Полная версия

Главная arrow Техника arrow Автомобильные эксплуатационные материалы

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   СОДЕРЖАНИЕ   >>

Показатели бензинов, влияющие на процесс сгорания

Различают нормальное, детонационное и калильное сгорание рабочей смеси в двигателе. Сгорание рабочей смеси считается нормальным, если воспламенение происходит от свечи зажигания, и она полностью сгорает со средней скоростью распространения фронта пламени 15—45 м/с. Такое сгорание обеспечивает полное тепловыделение и плавное увеличение давления в цилиндрах двигателя.

Детонационным сгоранием называется такое сгорание рабочей смеси, при котором кроме его воспламенения от искры при определенных условиях происходит самовоспламенение отдельной его части. При этом фронт пламени распространяется со скоростью 1500—2500 м/с. Детонационное сгорание сопровождается звонкими металлическими стуками в зоне камеры сгорания, неполнотой сгорания (черный дым в отработавших газах), перегревом и снижением мощности двигателя.

В результате большой скорости и взрывного характера детонационного сгорания часть топлива и промежуточных продуктов сгорания разбрасываются по объему камеры сгорания, перемешиваются с конечными продуктами сгорания и не успевают полностью сгореть. При этом повышается дымность выхлопных газов, экономичность и мощность двигателя падают. Повышается также отдача теплоты к стенкам камеры сгорания и днищу поршня из-за высоких температур в детонационной волне и вследствие срыва пограничного слоя более холодного газа с металлической поверхности камеры сгорания. Все это приводит к перегреву двигателя и может вызвать местные разрушения камеры сгорания и днища поршня. Одновременно с перегревом ударные волны при своем многократном отражении от стенок камеры сгорания могут срывать масляную пленку с поверхности гильзы цилиндра, что приводит к увеличению изнашивания цилиндров и колец. Вибрационные нагрузки на поршень могут вызывать повышенное изнашивание шатунных подшипников. При продолжительной работе двигателя в режиме детонационного сгорания топлива даже в тех случаях, когда не наблюдается аварийных разрушений, его ресурс уменьшается в 1,5—3 раза.

Переход от нормального сгорания к детонационному сгоранию обусловлен изменением химического состава топлива. Существует несколько теорий, объясняющих сущность детонационного сгорания, из них наиболее признанной является теория, по которой считается, что первыми продуктами взаимодействия углеводородов с кислородом являются перекиси и гидроперекиси. Они обладают большой избыточной энергией и при определенных условиях могут накапливаться с выделением большого количества теплоты и активных частиц. При этом отмечено, что нормальные углеводороды легко образуют перекисные соединения, а разветвленные устойчивы к их образованию.

Так как каждая молекула гидроперекиси дает начало нескольким цепям, скорость окисления резко возрастает. Таким образом, в конце такта сжатия при воспламенении горючей смеси от свечи зажигания около нее формируется очаг пламени (рис. 1.8). Образовавшийся фронт пламени устремляется от свечи зажигания в противоположную часть камеры сгорания. За фронтом пламени находятся продукты сгорания температурой 2000—2500 °С, а перед ним — не сгоревшая еще рабочая смесь. По мере нарастания давления в зоне сгоревших газов (3,5—5,0 МПа) продукты сгорания как бы поджимают не сгоревшую часть топлива, отчего тем-

Очаги холодно-пламенного Самовоспламеняющаяся окисления / смесь

Отраженные

волны

Этапы детонационного сгорания рабочей смеси в двигателе

Рис. 1.8. Этапы детонационного сгорания рабочей смеси в двигателе: а — зажигание рабочей смеси искрой свечи зажигания; б — формирование очага горения; в — нормальное движение фронта пламени; г — образование очагов холодно-пламенного окисления в несгорсвшей рабочей смеси; д — образование детонационной волны; е — движение отраженных волн

пература последней повышается до 380—450 °С. Поэтому в не сгоревшей части ускоряются процессы окисления и повышается концентрация перекисей.

Если концентрация перекисей в не сгоревшей части рабочей смеси окажется ниже критической, то фронт пламени горения без существенного изменения скорости достигнет противоположных стенок камеры сгорания, и процесс сгорания рабочей смеси пройдет нормально. Если же концентрация перекисей и активных продуктов их распада в не сгоревшей части рабочей смеси достигнет критической величины, то начнутся цепные реакции окисления с образованием множества очагов горения.

