Какие свойства автомобильных бензинов влияют на процессы их подачи и образование

Требования к качеству бензинов

Автомобильным бензином называют нефтяную фракцию, представляющую собой смесь углеводородов, которая выкипает при температурах от 40 до 200 °С.

К бензинам предъявляются следующие требования:

• • обеспечение нормального и полного сгорания полученной смеси в двигателях (без возникновения детонации);
• • образование горючей смеси необходимого состава;
• • обеспечение бесперебойной подачи в систему питания;
• • отсутствие коррозионного воздействия на детали двигателя;
• • незначительное образование отложений в двигателе;
• • сохранение качеств при хранении и транспортировке.

Каждое из перечисленных требований выражается одним или несколькими показателями, которые устанавливаются соответствующими ГОСТами.

Свойства и показатели бензинов, влияющие на смесеобразование

Показателями бензинов, влияющими на смесеобразование, являются плотность, вязкость, поверхностное натяжение и испаряемость.

Плотность — отношение массы вещества к его объему. Плотность бензинов (от 700 до 780 кг/м3 при температуре 20 °С) наряду с поверхностным натяжением оказывает влияние на качество распыления топлива в карбюраторе, во впускном трубопроводе и цилиндрах двигателя вплоть до перехода его в парообразное состояние. Чем меньше плотность бензина, тем более мелкую структуру будет иметь распыленное топливо, что обеспечит лучшее перемешивание его с воздухом. Это, в свою очередь, улучшит полноту сгорания, т. е. повысит экономичность двигателя. Плотность бензина мало зависит от температуры; с понижением температуры на каждые 10 °С ее величина возрастает примерно на 1 %. Если значение плотности определено без учета температуры, то ее можно привести к значению плотности при температуре 20 °С по формуле:

Р20 = Р, +У(*- 20),

где р, — плотность бензина при температуре /; у — температурная поправка; / — температура при измерении.

Методы определения плотности нефтепродкутов определяет ГОСТ 3900—85. Плотность различных марок бензина примерно одинакова и определяется с помощью ареометра (рис. 1.4). Ареометр погружают в стеклянный сосуд, заполненный бензином. По глубине погружения (верхняя шкала) определяют значение плотности, а по нижней шкале устанавливают температуру, при которой определялась плотность.

Вязкость — свойство жидкости оказывать сопротивление перемещению одной части относительно другой. Различают динамическую Н и кинематическую п вязкости. За единицу динамической вязкости принята вязкость такой жидкости, которая ока-

Рис. 1.4. Измерение плотности бензина

зывает сопротивление силой в 1 Н, вызванное взаимным сдвигом двух слоев этой жидкости площадью 1 м2, находящихся на расстоянии 1 м друг от друга и перемещающихся со скоростью 1 м/с. Динамическая вязкость измеряется в Па-с.

С понижением температуры значения вязкости и плотности нефтяных топлив повышаются. При понижении температуры уменьшается объемный расход бензина через жиклеры карбюратора, но при этом увеличивается его массовый расход. Таким образом, влияния изменений вязкости и плотности бензина на работу жиклера противоположны, но в итоге при понижении температуры расход топлива через жиклеры уменьшается, что привдит к обеднению смеси.

В ГОСТах на нефтепродукты указывается кинематическая вязкость, которая равна отношению динамической вязкости вещества к его плотности:

V = Л /р-

Кинематическая вязкость измеряется в мм2/с. При температуре 20 °С вязкость бензина составляет от 0,5—0,7 мм2/с. С понижением температуры вязкость бензина повышается.

Поверхностное натяжение наряду с вязкостью оказывает существенное влияние на степень распыления бензина. Поверхностное натяжение равно работе образования единицы площади (1 м2) поверхности жидкости при постоянной температуре и измеряется в Н/м или Дж/м2. Благодаря поверхностному натяжению жидкость, а в данном случае бензин, принимает форму шара. Чем меньше величины поверхностного натяжения и вязкости, тем капли получаются меньших размеров. Для всех бензинов поверхностное натяжение одинаково и при температуре 20 °С равно 20—24 Н/м, т. е. в 3,5 раза меньше, чем у воды.

Испаряемость — способность вещества к переходу из жидкого состояния в газообразное. От испаряемости зависит надежность поступления бензина из топливного бака в карбюратор, а также скорость образования топливно-воздушной смеси. Поэтому бензины должны обладать определенной испаряемостью, обеспечивающей легкий пуск двигателя и быстрый его прогрев, полное сгорание после прогрева. Кроме того, в топливной системе не должны образовываться паровые пробки. Испаряемость бензина оценивается фракционным составом.

Фракционный состав бензинов — содержание в них тех или иных фракций, выраженное в объемных или массовых соотношениях.

Фракционный состав является важной характеристикой бензина, так как совокупность тех или иных фракций определяет пуск двигателя и качество его работы.

При определении фракционного состава топлива с помощью специального прибора отмечают: — температуру начала пере

гонки, /оп — температуру окончания перегонки, /10, /50, /90 — температуры, при которых перегоняется 10, 50 и 90 % бензина, соответственно (рис. 1.5).

9, %

Рис. 1.5. График перегонки бензина ( — количество бензина, полученного

при перегонке)

• 90
• 70
• 50
• 30
• 10

Различают три основные фракции бензина: пусковую, рабочую, концевую.

