Класифікація українських та закордонних палив

Міністерство аграрної політики та продовольства України

 

Таврiйський державний агротехнологічний університет

 

 

 

1 Введение. Классификация  эксплуатационных материалов

1.1 Введение

 

Так как автомобильный транспорт  потребляет значительную часть жидкого  топлива, проблема экономии горюче-смазочных  материалов для этой отрасли является наиболее острой. В связи с повышением роли и значения ГСМ в экономике  страны, как фактора увеличения надёжности, долговечности и экономичности  работы техники, возникла потребность  иметь научную основу их применения. Это привело к появлению на стыке ряда научных дисциплин  новой прикладной отрасли науки, получившей название "химмотология" от слов "химия", "мотор" и "логос" (наука). Химмотология – это направление науки и техники, занимающееся изучением эксплуатационных свойств и качеств топлив, смазок и специальных жидкостей, теорией и практикой их рационального применения в технике.

Химмотологию сегодня рассматривают, как составную часть единой взаимосвязанной четырёхзвенной системы: конструирование и изготовление техники - разработка и производство ГСМ – эксплуатация техники – химмотология. С учётом эксплуатационных условий применения ГСМ на автомобильном транспорте эта система (двигатель – топливо – смазочное масло – эксплуатация) может быть охарактеризована следующей сложной взаимосвязью между её звеньями (рисунок 1.1).

 

Рисунок 1.1 – Химмотологическая четырёхзвенная система: топлива – смазочные материалы – двигатели - эксплуатация

Один из основных разделов химмотологии – это теория и практика применения ГСМ на автомобильном транспорте, что является основным содержанием данного курса.

 

1.2 Классификация эксплуатационных  материалов

 

Общая схема классификации эксплуатационных материалов, используемых на автомобильном транспорте представлена на рисунке 1.2.

 

Рисунок 1.2 – Классификация автомобильных  эксплуатационных материалов

 

В пределах каждой подгруппы существует свои классификационные структуры  в соответствии с которыми каждый вид делится на группы и подгруппы в зависимости от уровня потребительских свойств и предполагаемой области применения.

 

 

 

 

 

2. Автомобильные бензины

 

2.1 Сгорание  топлива в двигателе

 

Под "сгоранием" применительно  к автомобильным двигателям понимают быструю реакцию взаимодействия углеводородов и содержащихся в  топливе соединений с кислородом воздуха, сопровождающуюся свечением  и выделением значительного количества тепла.

На процесс сгорания в значительной степени влияет количество подаваемого  воздуха.

Количество воздуха L₀ в горючей смеси, теоретически необходимое для полного сгорания 1 кг топлива, называют стехиометрическим. Отношение действительного количества L воздуха к стехиометрическому называют коэффициентом избытка воздуха a.

 

a = L / L₀, (2.1)

 

Как недостаток (a<1, богатая смесь), так и избыток (a>1, бедная смесь) воздуха приводит к уменьшению скорости горения и снижению эффективности тепловых процессов. Обогащение топливо-воздушной смеси, помимо этого, приводит к повышению токсичности отработавших газов двигателя.

Одной из важнейших характеристик  топлива является теплота его  сгорания. Теплота сгорания (теплотворность, теплотворная способность) – количество тепла, которое выделяется при полном сгорании единицы массы или объёма топлива.

Различают высшую и низшую теплоту  сгорания. За высшую теплоту сгорания Н_В принимают всё тепло, выделившееся при сгорании 1 кг топлива, включая количество тепла, которое выделяется при конденсации паров воды. При определении низшей теплоты сгорания Н_Н тепло, выделяющееся при конденсации паров воды из продуктов сгорания, не учитывается. Оценивая теплоту сгорания топлива, обычно пользуются значениями низшей теплоты сгорания.

Теплота сгорания топлива влияет на топливную экономичность: чем она  выше, тем меньше топлива содержится в 1 м³ смеси, так как с увеличением теплоты сгорания топлива возрастает количество воздуха, теоретически необходимого для его полного сгорания.

Структуру процесса сгорания топлива  можно представить, как две фазы (рисунок 2.1): образование очага горения (участок а) и образование пламени (участок б). Первая фаза – период скрытого сгорания или период задержки воспламенения характеризуется  более интенсивной подготовкой  рабочей смеси к сгоранию, чем  в период сжатия.