Так как рабочая смесь уже подготовлена к горению (много перекисей), она сгорает с большой скоростью, происходит резкое повышение давления, в результате чего формируется ударная волна, двигающаяся по камере сгорания со сверхзвуковой скоростью. Мгновенно воспламеняются соседние слои рабочей смеси, а сама ударная волна оказывается совмещенной с фронтом пламени, при этом образуется детонационная волна. Избежать возникновения этого процесса можно путем подбора для каждой марки двигателя бензина с соответствующей детонационной стойкостью. Однако известно, что самый простой способ форсирования двигателя — увеличение степени сжатия, ограничивается именно показателем детонационной стойкости бензина.

На рис. 1.9 представлена индикаторная диаграмма, демонстрирующая зависимость изменения давления р в цилиндре от угла ф поворота коленчатого вала, при нормальном и детонационном сгорании рабочей смеси.

Индикаторная диаграмма

Рис. 1.9. Индикаторная диаграмма: / — подача искры; 2 — детонационное сгорание; 3 — нормальное сгорание; ВМТ — верхняя мертвая точка

При ударе детонационной волны о стенки камеры сгорания возникают отраженные волны, что вызывает вибрацию стенок, возникают звонкие металлические стуки, характерные для детонации. Слои рабочей смеси, прилегающие к стенкам цилиндра, подвергаются сильному сжатию детонационной волной, в результате чего увеличивается их теплопроводность и усиливается отдача теплоты стенкам, двигатель перегревается, его работа становится жесткой.

Детонационная стойкость оценивается октановым числом. Это условный показатель антидетонационной стойкости бензина, численно равный процентному содержанию изооктана (С8Н18), октановое число которого принято за 100, в его смеси с н-гепта-ном (С7Н16), октановое число которого равно 0, эквивалентной подетонационной стойкости испытываемому бензину. Смеси изооктана и н-гептана различных соотношений будут иметь детонационную стойкость от 0 до 100. Например, октановое число бензина равно 80. Это значит, что данный бензин по детонационной стойкости эквивалентен смеси изооктана и н-гептана, в которой изооктана 80 %.

Существуют два метода определения октанового числа: моторный (ГОСТ 511—82) и исследовательский (ГОСТ 8226—82):

Моторный

Исследова-

Частота вращения коленчатого

метод тельский метод

вала, мин -1 ..........................................

Температура, °С:

..... 900+ 10

600 ±5

охлаждающей жидкости.......................

..... 100 + 2

100 ±2

воздуха перед карбюратором................

.....40-50

52 ± 1

топливовоздушной смеси ....................

..... 149+ 1

Смесь

не

подогревается

масла в картере......................................

..... 50-75

50-75

Угол опережения зажигания до ВМТ,

о

(в зависимости от степени сжатия) ....

.....От 26 до 19

13

Моторным методом определяют октановое число на установках УИТ-85 или УИТ-65 (рис. 1.10), либо на установках ИТ9-2М или ИТ9-6, которые позволяют изменять степень сжатия от 4 до 10. При этом сравнивается детонационная стойкость исследуемого бензина с эталонными образцами при температуре горючей смеси 150 °С и частоте вращения коленчатого вала 900 мин-1.

Испытание проводят следующим образом. Одноцилиндровый двигатель установки заправляют испытуемым бензином.

Установка УИТ-65 для определения октановых чисел бензина моторным методом

Рис. 1.10. Установка УИТ-65 для определения октановых чисел бензина моторным методом: / — пульт управления; 2 — аппаратура для измерения детонации; 3 — бак для подогрева всасываемого воздуха; 4 — конденсатор охлаждения; 5 — карбюратор; 6 — ресивер с жидкостным охлаждением; 7 — одноцилиндровый

двигатель

В процессе работы степень сжатия постепенно повышают до появления детонации, интенсивность которой регистрируют с помощью детонометра, и фиксируют степень сжатия, при которой возникает детонация. После этого двигатель заправляют эталонным топливом и подбирают такую смесь изооктана и н-гептана, при которой интенсивность детонации будет такой же, как и на исследуемом бензине. По количеству изооктана в искусственно приготовленной смеси устанавливается октановое число.

Исследовательским способом детонационную стойкость определяют при температуре горючей смеси 25—35 °С (смесь не подогревается) и частоте вращения коленчатого вала 600 мин-1. В этом случае в марке бензина присутствует буква «И», например, АН-92 — автомобильный бензин с октановым числом по исследовательскому методу не ниже 92.

