Все эти вопросы неразрывно связаны со знанием особенностей бензина как топлива. В публикуемой ниже статье Г. Либефорта любители узнают о фракционном составе бензина, причинах детонации и способах ее устранения, вредном влиянии на качество топлива смолообразования и присутствия посторонних примесей, познакомятся с правилами хранения бензина, особенностями его использования на катере, узнают, как избежать обледенения карбюратора.
Все эти сведения помогут не только более правильно эксплуатировать двигатель, дольше сохранить его работоспособность, но и послужат основой для дополнительной экономии топлива.
Самым распространенным жидким топливом для двигателей внутреннего сгорания является бензин — легкая жидкая фракция нефти, выкипающая при температуре до 200 °С. В настоящее время на производство бензина расходуется около 30% всей добываемой нефти, а в некоторых странах — 50%. Основную часть бензина получают при переработке нефти (прямая перегонка, термический и каталитический крекинг) или нефтяных газов. Очень небольшое количество вырабатывают из смол твердых видов топлива (сланцы, каменный уголь).
В СССР выпускаются автомобильные бензины марок А-66, А-72, А-76, АИ-93, АИ-98 и авиационные бензины Б-70, Б-91/115, Б-95/130, Б-100/130. Марка бензина, его сорт и основные физико-химические свойства указываются нефтебазой в паспорте. От этих показателей зависит не только расход топлива, но и надежность работы двигателя.
Бензин должен обладать хорошими карбюрационными свойствами, высокой детонационной стойкостью, не вызывать смоло- и нагарообразование на деталях двигателя, сохранять при длительном хранении высокие стабильные свойства, иметь высокие антикоррозионные качества.
Автомобильные бензины, кроме АИ-98, выпускаются двух сортов: летние и зимние. Летние предназначены для эксплуатации в период с 1 апреля по 1 октября во всех климатических зонах страны, за исключением северных и северо-восточных районов. (В этих районах круглый год применяются зимние бензины, а в южных — летние.)
Фракционный состав
Образование горючей смеси зависит главным образом от испаряемости топлива и упругости его паров. Испаряемость бензина оценивается фракционным составом, который в пас-спорте указан температурами: начала кипения, выкипания 10, 50, 90% топлива и конца кипения. По своему составу бензин представляет сложную смесь углеводородов с различными температурами кипения (см. рис.).
В интервале температур от начала кипения до выкипания 10% бензина происходит испарение легких углеводородов — пусковая фракция, которая необходима только на период пуска и прогрева двигателя. Чем она ниже, тем лучше пусковые свойства. Но в дальнейшем, особенно летом при повышенной температуре, в топливном трубопроводе и бензонасосе образуются паровые пробки. Вместе с жидкостью через жиклер карбюратора поступает пар, в результате этого снижается коэффициент наполнения цилиндров, падает мощность, двигатель перегревается. Особенно часто это происходит при использовании зимних сортов бензина летом. В связи с этим количество легкоиспаряю-щихся углеводородов зависит от температуры начала кипения, она не должна быть ниже 35 °С.
В интервале температур от начала кипения до выкипания от 10 до 90% бензина происходит испарение углеводородов — рабочая фракция. Стандартом является 50%-ная точка на кривой. Чем она ниже, тем однороднее состав топлива и горючей смеси, устойчивее работа двигателя, быстрее его прогрев, лучше приемистость.
Тяжелые углеводороды (от 90% до конца кипения, хвостовая часть) испаряются не полностью. Чем меньше разница между этими точками, тем выше качество бензина, меньше его расход, нагарообразование и износ деталей цилиндро-поршневой группы. Тяжелые углеводороды остаются в капельно-жидком состоянии, проникают в картер двигателя, смывают смазочную пленку.
У бензинов основных марок конец кипения доведен до 180 °С, что позволило повысить экономичность двигателей (расход топлива уменьшился на 10%) и увеличить моторесурс (из-носы снизились вдвое). Дальнейшее уменьшение температуры конца кипения не дает эффекта.
Показателем наличия легких фракций в бензине является давление насыщенных паров. От фракционного состава и давления насыщенных паров зависят пусковые свойства, склонность к образованию паровых пробок в системе питания, приемистость, скорость прогрева, износ цилиндропоршневой группы и расход бензина.
Недавно появилось новое требование к качеству высокооктановых бензинов — равномерное распределение октановых чисел по фракциям. Это свойство имеет большое значение для обеспечения нормальной работы двигателя на переменных режимах.
При сгорании бензовоздушных смесей в двигателях химическая энергия топлива превращается в тепло, а затем в механическую энергию. От характера процесса сгорания зависят мощностные и экономические показатели двигателя, а также его долговечность.
