Топлива и их свойства.

В действительном цикле двигателя происходят физико-хими­ческие превращения рабочего тела. В цилиндр двигателя поступает свежий заряд — воздух или топливовоздушная смесь. Затем свежий заряд смешивается с оставшимися в камере сгорания остаточны­ми газами, образуя рабочую смесь. В процессе сгорания при выделе­нии теплоты рабочая смесь превращается в отработавшие газы (ОГ). Окислителем при горении топлива является кислород ат­мосферного воздуха. В качестве жидкого топлива для двигателя ис­пользуют продукты переработки нефти — бензин и дизельное топ­ливо, представляющие собой смеси различных углеводородов. Могут применяться и другие виды топлива — сжатый и сжижен­ный газы; синтетические топлива, получаемые переработкой угля, сланцев, битуминозных песков; спирты; эфиры и др.

К топливам предъявляют следующие требования:

- максималь­ное содержание химической энергии в единице объема и полнота выделения теплоты;

- минимальное образование токсичных про­дуктов;

- надежная подача топлива и высококачественное смесеоб­разование в широком диапазоне изменения внешних условий, на всех режимах работы двигателя, включая пуск;

- минимальная склон­ность к образованию нагара и коррозионно-агрессивных продук­тов сгорания; высокая термическая стабильность и хорошие мою­щие свойства;

- стабильность свойств при хранении и транспорти­ровании;

- отсутствие механических примесей и воды;

- возможно малая пожароопасность;

- приемлемая стоимость.

Свойства топлив делятся на физико-химические и эксплуата­ционные. Физико-химические свойства характеризуют состояние и состав топлива: плотность, поверхностное натяжение, вязкость, фрак­ционный и химический состав.

Эксплуатационные свойства отражают необходимые энергети­ческие, экономические и экологические показатели двигателей и надежность их работы (воспламеняемость, испаряемость, антиде­тонационные свойства, пусковые и низкотемпературные качества). Бензины для автомобильных двигателей представляют собой смеси углеводородов, которые выкипают в диапазоне температур 40...200 °С. В Российской Федерации производят бензины марок А-76, АИ-93, АИ-95, АИ-98, а также бензины с улучшенными экологическими свойствами. Цифры в марке бензина характери­зуют его антидетонационные свойства, которые оценивают окта­новым числом (0Ч). Оно численно равно процентному содержанию в смеси изооктана с 0Ч = 100 и гептана с ОЧ = 0, которая имеет такую же детонационную стойкость, как и испытуемый бензин. Октановое число оценивают по моторному методу в единицах ОЧМ и по исследовательскому методу в единицах ОЧИ. ОЧИ > ОЧМ на 8…12 единиц. Эту разницу называют чувствительностьюбензина к октановому числу.

Наименьшей детонационной стойкостью обладают парафины, наибольшей — ароматические углеводороды. Октановое число бен­зина повышают добавкой в него низкокипящих высокооктановых углеродов или кислородосодержащих веществ — метилового спир­та, метилтетрабутилового эфира и других антидетонационных при­садок (тетраэтилсвинца и тетраметилсвинца, а также металлокарбонатов, алкилгалогенидов). Применение присадок на основе свин­ца ограничено в эксплуатации из-за их токсичности. При увеличе­нии степени сжатия и диаметра цилиндра необходимо использо­вать топливо с большим октановым числом.

Испаряемость бензинов определяется их фракционным соста­вом и давлением насыщенных паров. Испаряемость влияет на пус­ковые свойства двигателя при низких температурах, на склон­ность к образованию паровых пробок в системе питания при вы­соких температурах, а также на приемистость двигателя.

Прокачиваемость, склонность к образованию отложений, кор­розионная активность являются важными эксплуатационными свойствами бензинов.

Дизельные топлива для автомобильных и тракторных дизелей производят из гидроочищенных фракций прямой перегонки не­фти.

В Российской Федерации производят дизельное топливо, пред­назначенное для использования при различных температурах окружающего воздуха: Л (летнее) — О °С и выше, З (зимнее) — минус 20 °С и выше; А (арктическое) — минус 50 °С и выше.

