Карбюраціонние властивості бензинів

Карбюраціонние властивості бензину, або випаровуваність. - комплексне властивість, що характеризує закономірності переходу палива з рідкого стану в пароподібний. Испаряемость визначає перебіг процесів сумішоутворення і займання, повноту згоряння палива в двигуні. Испаряемость впливає на знос двигуна, збільшуючи ступінь розрідження моторного масла, втрати палива при перекачуванні і тривалому зберіганні, а також підвищуючи ступінь забруднення навколишнього середовища вуглеводнями.

Процес утворення паливо-повітряної суміші в двигунах, оснащених різними системами подачі палива, протікає неоднаково. У карбюраторі цей процес можна представити таким чином:

з камери поплавця карбюратора паливо внаслідок різниці тисків проходить через жиклери, дозуючі його кількість, і випливає з розпилювача, розташованого в камері змішувача;

випливає паливо розпилюється на дрібні краплі в струмені повітря, що надходить в циліндри двигуна через змішувальну камеру карбюратора;

починається випаровування розпорошеного палива, яке триває у впускному трубопроводі двигуна. Пари палива і повітря при цьому взаємно дифундують, утворюючи топливовоздушную суміш.

Сумішоутворення в двигунах з уприскуванням палива протікає більш ефективно, так як бензин випаровується як в обсязі (в трубопроводі або в циліндрі), так і з локально нагрітих зон (з поверхонь впускних клапанів або поршня). Крім цього, паливо в даному випадку подається під тиском, що значно покращує процес розпилювання.

Кількість палива, дозується паливною апаратурою, залежить не тільки від її конструктивних параметрів і експлуатаційних факторів, а й від поточних параметрів стану бензину. Таким чином, на склад паливо-повітряної суміші, тонкість розпилювання і повноту випаровування впливають такі фізико-хімічні властивості палива: щільність, в'язкість, поверхневий натяг, тиск насичених парів, прихована теплота пароутворення, фракційний склад і деякі інші.

Щільність прийнято позначати r4 20. де верхня цифра вказує температуру продукту (нормальна - 20 ° С), нижня - стандартну температуру води. Щільність можна визначити ареометром (нефтеденсіметром) по ГОСТ 3900-85, а точніше піктометром або гидростатическими вагами.

Щільність сучасних бензинів знаходиться в діапазоні 720 ... 780 кг / м 3. причому високооктанові бензини, як правило, мають велику щільність через підвищеного вмісту в них більш важких октав-підвищують кисневмісних добавок і антидетонаторов.

Щільність палива залежить від температури, що істотно відбивається на складі суміші. Щільність палива r4t при температурі t з достатнім ступенем точності можна визначити за значенням щільності при нормальній температурі, використовуючи залежність [41]

де вираз в перших дужках являє собою температурну поправку, що залежить від самої щільності.

В'язкість палива характеризує тертя, що виникає між молекулами рідини, що переміщаються під впливом зовнішніх сил, і має суттєвий вплив на перебіг рідини через дозуючі отвори. В'язкість виражається в одиницях динамічної (h, традиційні одиниці - пуаз = 1 г / см × с і сантипуаз = 0,01 пуаз) або кінематичної (n, традиційні одиниці - стокс = 1 см 2 / с і сантістокс = 0,01 Стокса) в'язкості. В системі СІ динамічна в'язкість має розмірність Па × с або, що більш вживано, мілліпаскаль × секунда (мПа × с), що відповідає сантіпуаз. Кінематична в'язкість має розмірність м 2 / с, але це теж дуже велика величина, тому частіше використовують меншу -
1 мм 2 / с, рівну 1 сСт.

Між динамічної і кінематичної в'язкістю існує залежність:

де с - постійна віскозиметра; tt - час закінчення [3, 39].

В'язкість палива істотно залежить від температури, що визначається його в'язкісно-температурною характеристикою (ВТХ), яка може бути виражена таким чином:

де nt і n20 - відповідно кінематичні в'язкості палива при заданій температурі і при температурі 20 ° С, виражені в сСт.

Чим більше пологий нахил має ВТХ, тим краще в'язкісно-температурні властивості палива. ВТХ палива в основному залежить від фракційного складу: чим він важче, тим вона має більший нахил. Бензини не містять високов'язких вуглеводнів, мають задовільну ВТХ і її регламентації не потребують.

Проте в'язкість і щільність палив зменшуються з підвищенням температури, причому в'язкість змінюється набагато інтенсивніше, ніж щільність. Відповідно до цього в'язкість надає переважаючий вплив на вагова кількість палива, що протікає в одиницю часу через витратні органи системи подачі палива, і отже, на склад паливо-повітряної суміші.

