Карбюрационные свойства бензинов

Карбюрационные свойства бензина, или испаряемость, – комплексное свойство, характеризующее закономерности перехода топлива из жидкого состояния в парообразное. Испаряемость определяет протекание процессов смесеобразования и воспламенения, полноту сгорания топлива в двигателе. Испаряемость влияет на износ двигателя, увеличивая степень разжижения моторного масла, потери топлива при перекачке и длительном хранении, а также повышая степень загрязнения окружающей среды углеводородами.

Процесс образования топливовоздушной смеси в двигателях, снабженных различными системами подачи топлива, протекает неодинаково. В карбюраторе этот процесс можно представить следующим образом:

из поплавковой камеры карбюратора топливо вследствие разности давлений проходит через жиклеры, дозирующие его количество, и вытекает из распылителя, расположенного в смесительной камере;

вытекающее топливо распыливается на мельчайшие капли в струе воздуха, поступающего в цилиндры двигателя через смесительную камеру карбюратора;

начинается испарение распыленного топлива, продолжающееся во впускном трубопроводе двигателя. Пары топлива и воздуха при этом взаимно диффундируют, образуя топливовоздушную смесь.

Смесеобразование в двигателях с впрыском топлива протекает более эффективно, так как бензин испаряется как в объеме (в трубопроводе или в цилиндре), так и с локально нагретых зон (с поверхностей впускных клапанов или поршня). Кроме этого, топливо в данном случае подается под давлением, что значительно улучшает процесс распыливания.

Количество топлива, дозируемое топливной аппаратурой, зависит не только от ее конструктивных параметров и эксплуатационных факторов, но и от текущих параметров состояния бензина. Таким образом, на состав топливовоздушной смеси, тонкость распыливания и полноту испарения влияют следующие физико-химические свойства топлива: плотность, вязкость, поверхностное натяжение, давление насыщенных паров, скрытая теплота парообразования, фракционный состав и некоторые другие.

Плотность принято обозначать r₄²⁰, где верхняя цифра указывает температуру продукта (нормальная – 20 °С), нижняя – стандартную температуру воды. Плотность можно определить ареометром (нефтеденсиметром) по ГОСТ 3900–85, а более точно пикнометром или гидростатическими весами.

Плотность современных бензинов находится в диапазоне 720…780 кг/м³, причем высокооктановые бензины, как правило, имеют большую плотность из-за повышенного содержания в них более тяжелых октано-повышающих кислородсодержащих добавок и антидетонаторов.

Плотность топлива зависит от температуры, что существенно отражается на составе смеси. Плотность топлива r₄ ^t при температуре t с достаточной степенью точности можно определить по значению плотности при нормальной температуре, используя зависимость [41]

(10)

где выражение в первых скобках представляет собой температурную поправку, зависящую от самой плотности.

Вязкость топлива характеризует трение, возникающее между молекулами жидкости, перемещающимися под воздействием внешних сил, и оказывает существенное влияние на течение жидкости через дозирующие отверстия. Вязкость выражается в единицах динамической (h, традиционные единицы – пуаз = 1 г/см×с и сантипуаз = 0,01 пуаза) либо кинематической (n, традиционные единицы – стокс = 1 см²/с и сантистокс = 0,01 стокса) вязкости. В системе СИ динамическая вязкость имеет размерность Па×с или, что более употребимо, миллипаскаль×секунда (мПа×с), что соответствует сантипуазам. Кинематическая вязкость имеет размерность м²/с, но это тоже очень большая величина, поэтому чаще используют более малую –
1 мм²/с, равную 1 сСт.

Между динамической и кинематической вязкостью существует зависимость:

h _t = n _t r₄ ^t. (11)

Кинематическая вязкость обычно используется для оценки текучести жидкостей при нормальных и высоких температурах и измеряется вискозиметрами истечения. В России наиболее распространена оценка кинематической вязкости нефтепродуктов с помощью капиллярного вискозиметра (рис. 8) по ГОСТ 33–2000. Метод оценки основан на том, что вязкость жидкостей прямо пропорциональна времени протекания одинаковых их количеств через один и тот же капилляр, обеспечивающий ламинарность потока

n _t = t _t с, (12)

где с – постоянная вискозиметра; t _t – время истечения [3, 39].

Вязкость топлива существенно зависит от температуры, что определяется его вязкостно-температурной характеристикой (ВТХ), которая может быть выражена следующим образом:

(13)

где n _t и n₂₀ – соответственно кинематические вязкости топлива при заданной температуре и при температуре 20 °С, выраженные в сСт.

Чем более пологий наклон имеет ВТХ, тем лучше вязкостно-температурные свойства топлива. ВТХ топлива в основном зависит от фракционного состава: чем он тяжелее, тем она имеет больший наклон. Бензины не содержат высоковязких углеводородов, имеют удовлетворительную ВТХ и ее регламентации не требуют.

