ в бензинах ограничено 15 об. %, что связано с существенным падением общей теплотворной способности топлива при увеличении содержания оксигената, а также с повышением коррозионной активности бензина.

Проведенное исследование влияния содержания МТБЭ на характеристики двигателя, в котором для бензинов с примерно равным содержанием ароматических углеводородов (33…36 %) содержание МТБЭ менялось от 0 до 11 %, показало, что оптимум с точки зрения минимального расхода топлива лежит в области 6…7 % содержания МТБЭ. Такая концентрация оксигената, обеспечивая минимум выхода остаточных углеводородов, дает максимум содержания оксидов азота. Это в очередной раз подтверждает сложный многопараметрический характер задачи оптимизации группового состава топлива.

Механизм влияния содержания МТБЭ на выходные параметры двигателя весьма сложен и неоднозначен. При его описании следует учитывать влияние содержания этого оксигената на детонационную стойкость топлива, на его плотность, на изменение реального состава смеси с учетом связанного кислорода, на скорость и полноту сгорания, а также на общую теплотворную способность бензина. Надо отметить, что указанные результаты получены для конкретных видов бензинов с примерно сходным составом по содержанию различных групп углеводородов. Возможно, что для других концентраций ароматических углеводородов оптимальное содержание МТБЭ будет иным. Для выяснения этого требуются дополнительные исследования.

Важным фактором влияния на выходные показатели бензинового (в первую очередь – впрыскового) двигателя является наличие в составе бензинов моющих присадок. Очевидно, что при тех минимальных процентах ввода моющей присадки в топливо, которая практикуется в современной технологии производства топлив, она не может оказать существенного мгновенного действия и изменить параметры двигателя. Эффект от применения моющих присадок проявляется после значительного времени ее присутствия в двигателе. В ходе проведения многочисленных исследований работы двигателей на топливах, содержащих моющие присадки, была отмечена общая закономерность временного изменения параметров топливной экономичности и токсичности отработавших газов. Так, на начальном этапе работы бензина с моющей присадкой наблюдается некоторое ухудшение выходных параметров двигателя по мощности и токсичности отработавших газов по компоненте СН. Это, очевидно, обусловлено увеличением количества механических примесей и прочих загрязнений, попадающих в топливо со стенок элементов системы питания двигателя. Причем этот эффект тем более выражен, чем выше начальная степень загрязненности двигателя и больше концентрация моющей присадки. По мере увеличения времени наработки двигателя на бензине с моющей присадкой происходит стабилизация параметров на уровне, в определенной степени превышающем начальный – как по мощности и топливной экономичности, так и по токсичности отработавших газов. Следует, однако, отметить не повышение этих параметров, а их восстановление до уровня, приближающегося к штатным параметрам ДВС.

Механизм влияния моющей присадки очевиден. Удаление слоя загрязнений и препятствие образованию новых отложений на поверхностях впускной системы двигателя восстанавливает наполнение цилиндров двигателя и условия смесеобразования на впуске. Кроме того, уменьшение уровня загрязненности камеры сгорания нормализует тепловое состояние деталей ЦПГ двигателя, уменьшая тем самым его склонность к детонации. Все это вносит свой вклад в повышение технико-экономических и экологических показателей ДВС. Следует отметить, что эффективность моющей присадки в свою очередь сильно зависит от группового состава исходного бензина и требует оптимизации по соотношению “цена-качество” для каждого вида топлива. Так, было отмечено снижение эффективности некоторых моющих присадок на бензинах с высоким содержанием оксигенатов и, напротив, рост их моющих свойств на топливах с большим содержанием ароматических углеводородов.