Паливо для двигунів швидкісних автомобілів
Паливо, що застосовується для високофорсованих двигунів, повинно мати такі властивості:
- Стійкістю щодо детонації, щоб забезпечити можливість роботи двигуна з високими ступенями стиснення та тисками наддуву.
- Висока теплотворність.
- Гарною випаровуваністю.
Якість того чи іншого палива залежить від його елементарного складу та хімічної структури. Більшість палив є вуглеводневими сполуками, а до складу спиртів входить також і кисень.
Автомобільні та авіаційні бензини складаються з різних вуглеводнів, що належать навіть до різних груп.
Антидетонаційні властивості палива.Антидетонаційна стійкість палива для високофорсованого двигуна набуває в даний час особливо великого значення. Детонація є ненормальним процесом згоряння, що протікає з дуже високими швидкостями (близько 2000—3000 м/сек). Зовнішніми ознаками детонації є поява різкого металевого стуку, перегрів двигуна, неповне згоряння палива, помітне по появі чорного диму. Поява детонації викликає зменшення потужності двигуна і створює різко зростаючі навантаження деталі шатунно-кривошипного механізму. Схильність палива до детонації посилюється з підвищенням тиску та температури у копиці ходу стиснення.
Так як підвищення тиску в кінці ходу стиснення є однією з основних умов підвищення потужності двигуна, то у двигунів без нагнітачів підвищують ступінь стиснення, а у двигунів з нагнітачами тиск наддуву. Межею підвищення тиску в кінці ходу стиснення є можливість виникнення детонації, у зв'язку з чим особливого значення набуває антидетонаційна стійкість палива, яку підвищують у різний спосіб.
Поява детонації залежить від умов роботи двигуна. Зі збільшенням числа обертів колінчастого валу двигуна (а отже, і зі збільшенням швидкості поршня) при постійному відкритті дроселя детонація зменшується, оскільки зі збільшенням числа обертів знижуються тиску та температури процесу згоряння.
У табл. 14 наведено елементарний склад деяких вуглеводнів і спиртів та дано їх октанові числа.
| Таблиця 14 |
| Елементарний склад деяких вуглеводнів та їх октанові числа |
| Метан | Парафінова | 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 |
| Гексан | » | C 6 H 14 | 83,7 | 16,3 | - | 59 |
| Гептан | » | C 7 H 16 | 84,0 | 16,0 | - | 0 |
| Октан | » | C 8 H 18 | 84,2 | 15,8 | - | -19 |
| Ізооктан | » | C 8 H 18 | 84,5 | 16,0 | - | 100 |
| Бензол | Ароматична | C 6 H 6 | 92,3 | 7,7 | - | 96 |
| Толуол | » | C 7 H 8 | 91,4 | 8,6 | - | 106 |
| Ксилол | » | C 8 H 10 | 90,6 | 9,4 | - | 100 |
| Спирт етиловий | Спиртова | C 2 H 5 OH | 52,2 | 13,0 | 34,8 | 100 |
| Спирт метиловий | » | CН 3 OH | 37,5 | 12,5 | 50,0 | 100 |
Звичайні автомобільні бензини мають у своєму складі різні вуглеводні. Якість автомобільних бензинів визначається ГОСТ 2084-48 (табл. 15).
| Таблиця 15 |
| Бензини автомобільні (ГОСТ 2084-48) |
| Октанове число | 66 | 70 | 74 |
| Вміст етилової рідини Р-9 в 1 кг бензину (мл), не більше | 1,5 | 1,5 | Відсутнє |
| Фракційний склад: | |||
| температура початку перегонки (в °), не нижче | - | - | 35 |
| 10% переганяється при температурі (в °), не вище | 79 | 79 | 70 |
| 50% переганяється при температурі (в °), не вище | 145 | 145 | 105 |
| 90% переганяється при температурі (в °), не вище | 195 | 195 | 165 |
| Кінець кипіння (в °), не вище | 205 | 205 | 180 |
| Залишок у колбі (у %), не більше | 1,5 | 1,5 | 1,5 |
| Залишок та втрати (у %) у сумі, не більше | 4,5 | 4,5 | 2,5 |
| Пружність парів по Рейду (ммм рт. ст.), трохи більше | 500 | 500 | 500 |
| Вміст фактичних смол у 100 мл бензину (мг), не більше | 10 | 10 | 6 |
| Індукційний період (у хв.), щонайменше | 240 | 240 | 600 |
| Вміст сірки (у %), трохи більше | 0,15 | 0,15 | 0,1 |
| Проба на мідну платівку | Витримує | ||
| Вміст водорозчинних кислот та лугів | Відсутнє | ||
| Вміст механічних домішок та води | » |
Як видно з наведених таблиць, звичайні автомобільні бензини мають відносно невисокі октанові числа.
