1.2 Методи сумішоутворення в двигунах автомобілів та автобусів

Упорскування. В двигунах, в яких застосовується ця система, паливо уприскується безпосередньо у впускний тракт, що знаходиться перед впускним клапаном. Тим самим забезпечується точне регулювання необхідної кількості палива. Упорскування палива може контролюватися або механічним пристроєм ("Мерседес - Бенц 300 SL") або електронним. Найбільш широке застосування отримали системи електронного управління упорскуванням. За допомогою цієї системи сигнали датчиків перетворяться в електричні імпульси, регулюючи роботу форсунок. Завдяки системам електронного управління упорскуванням потужність двигуна в порівнянні з карбюраторним підвищується в середньому на 10-15% при різкому зниженні токсичності.

Карбюратор. В цій паливній системі процес утворення горючої легко-паливної суміші відбувається в спеціальному пристрої-карбюраторі. Необхідна кількість повітря дозується дросельною заслінкою. Чим швидше працює двигун, тим більше він всмоктує повітря. Потік повітря проходить через звуження в каналі карбюратора. Це прискорює повітряний потік, одночасно знижується тиск. Під дією вакууму паливо всмоктується в струмінь повітря. Цей процес вимагає ретельного регулювання і налаштування.

Дизельний двигун. Дизельний двигун працює за принципом роздільної подачі повітря і палива в циліндри, де утворюється горюча суміш. У дизельного двигуна немає карбюратора. Його роль виконує повітряна дросельна заслінка. У другому такті в циліндрі двигуна відбувається значне стискування повітря. При цьому показники тиску підвищуються до 55 бар при температурі від 700 до 900С. У третьому такті в струмінь гарячого повітря під сильним тиском уприсується дрібнорозпилене паливо. Так утворюється самозаймиста горюча легко-паливна суміш. Перевагою дизельного двигуна є його висока економічність.

Турбонаддув. На одному валу знаходиться компресор і турбіна. Енергія струменя вихлопних газів через турбіну приводить в дію компресор. Діаметр турбіни складає приблизно 60 мм. Швидкість її обертання може перевищувати 100000 об/хв. При таких параметрах компресор створює потік повітря, яке під тиском заповнює робочий об'єм циліндрів двигуна. При цьому маса повітря, що поступило в двигун, може значно перевищити ту, яку міг би всмоктати двигун того ж робочого об'єму, що не має наддуву. Тобто, при тому ж об'ємі циліндрів в них поступає більше горючої суміші, що дозволяє підвищити потужність без збільшення розмірів і маси мотора. Особливо зручний турбонаддув на дизельних двигунах. Перевага турбонаддува в тому, що двигун не втрачає жодної кінської сили на забезпечення роботи компресора. Крім того, двигуни з турбонаддувом відрізняються високою еластичністю і шумозаглушенням вихлопу. З недоліків систем з турбонаддувом слід зазначити реагування із запізнюванням при прискоренні автобуса, оскільки потрібний час на створення повного тиску наддуву. На низьких оборотах низька потужність навантаження. Ще один недолік - висока ціна використовуваних матеріалів.

1.3 Паливо для двигунів автомобілів та автобусів

1.3.1 Палива для двигунів з примусовим запаленням

Як паливо в двигунах з іскровим запаленням застосовуються автобусні бензини, які підрозділяються на літні і зимові (окрім марки АІ-98). Зимові сорти застосовують з 1 жовтня по 1 квітня. В період переходу з одного сорту палива на іншій можна застосовувати їх суміші. Відповідно до вимоги стандарту сорт палива визначається по температурі при якій перегониться 90% палив, і по температурі кінця кипіння. Безперебійна подача палива з бака до карбюратора забезпечується відсутністю пароповітряних пробок, механічних домішок і води. Пароповітряні пробки порушують потік палива, і насос не подає паливо в карбюратор. Це відбувається, коли температура в підкапотному просторі перевищує температуру початку кипіння палива.

Якість горючої суміші, що подається в циліндр, залежить від дозування і випаровування палива. Дозування забезпечується пропускною спроможністю жиклерів і рівнем палива в поплавцевій камері карбюратора. Для нормальної роботи двигуна дуже важливе повне випаровування палива, що подається, і утворення горючої суміші (палива з повітрям). Якість цієї суміші залежить від в'язкості, фракційного складу і температури палива.

