Гориво за високооборотни автомобилни двигатели
Горивото, използвано за силно ускорени двигатели, трябва да има следните свойства:
- Устойчивост на детонация, позволяваща на двигателя да работи при високи коефициенти на компресия и високо налягане.
- Висока калоричност.
- Добро изпаряване.
Качеството на определено гориво зависи от неговия елементен състав и химична структура. Повечето горива са въглеводородни съединения, а алкохолите също съдържат кислород.
Автомобилните и авиационните бензини се състоят от различни въглеводороди, дори принадлежащи към различни групи.
Антидетонационни свойства на горивото.Антидетонационната устойчивост на горивото за силно ускорен двигател сега става особено важна. Детонацията е необичаен процес на горене, протичащ при много високи скорости (около 2000-3000 m/sec). Външни признаци на детонация са появата на остър метален удар, прегряване на двигателя, непълно изгаряне на горивото, което се забелязва от появата на черен дим. Появата на детонация води до намаляване на мощността на двигателя и създава рязко нарастващо натоварване върху частите на свързващия прът и коляновия механизъм. Склонността на горивото към детонация нараства с увеличаване на налягането и температурата в главата на такта на компресия.
Тъй като повишаването на налягането в края на такта на компресия е едно от основните условия за увеличаване на мощността на двигателя, степента на сгъстяване се увеличава за двигатели без компресори, а налягането на усилване за двигатели с компресори. Границата на повишаване на налягането в края на такта на компресия е възможността за детонация, във връзка с която антидетонационната устойчивост на горивото, която се увеличава по различни начини, е от особено значение.
Появата на детонация зависи и от условията на работа на двигателя. С увеличаване на броя на оборотите на коляновия вал на двигателя (и следователно с увеличаване на скоростта на буталото), при постоянно отваряне на дросела, детонацията намалява, тъй като с увеличаване на броя на оборотите наляганията и температурите на процеса на горене намаляват.
В табл. 14 е показан елементният състав на някои въглеводороди и алкохоли и техните октанови числа.
| Таблица 14 |
| Елементарен състав на някои въглеводороди и техните октанови числа |
| Метан | Парафин | CH 4 | 75,0 | 25,0 | — | 125 |
| Етан | » | C 2 H 6 | 80,0 | 20.0 | — | 125 |
| Пропан | » | C 3 H 8 | 81.8 | 18.2 | — | 125 |
| Бутан | » | C 4 H 10 | 82.8 | 17.2 | — | 91 |
| хексан | » | C 6 H 14 | 83.7 | 16.3 | — | 59 |
| Хептан | » | C 7 H 16 | 84,0 | 16.0 | — | 0 |
| Октаново число | » | C 8 H 18 | 84.2 | 15.8 | — | -19 |
| Изооктан | » | C 8 H 18 | 84.5 | 16.0 | — | 100 |
| Бензол | ароматен | C 6 H 6 | 92.3 | 7.7 | — | 96 |
| Толуен | » | C 7 H 8 | 91.4 | 8.6 | — | 106 |
| ксилен | » | C 8 H 10 | 90.6 | 9.4 | — | 100 |
| Етанол | Алкохолик | C2H5OH | 52.2 | 13.0 | 34.8 | 100 |
| Метилов алкохол | » | СН3ОН | 37.5 | 12.5 | 50,0 | 100 |
Конвенционалните моторни бензини съдържат различни въглеводороди. Качеството на автомобилния бензин се определя от GOST 2084-48 (Таблица 15).
