топливо
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ТОПЛИВАХ
Развитие двигателей обусловливается, помимо других факторов, качеством существующих топлив. При проектировании двигателя обычно имеют в виду вполне определенное топливо, на котором двигатель будет работать в эксплуатации.
Влияние топлива на работу и условия эксплуатации двигателя зависит от ряда его свойств. Эти свойства можно разбить на следующие три группы:
1) свойства топлива, непосредственно влияющие на качество рабочего процесса: теплотворная способность, необходимое для сгорания количество воздуха, склонность к детонации, скорость распространения пламени и пр.;
2) свойства топлива, влияющие на образование свежей смеси при различных условиях работы двигателя; сюда относятся испаряемость топлива, скрытая теплота парообразования, вязкость и т. д.;
3) свойства топлива, влияющие на надежность и условия эксплуатации двигателя. К этой группе следует отнести свойства топлива, влияющие на коррозию металлов и нагарообразование, температуру замерзания, летучесть топлива, стабильность его при хранении и пр.
Топливо можно применять в двигателе лишь в том случае, если его свойства удовлетворяют вполне определенным требованиям, учитывающим как специфические особенности данного двигателя, так и общие условия эксплуатации. Современные двигатели предъявляют повышенные требования к топливу, что объясняется главным образом необходимостью иметь высокую мощность при минимальном весе конструкции и небольшом расходе топлива.
Наиболее употребительными топливами являются бензины прямой гонки. Эти бензины получаются в результате фракционной (дробной) перегонки нефти и представляют собой фракции с температурой начала кипения 40—50°С и конца кипения 170—180° С. Бензины представляют собой смесь нормальных и изомерных углеводородов, а именно: парафинов (предельных углеводородов), нафтенов и ароматиков, температуры кипения которых лежат в указанных выше пределах.
Применение бензинов прямой гонки имеет преимущество вследствие простоты и дешевизны их производства, высокой их стабильности при хранении и пр. Однако при простой перегонке нефти выход бензина составляет обычно не выше 25% от ее количества. Поэтому в настоящее время помимо прямой гонки применяются различные другие процессы обработки нефти, увеличивающие выход бензина. Из этих методов наиболее известны крекинг и гидрогенизация.
Крекинг-процесс был изобретен инж. В. Г. Шуховым в 1886— 1891 гг. Под этим процессом подразумеваются разнообразные изменения структуры молекул углеводородов, главным образом распад этих молекул, происходящий при высокой температуре (400—500° С) и повышенном давлении без доступа воздуха.
Крекинг парафиновых углеводородов дает наиболее благоприятные результаты для получения легких соединений. Поэтому крекинг-процессу обычно подвергаются отбензиненная нефть или какие-либо другие продукты, содержащие большое количество парафинов. Получающееся в результате крекинга легкое топливо называется крекинг-бензином.
В отличие от бензина прямой гонки крекинг-бензин содержит значительное количество непредельных углеводородов (главным образом олефинов). Непредельные углеводороды легко окисляются и полимеризуются с образованием смолистых соединений. Поэтому крекинг-бензины при хранении или при работе в двигателе легко осмоляются, причем выпадающие смолистые осадки могут нарушить правильную работу двигателя (отлагаясь в карбюраторах, на впускных клапанах и пр.).
Применение крекинга нефтепродуктов позволяет повысить выход бензина до 60% и более.
При гидрогенизации нефть нагревается в атмосфере водорода под очень высоким давлением (200 ат). Вследствие этого, как и при крекинге, происходит распад крупных молекул углеводородов (главным образом парафинов); однако образующиеся непредельные углеводороды (олефины) насыщаются водородом.
Гидрогенизация позволяет увеличить выход бензина до 85% при этом бензин гидрогенизации не содержит непредельных углеводородов (как крекинг-бензин), вследствие чего не обладает склонностью к смолообразованию.
Процессу крекинга подвергают не только нефть, но и тяжелые (с высокой температурой кипения) бензины или бензины, содержащие большое количество парафиновых углеводородов. Крекинг бензинов носит название риформинга. Риформинг позволяет значительно повысить качество бензинов, но получающиеся продукты (риформинг-бензины) содержат непредельные углеводороды, что делает их малостабильными из-за склонности к смолообразованию.
