Масленников Ростислав Ростиславович, Ермак Владимир 6 страница

задержку при разгоне двигателя до определенных оборотов.

Рис. 3. 7. Зависимость требуемого

октанового числа топлива от час-

тоты вращения коленчатого вала

двигателя

600 1400 2200 3000 3800 4600

Частота вращения коленчатого вала, об/мин

Детонационная стойкость применяемых автомобильных топлив

должна обеспечивать работу автомобиля в любых условиях и режи-

мах без появления детонации. Детонация уменьшается как при обо-

гащении, так и при обеднении рабочей смеси: при обогащении смеси

она уменьшается из-за недостатка кислорода, увеличения скорости

горения и как следствие снижения возможности образования переки-

сей, а при обеднении – вследствие уменьшения теплоты сгорания.

3.6. Влияние конструктивных особенностей

двигателя на требуемое октановое число топлива

Детонационная стойкость топлива может быть оценена на ре-

альном автомобиле в дорожных условиях; этот показатель называют

" дорожным октановым числом ". Его определяют на ровном участке

дороги, во время движения автомобиля с закрытыми окнами туда и

обратно, чтобы исключить влияние ветра, при определенных угле

опережения зажигания и нагрузках. Специальными акустическими

приборами фиксируется момент возникновения детонации.

Эти испытания показали, что один и тот же бензин на разных

автомобилях с одинаковыми двигателями показывает разные "дорож-

ные" октановые числа. Из этого следует, что требуемая детонацион-

ная стойкость топлива зависит не только от конструкции двигателя,

но и от конструкции трансмиссии и ходовой части автомобиля. В

трансмиссии автомобиля могут применяться различные коробки пе-

редач (ступенчатые и бесступенчатые с автоматическим и ручным

переключением передач и т.д.), различные главные передачи. В ходо-

вой части различные шины и упругие элементы подвески и т.д.

Реакция двигателя на требуемую детонационную стойкость топ-

лива зависит и от его конструктивных особенностей, таких как мате-

риал и форма камеры сгорания, место расположения свечи зажига-

ния, конструкции выпускного клапана, диаметра цилиндра, степени

сжатия и др.

Температурное поле камеры сгорания очень неравномерно; в

температурном поле есть относительно холодные зоны в районе впу-

скного клапана и зоны с критически высокой температурой в районе

выпускного клапана.

Материал камеры сгорания. Каждый металл имеет свою теп-

лопроводность. Для камеры сгорания лучшим металлом будет тот,

который имеет большую теплопроводность, это позволит системе ох-

лаждения быстрее отводить излишки тепла и снижать вероятность

появления детонации.

Форма камеры сгорания должна быть такой, чтобы в зоне с

критически высокой температурой находилось как можно меньше ра-

бочей смеси, а сама камера сгорания имела ровную поверхность без

выступов и острых углов. С веча зажигания должна располагаться во

первых в зоне в которой находится как можно больше рабочей смеси

поскольку детонация возникает на завершающей фазе горения и во

вторых как можно ближе к критической зоне, это сократит время

возможного образования перекисей.

Среди выпускных клапанов находят применение клапаны с на-

триевым охлаждением. Эти клапаны (рис. 3.8) имеют внутри полость

5, наполненную металлическим натрием 4. Натрий во время работы

двигателя плавится и, перемешиваясь встряхиванием во время рабо-

ты, интенсивно переносит тепло от головки к стержню, от стержня к

втулке, головке блока, в результате тепло рассеивается системой ох-

лаждения. Вероятность возникновения детонации падает.

Важнейшими конструктивными особенностями (параметрами),

вошедшими в техническую характеристику двигателя, являются диа-

метр цилиндра и степень сжатия.

ИОЧ Т 4,125/ −=

D 183,0+,

Рис. 3. 8. Выпускной клапан с натриевым ох-

лаждением:

1 – клапан; 2 – жаростойкая наплавка; 3 – заглушка;

4 –металлический натрий; 5 –полость;

Чем больше диаметр цилиндра, тем больше вероятность возник-

новения детонации, поскольку увеличивается время сгорания смеси,

следовательно, возрастает вероятность возникновения перекисей.

От степени сжатия двигателя зависят давление, и температура в

камере сгорания к моменту воспламенения рабочей смеси. Чем выше

степень сжатия, тем больше вероятность возникновения детонации,

тем выше требования двигателя к детонационной стойкости бензина.

Между требуемым октановым числом бензина, степенью сжатия

и диаметром цилиндра двигателя установлена приблизительная зави-

симость, которая выражается следующей формулой:

413

е

где ОЧИТ – требуемое исследовательское октановое число бензина;

е – степень сжатия; D – диаметр цилиндра, мм.