Повнота випаровування палива впливає на паливну економічність і стійкість роботи двигуна. Випаровуваність бензину залежить від фракційного складу. У стандартах якість палива нормується по п'яти пунктах: температурі початку і кінця кипіння, википання 10, 50, 90% бензину. Із збільшенням в бензині вмісту легких вуглеводнів полегшується запуск двигуна.

Для легкого запуску двигуна температура википання 10% бензину не повинна перевищувати 79 °С. Проте температура початку кипіння не має бути нижче 35 °С, оскільки в теплу пору року легке паливо випаровується в паливній системі, що приводить до утворення газових пробок, зниження ефективності роботи і перегріву двигуна.

Випаровуваність палива оцінюється тиском насиченої пари на стінки судини, в якій воно знаходиться. Для літніх палив тиск насиченої пари допускається до 66,5 кПа, а для зимових - до 93,1 кПа.

М'яка робота двигуна залежить від швидкості горіння палива. Нормальне горіння характеризується швидкістю розповсюдження полум'я в межах 30-50 м/с. За несприятливих умов протікання процесу горіння швидкість розповсюдження полум'я зростає до 2000-2500 м/с. Це явище супроводиться характерним металевим стукотом і називається детонацією. Інтенсивна детонація приводить до руйнування поршнів і відмови двигуна. Розрізняють три групи чинників, що впливають на детонацію: конструктивні, експлуатаційні і пов'язані з хімічним складом палива. Експериментальні дослідження показують, що детонація посилюється з підвищенням ступеня стискування і збільшенням діаметру циліндра двигуна. До експлуатаційних чинників відносяться: навантаження, частота обертання, температура рідини, що охолоджує, і кут випередження запалення.

Збільшення навантаження, кута випередження запалення, шару нагару в камері згорання, температури рідини, що охолоджує, і зниження частоти обертання приводять до посилення детонації.

Показником, що характеризує паливо, є його детонаційна стійкість, яка оцінюється октановим числом (ОЧ). Підвищити ОЧ палива можна трьома способами:

1) застосуванням сучасних технологій, наприклад каталітичного крекінгу;

2) додаванням в базові бензини високооктанових компонентів (ізооктану і ін.);

3) додаванням антидетонаторів. Найефективнішим антидетонатором є тетра-етилсвинець; додавання 10,5 грама тетраетилсвинця на 1 кг палива підвищує ОЧ до 10 одиниць, проте збільшення відбувається нелінійно і додавання більше 1 грама/кг нераціональне.

По антидетонаційних властивостях тетраетилсвинець не має собі рівних, проте має високу токсичність і в чистому вигляді не застосовується, оскільки при згоранні його утворюються нелетючі з'єднання свинцю. Тому як антидетонатор використовується етилова рідина, що складається з тетраетилсвинця (53-58%) і хлористих і бромистих з'єднань.

Є органічна присадка циклопентадиенилтрикарбонил марганцю, яка по антидетонаційних властивостях не поступається тетраетилсвинцю, а по токсичності відповідає неетильованому бензину.

Нестійка робота двигуна спостерігається і при некерованому процесі горіння, коли горюча суміш запалала не від іскрового розряду, а від перегрітих частинок нагару. Некероване горіння супроводиться глухими ударами, вібрацією, димним вихлопом і роботою на холостому ходу при вимкненому запаленні.

Корозійна активність палива залежить від наявності в ньому сірки, кислот і лугів. Кислоти і луги унаслідок їх сильної корозійної дії на метали мають в паливах бути відсутніми. Зміст сірки жорстко нормується і не повинно перевищувати 0,1%, а для бензинів вищого сорту - 0,01%. Всі з'єднання сірки при згоранні утворюють оксиди SO2 і SO3, які при взаємодії з водою переходять в сірчану або сірчисту кислоту, що має сильну корозійну дію на метали.

Хімічна стабільність палива залежить від вмісту в ньому смол і нестабільних вуглеводнів. Її оцінюють індукційним періодом - часом (у хвилинах), протягом якого паливо при температурі 100 °С і тиску 0,7 Мпа вступає з киснем в реакцію окислення. Для автобусних бензинів індукційний період має бути не нижче 600-900 хв, а для бензинів вищого сорту - не менше 1200 хв.