В результате крекинга тяжелых углеводородов как побочный продукт получаются крекинг-газы. Использование этих газов достигается путем их полимеризации, т. е. укрупнения их молекул, позволяющего получать из газообразных углеводородов жидкие продукты — полимерные бензины.
Обычно при полимеризации газы под давлением около 14 ат. подвергаются действию высокой температуры (около 200° С) в присутствии катализатора (фосфорной кислоты на шамоте, кизельгура и др.). Особенностью полимерного бензина являются его очень высокие антидетонационные свойства, благодаря которым он в основном используется как примесь к бензинам прямой гонки или крекинга.
Помимо бензинов, получаемых в результате переработки нефти, в сравнительно небольшом количестве применяется так называемый газовый бензин. Газовый бензин вырабатывается путем извлечения относительно более тяжелых углеводородов из нефтяного газа, т. е. из горючего газа, который обнаруживается в местах залегания нефти.
Смолообразование
Как уже отмечалось раньше, непредельные углеводороды обладают способностью изменять при хранении свой состав вследствие полимеризации (укрупнения) и окисления молекул. В результате появляются тяжелые клейкие соединения, называемые смолами, и другие продукты, окисления, как то: альдегиды, кислоты и т. п.
Непредельные углеводороды содержатся в значительном количестве лишь в крекинг-бензинах. Поэтому эти бензины мало стабильны и легко образуют смолы, что увеличивает нагарообразование и может вызывать осмоление клапанов и поршневых колец.
Малая стабильность крекинг-бензинов сильно затрудняет их применение в эксплуатации. Для увеличения стабильности этих топлив применяют антиокислители, так называемые ингибиторы, которые задерживают полимеризацию и окисление непредельных углеводородов. Антиокислители подмешиваются к топливу в весьма небольших количествах (0,1—0,2%); наибольшим распространением пользуются а-нафтол и очищенные древесные смолы.
Антидетонаторы
Антидетонаторами называются соединения, которые не могут служить топливом для двигателей, но резко снижают склонность бензина к детонации при их добавлении к нему в небольших количествах.
Экстралин является производным анилина и в отличие от последнего хорошо смешивается с бензином. Для получения значительного антидетонационного эффекта экстралин добавляется к топливу в количестве до 4—5%.
Ферроцен - самый распространенный в настоящее время, присутствует в топливе в виде «ржавого» порошка.
Высокооктановые компоненты
Высокооктановыми компонентами называются соединения, которые могут служить топливом для двигателя и обладают очень высокими антидетонационными качествами. Эти компоненты добавляются в значительных количествах (до 60% общего количества) к бензину, образуя топливную смесь.
Добавление высокооктановых компонентов к бензину сильно повышает антидетонационные качества смеси, что может быть использовано:
1) для применения низкооктановых топлив, антидетонационные качества которых недостаточны;
2) для получения топлива с высокими антидетонационными свойствами, поскольку даже лучшие бензины обладают октановым числом не выше 95—96;
В качестве высокооктановых компонентов к бензинам в количестве до 20% добавляются бензол, толуол и пиробензол. Кроме того, пользуются распространением следующие высокооктановые компоненты: технический изооктан, неогексан, изопентан, триптан, диизопропил, 2,3-диметилпентан, кумол.
Эти соединения, за исключением последнего, представляют собой изомерные формы парафиновых углеводородов. Они получаются главным образом синтетически из газообразных углеводородов.
Детонация
В некоторых случаях сгорание в двигателях может принимать взрывной характер. Наибольшей склонностью к подобному взрывному сгоранию обладает часть рабочей смеси, воспламеняющаяся в последнюю очередь.
Скорость распространения пламени при взрывном сгорании весьма велика и по существующим данным может превышать 2000 м/сек. Из-за громадной местной скорости выделения тепла связанное с ним повышение давления не успевает компенсироваться расширением сгорающей смеси. Поэтому при взрывном сгорании происходит резкое местное повышение давления и температуры до значительно больших величин, чем при нормальном сгорании. Подобное взрывное сгорание части рабочей смеси, сопровождаемое ненормально высоким местным повышением давления и температуры, называется детонацией.