Детонация
На некоторых режимах работы двигателя, связанных с большой нагрузкой (например, при разгоне автомобиля или выходе катера на глиссирование), может возникнуть детонация — взрывное сгорание бензовоздушной смеси, при этом скорость распространения фронта пламени достигает 1500—2000 м/с. В небольшом объеме камеры сгорания ударная детонационная волна многократно ударяется и отражается от ее стенок.
Внешние признаки детонации: появление в двигателе характерного звонкого металлического стука высоких тонов, вызванного отражениями ударных волн от стенок камер сгорания, резкое увеличение вибрации деталей двигателя, повышение дымности отработавших газов, перегрев двигателя.
Одной из причин детонации может быть слишком раннее зажигание — при уменьшении угла опережения зажигания она ослабевает или исчезает совсем. На детонацию влияет также состав горючей смеси. Излишнее обеднение смеси способствует появлению детонации. Однако главной причиной детонационного сгорания является неправильный выбор бензина — несоответствие детонационной стойкости топлива параметрам двигателя, особенно имеющего высокую степень сжатия.
Чрезмерно быстрое сгорание рабочей смеси увеличивает максимальное давление в цилиндре и приводит к жесткой работе двигателя. Возникающие в рабочей смеси ударные волны увеличивают теплоотдачу в стенки камеры сгорания и днище поршня и могут даже привести к их местным разрушениям. Пленка масла на стенках цилиндра сгорает и срывается ударной волной. Из-за детонации могут пригореть кольца, разрушиться подшипники, двигатель быстро изнашивается.
Как показали исследования, детонация влияет и на состав отработавших газов, они становятся темными или даже черными. Содержание окислов азота возрастает в 1,5—2 раза при небольшом снижении содержания окиси углерода и углеводородов, но в целом токсичность отработавших газов увеличивается.
Одним из важнейших свойств бензина является его антидетонационная стойкость, определяемая октановым числом (см. табл.).
Октановое число указывают в марке бензина. Например, в марке бензина А-76 цифра 76 означает октановое число: его устойчивость к детонации такая же, как у смеси, состоящей из 76% изооктана и 24% гептана.
Определение октанового числа обычно проводят двумя методами: моторным и исследовательским. Более распространен первый. Второй метод используют при испытаниях, которые проводят в режиме работы легкового автомобиля при его движении в условиях города. В этом случае к марке бензина добавляют букву «И». Например, бензин марки АИ-93 представляет собой автомобильный бензин с октановым числом не менее 93, определенным по исследовательскому методу.
По моторному методу октановое число бензина меньше, чем по исследовательскому. Например, октановое число бензина АИ-93 по моторному методу равно 85. Разница в значении октановых чисел называется чувствительностью и зависит от химического состава бензина.
Обычно октановое число бензинов повышают при помощи высокооктановых компонентов, антидетонаторов. Самый распространенный из них — тетраэтилсвинец (ТЭС). При сгорании в двигателе топлива с ТЭС тормозится образование перекисных соединений, уменьшается опасность возникновения детонации. ТЭС — это густая бесцветная ядовитая жидкость. Она может проникать в кровь человека через поры кожи, дыхательные пути и накапливаться в организме. Даже небольшие дозы ТЭС, попавшие в пищу, вызывают смертельные отравления, поэтому обращаться с этилированными бензинами надо очень осторожно.
В чистом виде ТЭС в топливо не вводят, а добавляют в виде этиловых жидкостей (ЭЖ), в состав которых входят хлористые и бромистые соединения. При их помощи накапливающиеся окислы свинца (около 10%) выводятся из камеры сгорания; 90% окиси свинца выносится из цилиндров двигателя с отработавшими газами.
Этилированные бензины в нашей стране окрашиваются в следующие цвета: А-76 — в желтый, АИ-93 — в оранжево-красный, АИ-98 — в синий. Этилированные бензины А-66 и А-72, выпускаемые по техническим условиям, окрашиваются, соответственно, в зеленый и розовый цвета.
Большим недостатком свинцовых антидетонаторов является высокая токсичность продуктов сгорания. По расчетам, в атмосферу ежегодно выбрасывается более 250 тыс. т свинца в виде аэрозоля. При большом скоплении автомобилей в крупных городах создается реальная угроза здоровью людей. Поэтому в Москве и Московской области, Ленинграде и ряде курортных районов запрещено использование этилированного бензина.