Исследовательский метод отличается менее жестким режимом работы лабораторного двигателя на испытуемом топливе. Поэтому октановое число по исследовательскому методу несколько выше, чем октановое число, определенное по моторному методу (табл. 1.3). В обоих случаях после прогрева двигателя постепенно увеличивается степень сжатия до появления детонации определенной стандартной интенсивности, определяемой по шкале указателя детонации.

Анализ показал, что исследовательским методом лучше определять детанационную стойкость бензина при эксплуатации двигателя в условиях загородной езды, а моторным методом — при тяжелых дорожных условиях.

Установлена зависимость между требуемым октановым числом (ОЧ) бензина, степенью сжатия 8 и диаметром /) цилиндра двигателя:

04 = 125,4-413/є + 0,183/>.

Для увеличения степени сжатия на единицу необходимо повысить октановое число на 4—8 единиц.

Таблица 1.3. Октановые числа бензинов различных марок

Метод определения октанового нисла

Марка бензина

А-76

АІ/І-80

А1/І-91

АИ-92

АІ/І-93

АІ/І-95

АІ/І-96

АИ-98

Моторный

76

76

82,5

83

85

85

85

88

Исследовательский

80

91

92

93

95

96

98

Возникновение детонации зависит не только от степени сжатия. Заметное влияние оказывают температура окружающей среды, атмосферное давление и влажность. Так, октановое число может быть снижено на единицу при уменьшении температуры воздуха на 10 °С или атмосферного давления на 10 мм рт. ст. Например, если при температуре окружающей среды -20 °С и атмосферном давлении 760 мм рт. ст. двигателю необходим бензин с октановым числом 90, то при температуре окружающей среды -10 °С и атмосферном давлении 700 мм рт. ст. достаточно использовать бензин с октановым числом 80.

Способы повышения детонационной стойкости бензинов

Методом прямой перегонки нефти можно получить бензин с октановым числом до 91 (бензины А-76, АИ-80 и АИ-91). Однако такое производство бензина нерентабельно: во-первых, бензина получается вдвое меньше, во-вторых, не из всякой нефти можно получить бензин АИ-91.

Бензин с необходимым октановым числом можно получить двумя способами.

Первый способ. Бензин прямой перегонки подвергают вторичной переработке (каталитический риформинг, крекинг и др.), т. е. воздействуют на химический состав бензина, что требует значительных средств, но бензин получается наименее вредным для окружающей среды.

В бензине содержатся следующие углеводороды: н-алканы, циклоалканы, изоалканы, ароматические углеводороды. Изоалканы и ароматические углеводороды самые устойчивые к детонации. Следовательно, увеличивая их содержание в бензине, можно повысить октановое число. Это достигается каталитическим риформингом и введением ароматических углеводородов, таких, как этилбензол. Так же получают высококачественные бензины АИ-95 и АИ-98.

Второй способ. Введение в бензин прямой перегонки специальных присадок — антидетонаторов. Бензин получается существенно дешевле, но более низкого качества.

Антидетонаторы — металлоорганические соединения, незначительное количество которых в бензинах резко повышает их детонационную стойкость. В 1920 г. была разработана добавка тетраэтилсвинец [РЬ(С2Н5)4], резко подавляющая детонацию. До настоящего времени она является самой эффективной. Введение 0,3 % ТЭС в бензин приводит к повышению октанового числа на 15—25 единиц. Известно несколько марок этиловых жидкостей, которые содержат от 54 до 58 % тетраэтилсвинца (ТЭС). Бензины, содержащие этиловую жидкость, ядовиты, поэтому их окрашивают в различные цвета.

Существуют заменители ТЭС: пентакарбонил железа

[Ре(СО)5] — антидетонатор на основе соединений железа; декарбонил марганца [Мп2(СО)10] — на основе марганца; циклопента-диенилкарбонил марганца (ЦТМ) [С5Н5Мп(СО)3] с очень высоким антидетонационным эффектом, аналоги ЦТМ на основе метила (МТЦМ) и на основе аминов — анилин [С6Н5МН2].

Марганцевый антидетонатор ЦТМ представляет собой желтый кристаллический порошок. Антидетонатор МЦТМ — это маловязкая жидкость светло-янтарного цвета с запахом травы. Оба антидетонатора одинаково эффективны.

Марганцевые антидетонаторы (МА) в 300 раз менее токсичны, чем ТЭС. Они хорошо растворяются в бензине и практически не растворяются в воде, при низких температурах из бензиновых растворов не выпадают.