Вследствие исключительной сложности происходящих при детонации процессов до настоящего времени не имеется общепризнанной теории, разъясняющей сущность и механизм возникновения детонации в двигателе. Наиболее вероятное объяснение этого явления сводится к следующему.
Окисление топлива может происходить и при низких давлении и температуре горючей смеси, хотя скорость этого процесса будет весьма небольшой. Поэтому в рабочей смеси, до ее воспламенения электрической искрой или распространяющимся фронтом пламени, развиваются «предпламенные» процессы, приводящие к появлению активных органических перекисей или гидроперекисей и зарождению реакционных цепей, это явление называется предварительной химической подготовкой смеси.
Как уже отмечалось выше, быстрота воспламенения смеси от источника с высокой температурой зависит не только от времени нагрева смеси, но и от скорости протекания химических реакций. Поскольку присутствие органических перекисей резко ускоряет дальнейшее протекание реакций окисления, при увеличении интенсивности химической подготовки быстрота воспламенения смеси возрастает.
В цилиндре двигателя предварительная химическая подготовка рабочей смеси получается неодинаковой, так как отдельные части смеси до их воспламенения подвергаются различному предварительному сжатию. Наиболее сильно сжимается часть смеси, сгорающая последней, в этой части смеси температура конца сжатия может доходить до 1000° и более, так что ее предварительная химическая подготовка может быть исключительно сильной.
Таким образом, практически возможны случаи, при которых предварительная химическая подготовка отдельных частей рабочей смеси будет настолько велика, что они окажутся способными самовоспламеняться даже при самом ничтожном дальнейшем повышении их давления и температуры. Причиной такого самовоспламенения может явиться элементарная волна сжатия, распространяющаяся по смеси от фронта пламени.
Относительно слабая детонация и представляет собой самовоспламенение отдельных, наиболее химически подготовленных частей смеси, в которых концентрация перекисей особенно велика. Благодаря большой скорости выделения тепла, при этом возникают ударные волны, которые движутся по смеси, отражаясь от стенок камеры сгорания.
Детонационные волны были впервые обнаружены и изучены при воспламенении горючих смесей в трубах. Так как вначале ненормальное взрывное сгорание в двигателе полностью отождествлялось с детонационным сгоранием в трубах, то оно и получило название детонации.
Таким образом, детонация в двигателе связана с самовоспламенением отдельных объемов сгорающей в последнюю очередь смеси, обусловленным интенсивной химической подготовкой ее под влиянием сжатия, как поршнем, так и распространяющимся фронтом пламени. В результате самовоспламенения появляются ударные волны, в которых могут происходить небольшие химические изменения смеси, связанные с выделением некоторого количества тепла. При достаточной интенсивности ударной волны она в результате соприкосновения со стенкой камеры сгорания может явиться источником появления детонационной волны, в которой происходит почти полное сгорание смеси. Если детонационная волна проходит по смеси, не содержащей достаточного количества энергии или слабо химически подготовленной, то она может выродиться в ударную волну. Следовательно, детонация в двигателях может проявляться в разнообразных формах, но во всех случаях она характеризуется самовоспламенением отдельных объемов смеси и появлением ударных волн.
Появление детонации сильно отражается на работе двигателя, вызывая следующие нежелательные последствия:
1) При соприкосновении детонационной и ударной волн со стенкой цилиндра возникает металлический стук (звон), вызванный вибрациями стенок; возможно также, что источником характерного для детонации стука является колебание самих газов.
2) Соприкосновение детонационных и ударных волн со стенками вызывает резкое увеличение теплоотдачи от газов. Поэтому детонация сопровождается сильным местным повышением температуры стенок камеры сгорания и поршня, что может повлечь прогорание или перегрев поршня, клапанов, электродов свечей и пр. Кроме того, возрастает потеря тепла в охлаждающую среду.
3) Сильное повышение температуры в волне приводит к диссоциации сгорающей смеси с выделением чистого углерода. Происходящее в дальнейшем резкое понижение температуры, связанное с падением давления при расширении газов, препятствует сгоранию выделившегося углерода, который в виде сажи выбрасывается из цилиндра при выхлопе. Поэтому детонация характеризуется также клубами черного дыма, неравномерно появляющегося в выхлопных газах.