Тем не менее вязкость и плотность топлив уменьшаются с повышением температуры, причем вязкость изменяется гораздо интенсивнее, чем плотность. Соответственно этому вязкость оказывает превалирующее влияние на весовое количество топлива, протекающего в единицу времени через расходные органы системы топливоподачи, и следовательно, на состав топливовоздушной смеси.

Поверхностное натяжение эквивалентно работе, которую необходимо совершить для выхода молекул из объема жидкости в поверхностный слой площадью 1 см². Оно выражается в Н/м или, что более удобно, в мН/м и определяется при помощи специального капиллярного прибора [28]. Поверхностное натяжение топлива зависит от его температуры и плотности, при температуре кипения оно обращается в нуль. Для любых углеводородных топлив поверхностное натяжение в мН/м можно приближенно определить по эмпирической зависимости

(14)

От величины поверхностного натяжения зависит тонкость распыливания топлива, вытекающего из распылителя карбюратора или сопла форсунки. Для бензинов при 20 °С величина s составляет 22…24 мН/м, т.е. примерно в 3,5 раза меньше, чем у воды (72,5 мН/м), что способствует хорошему распыливанию топлива в системе топливоподачи двигателя. На степень распыливания бензина оказывает влияние также и вязкость топлива.

Полнота испарения топлива, входящего в состав топливовоздушной смеси – чрезвычайно важный показатель его эксплуатационных свойств, значение которого возрастает с форсировкой двигателя. Струя распыленного бензина подхватывается потоком воздуха, раздробляется на мелкие капли и испаряется. Если бензин испаряется медленно, то жидкие частицы его оседают на стенках впускного тракта, обедняя тем самым смесь, что характерно для карбюраторных систем и центрального впрыска. Это вызывает падение мощности двигателя и увеличивает расход топлива.

Наличие жидкого неиспарившегося топлива к началу сгорания приводит также к тому, что процесс горения затягивается, а смесь догорает уже во время процесса расширения, увеличивая отдачу теплоты в стенки. Это также сказывается на мощности, экономичности и токсичности двигателя. Чтобы топливо испарить полностью, необходимо его распылить на мельчайшие частицы и подвести к нему некоторое количество теплоты путем подогрева смеси до поступления ее в цилиндры.

Испаряемость топлив оценивают по совокупности значений ряда их физических параметров. В первую очередь следует учитывать давление насыщенных паров топлива, теплоту его парообразования, необходимое для сгорания количество воздуха, а также удельную теплоемкость и теплопроводность. Чем выше давление насыщенных паров топлива, меньше теплота его парообразования и больше количество воздуха для сгорания, тем лучше испаряемость топлива и тем меньший подвод теплоты требуется для его испарения при образовании топливовоздушной смеси.

Перечисленные выше свойства характерны в большей степени для индивидуальных жидкостей. Чтобы оценить испаряемость топлив как сложных смесей, используют их фракционный состав, т.е. температурные пределы выкипания отдельных фракций. Фракционный состав бензина определяется в соответствии с ГОСТ 2177–99 на специальном приборе (рис. 9). В колбу прибора наливают 100 мл испытуемого топлива и ставят на зажженную горелку. Горлышко горелки закрывают пробкой, в которой установлен термометр. Пары бензина проходят по отводной трубке, далее через холодильник, где конденсируются, и по каплям стекают в мерный цилиндр. Температуру, показываемую термометром в момент падения первой капли в мерный цилиндр, принимают за температуру начала кипения топлива (начало перегонки). Далее по мере перегонки отмечают температуру, когда уровень перегоняемого топлива в мерном цилиндре достигает делений 10, 20, 30 мл и т. д. Их считают температурами 10, 20,
30%-ной и т.д. перегонки топлива. Для некоторых топлив указывают также температуру конца кипения. Перегонку прекращают в тот момент, когда температура начинает снижаться, несмотря на подогрев колбы. Объем сконденсировавшихся паров в колбе после охлаждения также замеряют. Потери при перегонке, которые не должны превышать 4 %, характеризуют наличие в топливе наиболее легко испаряющихся фракций.

Обычно кривую фракционного состава (рис. 10) разбивают на три участка, определяющих легкие (головные), средние и тяжелые (хвостовые) фракции. Головные фракции характеризуются температурой начала кипения t _нк и температурой, при которой перегоняется 10 % бензина – t ₁₀. Средние фракции характеризуются температурой выкипания 50 % навески топлива – t ₅₀, а хвостовые – температурами выкипания 90 % – t ₉₀ и конца кипения – t _кк или t _98. Каждый из участков кривой фракционного состава характеризует те или иные эксплуатационные свойства бензина.

В условиях эксплуатации очень важно, чтобы бензин обеспечил возможность легкого пуска холодного двигателя и быстрое его прогревание. Во время холодного запуска в цилиндр могут попасть лишь пары наиболее легких фракций, содержащихся в бензине, которые способны испариться при низкой температуре. Таким образом, для обеспечения легкого пуска холодного двигателя топливо должно содержать достаточное количество легкокипящих (головных) фракций.

