Учебное пособие. Тортбаева Д Уч пособие. Учебное пособие для студентов специальностей 5В071300 Транспорт, транспортная техника и технологии
 Скачать 4.3 Mb.
|
|
— области возможного образования паровых пробок; 2 и 5 — области возможного пуска холодного двигателя; 3 и 6 — области невозможного пуска холодного двигателя Чем больше в бензине легких фракций, тем выше давление его насыщенных паров и тем лучше его пусковые свойства. Однако с повышением давления насыщенных паров бензина возрастает склонность к образованию им паровых пробок и увеличиваются потери от испарения его при хранении на складах и в топливных баках. Поэтому в стандартах на бензины ограничивается верхний предел давления паров: для авиационных бензинов до 360 мм рт. ст., а для автомобильных до 500 мм рт.ст. летом и от 500 до 700 мм рт.ст. зимой. Пусковые свойства автомобильных бензинов и возможность образования паровых пробок при их применении можно также оценить по температуре начала разгонки и давлению насыщенных паров, используя для этой цели графики (рис. 11) 2.6 Нормальное и детонационное сгорание рабочей смеси в двигателе с воспламенением от искры Топливовоздушная смесь, имеющая определенную концентрацию паров бензина, тщательно перемешанных с воздухом, в конце хода сжатия воспламеняется в камере сгорания от искры, проскакивающей между электродами свечи. Сгорание смеси называется нормальным, если она полностью сгорает при средних скоростях распространения фронта пламени, укладывающихся в пределы от 15 до 30 м/с. В этом случае двигатель работает устойчиво, экономично и при желании с него может быть снята расчетная максимальная мощность. Однако нормально работающий двигатель при изменении условии (повышение температуры воздуха, переход на другую марку бензина и т. д.) иногда начинает работать ненормально, как в таких случаях говорят, с детонацией. Детонацией называется ненормальная работа двигателя с воспламенением от искры, вызванная взрывным детонационным сгоранием части горючей смеси и сопровождающаяся резкими металлическими стуками, дымным выхлопом, падением мощности, перегревом двигателя и другими вредными последствиями вплоть до механического повреждения отдельных деталей двигателя. В результате проведенных исследований было установлено, что при работе двигателя с детонацией большая часть смеси горит нормально и только на конечном этапе горения скорость распространения фронта пламени практически мгновенно возрастает с 15—30 м/с до 1500—2500 м/с. Сгорание со скоростями 1500— 2500 м/с называется детонационным. Переход от нормального сгорания к детонационному связывают с окислением углеводородов, поступающих в цилиндры двигателей, и образованием из них еще до сгорания органических перекисей. Детонация наступает в тех случаях, когда концентрация перекисей в несгоревшей порции топливовоздушной смеси достигает критической величины. Для подавления детонации при эксплуатации двигателей автомобилей можно использовать уменьшение опережения зажигания, прикрытие дросселя и увеличение скорости вращения коленчатого вала. Последний прием может быть выполнен включением низшей передачи. Чтобы сохранить на новой передаче прежнюю скорость движения автомобиля, надо увеличить частоту вращения коленчатого вала двигателя пропорционально осуществленному повышению передаточного числа в коробке передач. При переходе на более высокую частоту вращения коленчатого вала детонация ослабляется или вовсе исчезает потому, что время пребывания каждой порции рабочей смеси в двигателе вообще и в том числе при высокой температуре уменьшается. Каждый из трех названных факторов в отдельности, а тем более в сочетании друг с другом является достаточно эффективным средством борьбы с детонацией. Однако прибегать к их использованию следует лишь в случаях крайней нужды и к тому же кратковременно, так как при этом либо снижается мощность, либо ухудшается экономичность, либо одновременно появляется и то и другое. Только подбором для каждой марки двигателя соответствующего по детонационной стойкости бензина можно обеспечить бездетонационную работу без потери мощности и ухудшения экономичности. Кроме детонационного сгорания, причиной ненормальной работы двигателей с воспламенением от искры может быть еще возникновение калильного зажигания. Калильным зажиганием принято называть неуправляемое воспламенение топливовоздушной смеси от чрезмерно нагретых деталей камеры сгорания и от раскаленныхчастиц нагара.Самопроизвольное появление, кроме основного фронта пламени (от искры), одного или нескольких дополнительных (от перегретых деталей), приводит к значительному сокращению времени горения смеси, резкому нарастанию давления и, следовательно, к ударному воздействию на поршень. В результате получается повышенный износ деталей, а при интенсивном калильном зажигании наступает повреждение поршней, колец, вкладышей, шатунов и даже коленчатого вала. Меры по предотвращению калильного зажигания заключаются в улучшении конструкции камеры сгорания, использовании моторного масла, соответствующего типу двигателя, введении в бензины специальных присадок. 