4) Неполнота сгорания, связанная с выделением несгоревшего углерода приводит к понижению температуры выхлопных газов; кроме того, эта температура падает также и вследствие усиленной теплоотдачи в стенки.
5) Экономичность, а следовательно, и мощность двигателя несколько понижаются, так как ухудшается использование энергии топлива в результате неполноты сгорания и возрастания потерь тепла в стенки.
6) Воздействие детонационной и ударных волн на поршень вызывает появление ударной нагрузки на кривошипный механизм. Вследствие этого детонация часто приводит к механическим разрушениям отдельных деталей двигателя.
Таким образом, работа двигателя при детонации связана с резким уменьшением надежности всей конструкции, а также с некоторым падением мощности и экономичности. Поэтому длительная работа при детонации является в эксплуатации совершенно недопустимой.
Возможность возникновения детонации связана с существованием условий, при которых химическая подготовка смеси протекает достаточно интенсивно. Таким образом, все факторы, которые увеличивают продолжительность или скорость протекания реакций окисления в части смеси, сгорающей последней, будут способствовать появлению детонации. К этим факторам в первую очередь относится ускоряющее реакции повышение температуры и давления части смеси, сгорающей последней. Поэтому всякое изменение условий работы двигателя, связанное с повышением давления и температуры этой части смеси, может привести к возникновению детонации.
Так, например, при увеличении степени сжатия давление в конце сжатия растет, что приводит к повышению максимального давления при сгорании. В результате увеличивается предварительное сжатие сгорающей последней части смеси и склонность двигателя к детонации возрастает. Увеличение давления поступающего воздуха сопровождается почти пропорциональным повышением и максимального давления при сгорании, так что предварительное сжатие последней части смеси остается почти неизменным; однако более высокий общий уровень давлений также увеличивает возможность появления детонации. Повышение температуры поступающего воздуха сопровождается снижением максимального давления при сгорании, вследствие чего предварительное сжатие последней части сгорающей смеси становится меньше; однако при этом температура конца сжатия все-таки возрастает, что оказывает превалирующее влияние и в результате склонность двигателя к детонации увеличивается.
При уменьшении опережения зажигания максимальное давление сгорания понижается, причем оно достигается все более поздно по циклу. Если исходить из наивыгоднейшего опережения зажигания, то его уменьшение сначала вызывает сильное снижение склонности двигателя к детонации, поскольку максимальное давление быстро падает, а момент его получения не сильно смещается по циклу,однако при слишком позднем зажигании момент получения максимального давления сильно отодвигается по циклу, так что из-за увеличения продолжительности предварительного сжатия смеси склонность двигателя к детонации может начать увеличиваться.
Температура сгорающей последней части смеси зависит также от подогрева от стенок. Поэтому для снижения склонности двигателя к детонации избегают заканчивать процесс сгорания вблизи сильно нагретых поверхностей (например, грибка выхлопного клапана), что достигается соответствующим расположением электрических свечей.
Возможность детонации в сильной степени зависит от состава смеси. В зависимости от условий работы наибольшая склонность к детонации может появляться при коэффициенте избытка воздуха а == 0,75—0,95.
Основное влияние на детонацию оказывает химический состав топлива, так как различные углеводороды, которые могут содержаться в топливе, неодинаково склонны к детонационному сгоранию (вследствие разницы в механизме их окисления). Поэтому стойкость топлива в отношении детонации, или, как говорят, антидетонационные свойства топлива являются одной из важнейших его характеристик.
Так как работа с детонацией при эксплуатации двигателя недопустима, то условия работы двигателя и антидетонационные свойства топлива подбираются таким образом, чтобы процесс сгорания всегда протекал без появления детонации.
Развитие двигателей идет главным образом в направлении повышения давления наддува при сохранении достаточно высокой степени сжатия и таким образом связано с непрерывным усилением склонности двигателя к детонации, которого нельзя избежать изменением других условий протекания рабочего процесса. Поэтому основным средством избежания детонации является улучшение антидетонационных качеств применяемых топлив, которое идет параллельно с развитием самих двигателей.
Но как известно параллельные прямые не пересекаются!
Подготовлено по материалам М.М. Масленникова и М.С. Рапипорта
В редакции Н.Н. Ковалева и П.М. Лысенкова
27.06.2008г.