В связи с необходимостью защиты окружающей среды в последние годы наметилась общая тенденция к уменьшению применения свинцовых антидетонаторов. Например, в 1985 г. в Канаде потребление неэтилированного бензина должно быть доведено до 60%; в США выработка неэтилированного бензина должна увеличиться до 80%, при этом октановое число будет ограничено 93, что соответствует степени сжатия 8,8.
Были разработаны также антидетонаторы на основе соединений марганца, однако при их применении снижается срок эксплуатации двигателя. Антидетонаторы добавляют в малых количествах, например, в автомобильные бензины А-76 — не более 0,24 г Pb/кг; АИ-93 и АИ-98 — не более 0,5 г Pb/кг. В авиационных бензинах (кроме Б-70) содержание этиловой жидкости в 5—6 раз больше, чем в автомобильных.
При хранении этилированных бензинов их детонационная стойкость снижается в результате разложения ТЭС. Если в топливе есть вода, смолы, осадки и оно хранится при повышенной температуре, этот процесс ускоряется. При этом резко повышается образование нагара, который увеличивает фактическую степень сжатия, а значит, и требование к антидетонационным свойствам бензина, ухудшает теплоотвод из камеры сгорания.
Летом, когда через карбюратор поступает теплый воздух, склонность к детонации увеличивается. Влажный воздух, наоборот, уменьшает вероятность детонации, так как часть тепла затрачивается на испарение воды С При эксплуатации возможность детонации можно снизить уменьшением угла опережения зажигания — сокращается время на подготовку' горючей смеси к воспламенению. Увеличение частоты вращения также снижает склонность к детонации — сокращается время цикла. Главное же условие работы двигателя без детонации — бензин, правильно подобранный в соответствии со степенью сжатия.
Калильное зажигание
Под калильным зажиганием понимается самопроизвольное (неуправляемое) воспламенение рабочей смеси независимо от времени подачи искры или после выключения зажигания. Источниками воспламенения могут быть перегретые выпускные клапаны, свечи, кромки прокладок, тлеющие частички нагара и т. д. Калильное зажигание принципиально отличается от детонации, так как сгорание смеси протекает с нормальными скоростями.
С увеличением октановых чисел калильная стойкость товарных бензинов повышается. На калильную активность нагара влияет содержание в бензине ароматических углеводородов и зольных присадок. Продукты сгорания ТЭС, присутствующие в нагаре, снижают температуру воспламенения (затлевания) с 550—600 до 200—300 °С. Для повышения температуры применяют фосфорные присадки (например, трикрезилфосфат).
Смолообразование
Почти во всех марках бензина содержатся в растворенном состоянии смолистые и смолообразующие вещества, которые откладываются на днище поршня, в камере сгорания, поршневых канавках, забивают жиклеры. Эти вещества постоянно уплотняются и частично выгорают, образуя нагары. <В результате этого увеличивается износ деталей двигателя, снижается его мощность и экономичность. При содержании смолистых веществ в 2—3 раза выше нормы (по ГОСТ содержание смол регламентируется от 7 до 15 мг на 100 мл) моторесурс карбюраторного двигателя снижается на 20%,
При длительном хранении бензины изменяют свой химический состав: выделяются смолы и различные органические кислоты, которые частично растворены в жидкости, а частично выпадают в осадок. Скорость окисления непредельных углеводородов увеличивается с возрастанием температуры, особенно под действием солнечных лучей и при большой поверхности контакта бензина с воздухом. Если температура возрастет с 15—20 до 40—45 °С, то образование смол за месяц может увеличиться в 50 и более раз. При наличии в емкости воды, ржавчины, окалины, продуктов окисления и минеральных загрязнений химический состав бензина изменяется еще быстрее.
Кроме окисления, при длительном хранении в бензине могут происходить и другие сложные химические процессы: малостойкие углеводороды, соединяясь друг с другом, образуют нерастворимые в бензине высокомолекулярные соединения (полимеры), которые выпадают в виде осадков.
Склонность бензинов к смолообразованию характеризуется индукционным периодом, который определяет способность бензина сохранять неизменным свой состав при правильном хранении, транспортировке и применении. Для бензинов различных марок эта величина находится в пределах 450—900 мин, а для бензина со Знаком качества — 1200 мин.
Срок хранения бензина с индукционным периодом 900 мин в хорошо закрытых резервуарах, снабженных «дыхательным» клапаном, составляет: в северной и средней климатических зонах — до полутора лет, в южной — полгода. В подземных резервуарах, где средняя температура более стабильна и не проникает свет, бензин может храниться дольше. Особенно быстро ухудшаются качества бензина при хранении в бензобаках автомобилей и катеров. Те изменения, которые при хранении в хорошо оборудованных нефтехранилищах происходят за год, в бензобаках обнаруживаются уже через несколько недель. Этому способствуют недостаточная герметичность пробок, свободное проникновение кислорода воздуха через вентиляционные трубки, остатки смолистых веществ и воздействие различных цветных металлов, ускоряющее окисление.