2.7 Методы оценки детонационной стойкости бензинов Детонационной стойкостью (антидетонационными свойствами или качествами) бензинов называется способность их обеспечивать работу двигателей без детонации. Детонационная стойкость определяется сопоставлением данного бензина с эталонными топливами на специальных одноцилиндровых двигателях серии ИТ9. В качестве эталонных топлив используются два индивидуальных углеводорода высокой степени чистоты: изооктан C8H18 и нормальный гептан C7H16. Детонационная стойкость первого условно принята за 100 ед., а второго — за 0 ед. Смешивая эталоны друг с другом в различных соотношениях, можно получить смеси с детонационной стойкостью от 0 до 100. В соответствии со сказанным, детонационная стойкость смеси, состоящей из 70% изооктана и 30% гептана, численно будет равна содержанию в ней изооктана, т. е. 70 ед., или, как принято говорить, смесь имеет октановое число, равное 70. Определение детонационной стойкости данного бензина в принципе сводится к нахождению такого состава смеси изооктана и гептана, при котором эта смесь и испытуемый бензин в стандартных условиях испытания на одном из двигателей ИТ9 должны давать одинаковую интенсивность детонации. Идентичное поведение данного топлива и найденной смеси эталонов в одинаковых условиях, на одном и том же двигателе свидетельствует о том, что они обладают равной детонационной стойкостью. На этом основании детонационную стойкость испытуемого бензина выражают октановым числом эквивалентной смеси эталонных топлив. Например, при испытании смесь из 70% изооктана и 30% гептана детонировала в сопоставимых условиях с той же интенсивностью как и данный бензин. Октановое число смеси названного состава, как указывалось выше, составляет 70, а следовательно, и детонационная стойкость данного бензина, выраженная октановым числом, равна 70. Таким образом, октановым числом называется условный показатель детонационной стойкости бензина, равный процентному содержанию изооктана в такой смеси с гептаном, которая эквивалентна по детонационной стойкости испытуемому бензину. Требование к бензинам в отношении их детонационной стойкости можно выразить так: для каждого двигателя должен применяться бензин с определенным октановым числом. Очевидно, использование бензина с октановым числом ниже, чем это требуется для данного двигателя, вызовет детонацию со всеми сопровождающими ее вредными последствиями. Применение же бензина с повышенным сравнительно с требующимся октановым числом при одинаковых других свойствах не ухудшит и не улучшит работы двигателя, но обязательно увеличит эксплуатационные расходы, так как высокооктановые топлива всегда дороже низкооктановых. Октановые числа автомобильных бензинов определяют по двум методам: по исследовательскому и моторному. Оба эти метода стандартизированы, причем для первого предназначен двигатель марки ИТ9-2, а для второго марки ИТ9-6. Определение октанового числа по моторному методу ведется при 900 об/мин, и подогреве рабочей смеси до 150° С, а по исследовательскому — при 600 об/мин, но без какого-либо ее подогрева. По остальным показателям регулировки двигателей ИТ9-2 и ИТ9-6 полностью совпадают. В целом условия испытания по исследовательскому методу оказываются более легкими, чем по моторному, а поэтому и октановое число бензина, определенное по первому методу (ОЧИМ), оказывается выше, чем по второму (ОЧММ). Например, у бензина марки АИ-93 должно быть ОЧИМ не менее 93, а ОЧММ не менее 85, т. е. допускается разница между ОЧИМ и ОЧММ до 8 ед. Зарубежные стандарты на методы испытаний нефтепродуктов: ASTM D 2700-94 Метод определения детонационных характеристик моторных топлив (моторный метод); ASTM D 2699-94 Метод определения детонационных характеристик моторных топлив исследовательским методом. 