Вторая фаза – непосредственное сгорание (сопровождается более быстрым, чем при чистом сжатии, повышением давления) продолжается до максимального  подъёма давления и обычно заканчивается  спустя несколько градусов после  верхней мёртвой точки.

Скорость сгорания при нормальном развитии процесса зависит от следующих  основных факторов:

• химического состава топлива;
• количества топлива;
• соотношения количества топлива и воздуха;
• количества остаточных газов в цилиндре;
• температуры рабочей смеси в момент подачи искры;
• давления рабочей смеси в момент подачи искры;
• конструкции камеры сгорания;
• степени сжатия;
• частоты вращения коленчатого вала.

При нормальном сгорании процесс проходит плавно с почти полным протеканием  реакций окисления топлива и  средней скоростью распространения  пламени 10 – 40 м/с.

 

Рисунок 2.1 – Диаграмма процесса сгорания в двигателе с зажиганием от искры

 

Когда скорость распространения пламени  резко возрастает (почти в 100 раз) и достигает 1500 – 2000 м/с, возникает  детонационное сгорание, характеризующееся  неравномерным протеканием процесса, скачкообразным изменением скорости пламени  и возникновением ударной волны.

Согласно перекисной теории (она  в настоящее время общепризнанна), при детонации образуются первичные продукты окисления топлива – органические перекиси.

При присоединении молекулы кислорода  к углеводородам по С – С связи образуется перекись, по С – Н связи – гидроперекись. Перекиси, образующиеся в процессе предварительного окисления, накапливаясь в несгоревшей части рабочей смеси, распадаются (по достижении критической концентрации) со взрывом и выделением большого количества тепла.

Детонация приводит к потере мощности двигателя, его перегреву, прогару  поршней, клапанов и поршневых колец, нарушению изоляции свечей, растрескиванию вкладышей шатунных подшипников, повышению  токсичности отработавших газов.

Когда детонирует около 5 % смеси, появляются внешние признаки детонации. Если детонирует 10 – 12 % смеси, наблюдается детонация  средней интенсивности. Очень сильная  детонация характерна для 18 – 20 % детонирующей смеси 

 

2.2 Эксплуатационные  требования к автомобильным бензинам

 

Топлива для карбюраторных двигателей должны иметь такие физико-химические свойства, которые обеспечивали бы:

• нормальное и полное сгорание полученной смеси в двигателе (без возникновения детонации);
• образование топливовоздушной смеси требуемого состава;
• бесперебойную подачу бензина в систему питания двигателя;
• отсутствие коррозии и коррозионных износов деталей двигателя;
• возможно меньшее образование отложений во впускном трубопроводе, камерах сгорания и других местах двигателя;
• сохранение качеств при хранении, перекачках и транспортировке.

 

2.3 Свойства  автомобильных бензинов

 

2.3.1 Карбюрационные  свойства

Плотность. Под плотностью понимают массу вещества, отнесённую к единице его объёма. Плотность бензина (как и его вязкость) влияет на расход топлива через калиброванные отверстия жиклёров карбюратора. Уровень бензина в поплавковой камере также зависит от плотности. Для автомобильных бензинов плотность при 20 ⁰С должна находиться в пределах от 690 до 750 кг/м³.

Плотность топлива определяется ареометром, гидростатическими весами и пикнометром.

Плотность бензина с понижением температуры на каждые 10 ⁰С возрастает примерно на 1 %. Зная температуру при которой была определена плотность можно привести её к стандартной температуре (+20 ⁰С):

 

r₂₀ = r_t + g (t – 20), (2.2)

 

где: r_t – плотность испытуемого продукта при температуре испытаний, кг/м³;

 t – температура испытания, ⁰С;

 g - температурная поправка плотности (определяется по расчётной таблице, находится в пределах от 0,515 до 0,910 кг/м³).

 Вязкость (внутреннее трение) – свойство жидкостей, характеризующее сопротивление действию внешних сил, вызывающих их течение.

Величина вязкости может быть выражена в абсолютных единицах динамической, кинематической вязкости или в условных единицах.

В системе СИ за единицу динамической вязкости h принята вязкость такой жидкости, которая оказывает сопротивление 1Н взаимному сдвигу двух слоёв жидкости площадью 1 м², находящихся на расстоянии 1 м один от другого и перемещающихся с относительной скоростью 1 м/с.