Эта эмпирическая формула дает приблизительный результат,

т.к. в ней не учитываются такие параметры двигателя, как: форма ка-

меры сгорания, расположение свечи зажигания, конструкция клапа-

на и другие особенности.

0,2 1

0,2 0

0,1 9

0,1 8

0,1 7

0,1 6

0,1 5

0,1 4

Повышение степе-

ни сжатия способствует

более энергичному и

полному сгоранию топ-

лива, увеличению сред-

не-эффективного давле-

ния на поршень двигате-

ля, уменьшению тепла,

0,1 3 0

44 55 66 77 88 9 9 1 1 0

Степень сжатия, å

Рис. 3. 9. Зависимость литровой мощности

и удельной экономичности от степени сжатия

двигателя:

1 – литровая мощность, кВт/л; 2 – удельный

расход топлива л/(кВт⋅ч)

выносимого отработав-

шими газами, повыше-

нию термического ко-

эффициента полезного

действия, а самое глав-

ное, способствует повы-

шению удельной топ-

ливной экономичности и

литровой мощности двигателя (рис. 3.9), одновременно повышаются

требования к детонационной стойкости топлива.

3.7. Антидетонаторы

Существующие способы переработки нефти, ее состав не всегда

обеспечивают получение бензина необходимой детонационной стой-

кости. Поэтому октановое число бензина повышают путем добавле-

ния к нему присадок или добавок – антидетонаторов. По классифика-

ции ВНИИ НП присадками называются продукты, вводимые в топли-

во до 0,5 % по объему, а добавками от 0,5 и выше.

Октановое число бензина повышают путем добавления высоко-

октановых компонентов или присадок – антидетонаторов.

Высокооктановые компоненты и некоторые добавки вносят в

бензины в значительных количествах, десятках процентов, а присад-

ки – антидетонаторы – в долях процента. Дело в том, что присадка –

антидетонатор, вступая в реакцию с перекисями, превращает их в ме-

нее активные соединения, сама тут же восстанавливается, и цикл по-

вторяется. Таким образом, присадка, многократно участвуя в реакци-

ях, сама не расходуется.

В 1921 г. был открыт антидетонатор (присадка) тетраэтилсвинец

[(ТЭС) Рb(С2Н5)4], который с 1923 по 1999 годы применялся в россий-

ских бензинах в составе жидкости Р-9. Бензины с этиловыми жидко-

стями стали называть "этилированными".

Антидетонаторы, кроме повышения октанового числа, могут

изменять и другие свойства бензина, в частности топливо с присад-

кой может стать ядовитым, влиять на работу свечей зажигания, спо-

собствовать износу двигателя, а также каталитического нейтрализа-

тора выхлопных газов и др.

Соединения свинца, попадая с отработавшими газами в атмо-

сферу, наносили невосполнимый ущерб людям, животному миру, па-

мятникам культуры, одним словом, окружающей среде. Кроме того,

они разрушали каталитические нейтрализаторы выхлопных газов.

Поэтому применение этилированных бензинов в России с 2000 г. бы-

ло запрещено. В настоящее время в качестве добавок для повышения

детонационной стойкости современных бензинов применяют кисло-

родсодержащие соединения: спирты и эфиры. Производство простых

эфиров, например метилтретбутилового эфира (МТБЭ –

CH3OC4H9), получило широкое распространение за рубежом. В Рос-

сии доля бензинов с МТБЭ невелика, что объясняется высокой стои-

мостью этого антидетонатора.

В качестве антидетонатора можно применять азотсодержащие

ароматические соединения: амины (АДА), ксилидины и другие добавки.

Они несколько дешевле МТБЭ, но гораздо дороже этиловых жидкостей.

Для повышения детонационной стойкости в бензин можно до-

бавлять этиловый спирт – этанол (С2 Н5ОН) или метиловый спирт –

метанол (СН3ОН).

Октановое число этанола ОЧи-100, температура кипения 78°С.

Получать его можно из отходов сельскохозяйственной и лесной про-

мышленности, то есть из возобновляемых ресурсов.

Октановое число метанола ОЧи-110), температура кипения

64°С. Метанол можно получать из природного газа, угля, древесины

и биомассы. Метанол токсичен.

Установлено что добавление этих спиртов в бензин не только по-

вышает фронтальное октановое число топлива, но и снижает содержа-

ние СО и углеводородов в отработанных газах и значительно повышает

коэффициент распределения детонационной стойкости (КРДС).

Необходимо заметить, что при производстве как метанола, так и

этанола выделяется большое количество газа СО2, что нежелательно из-

за "парникового эффекта". Способность спиртов растворять воду по-

вышает эксплуатационные качества топлива, особенно в зимнее время.