Эффективность МА и свинцовых антидетонаторов приблизительно одинакова. При использовании МА увеличивается полнота сгорания бензинов и снижается токсичность отработавших газов. На изнашиваемость и коррозийную стйкость деталей почти не влияют. При этом нагарообразование в двигателе незначительно, преждевременное воспламенение почти отсутствует. Однако при использовании МА образующийся нагар вызывает перебои в работе свечей зажигания из-за утечки тока по поверхности изолятора свечи зажигания и образования токопроводящих нитей между ее электродами. Продукты сгорания марганца имеют высокую электропроводность, возрастающую с повышением температуры. Сегодня ведуться работы по поиску преобразователей нагара, изменению конструкции свечей зажигания, новых материалов для изоляторов и электродов.

Железосодержащий антидетонатор — пентакарбонил железа (ПКЖ) представляет собой не растворяемую в воде жидкость бледно-желтого цвета, которая разлагается на свету с выделением твердого нерастворимого осадка, самовоспламеняющуюся при соприкосновении с воздухом. Эффективность ПКЖ как антидетонатора на 15—20% ниже, чем ТЭС. При сгорании ПКЖ образуется окись железа, которая оседает в камере сгорания в виде легкоподвижного осадка с высокими абразивными свойствами, увеличивающего изнашивание.

Проводятся исследования возможности использования в качестве антидетонаторов комплекса диизобутилена с пентакарбо-нилжелезом (ДИБ-ПКЖ), а также ферроцена (дициклопента-диенилжелеза).

Ферроцен [(С5Н5)2Ре] — металлоорганическое соединение, представляющее собой легковоспламеняющийся кристаллический порошок с температурой плавления 174 °С. Ферроцен более эффективен, чем ПКЖ. Внедрению ферроцена препятствует отсутствие эффективных выносителей для окиси железа. При использовании железосодержащих антидетонаторов без выносителей концентрация железа в бензине не должна превышать 37 мг на 1 дм3.

Антидетонаторы на основе аминов. Антидетонационный эффект аминосоединений проявляется при их больших концентрациях в бензинах. На первом месте стоят ароматические амины — производные анилина. Анилин — это жидкость с температурой кипения 184 °С. Существенный недостаток анилина — ограниченная растворимость в бензине.

Наиболее эффективной является присадка метилтребутило-вого эфира (МТБЭ), который получают в ходе переработки нефти при каталитическом крекинге путем подбора катализатора и ужесточением режима работы установки. Добавка 10 % МТБЭ в бензин повышает октановое число на 5—6 единиц. МТБЭ совместим с бензином. Используя данную присадку, получают неэтилированные бензины А-76 и АИ-93.

Повышение октанового числа с помощью ТЭС в 5—9 раз дешевле, чем при использовании других антидетонаторов, но они экологически более вредные.

В России неэтилированные бензины составляют около 50 %, причем из них более 85 % имеют октановое число 76.

Различают этилированные бензины по цвету: А-76 — желтый, АИ-93 — оранжево-красный, экспортное исполнение бензинов АИ-80, АИ-92 и АИ-96 — светло-желтые.

Недостатки различных антидетонаторов представлены в табл. 1.4.

Калильное сгорание — воспламенение рабочей смеси от перегретых деталей и образовавшегося нагара в камере сгорания, т. е. при выключении зажигания горение не прекращается, рабочая

Таблица 1.4. Антидетонаторы и их негативные воздействия

Антидетонатор

Недостатки

Тетраэтилсвинец (ТЭС)

Сильный канцероген

Загрязнение флоры

Разрушает нейтрализаторы отработавших газов

Метилциклопентадиентрикарбонил марганца (МЦТМ)

Дестабилизирует топливо

Снижает ресурс свечей зажигания

Повышает концентрацию твердых частиц Повышает нейротоксичность отработавших газов Снижает ресурс нейтрализаторов

Ферроцены:

диметилферроценил

карбонилферроцен

смесь менометиланилина и анилина-экс-

тралина

Повышают изнашивание двигателя. Увеличивают смолообразование

Увеличивает смолообразование и окисляемость топлива

Метилтретбутиловый эфир (МТБЭ)

Увеличивает отложения и выбросы окислов азота и альдегидов

Смесь МТБЭ с третбутиловым эфиром (фэтерол)

То же

Этанол

Низкая гидролитическая стабильность

Оказывает вредное воздействие на резиновые и полимерные материалы

Метанол

То же плюс высокая токсичность паров

смесь воспламеняется на такте очередного сжатия. При этом процесс сгорания и расширения может наступить до завершения такта сжатия с последствиями, аналогичными происходящим при детонационном сгорании.

 
<<   СОДЕРЖАНИЕ   >>