Важными эксплуатационными качествами дизельного топлива являются испаряемость, воспламеняемость, низкотемпературные свойства.

Испаряемость дизельного топлива зависит от фракционного состава, плотности и вязкости.

Воспламеняемость дизельных топлив оценивают цетановым чис­лом (ЦЧ). Его определяют по объемному содержанию цетана (ЦЧ= 100) в смеси с

а-метилнафталином (ЦЧ = 0), которая при испытании на одноцилиндровой установке имеет одинаковую вос­пламеняемость с исследуемым топливом. Для быстроходных дизелей ЦЧ = 45. Пусковые свойства дизеля улучшаются при повышении ЦЧ.

Приближенная связь между ОЧ и ЦЧ выражается зависимос­тью: ЦЧ = 60 - ОЧ/2. Таким образом, топливо, обладающее высо­ким ЦЧ (хорошей воспламеняемостью), имеют малое ОЧ (низ­кую детонационную стойкость). При снижении температуры до определенных значений дизель­ное топливо мутнеет, из него начинают выпадать кристаллы углеводородов. При дальнейшем понижении температуры дизельное топливо теряет способность проходить через фильтр с необходи­мой скоростью. Далее оно застывает. Для улучшения низкотемпе­ратурных свойств дизельное топливо очищают от парафиновых углеводородов и обогащают специальными присадками.

Газообразные топлива, применяемые в автомобильных двига­телях, по агрегатному состоянию при нормальных условиях под­разделяют на сжатые и сжиженные.

В сжатом газе (обычно это природный газ) до 95% метана СН₄.

Сжиженные газы являются в основном продуктами переработ­ки попутных газов и газов газоконденсатных месторождений. Они содержат бутан-пропановые и бутилен-пропиленовые смеси, на­ходящиеся при нормальной температуре в жидком состоянии. Объемная теплота сгорания газов существенно меньше, чем жид­ких топлив. Основные достоинства газовых топлив в сравнении с бензино­выми: вследствие высокой эффективности сжигания могут обес­печить больший КПД; позволяют значительно увеличить степень сжатия; обеспечивают надежный пуск при низких температурах; удовлетворительные экологические свойства, обусловленные от­сутствием свинца, оксидов металлов, ароматических углеводоро­дов, низким содержанием серы.

Водород является перспективным топливом, которое обладает наиболее высокой теплотой и температурой сгорания и образует «чистые» продукты при сгорании, не считая оксидов азота. Пре­пятствиями для применения водорода являются высокая стоимость его получения, трудности с хранением и заправкой.

Кислородосодержащие соединения, применяемые в качестве топ­лива для двигателей — спирты (метанол, этанол, пропанол), эфиры и растительные масла. Наибольшее применение нашел мета­нол, который получают из угля, сланцев, древесины, биомассы. Октановое число спиртов больше, чем у бензинов, поэтому их целесообразно применять в двигателях с искровым зажиганием. Однако они обладают существенными недостатками: низкой теп­лотой сгорания, коррозионностью, высокой теплотой испарения, гигроскопичностью. Производные спиртов (метилтетрабутиловый эфир, диметиловый эфир) лишены этих недостатков.

Водотопливные эмульсии существенно снижают содержание сажи и оксидов азота в отработавших газах, повышают эффектив­ность дизельных топлив. Обычно используют эмульсии типа «вода в топливе», в которых объемное содержание воды составляет 10...40 %. Эмульсии снижают температуру пламени и повышают полноту сгорания благодаря улучшению смесеобразования топ­лива с воздухом из-за «микровзрывов» капель воды.

К недостат­кам эмульсий можно отнести склонность к расслоению с топ­ливом и невозможность их использования при низких темпера­турах.

Синтетические топлива применяют как в чистом виде, так и в качестве добавок к углеводородным топливам. Они могут быть получены из каменного угля в виде синтетических бензинов и дизельных топлив, метанола. Недостатки таких топлив — меньшая теплота сгорания, большее содержание серы и соединений азота, повышенная температура застывания.