Требования к качеству автомобильных бензинов

Автомобильные бензины (ГОСТ 2084—77) — топлива для карбюраторных двигателей должны отвечать следующим требованиям: бесперебойно поступать в систему питания двигателя;

обеспечивать образование топливовоздушной смеси требуемого состава;

обеспечивать нормальное и полное сгорание образуемой топ­ливовоздушной смеси в двигателе (без возникновения детонации);

не вызывать коррозии и коррозионных износов деталей двига­теля;

образовывать минимальное количество отложений во впускном трубопроводе, камерах сгорания и других частях двигателя;

сохранять свои свойства при хранении, перекачке и транспор­тировке.

Основными показателями качества бензинов являются детона­ционная стойкость, фракционный состав, давление насыщенных паров и химическая стабильность.

Рассмотрим систему питания карбюраторного двигателя, обес­печивающую образование топливовоздушной смеси определенно­го состава, схема которой представлена на рис. 2.1.

Топливо заливают в бак 7 через горловину с сетчатым фильтром. Диафрагменный насос 3 подает топливо в фильтр-отстойник 2, где оно очищается от механических примесей и воды, а затем в по­плавковую камеру карбюратора 4.

Карбюратор предназначен для приготовления горючей смеси определенного состава, соответствующего режиму работы двига­теля. В такте всасывания топлива в смесительной камере 7 карбю­ратора создается разрежение и туда поступает воздух, предвари­тельно прошедший очистку в воздухоочистителе 6. Поток посту­пившего воздуха и захваченное им из жиклера 5 топливо переме­шиваются во впускном трубопроводе 8, образуя горючую смесь, которая через открывшийся в определенный момент впускной клапан 9 поступает в камеру сгорания 11. Здесь горючая смесь сме­шивается с небольшими остатками продуктов сгорания, в резуль­тате чего образуется рабочая смесь.

В такте сжатия давление и температура рабочей смеси в камере сгорания возрастают, и после воспламенения ее искрой свечи за­жигания 10 начинается такт рабочего хода поршня цилиндра, т. е. происходит преобразование тепловой энергии в механическую.

В последнем такте работы двигателя отработавшие газы из ка­меры сгорания выбрасываются в атмосферу через открывшийся выпускной клапан 12, выпускной трубопровод 14 и выхлопную трубу с глушителем и искрогасителем 15.

В карбюраторных двигателях процесс дозировки топлива, произ­водимый калиброванными отверстиями жиклеров, и его уровень в поплавковой камере зависят от плотности и вязкости бензина.

Плотность бензина определяется его химическим составом, молекулярной массой и температурой, и хотя она для автомобиль­ных бензинов не нормируется, ее необходимо точно знать при расчете дозирующих систем приборов питания и пересчете объемных единиц в массовые, и наоборот, для определения расхода топлива.

Рис. 2.1. Схема питания карбюраторного двигателя:

1 — топливный бак; 2 — фильтр-отстойник; 3 — диафрагменный насос; 4 —по­плавковая камера карбюратора; 5 — жиклер; 6 — воздухоочиститель; 7 — смеси­тельная камера карбюратора; 8 — впускной трубопровод; 9 — впускной клапан; 10 — свеча зажигания; 11 — камера сгорания; 12 — выпускной клапан; 13 — рабочий цилиндр; 14 — выпускной трубопровод; 15 — выхлопная труба с глушителем и искрогасителем

Плотность — это отношение массы вещества к его объему.

В СИ единицей плотности является кг/м³, однако на практике до сих пор применяют и другие единицы — г/см³, кг/л.

Плотность топлива определяется с помощью ареометра, гидро­статических весов и пикнометра. Из-за своей простоты способ опре­деления плотности ареометром применяется значительно чаще, несмотря на то, что он менее точный по сравнению с другими. Сущность этого метода заключается в снятии показания со шкалы ареометра, погруженного в топливо, и пересчете полученного ре­зультата на плотность продукта при стандартной температуре 20 °С по формуле

ρ₂₀ = ρ_t + γ(t - 20),

где ρ_t — плотность испытуемого продукта при температуре испыта­ния, кг/м³; t — температура испытания, ˚С; γ — температурная по­правка плотности, определяемая по справочной таблице.

С повышением температуры плотность топлива снижается.