Однако количество легких фракций в топливе не должно быть слишком большим, так как это может оказать вредное влияние на основные режимы работы двигателя. Легкокипящие фракции способствуют образованию в системе питания паровых пробок, а также затрудняют пуск горячего двигателя ввиду испарения бензина, находящегося в поплавковой камере. С учетом этого выпускают бензин двух сортов: зимний и летний.

Присутствие в топливе большого количества тяжелых (хвостовых) фракций также недопустимо. Не испарившиеся тяжелые фракции при пуске и работе двигателя оседают в виде жидкой пленки на свечах, стенках трубопроводов и зеркале цилиндра, смывая масляную пленку и разжижая картерное масло. Последнее обстоятельство вызывает ускоренный износ рабочей поверхности цилиндров и поршневых колец, поэтому хвостовых фракций должно быть как можно меньше, что особенно важно для зимнего бензина. Тем не менее в двигателях с впрысковой системой топливоподачи допустимо применение бензина с несколько утяжеленным фракционным составом.

Длительность прогревания двигателя после пуска и его склонность к быстрому приему нагрузки и увеличению скорости (приемистость) зависят от легкости испарения его основной рабочей средней фракции. Для обеспечения быстрого прогревания двигателя и хорошей приемистости бензин должен иметь достаточно легко испаряющиеся средние фракции.

На рис. 11 представлены графики, иллюстрирующие влияние фракционного состава бензина на его эксплуатационные качества. На первом графике показано, что пониженные температуры t ₁₀ затрудняют пуск тем больше, чем ниже температура воздуха, а повышенные приводят к образованию паровых пробок, причем эта возможность увеличивается с повышением температуры подкапотной среды. Второй график иллюстрирует приемистость двигателя в зависимости от t ₅₀. На третьем графике отражено влияние t ₉₀ на разжижение масла и износ цилиндро-поршневой группы (ЦПГ) двигателя.

Удельная теплоемкость, теплопроводность и скрытая теплота парообразования определяют протекание процессов испарения топлива во впускном трубопроводе бензинового двигателя. При попадании в него в распыленном виде топливо фракционируется – сначала испаряются его наиболее легкие фракции, затем – средние и после них – тяжелые. Тяжелые и средние фракции бензина, особенно на переходных режимах работы двигателя, оседают на поверхности трубопровода и двигаются в направлении цилиндра в виде тонкой пленки. Таким образом, указанные параметры влияют на скорость прогрева пленки, на интенсивность ее испарения и интенсивность испарения топлива в объеме трубопровода.

Коэффициент теплопроводности углеводородного топлива определяется в основном его фракционным составом и молярной массой m _т. Для индивидуальных углеводородов его можно определить по эмпирической формуле [41]

(15)

где l₀ – теплопроводность топлива при 0 °С, Вт/м×К.

Для топлив, как сложных смесей углеводородов, можно использовать соотношение

(16)

Изменение коэффициента теплопроводности жидких топлив при изменении температуры определяется с точностью 10 % по выражению

(17)

где а = 0,0011 для диапазона температур 0…200 °С.

Удельная теплоемкость с_{p 0} при 0 °С, кДж/кг×К, может быть вычислена с точностью до 4 % по формуле [41]

(18)

для топлив с плотностью в диапазоне 720…950 кг/м³.

Теплота парообразования –наиболее важная из трех рассматриваемых характеристик топлива. Если предположить, что вся теплота, необходимая для испарения топлива, передается ему от воздуха и самого топлива, можно определить строгую зависимость между скрытой теплотой парообразования и понижением температуры образующейся смеси. В табл. 6 приведены данные, отражающие эту зависимость, понижение температуры смеси оказывается довольно значительным. В двигателях общего назначения, в частности карбюраторных, для компенсации понижения температуры в зоне интенсивного испарения применяют подогрев впускного трубопровода и смесительных камер карбюратора, что предотвращает образование инея при низких температурах и большой влажности воздуха и ускоряет процесс испарения топливной пленки со стенок трубопровода. При этом увеличение полноты испарения компенсирует потери при снижении наполнения цилиндра свежей рабочей смесью при ее подогреве.

Современные впрысковые двигатели системой подогрева впускного трубопровода не снабжаются (дроссельный патрубок, как правило, подогревают), поскольку в них практически все топливо испаряется вблизи каждого цилиндра в отдельности с нагретых поверхностей впускного канала и камеры сгорания (КС) двигателя. Это объясняет применение спиртов в форсированных двигателях спортивных автомобилей и мотоциклов, которое дает существенное снижение их тепловой напряженности за счет понижения температуры смеси, связанного с испарением топлива.

Таблица 6. Влияние скрытой теплоты парообразования топлив и их