Поверхневий натяг еквівалентно роботі, яку необхідно зробити для виходу молекул з об'єму рідини в поверхневий шар площею 1 см 2. Воно виражається в Н / м або, що більш зручно, в мН / м і визначається за допомогою спеціального капілярного приладу [28]. Поверхневий натяг палива залежить від його температури і щільності, при температурі кипіння воно звертається в нуль. Для будь-яких вуглеводневих палив поверхневий натяг в мН / м можна наближено визначити за емпіричною залежності

Від величини поверхневого натягу залежить тонкість розпилювання палива, яке витікає з розпилювача карбюратора або сопла форсунки. Для бензинів при 20 ° С величина s становить 22 ... 24 мН / м, тобто приблизно в 3,5 рази менше, ніж у води (72,5 мН / м), що сприяє гарному розпилювання палива в системі подачі палива двигуна. На ступінь розпилювання бензину впливає також і в'язкість палива.

Повнота випаровування палива, що входить до складу паливо-повітряної суміші - надзвичайно важливий показник його експлуатаційних властивостей, значення якого зростає з форсировкой двигуна. Струмінь розпорошеного бензину підхоплюється потоком повітря, розбиває на дрібні краплі і випаровується. Якщо бензин випаровується повільно, то рідкі частинки його осідають на стінках впускного тракту, збіднюючи тим самим суміш, що характерно для карбюраторних систем і центрального уприскування. Це викликає падіння потужності двигуна і збільшує витрату палива.

Наявність рідкого випарувався палива до початку згоряння призводить також до того, що процес горіння затягується, а суміш догорає вже під час процесу розширення, збільшуючи віддачу теплоти в стінки. Це також позначається на потужності, економічності та токсичності двигуна. Щоб паливо випарувати повністю, необхідно його розпорошити на найдрібніші частинки і підвести до нього деяку кількість теплоти шляхом підігріву суміші до надходження її в циліндри.

Испаряемость палив оцінюють за сукупністю значень ряду їх фізичних параметрів. В першу чергу слід враховувати тиск насичених парів палива, теплоту його пароутворення, необхідне для згоряння кількість повітря, а також питому теплоємність і теплопровідність. Чим вище тиск насичених парів палива, менше теплота його пароутворення і більше кількість повітря для згоряння. тим краще випаровуваність палива і тим менший підведення теплоти потрібно для його випаровування при утворенні паливо-повітряної суміші.

Перераховані вище властивості характерні більшою мірою для індивідуальних рідин. Щоб оцінити випаровуваність палив як складних сумішей, використовують їх фракційний склад, тобто температурні межі википання окремих фракцій. Фракційний склад бензину визначається відповідно до ГОСТ 2177-99 на спеціальному приладі (рис. 9). У колбу приладу наливають 100 мл випробуваного палива і ставлять на запалену пальник. Шийка пальника закривають пробкою, в якій встановлений термометр. Пари бензину проходять по відвідної трубці, далі через холодильник, де конденсуються, і по краплях стікають в мірний циліндр. Температуру, які будуть показані термометром в момент падіння першої краплі в мірний циліндр, приймають за температуру початку кипіння палива (початок перегонки). Далі в міру перегонки відзначають температуру, коли рівень переганяється палива в мірній циліндрі досягає поділів 10, 20, 30 мл і т. Д. Їх вважають температурами 10, 20,
30% -ної і т.д. перегонки палива. Для деяких палив вказують також температуру кінця кипіння. Перегонку припиняють в той момент, коли температура починає знижуватися, незважаючи на підігрів колби. Обсяг скондесувалися в колбі після охолодження також заміряють. Втрати при перегонці, які не повинні перевищувати 4%, характеризують наявність в паливі найбільш легко випаровуються фракцій.

Зазвичай криву фракційного складу (рис. 10) розбивають на три ділянки, що визначають легкі (головні), середні і важкі (хвостові) фракції. Головні фракції характеризуються температурою початку кипіння TНК і температурою, при якій переганяється 10% бензину - t10. Середні фракції характеризуються температурою википання 50% навішування палива - t50. а хвостові - температурами википання 90% - t90 і кінця кипіння - tкк або t98. Кожен з ділянок кривої фракційного складу характеризує ті чи інші експлуатаційні властивості бензину.

В умовах експлуатації дуже важливо, щоб бензин забезпечив можливість легкого пуску холодного двигуна і швидке його прогрівання. Під час холодного запуску в циліндр можуть потрапити лише пари найбільш легких фракцій, що містяться в бензині, які здатні випаруватися при низькій температурі. Таким чином, для забезпечення легкого пуску холодного двигуна паливо повинне містити достатню кількість легкокипящих (головних) фракцій.