Пусковая фракция — это первые 10 % бензина, полученного при перегонке. При пуске холодного двигателя в системе питания двигателя испаряются самые легкие фракции, представляющие небольшую часть бензина. Остальная часть бензина попадает в цилиндры двигателя в виде жидкой пленки, в которой отсутствуют легкие фракции. Если в бензине недостаточно легких фракций, то горючая смесь может не воспламениться и двигатель не пустится. Чем ниже температура окружающей среды, тем для пуска двигателя требуется больше легких фракций. Чем ниже температура выкипания первых 10% топлива, тем легче будет осуществлен пуск холодного двигателя. Однако при содержании в топливе особо низких фракций возникает опасность преждевременного испарения бензина и образование паровых пробок.

Установлена зависимость

/10

где /ос — температура окружающей среды.

По температуре перегонки tl0 можно определить минимальную температуру окружающей среды, при которой возможен пуск двигателя:

4с = °>5’ю – 50,5.

Возможные температурные условия пуска холодного карбюраторного двигателя на бензине разного фракционного состава показаны на рис. 1.6.

Рабочая фракция — это следующие 80 % бензина, полученные в процессе перегонки. Она обеспечивает однородность состава горючей смеси по цилиндрам, продолжительность прогрева двигателя, устойчивость работы двигателя при малой частоте вращения коленчатого вала и необходимую приемистость автомобиля.

Качественный показатель рабочей фракции — температура t5Q. При снижении 40 сокращается время прогрева двигателя, увеличиваются приемистость автомобиля и срок службы двигателя, при повышение /50 сокращается ресурс двигателя, особенно при низких температурах окружающей среды. Если температура /50 оказывается слишком высокой, то испарение бензина происходит слишком медленно, топливовоздушная смесь получается обедненной, прогрев двигателя затягивается, приемистость автомобиля ухудшается.

40 60 80 100

Температура выкипания 10 %, °С

I_I_I_I_I_I_I_I

80 100 120 140

Температура выкипания 50 %, °С

I_I_I_I_I_I_I_I

160 180 200 220

Температура выкипания 90 %, °С

Рис. 1.6. Влияние фракционного сотава бензина на пуск карбюраторного двигателя при различной температуре окружающей среды

Концевая фракция определяется показателями /90 и /оп и отличается содержанием тяжелых трудноиспаряемых фракций. Чем выше /90 и /оп, тем больше бензина не испаряеся, происходит неполное его сгорание в цилиндрах, а следовательно, увеличивается расход топлива. При этом не сгоревшие частицы бензина оседают на стенках цилиндра двигателя и смывают с них масло.

Давление насыщенных паров — максимальное давление паров топлива в воздухе, которое устанавливается при определенной температуре в результате полного насыщения воздуха этими парами. Давление насыщенных паров характеризует испаряемость бензина. Оно определяется на специальных приборах при температуре 38 °С и характеризует испаряемость пусковой и рабочей фракций бензина. Для летних бензинов давление насыщенных паров должно оставлять 67,7 кПа, для зимних — 66,7—93,3 кПа.

Давление насыщенных паров значительно влияет на потери бензина при его хранении и сливе/наливе. Чем выше давление насыщенных паров, тем больше потери (табл. 1.1).

Давление насыщенных паров влияет и на пусковые свойства бензина (рис. 1.7).

Давление насыщенных паров, кПа

Рис. 1.7. Кривая пуска холодного двигателя в зависимости от давления насыщенных паров бензина и температуры воздуха

Таблица 1.1. Потери бензина при его хранении и сливе/наливе в зависимости от давления насыщенных паров

При снижении давления насыщенных паров до 33 кПа пусковые свойства бензинов ухудшаются, а при дальнейшем снижении пуск двигателей становится невозможен. Но чем выше давление насыщенных паров, тем выше опасность образования паровых пробок в системе питания двигателя во время его работы.

Паровые пробки образуются при перегреве двигателя особенно в условиях жаркого климата. Это приводит к обеднению горючей смеси и ухудшению приемистости автомобиля, а в экстремальных условиях — к останову двигателя. Таким образом, давление насыщенных паров влияет на подачу топлива.

На автомобилях с карбюраторными двигателями высокая испаряемость топлива может привести к его закипанию в поплавковой камере, вследствие чего в цилиндры будет поступать очень обогащенная топливовоздушная смесь, и в результате значительно увеличится количество выбросов оксида углерода и несгоревших углеводородов в окружающую среду, а после останова двигателя будет затруднен последующий его пуск, т. е. пуск прогретого двигателя.

Показателем, характеризующим склонность бензина к образованию паровых пробок, является температура, при которой достигается соотношение пара и жидкости 20 : 1.

Для надежной эксплуатации автомобильных двигателей в различных климатических условиях стандартами на автомобильные бензины предусматриваются требования по испаряемости.

С 01.07.2002 г. действует стандарт (табл. 1.2), который распространяется на неэтилированные бензины, предназначенные для использования в качестве моторного топлива на транспортных средствах, сконструированных для работы на неэтилированном бензине.

Таблица 1.2. Требования к бензинам обычного и высшего качества (ГОСТ 51866-2002)

Окончание табл. 1.2

Чем выше давление насыщенных паров бензина, ниже температура перегонки /10 и больше объем фракции, выкипающей до температуры 70 °С, тем больше индекс паровой пробки (ИПП):

И П П = 10/?днп + 7 У10,

где /?днп — давление насыщенных паров; У10 — объем бензина, выкипающий до температуры 70 °С.