Вязкость (внутреннее трение) — свойство жидкостей и газов оказывать сопротивление перемещению одной их части относи­тельно другой.

Различают динамическую и кинематическую вязкость. В СИ за единицу динамической вязкости η принята вязкость такой жидко­сти, которая оказывает сопротивление силой в Н взаимному сдвигу двух слоев жидкости площадью 1 м², находящихся на расстоянии 1 м один от другого и перемещающихся с относительной скорос­тью 1 м/с.

Динамическая вязкость определяется с помощью капиллярного или ротационного вискозиметров и выражается в Па·с.

При использовании капиллярного вискозиметра измеряют вре­мя истечения жидкости через его капилляр под действием опреде­ленного давления (не ниже 13,3 кПа) и рассчитывают динамиче­скую вязкость по формуле η_t= Сτр, где С — постоянная вискози­метра; τ — длительность истечения топлива через капилляр, с; р — среднее арифметическое значение давления, определяемое по ма­нометру, Па.

Кинематическая вязкость — это отношение динамической вяз­кости к плотности жидкости, определенной при той же темпера­туре, при которой определялась вязкость, т. е. γ_t= η_t/р_t.

За единицу кинематической вязкости в СИ принят квадратный метр в секунду (м²/с).

Плотность автомобильных бензинов при температуре 20 ˚С со­ставляет от 0,700 до 0,755 г/см³, и с понижением температуры на каждые 10 °С она возрастает только на 1 %.

Вязкость автомобильных бензинов при 20 °С колеблется в пре­делах от 0,5 до 0,7 мм²/с, а с понижением температуры она повы­шается примерно в 10 раз быстрее, чем плотность.

При подаче бензина в зону диффузора происходит его распы­ливание, и чем мельче будут образованные при этом капли, тем быстрее и полнее будет испаряться поступающее из распылителя топливо. На процесс распыливания кроме вязкости топлива ока­зывает большое влияние его поверхностное натяжение, которое определяется работой, необходимой для образования 1 м² поверх­ности жидкости (т.е. для перемещения молекул жидкости из ее объема в поверхностный слой площадью в 1 м²), и выражается в Н/м. Поверхностное натяжение всех автомобильных бензинов оди­наково и при 20 °С составляет 20... 24 мН/м, что в 3,5 раза меньше, чем у воды.

Теплота сгорания топлив

Теплота сгорания является одной из важнейших характеристик топлива, служащих для оценки его энергетических возможностей и экономической эффективности.

Теплота сгорания — это физическая величина, показывающая, какое количество теплоты выделяется при полном сгорании 1 кг топлива в кислороде. Она определяет энергию, которую сообщает топливо двигателю, и выражается в джоулях или калориях (1 ккал = = 4,1868кДж).

Различают высшую теплоту сгорания Q_в — с учетом теплоты конденсации паров воды — и низшую теплоту сгорания Q_н — без учета теплоты конденсации паров воды.

В автомобильных двигателях продукты сгорания отводят из ци­линдров при температурах, значительно более высоких, чем тем­пература конденсации паров воды. Поэтому рабочей теплотой сго­рания бензинов и других жидких топлив считают Q_н.

Количество теплоты, выделяемое при сгорании топлива, зави­сит от химического состава, а следовательно, от содержания в нем углерода и водорода.

Наибольшая массовая теплота сгорания водорода составляет 121 100кДж/кг, а углерода — 34 100 кДж/кг, поэтому парафино­вые углеводороды с большим содержанием водорода имеют боль­шую массовую теплоту сгорания по сравнению с ароматически­ми, содержащими меньше водорода.

Объемная же теплота сгорания меньше у парафиновых углево­дородов и больше у нафтеновых и ароматических, так как у них выше плотность.

Теплоту сгорания нефтепродуктов, кДж/кг, с достаточной сте­пенью точности можно определить по формуле

Q_н = 4,187(К - 2015ρ²⁰₄),

где К — коэффициент, зависящий от плотности нефтепродукта при 20 °С и определяемый по справочной таблице; р²⁰₄ — относи­тельная плотность нефтепродукта при 20 °С.

Теплота сгорания автомобильных бензинов различных марок, вырабатываемых из нефти, практически одинаковая, т. е. состав­ляет 43,5...44,5 МДж/кг.