| Таблица 15 |
| Автомобилен бензин (съгласно GOST 2084-48) |
| Октаново число | 66 | 70 | 74 |
| Съдържанието на етилова течност R-9 в 1 kg бензин (в ml), не повече | 1.5 | 1.5 | Отсъстващ |
| Фракционен състав: | |||
| начална температура на дестилация (в °), не по-ниска | — | — | 35 |
| 10% дестилиран при температура (в °), не по-висока | 79 | 79 | 70 |
| 50% дестилиран при температура (в °), не по-висока | 145 | 145 | 105 |
| 90% дестилиран при температура (в °), не по-висока | 195 | 195 | 165 |
| Край на кипене (в °), не по-високо | 205 | 205 | 180 |
| Остатък в колбата (в%), не повече | 1.5 | 1.5 | 1.5 |
| Салдо и загуби (в %) общо, не повече от | 4.5 | 4.5 | 2.5 |
| Парно налягане според Reid (в mm Hg), не повече от | 500 | 500 | 500 |
| Съдържанието на действителни смоли в 100 ml бензин (в mg), не повече | 10 | 10 | 6 |
| Индукционен период (в минути), не по-малко от | 240 | 240 | 600 |
| Съдържание на сяра (%), не повече | 0,15 | 0,15 | 0,1 |
| Тест върху медна плоча | Издържа | ||
| Съдържание на водоразтворими киселини и основи | Отсъстващ | ||
| Съдържанието на механични примеси и вода | » |
Както може да се види от таблиците по-горе, конвенционалните моторни бензини имат относително ниски октанови числа.
За подобряване на антидетонационните качества на бензините към тях се добавят специални антидетонатори. Най-мощният антидетонатор е тетраетилолово, ефектът му е 600 пъти по-силен от този на бензола. Тетраетиловото олово не се използва в чиста форма, а обикновено се използва под формата на така наречената етилова течност Р-9. Съставът на етиловата течност включва компоненти, които предотвратяват отлагането на олово върху клапаните, електродите на свещите и стените на горивната камера.
Добавката на незначителни (не повече от 3 cm³ на 1 kg бензин) количества етилова течност значително подобрява антидетонационните свойства на бензините. По-нататъшното увеличаване на количеството етилова течност в добавката не води до забележимо подобрение на антидетонационната устойчивост на бензина.
В табл. 16 показва данни за резултатите от добавянето на етилова течност.
| Таблица 16 |
| Октаново число на бензини с добавка на етилова течност (по Забрянски) |
| Баку авиационен бензин B-59 | 56 | 75 | 79 | 82 |
| Баку авиационен бензин B-70 | 73 | 82 | 86 | 89 |
| Баку авиационен бензин B-78 | 78 | 86 | 90 | 92 |
| 30% бензен + 70% B-70 | 77 | — | 89 | 91 |
| 30% алкилбензен + 70% B-59 | 73 | 84 | 87 | 90 |
За двигатели на спортни и състезателни автомобили широко се използват смеси бензин-бензен с доста високи антидетонационни свойства. В този случай бензолът трябва да бъде с високо качество; най-добре е да използвате авиационен бензен, получен от петрол, така наречения пиро-бензен.
В табл. 17 показва октановите числа на смеси от бензин А-70 с авиационен бензол.
За силно ускорени двигатели се използват алкохолни смеси, които имат висока антидетонационна устойчивост, както и някои други положителни свойства, които ще бъдат разгледани по-долу. В зависимост от степента на форсиране на двигателя се използва различен състав на тези смеси. Често се използва трикомпонентна смес, състояща се от три равни обемни части бензин, бензен и алкохол.
| Таблица 17 |
| Октаново число на различни смеси бензин-бензен |
| 80 | 20 | 73 |
| 70 | тридесет | 75 |
| 60 | 40 | 78 |
| 50 | 50 | 82 |
| 40 | 60 | 85 |
| тридесет | 70 | 88 |
| 20 | 80 | 94 |
| 15 | 85 | 97 |
Калоричност на горивото.Калоричността на горивото е количеството топлина, отделена при пълното изгаряне на 1 кг гориво. Колкото по-висока е калоричността на горивото, толкова повече работа може да се получи чрез изгарянето му в цилиндрите на двигателя. Но горивото влиза в цилиндрите на двигателя в смес с въздух, така че ефективността на двигателя зависи от калоричността на сместа въздух-гориво. Някои горива, които имат ниска калоричност, но изискват малко количество въздух за пълното си окисляване, имат доста висока калоричност на сместа въздух-гориво.
В табл. 18 показва нетната калоричност на горивата и съответните смеси въздух-гориво.