Использование присадок на основе марганца и железа экономи-

чески выгоднее, чем применение добавок АДА или МТБЭ.

Наименование Допустимая концентрация Присадка "Хайтек-300" фирмы Ethyl До 50 мг Mn/л Присадка "АвтоВЭМ" (ТУ38.401-58-185-97) До 0,3 % Присадка АПК (ТУ 38.401-58-189-97) До 0,3% (37 мг Fe/л) Присадка "Ферро3" (ТУ 38. 401-58-83-94) До 0,02 % (37 мг Fe/л) Присадка "Октан-Максимум" (ТУ 38.401- 144-97) До 0,3 % (37 мг Fe/л) Добавка АДА (ТУ 38.401-56-61-93) До 1,3 % Добавка "Феррада" (ТУ38.401-58-185-97) До 1,3 % (37 мг Fe/л) Добавка БВД (ТУ 38.401-58-228-99) До 1,9 % Добавка ВАКЭ ТУ 38.401-58-244-99 До 5 % Добавка МАФ (ТУ 38.401-1045-96) До 3,5 % (37 мг Fe/л) Добавка "Фэтерол" (ТУ 2421-009-04749189- 95) До 15 % МТБЭ (ТУ 103704-90) До 15 % Добавка ДАКС (ТУ о251-003-02066612-96) До 3,5 %

Марганец для производства присадки закупают за рубежом, а

это повышает стоимость отечественных бензинов.

Дешевый антидетонатор на основе пентакарбонилжелеза, обла-

дая рядом положительных свойств, оказался очень токсичным и,

кроме того, вызывал повышенный износ поршневой группы и цилин-

дров. От применения и этого антидетонатора пришлось отказаться.

В современных антидетонаторах применяют ферроцен, он вхо-

дит в состав добавки "Феррада", присадок "АПК", "Ферро-3" и ряда

других препаратов, допущенных Госстандартом для использования в

нашей стране (табл. 3.4). Железосодержащие препараты улучшают

работу каталитических нейтрализаторов и вводятся в топливо в коли-

честве не более 37 мг/л, что составляет 0,3 %.

Таблица 3.4

Присадки и добавки к автомобильным бензинам, допущенные

к применению в Российской Федерации

Железосодержащие присадки на сегодня являются одним из наи-

более приемлемых способов повышения антидетонационной стойкости

бензинов. Они экологичны, относительно дешевы, прошли испытания

на ведущих автозаводах АМО "ЗИЛ" и АО "АвтоВАЗ", в институтах

НАМИ и НИИАТ. Многие предприятия при выработке неэтилирован-

ных бензинов уже в течение ряда лет применяют железосодержащие

присадки. Это ОАО "Ачинский НПЗ", ООО "Рязанский НПЗ", ОАО

"Салаватнефтеоргсинтез", НПФ "Феникс Лтд" и другие.

Наименование Допустимая концентрация Автомаг (ТУ 38.401-58- 171-96) До 0,05 % Афен (ТУ 38.401743-89) До 0,05 %

Моющие и многофункциональные присадки, до- ваемую им мощность,

расход топлива, кроме

Для снижения затрат, связанных с техническим обслуживанием

топливных систем автомобиля, и для выполнения экологических тре-

бований по токсичности выхлопа в бензины вводят моющие присадки

(табл. 3.5). Эти присадки обеспечивают нормальную работу топлив-

ной системы и дают снижение расхода бензина на 5–7 %.

На безотказную ра-

Таблица 3.5 боту двигателя, разви-

пущенные к применению в Российской Федерации

уже рассмотренных по-

казателей, таких как

фракционный состав,

давление насыщенных

паров, октановое число,

содержание механических примесей и воды, могут оказывать влияние

и другие показатели. Они в ГОСТах на бензин не приводятся, так как

одни мало зависят от партии и марки бензина, значения других могут

быть ограничены показателями физико-химических свойств бензина,

уже приведенных в стандартах или технических условиях.

Для автомобильных бензинов не нормируется ни вязкость, ни

плотность. Вязкость и плотность топлив одного вида разных марок

1,4

1,2

1,0

изменяются незначительно, от 5 до

10 %, не более. Фактические откло-

нения этих параметров у бензинов

разных марок не вызывают необхо-

ливной системы автомобиля даже

при переходе с одной марки бензина

на другую допустимую марку. Од-

нако с изменением температуры, в

0,8 750 димости изменять регулировку топ-

0,6 710

0,4 670

-40 -20 0 20 40

Температура, °С

Рис. 3.10. Изменение вязкости и частности понижением температу-

плотности бензинов в зависимости ры, вязкость и плотность бензинов

от температуры: повышаются. Причем вязкость по-

1 – вязкость; 2 – плотность вышается в большей степени, чем

плотность (рис. 3.10).