Существенное влияние на накопление смол в бензине оказывает и степень заполнения емкости бензином. Например, если в автомобильном бензине, хранящемся полгода в полностью залитой бочке (93% заполнения), содержание смол увеличивается в 4 раза, то в бочке, заполненной наполовину, их содержание повышается в 12 раз.
Испарение легких углеводородов вызывает физические изменения в самих бензинах: повышается их плотность, ухудшаются пусковые качества, снижается октановое число. В этилированных бензинах испаряется бромистый этил. Все это сказывается на сроке службы двигателей.
В результате испарения легких фракций бензин теряет способность хорошо испаряться, и часть его в виде капель и пленок не сгорает. Несгоревшее топливо выбрасывается в выпускную трубу, попадает в картер, смывает смазку и увеличивает нагарообразование.
Норма на убыль автомобильных бензинов от испарения составляет 1,4—2,8% в зависимости от сорта. За год хранения из резервуара емкостью 50 м3 испаряется около 440 кг бензина, но фактические потери могут быть значительно больше. Например, если горловина закрыта неплотно, то из той же емкости только за один летний месяц испарится до 3000 кг бензина.
Известно, что окраска наружной поверхности емкостей в серебристый цвет уменьшает поглощение световой энергии и испарение бензина. Цвет внутренней поверхности емкости также влияет на интенсивность испарения. При окраске внутренней поверхности емкости в белый цвет потери бензина с испарением сокращаются на 32%.
При переливании бензина открытой струей из-за испарения и окисления его свойства резко ухудшаются. Бензин приобретает желтую, а при глубоком окислении — светло-коричневую окраски.
Бензин и коррозия
Углеводороды, из которых состоит бензин, не вызывают коррозию металлов и сплавов. Коррозионно агрессивными являются содержащиеся в бензине в небольших количествах минеральные кислоты, щелочи, органические кислоты, сернистые соединения и вода.
На коррозионный износ деталей двигателя — поршневые кольца, камеру сгорания, систему выпуска — существенное влияние оказывает количество сернистых соединений. Водяные пары соприкасаются с холодными поверхностями двигателя и конденсируются. Окислы серы, которые растворяются в воде, образуют серную и сернистую кислоты, которые очень агрессивны. Возрастает коррозионность топлива и при длительном хранении. Надо тщательно следить за тем, чтобы в топливо не попадала вода, которая вызывает сильную коррозию.
Вязкость, плотность и поверхностное натяжение
Вязкость бензина влияет на его расход через жиклеры карбюратора. Уменьшение вязкости, вызванное повышением температуры, увеличивает расход. От плотности топлива зависит работа поплавкового механизма карбюратора, поэтому в инструкциях по регулировке поплавкового механизма обычно указывается давление бензонасоса и плотность топлива.
Поверхностное натяжение бензинов в 3—3,5 раза ниже, чем у воды, и уменьшается с повышением температуры. Эта величина влияет на тонкость распыла бензина и определяет паросодержание горючей смеси.
Обледенение карбюратора
Впервые это явление было обнаружено в авиации, а в последние годы вследствие повышения качества бензина обледенение карбюраторов происходит на моторах мотолодок и катеров.
На обледенение карбюратора оказывают влияние: свойства бензина (количество легковыкипающих фракций, теплота испарения), конструктивные особенности карбюратора, барометрическое давление, температура и влажность воздуха. Образование льда па дроссельной заслонке и вокруг нее происходит в результате снижения температуры всасываемого воздуха и вымораживания в нем влаги. Снижение температуры смеси является следствием расхода тепла на испарение бензина. Уменьшение проходного сечения для воздуха при обледенении карбюратора вызывает неожиданные перебои в работе двигателя, а на некоторых режимах двигатель глохнет.
Обледенение карбюраторов наблюдалось при температуре от —1,1 °С до +15,6 °С и относительной влажности воздуха 90—100%. Наиболее сильное льдообразование в карбюраторах происходит при температуре +4,5°С и влажности воздуха 100%.
Обледенения карбюратора можно избежать, если подогревать воздух, поступающий в двигатель, обогревать карбюратор водой из системы охлаждения, добавлять в бензин антифризы, например, 0,5 бутилового эфира диэтиленгликоля или 2% изопропилового спирта.