Ако вземем калоричността на 1 m³ от въздушно-горивната смес (при 15°C и нормално налягане), тогава тя ще бъде приблизително еднаква за различните видове гориво и равна на около 820-850 cal/m³.
Както се вижда от табл. 17, метиловият алкохол, който има най-ниска калоричност, дава висока калоричност на сместа въздух-гориво. При работа с метилов алкохол може да се получи висока мощност от двигателя. Консумацията на гориво е обратно пропорционална на калоричността и се увеличава драстично, когато се използват горива като алкохол; следователно използването на горива с ниска калоричност е препоръчително само в някои случаи. Основният компонент на горивните смеси за повечето високоскоростни автомобилни двигатели е бензинът, който има най-висока калоричност.
| Таблица 18 |
| По-ниска калоричност на горива и въздушно-горивни смеси |
| Бензин | 10600 | 830 | 14.9 |
| Бензол | 9800 | 843 | 13.4 |
| Етанол | 6200 | 818 | 8.4 |
| Метилов алкохол | 5320 | 815 | 6.53 |
Изпарение на гориво.Изпарението се оценява от температурата, при която определено количество гориво извира (в % от нагрятия обем). Температурата, при която 10% от горивото извира, характеризира неговите изходни качества; температурата, съответстваща на кипене на 50% от горивото, характеризира способността му да осигури на двигателя реакция на газта; точката на кипене на 90% от горивото определя качеството му по отношение на разреждането на смазката.
В табл. 15 са показани данни за волатилността на бензина на основните марки.
Летливостта на горивото влияе върху образуването на сместа. По стените на всмукателния колектор се отлагат частици неизпарено гориво. Смес с неизпарени горивни частици гори лошо, по-склонна е към детонация; частици течно гориво, падащи върху стените на цилиндрите, измиват смазката и допринасят за появата на корозия върху металната повърхност. Следователно горивата за двигатели на състезателни автомобили трябва да имат добра летливост.
Но топлината на сместа въздух-гориво се изразходва за изпаряване на горивото. В същото време температурата му намалява, а плътността му се увеличава. Температурата на сместа намалява толкова повече, колкото по-висока е латентната топлина на изпаряване на дадено гориво. Основните автомобилни горива имат следната латентна топлина на изпарение: бензин 75 kcal/kg, бензен 95 kcal/kg, етилов алкохол 200 kcal/kg, метилов алкохол 260 kcal/kg.
Алкохоли, които иматнай-високата латентна топлина на изпарение, повече от другите горива понижават температурата на сместа въздух-гориво.
Ниската температура на въздушно-горивната смес допринася за вътрешното охлаждане на цилиндрите на двигателя. Сравнително студената смес, влизаща в цилиндрите, отнема топлината от най-горещите повърхности и намалява температурата в края на такта на компресия. По-ниската температура на сместа в края на такта на компресия намалява риска от детонация.
Най-голямото вътрешно охлаждане на цилиндрите на двигателя дава използването на алкохол, тъй като той има най-високата латентна топлина на изпарение. Голямо количество алкохол в сместа допринася за по-доброто охлаждане на двигателя.
Границите на запалимост на въздушно-горивната смес се определят в зависимост от нейния състав, определен от коефициента на излишък на въздух.
Най-ниската граница на запалимост за повечето смеси въздух-гориво е богата смес с α = 0,4 - 0,5, най-високата граница на запалимост съответства на бедна смес с α = 1,15 - 1,2. За двигателите на състезателни автомобили се използват изключително обогатени смеси, в които двигателят може да развие повече мощност. Следователно е необходимо да се осигури надеждно запалване на сместа при ниски стойности на α. Най-добри резултати в този случай дава алкохолът, който осигурява добро запалване от електрическа искра, когато съставът на сместа въздух-гориво се променя в широк диапазон.
Сажди.Крекинг бензинът и бензолът от каменовъглен катран произвеждат много сажди и катранени отлагания. Поради това използването им в двигатели на състезателни автомобили е крайно нежелателно. Най-пълното изгаряне без образуване на сажди дава алкохол.
Стабилност на горивото.Крекинг бензинът също се характеризира с лоша стабилност и променя свойствата си с повече или по-малко продължителносъхранение.