2.8 Методы повышения октанового числа бензинов Большая часть бензинов, получаемых перегонкой нефти и крекингом, не обладает необходимыми октановыми числами, обеспечивающими бездетонационную работу современных автомобильных двигателей. В связи с этим возникает необходимость в применении специальных методов облагораживания, благодаря которым достигается требующаяся для современных бензинов детонационная стойкость. Повышение октанового числабензинов в основном достигается двумя способами, а именно воздействием на их химический состав и введением в них специальных присадок — антидетонаторв. Первый способ основан на учете зависимости детонационной стойкости углеводородов от их химической природы. Если сравнить между собой углеводороды с одинаковым числом углеродных атомов, то по признаку повышения октанового числа основные гомологические ряды расположатся в следующем порядке: нормальные парафины→нефтены→изопарафины→ароматические. Следовательно, увеличивая в бензине содержание ароматических углеводородов и изопарафинов, можно значительно повысить его октановое число. Практически это осуществляется при каталитическом крекинге и риформинге, а также за счет добавки к бензинам высокооктановых компонентов, синтезированных из газообразных углеводородов. Таким образом повышение детонационной стойкости бензинов достигается: применением высокооктановых продуктов вторичных процессов, а именно каталитического риформинга и крекинга, алкилирования, изомеризации; применением высокооктановых добавок на основе ароматических аминов (монометиланилин, экстралин) и высокооктановых синтетических кислородсодержащих соединений типа МТБЭ, этанола. Бензиновые фракции вторичных процессов и высокооктановые компоненты широко применяют для получения товарных бензинов. Некоторые из них не удовлетворяют экологическим требованиям, например бензин каталитического риформинга жесткого режима содержит до 70 % аренов, повышающих склонность бензина к нагарообразованию в камере сгорания. Для снижения содержания СО и углеводородов в отработавших газах, повышения ОЧ применяют МТБЭ — малотоксичное вещество с температурой кипения 55оС, ОЧ смешения 115... 135 по исследовательскому, 98... 110 по моторному методу. Недостатки МТБЭ: относительно низкая теплота сгорания (35,2 против 43 МДж/кг у бензина), растворимость в воде (до 5 мас. %) и повышенная эмульгирующая способность. Марганцевые антидетонаторы (МА) циклопентадиенил-трикарбонилмарганец (ЦТМ) и его метильное производное являются наиболее эффективными. Они в 300 раз менее токсичны чем ТЭС. В присутствии МА увеличивается полнота сгорания бензинов и снижается токсичность отработавших газов, однако образующийся нагар вызывает перебои в работе свечей зажигания. 2.9 Стабильность бензинов Физическая стабильность. Требование в отношении стабильности бензинов имеет целью сохранение их первоначальных качеств на возможно более длительный срок в условиях транспортирования, хранения и применения. Наиболее глубокие изменения свойств бензина могут произойти от двух физических процессов — нарушения его однородности вследствие выпадения кристаллов высокоплавких углеводородов и испарения легких фракций. Кристаллизация углеводородов из автомобильных бензинов происходит при очень низких температурах (ниже —60°С), поэтому при эксплуатации автомобилей даже в суровых зимних условиях не нарушается работа двигателей и систем их питания. При транспортировании и хранении бензина, при заправке автомобилей и всевозможных складских операциях происходит испарение легких фракций. В результате уменьшается количество бензина и одновременно ухудшаются его качества, в первую очередь пусковые свойства. Потери бензина от естественного испарения заметно сказываются на начальных точках разгонки, октановом числе и особенно сильно на давлении насыщенных паров, которое от испарения 3—4% бензина может снизиться в 2—2,5 раза. Из этого примера видно, что давление насыщенных паров является чувствительным показателем физической стабильности бензинов. Потери от испарения при транспортировании и хранении тем больше, чем выше давление паров, и, казалось бы, по этим соображениям надо стремиться его уменьшать, но при этом будут ухудшаться пусковые свойства бензинов. Поэтому давление насыщенных паров в стандарте устанавливается из расчета, с одной стороны, обеспечения легкого пуска двигателя, а с другой — невозможности образования паровых пробок в системе питания. Следовательно, с завода бензин выпускается с определенным (оптимальным) давлением паров, которое незначительно снизится, если во время транспортирования и хранения будут созданы условия, исключающие большие потери легких фракций. Эти условия общеизвестны — бензины должны храниться в герметичной таре по возможности при низкой и малоизменяющейся температуре, лучше всего в подземных хранилищах. Химическая стабильность. Изменение свойств бензина может произойти от химических превращений его компонентов и в первую очередь, от окисления непредельных углеводородов.Eще указывалось, что бензины термического и каталитического крекингов содержат значительные количества олефинов, способных во время транспортирования и хранения превращаться вследствие окисления в нафтеновые кислоты и смолы (рис. 14). В результате свежеприготовленные бесцветные крекинг-бензины со временем повышают кислотность и окрашиваются сначала в желтый, а в дальнейшем даже в светло-коричневый цвет. Одновременно на стенках тары, в которой они хранятся, откладывается слой смолистых веществ.  |