Наявність в паливі смол, сірки і важких фракцій вуглеводнів сприяє утворенню відкладень нагару і лаку, які збільшують витрату палива і знижують надійність роботи двигуна.

Маркування бензинів залежить від октанового числа і методу його визначення. В даний час застосовують моторний і дослідницький методи. При моторному методі визначення октанового числа бензини позначають буквою А і цифрою, що вказує октанове число (наприклад, А-72 або А-76), а при дослідницькому методі - буквами АІ (наприклад, АІ-93 або АІ-98). Відзначимо, що при дослідницькому методі октанове число на 5-8 одиниць вище.

Для підвищення якості палив посилена норма на зміст шкідливих складових. Так, в бензинах допускається до 0,05% сірки і введена норма на зміст бензолу - не більше 5%. Реалізуються також програми, направлені на вирішення екологічних проблем. ГОСТ Р51105-97 «Бензин для автобусного транспорту» передбачають доведення вимог до бензинів до рівня європейських норм. Відповідно до ГОСТ Р51105-97 виробляються тільки неетильовані бензини. Залежно від октанового числа по дослідницькому методу встановлено чотири марки бензинів: «Нормал-80», «Регуляр-91», «Преміум-95», «Супер-98». Дві останні марки повністю відповідають європейським вимогам, конкурентоздатні на нафтовому ринку і призначені в основному для зарубіжних машин.

Для регіонів з високою щільністю автобусного транспорту випускаються бензини з покращеними екологічними показниками. Технічні умови на ці бензини встановлюють жорсткіші норми за змістом бензолу, передбачено нормування ароматичних вуглеців і збільшення миючих присадок. У маркування цих бензинів після октанового числа додають букви ЕК. Наприклад, АІ-92ЕК, АН-98ЕК.

Перший газовий двигун побудований в 1860 р. В даний час для карбюраторних двигунів широко використовуються метан і пропан-бутанова суміш. Газ як моторне паливо по багатьох параметрах кращий за бензини. Він згорає повніше, і концентрація оксиду вуглецю у вихлопі у декілька разів менше. Крім того, в природному газі, як правило, немає сірки, тому у вихлопах газового двигуна немає шкідливого для навколишнього середовища і цилин-дропоршневої групи сірчастого газу. Для газового палива характерна вища антидетонаційна стійкість, оскільки середнє октанове число природного газу недосяжне для кращих марок бензину і складає 105 одиниць (у кращого бензину «Екстра»- 98). Враховуючи високооктанові характеристики природного газу, ступінь стискування можна підвищити на 25%. В порівнянні з бензином газ горить при менших концентраціях, що дозволяє зміною складу суміші регулювати потужність двигуна. Він в 3 рази дешевше за бензин.

Численні випробування показали, що двигун на газі має середній ресурс на 40% вище. Це пояснюється тим, що при згоранні газу утворюється менше твердих частинок, що викликають підвищений знос цилиндропоршневої групи, масляна плівка не змивається бензином і газ практично не викликає корозії металу. Тривалість роботи моторного масла вище в 2-2,5 разу.

Не дивлячись на численні переваги природного газу, перехід на нього двигунів утруднений через значно нижчу щільність газу (у 1000 разів) в порівнянні з бензином, тобто якщо заправляти автобус газом при атмосферному тиску, то місткість бака має бути в 1000 разів більше. Щоб не возити величезний причіп з паливом, необхідно збільшити щільність газу шляхом охолоджування його до -162 °С, перетворивши на рідину, або стискувати до 20-25 Мпа і зберігати в спеціальних балонах. Витрати на стискування газу в 3 рази менше, тому даний спосіб застосовується ширше. Слід також враховувати, що напрацювання на одній заправці знижується на 45%.

Пропан-бутанова суміш знаходиться в рідкому стані при тиску всього 1,6 Мпа. Процес заправки машин пропан-бутановой сумішшю не складний і аналогічний заправці бензином. Проте пропан-бутана отримують в 25 разів менше, ніж природного газу, і застосування його обмежене.

Пускові якості двигуна, що працює на газі, при температурі нижче -5 °С значно погіршуються.

В даний час залежно від температури навколишнього середовища рекомендуються гази: СПБТЗ (суміш пропан-бутанова технічна зимова), яка застосовується при низьких температурах, і СПБТЛ (суміш пропан-бутанова технічна літня).