Бензин на катере
К топливным системам катеров предъявляются специальные требования. Материал металлических бензобаков должен быть коррозионностойким. Стальные бензобаки должны быть оцинкованы. Бензобаки следует надежно закрепить во избежание их смещения от ходовой вибрации и качки. Бензин — подвижная жидкость, просачивающаяся даже через мельчайшие трещины, микротрещины и неплотности в сварных швах, поэтому чтобы легче было обнаружить течь, бензобаки рекомендуется окрашивать огнеупорной краской светлого тона.
Металлические бензобаки должны быть заземлены на корпус во избежание возникновения электрического потенциала.
Качество выклейки стеклопластиковых бензобаков, представляющих одно целое с корпусом, должно быть высоким (без пористости стенок), чтобы исключить возможность фильтрации бензина в корпусные конструкции.
Заливные горловины бензобаков следует вывести на палубу и установить так, чтобы при заправке топливо не попадало внутрь корпуса. Заливные горловины целесообразно снабжать фильтрующей сеткой. Пробки горловин должны быть изготовлены из латуни или бронзы.
Расходные топливные трубы бензобаков должны иметь разобщительные клапаны или краны, установленные непосредственно на бензобаках и имеющие дистанционный привод из другого помещения.
Воздушные трубки бензобаков следует вывести в борт или транец катера и расположить в таких местах, где они менее подвержены повреждениям при швартовках. Их открытые кольца должны иметь пламе-предохранительные сетки и козырьки, препятствующие попаданию воды в бензобак.
Применение мерительных стекол на бензобаках не разрешается. Можно использовать поплавковые датчики автомобильного типа.
На катерах бензопроводы изготовляются только из красно-медных отожженных труб. Соединения должны быть ниппельные без прок падок. Бензопроводы следует по возможности удалить от горячих частей двигателя и выпускной системы.
Вентиляционные и заливные трубы выполняются из красной меди или легких сплавов с соединениями из бензостойких резинотканевых шлангов. Арматура топливного трубопровода должна быть бронзовой или латунной.
На катерах, эксплуатируемых в санитарных зонах, необходимо применять неэтилированный бензин. Нельзя применять этилированный бензин в паяльных лампах, примусах, промывать им детали и использовать для других производственных и бытовых целей.
Не следует применять бензин, октановое число которого не соответствует степени сжатия двигателя. (Напомним: если октановое число бензина меньше требуемого, то неизбежна детонация, а вместе с ней перерасход топлива, повышенные износы, сокращение срока службы двигателя.) Применение высокооктановых бензинов в двигателях с меньшей степенью сжатия экономически невыгодно. Кроме того, октан-корректором не всегда можно установить требуемый угол опережения зажигания.
Для заправки бензобаков катеров следует применять только металлические канистры: при трении бензина о стенки полиэтиленовой канистры скапливается статическое электричество. Если поднести такую канистру к металлической заливной горловине бензобака, то между ними возможен электрический разряд в виде искры, способной воспламенить пары бензина.
После заправки катера топливом или стоянки в безветренную солнечную погоду перед запуском двигателя необходимо открывать крышку моторного отсека для проветривания во избежание образования в нем взрывоопасной концентрации паров бензина в смеси с воздухом — 6%.
При приготовлении топливной смеси для двухтактных подвесных моторов нужно строго соблюдать установленные заводом-изготовителем соотношения бензина и масла, а также их марки. Лишнее масло в топливной смеси затрудняет запуск двигателя из-за забрызгивания маслом свечей зажигания, вызывает перебои в работе двигателя в результате скопления масла в жиклерах и каналах карбюратора, увеличивает нагарообразование и дымность отработавших газов. При недостатке масла в смеси ускоряются износы подшипников и деталей цилиндро-поршневой группы.
Тара для приготовления топливной смеси должна быть совершенно чистой. Чтобы получить однородную смесь, рекомендуем следующий способ. Сначала в тару наливают половину порции бензина и полную порцию масла и перемешивают чистой металлической или деревянной лопаточкой. Потом доливают остальной бензин и снова перемешивают. Шланги не должны быть ветхими, все горловины должны плотно закрываться.
При эксплуатации всегда есть резервы для экономии топлива. Например, при неработающей свече расход увеличивается на 15—20%. При температуре охлаждающей жидкости 85—90° износ деталей двигателя будет наименьшим, соответственно будет наименьшим и расход топлива. При температуре охлаждающей жидкости 30—40 °С расход топлива увеличивается на 30—40%.
Проведение своевременного технического обслуживания двигателя, регламентных работ по нему не только продлевает срок его службы, но и способствует экономии топлива.
Примечания
1. Вопрос о влиянии воды на бензин был вкратце рассмотрен в «КЯ» №102.