Общие свойства топлива и их влияние на работу двигателей

В двигателях внутреннего сгорания энергия топлива превращается в тепловую, а тепловая—в механическую работу. Чем выше коэффициент полезного действия двигателя, тем эффективнее его показатели. По характеру образования горючей смеси двигатели делятся на два ви­да с внутренним смесеобразованием (дизельные) и внешним (карбюраторные, газовые) Наиболее широко распространены дизели, их устанавливают на тракторы, комбайны, самоходные шасси, дорожные машины, мощ­ные грузовые автомобили. С каждым годом растет мощ­ность дизельного парка страны, а, следовательно, и пот­ребление дизельного топлива. Карбюраторные двигатели являются основными для мотоциклов и автомобилей мно­гих марок, их широко используют для пусковых двига­телей, а также в сельскохозяйственной авиации и в вер­толетах.

§ 5. Испаряемость топлива

Однородные вещества, состоящие из одинаковых мо­лекул, например вода, спирт, глицерин, кипят при стро­го определенной температуре.

Все нефтяные топлива — сложная смесь углеводоро­дов с различной температурой кипения. Так, дизельное топливо выкипает в интервале температур 170—360° С, а бензин 35—200° С, причем зимние сорта имеют облег­ченный фракционный состав (испаряются при более низ­кой температуре).

В паспортах, характеризующих качество топлива, ис­паряемость оценивают фракционным составом, сущность определения которого сводится к следующему. Топливо в количестве 100 мл нагревают в специальном приборе, выделяющиеся пары охлаждают, и они конденсируются в жидкость, которую собирают в мерный цилиндр. Во время разгонки записывают температуру начала кипе­ния, а затем выкипания 10, 50, 90% бензина и конца его кипения (для дизельного топлива отмечают только 50-и 96%-ные точки). Эти данные обычно приводят в стан­дартах и паспортах качества.

Кривые разгонки некоторых видов топлива показаны на рис. 3. По данным фракционного состава можно су­дить о качестве топлива. Прежде всего, видно, что авиа­ционный бензин наиболее однороден по составу. Зимние сорта бензина и дизельного топлива имеют более легкий, чем летние, фракционный состав, что облегчает пуск двигателей в холодное время года.

Летние фракции бензинов (по кривым от начала кипения до выкипания 10% топлива) называют п у с к о в ы м и, определенное их количество необходимо на периоды пуска и прогрева двигателей. Если хранить бензин в пло­хо закрытых резервуарах и баках, то при испарении рез­ко ухудшаются его пусковые свойства. На летнем бензине в холодное время года за­вести двигатель трудно, а иногда и невозможно. Для нормального пуска холодного двигателя в теплое время года темпе­ратура выкипания 10% бензина не должна пре­вышать 70—80° С. В на­стоящее время выпуска­ют зимний бензин, пуско­вые фракции которого выкипают до 55° С, что позволяет завести двига­тель при температуре до 20ч—25° С. При более низкой температуре требуются специальные пусковые топлива и устройства.

В то же время излишне высокое количество легкоис­паряющихся фракций в топливе нежелательно. В этом случае в дизельных двигателях будет происходить так называемое жест кое сгорание топлива, а в топливо­проводах карбюраторных двигателей будут образовы­ваться паровые пробки, что нарушает нормальную рабо­ту двигателя (он перегревается, падает мощность, иног­да глохнет и его невозможно завести до тех пор, пока он не остынет). Это очень часто наблюдается при использо­вании зимних сортов бензина летом. Вот почему общее количество легких фракций ограничивается: начало ки­пения бензина не должно быть ниже 35° С.

Температура выкипания от 10 до 90% характеризует испаряемость основной части топлива, которую называ­ют рабочей ф р а к ц и е й. От нее зависит характер работы двигателя, продолжительность прогрева, возмож­ность быстрого перевода карбюраторного двигателя с одного режима на другой (приемистость). По стандарту рабочая фракция нормируется 50%-ной точкой. Чем она ниже, тем однороднее состав топлива и устойчивее ра­бота двигателя. Желательно, чтобы эта часть кривой была, возможно, круче.

От 90%-ной точки и до конца кипения испаряются тяжелые углеводороды (хвостовая часть). Чем меньше разница температур между этими точками, тем выше качество топлива, его экономичность и меньше степень изнашивания двигателей. Тяжелые углеводороды в топ­ливе нежелательны, так как они испаряются не полнос­тью. Оставаясь в капельножидком состоянии, они через зазоры между поршневыми кольцами проникают в картер двигателя, смывают смазку, разжижают масло, что приводит к более интенсивному изнашиванию деталей и повышенному расходу топлива.

Наиболее важное значение фракционный состав топ­лива имеет для карбюраторных двигателей. Однако и в дизелях от него заметно зависит качество распыливания, дымность выхлопа, интенсивность образования нагара. Если в дизельном топливе много легких углеводо­родов, то повышается жесткость работы. Тяжелое топ­ливо, имеющее высокую температуру кипения, при распыливании образует более крупные капли, при этом качество горючей смеси ухудшается и повышается расход топлива. Выхлопные газы становятся темными, увеличи­вается количество нагара в зоне цилиндропоршневой группы, наблюдается закоксовывание распылителей фор­сунок. Современные мощные дизели могут хорошо рабо­тать только на топливе определенного фракционного со­става.

На испаряемость топлива оказывают влияние также его вязкость, плотность и некоторые другие физические величины. Так, для бензина нормируют давление насы­щенных паров (давление паров на стенки сосуда, где происходит испарение), которое измеряют в миллимет­рах ртутного столба. Для летних сортов бензина во из­бежание образования газовых пробок оно не должно превышать 0,06 МПа (500 мм рт. ст.). Зимние бензины для облегчения пуска двигателя в холодное время года имеют большее давление 0,06—0,09 МПа (500—700 мм рт. ст.).

С фракционным составом топлива тесно связана тем­пература вспышки, при которой пары нефтепродуктов с воздухом образуют горючую смесь, вспыхивающую при поднесении источника огня. Температура вспышки бен­зина очень низка, его пары легко вспыхивают, даже если бензин налить на снег, поэтому все бензины относятся не только к легковоспламеняющимся, но и к взрывающимся жидкостям. Керосины и некоторые сорта дизель­ного топлива также легко воспламеняются: их пары вспыхивают при положительной температуре — соответ­ственно 25—30° С и свыше 35° С.

Температура застывания (жидкость теряет подвиж­ность) у бензина очень низкая — ниже —40° С, а у керо­сина и дизельного топлива в зависимости от химического состава может быть положительной (0—5° С) или отри­цательной

(- 35 ÷ - 45° С).

В стандартах и паспортах качества на бензины вяз­кость, температура вспышки и застывания не нормиру­ются, так как они при всех условиях эксплуатации обес­печивают работу двигателя. Для дизельного топлива эти показатели ограничены.