При переходе на летний или зимний период эксплуатации ре-

альная вязкость бензинов в топливном баке может измениться в 1,5–2

раза, но даже такое изменение вязкости не требует изменения регули-

ровок топливной системы автомобиля. Прежде всего это вызвано тем,

что в подкапотном пространстве при температуре наружного воздуха

–30°С температура топливного насоса и карбюратора +10, +15°С.

Кроме того, уменьшение пропускной способности жиклера из-за из-

менения вязкости компенсируется тем, что с повышением плотности

увеличивается масса одного и того же объема бензина, поступающего

через жиклеры.

Средняя плотность автомобильных бензинов при 20°С колеб-

лется от 712 до 742 кг/м3. Определение плотности бензинов вызвано

тем, что автотранспортные предприятия получают бензин в единицах

массы (кг, т), а заправляют автомобили в единицах объема (л).

3.8. Свойства бензина, влияющие на износ,

техническое обслуживание и ремонт двигателя

Износы деталей двигателя, расходы, связанные с техническим

обслуживанием и ремонтом, частично зависят от уже рассмотренных

показателей физико-химических свойств бензина.

Износ двигателя зависит от моющих свойств бензина, в частно-

сти от его фракционного состава, наличия в бензине механических

примесей и воды, его детонационной стойкости. Рассмотренные вы-

ше свойства бензина в большей мере влияли на появление механиче-

ского и абразивного износа деталей двигателя. Кроме этих свойств, на

износ деталей двигателя влияют находящиеся в бензинах минераль-

ные и органические кислоты, щелочи, смолы, сера и ее соединения.

Эти соединения вызывают появление коррозионного и коррозионно-

механического износов. Бензины должны обладать минимальным

коррозионным воздействием на металлы двигателя.

Водорастворимые кислоты и щелочи. Минеральные кислоты,

соединения кислого характера обладают исключительно сильным

коррозионным действием на черные и цветные металлы. Они вызы-

вают интенсивный износ деталей двигателя и системы питания. Ще-

лочи активно корродируют цветные металлы. Водорастворимые ки-

слоты и щелочи в бензине могут оказаться вследствие использования

загрязненной тары, а также из-за некачественно выполненной очист-

ки. Стандартами на бензин не допускается присутствие даже следов

щелочей и водорастворимых кислот. Их присутствие определяют ка-

чественным анализом реакции водной вытяжки из бензинов на спир-

товой раствор фенолфталеина и водный раствор метилоранжа, или

рН-метром, или универсальной индикаторной бумагой.

Органические кислоты в отличие от водорастворимых кислот и

щелочей не являются случайными примесями бензинов, а всегда со-

держатся в них в том или ином количестве. Более того, их количество

в бензине непрерывно возрастает в результате окисления, в том числе

и непредельных углеводородов за время его хранения. Основу орга-

нических соединений кислого характера составляют нафтеновые ки-

слоты (R – COOH) и фенолы (C6H5OH). Поэтому нет необходимости

их полностью удалять из товарных бензинов. На этом основании

стандартами на бензин допускается наличие ограниченного количе-

ства нафтеновых кислот в бензинах.

Продукты взаимодействия органических кислот с топливом

представляют собой нерастворимые в бензине хлопьевидные осадки,

которые могут вызвать закупорку топливопроводов системы питания.

Органические или нафтеновые кислоты разрушают металлы зна-

чительно слабее минеральных. Они опасны для цветных металлов, в

первую очередь для свинца и цинка, лишь в присутствии воды.

Содержание органических кислот в топливах принято характе-

ризовать кислотностью, под которой понимают количество щелочи

КОН, выраженное в миллиграммах и израсходованное на нейтрали-

зацию всех кислых соединений, содержащихся в 100 мл топлива.

Сера и ее соединения. Сернистые соединения, в том числе и

серу, принято разделять на две группы: активные и неактивные сер-

нистые соединения.

Активные сернистые соединения отличаются особой агрес-

сивностью, способны вызывать коррозию металлов при нормальных

условиях; по этой причине они так же, как и минеральные кислоты,

совершенно недопустимы в топливах. Наличие активных сернистых

соединений качественно обнаруживается испытанием на медной пла-

стинке. Нефтепродукт считается не выдержавшим испытание, если

на пластинке появились черные, темно-коричневые или серо-

стальные налеты и пятна. Если на пластинке отсутствуют изменения

ее внешнего вида, то топливо считается выдержавшим испытание, а

это означает, что концентрация активных сернистых соединений в