Единица измерения динамической вязкости [кг/(м_*с)].

Кинематическая вязкость – это  динамическая вязкость, разделённая  на плотность жидкости, определённой при той же температуре.

 

n_t = h_t /r_t. (2.3)

 

За единицу кинематической вязкости в СИ принят квадратный метр в секунду [м²/с]. Наиболее часто используется мм²/с.

Условной вязкостью называется вязкость, выраженная в условных единицах, получаемых на различных вискозиметрах. Пересчёт условной вязкости (⁰ВУ_t) (градусов Энглера ⁰Е_t) в кинематическую производится по следующей формуле:

n_t = 0,07319 ⁰ВУ_t – 0,631 / ⁰ВУ_t. (2.4)

Вязкость оказывает превалирующее  влияние на весовое количество топлива, протекающее через жиклёр в единицу  времени. Снижение температуры вызывает увеличение вязкости бензина, а это  вызывает снижение его расхода. Расход бензина через жиклёр при изменении температуры от 40 до – 40 ⁰С снижается на 20 – 30 %.

Поверхностное натяжение – характеризуется работой, необходимой для образования 1 м² поверхности жидкости (т.е. для перемещения молекул жидкости из её объёма в поверхностный слой площадью в 1 м²) и выражается в Н/м. Поверхностное натяжение, наряду с вязкостью, влияет на степень распыливания бензина. Чем меньше его величина, тем меньших размеров получаются капли. Поверхностное натяжение всех автомобильных бензинов одинаково и при +20 ⁰С равно 20 – 24 мН/м (в 3,5 раза меньше чем у воды).

Испаряемость. Под испаряемостью топлива понимают его способность переходить из жидкого состояния в парообразное.

Испарение топлива является необходимым  условием его сгорания, так как  смешивается с воздухом и воспламеняется только паровая фаза. Автомобильные  бензины должны обладать такой испаряемостью, чтобы обеспечивать лёгкий пуск двигателя, его быстрый прогрев и полное сгорание бензина после этого, а  также исключить образование  паровых пробок в топливной системе.

 Практически испаряемость топлив  для двигателей оценивают, определяя  их фракционный состав методом  разгонки на стандартном аппарате (для бензинов измеряют ещё  и давление насыщенных паров). Бензин, представляя собой смесь  углеводородов, не имеет фиксированной  температуры кипения: он испаряется  в интервале температуры 35 –  195 ⁰С.

При разгонке фиксируют следующие  характерные температурные точки: температура начала кипения, температуры  выкипания 10 % (t₁₀), 50 % (t₅₀), 90 % (t₉₀) топлива и температуру конца кипения. Характерные температурные точки приводят в стандартах и паспортах качества.

Содержание лёгких фракций в  топливе характеризуется температурой выкипания 10 %. Эти фракции определяют пусковые свойства топлива, чем ниже температура выкипания 10 % топлива, тем они лучше. Для зимнего топлива t₁₀ должна быть не выше 55 ⁰С. Но при использовании зимнего вида бензина в летний период возможно образование паровых пробок в топливоподающей системе.

Качества горючей смеси при  разных режимах работы двигателя, продолжительность  прогрева, приёмистость зависят от испаряемости рабочей фракции, которая  по стандарту нормируется 50 % - ной  точкой. Чем ниже температура этой точки, тем однороднее состав рабочей  смеси по отдельным цилиндрам, тем  устойчивее работает двигатель, улучшается его приёмистость.

Температура выкипания 90 % топлива характеризует его склонность к конденсации. Склонность топлива к конденсации тем меньше, чем меньше интервал от t₉₀ до температуры конца кипения, когда испаряются тяжёлые углеводороды. Поскольку тяжёлые углеводороды испаряются не полностью, то, оставаясь в капельно-жидком состоянии, они могут проникать через зазоры между цилиндром и поршневыми кольцами в картер двигателя, что приводит к смыванию смазочной плёнки, увеличению износа деталей, разжижению масла, увеличению расхода топлива.

Давление  насыщенных паров. Давление паров испаряющегося бензина на стенки герметичной ёмкости называют давлением (упругостью) насыщенных паров. Давление насыщенных паров возрастает с при повышении температуры.