Однак кількість легких фракцій в паливі не повинно бути занадто великим, так як це може зробити шкідливий вплив на основні режими роботи двигуна. Легкокіпящіе фракції сприяють утворенню в системі живлення парових пробок, а також ускладнюють пуск гарячого двигуна через випаровування бензину, що знаходиться в камері поплавця. З урахуванням цього випускають бензин двох сортів: зимовий і літній.

Присутність в паливі великої кількості важких (хвостових) фракцій також неприпустимо. Чи не випарувалися важкі фракції під час пуску і роботі двигуна осідають у вигляді рідкої плівки на свічках, стінках трубопроводів і дзеркалі циліндра, змиваючи масляну плівку і розріджуючи картера масло. Остання обставина викликає прискорений знос робочої поверхні циліндрів і поршневих кілець, тому хвостових фракцій має бути якомога менше, що особливо важливо для зимового бензину. Проте в двигунах з вприськової системою подачі палива допустимо застосування бензину з кілька утяжеленним фракційним складом.

Тривалість прогрівання двигуна після пуску і його схильність до швидкого прийому навантаження і збільшення швидкості (прийомистість) залежать від легкості випаровування його основною робочою середньої фракції. Для забезпечення швидкого прогрівання двигуна і хорошою прийомистості бензин повинен мати досить легко випаровуються середні фракції.

На рис. 11 представлені графіки, що ілюструють вплив фракційного складу бензину на його експлуатаційні якості. На першому графіку показано, що низькі температури t10 ускладнюють пуск тим більше, чим нижче температура повітря, а підвищені призводять до утворення парових пробок, причому ця можливість збільшується з підвищенням температури подкапотной середовища. Другий графік ілюструє прийомистість двигуна в залежності від t50. На третьому графіку відображено вплив t90 на розрідження масла і знос циліндро-поршневої групи (ЦПГ) двигуна.

Питома теплоємність, теплопровідність і прихована теплота пароутворення визначають перебіг процесів випаровування палива у впускному трубопроводі двигуна внутрішнього згоряння. При попаданні в нього в розпиленому вигляді паливо фракціоніруется - спочатку випаровуються його найбільш легкі фракції, потім - середні і після них - важкі. Важкі і середні фракції бензину, особливо на перехідних режимах роботи двигуна, осідають на поверхні трубопроводу і рухаються в напрямку циліндра у вигляді тонкої плівки. Таким чином, вказані параметри впливають на швидкість прогріву плівки, на інтенсивність її випаровування і інтенсивність випаровування палива в обсязі трубопроводу.

Коефіцієнт теплопровідності вуглеводневого палива визначається в основному його фракційним складом і молярною масою mт. Для індивідуальних вуглеводнів його можна визначити за емпіричною формулою [41]

де l0 - теплопровідність палива при 0 ° С, Вт / м × К.

Для палив, як складних сумішей вуглеводнів, можна використовувати співвідношення

Зміна коефіцієнта теплопровідності рідких палив при зміні температури визначається з точністю 10% за висловом

де а = 0,0011 для діапазону температур 0 ... 200 ° С.

Питома теплоємність сp0 при 0 ° С, кДж / кг × К, може бути обчислена з точністю до 4% за формулою [41]

для палив з щільністю в діапазоні 720 ... 950 кг / м 3.

Теплота пароутворення-найбільш важлива з трьох розглянутих характеристик палива. Якщо припустити, що вся теплота, необхідна для випаровування палива, передається йому від повітря і самого палива, можна визначити сувору залежність між прихованою теплотою паротворення і зниженням температури суміші, що утворюється. У табл. 6 наведені дані, що відображають цю залежність, зниження температури суміші виявляється досить значним. У двигунах загального призначення, зокрема карбюраторних, для компенсації зниження температури в зоні інтенсивного випаровування застосовують підігрів впускного трубопроводу і змішувальних камер карбюратора, що запобігає утворенню інею при низьких температурах і великій вологості повітря і прискорює процес випаровування паливної плівки зі стінок трубопроводу. При цьому збільшення повноти випаровування компенсує втрати при зниженні наповнення циліндра свіжою робочою сумішшю при її підігріві.

Сучасні вприскові двигуни системою підігріву впускного трубопроводу не забезпечуються (дросельний патрубок, як правило, підігрівають), оскільки в них практично все паливо випаровується поблизу кожного циліндра окремо з нагрітих поверхонь впускного каналу і камери згоряння (КС) двигуна. Це пояснює застосування спиртів в форсованих двигунах спортивних автомобілів і мотоциклів, яке дає істотне зниження їх теплової напруженості за рахунок зниження температури суміші, пов'язаного з випаровуванням палива.

Таблиця 6. Вплив прихованої теплоти пароутворення палив і їх