Для покращення антидетонаційних якостей бензинів до них додають спеціальні антидетонатори. Найбільш сильно діючим антидетонатором є тетраетиловий свинець, його дія в 600 разів сильніша за дію бензолу. У чистому вигляді тетраетиловий свинець не застосовується, а зазвичай використовується як так званої етилової рідини марки Р-9. До складу етилової рідини входять компоненти, що запобігають відкладенню свинцю на клапанах, електродах свічки та стінках камери згоряння.
Присадка незначних (не більше 3 см ³ на 1 кг бензину) кількостей етилової рідини набагато покращує антидетонаційні властивості бензинів. Подальше збільшення кількості етилової рідини в присадці не дає помітного покращення антидетонаційної стійкості бензину.
У табл. 16 наведено дані за результатами присадки етилової рідини.
| Таблиця 16 |
| Октанові числа бензинів із присадкою етилової рідини (за Забрянським) |
| Бакинський авіаційний бензин Б-59 | 56 | 75 | 79 | 82 |
| Бакинський авіаційний бензин Б-70 | 73 | 82 | 86 | 89 |
| Бакинський авіаційний бензин Б-78 | 78 | 86 | 90 | 92 |
| 30% бензолу + 70% Б-70 | 77 | - | 89 | 91 |
| 30% алкілбензолу + 70% Б-59 | 73 | 84 | 87 | 90 |
Для двигунів спортивних і гоночних автомобілів широке застосування мають бензино-бензольні суміші, що мають досить високі антидетонаційні властивості. При цьому бензол має бути високої якості; найкраще використати авіаційний бензол нафтового походження, так званий піро-бензол.
У табл. 17 наведено октанові числа сумішей бензину А-70 з авіаційним бензолом.
Для високофорсованих двигунів застосовують спиртові суміші, що мають високу антидетонаційну стійкість, а також деякими іншими позитивними властивостями, про які буде сказано нижче. Залежно від рівня форсування двигуна застосовують різний склад цих сумішей. Часто застосовують потрійну суміш, що складається з трьох рівних об'ємних частин бензину, бензолу та спирту.
| Таблиця 17 |
| Октанові числа різних бензино-бензольних сумішей |
| 80 | 20 | 73 |
| 70 | 30 | 75 |
| 60 | 40 | 78 |
| 50 | 50 | 82 |
| 40 | 60 | 85 |
| 30 | 70 | 88 |
| 20 | 80 | 94 |
| 15 | 85 | 97 |
Теплотворність палива.Під теплотворністю палива розуміється кількість тепла, що виділяється при повному згорянні 1 кг палива. Чим вище теплотворність палива, тим більше роботи можна отримати при його згорянні в циліндрах двигуна. Але в циліндри двигуна паливо надходить у суміші з повітрям, тому ефективність роботи двигуна залежить від теплотворності паливоповітряної суміші. Деякі палива, що мають невелику теплотворність, але вимагають для свого повного окислення невеликої кількості повітря, мають досить високу теплотворність паливоповітряної суміші.
У табл. 18 наведені нижчі теплотворності палив та відповідних паливоповітряних сумішей.
Якщо взяти теплотворність 1 м³ паливоповітряної суміші (при 15° і нормальному тиску), то вона буде приблизно однаковою для різних видів палив і дорівнює близько 820—850 кал/м³.
Як очевидно з табл. 17, метиловий спирт, що має найменшу теплотворність, дає високу теплотворність паливоповітряної суміші. Працюючи на метиловому спирті від двигуна можна отримати високу потужність. Витрата палива обернено пропорційна теплотворності і різко зростає при використанні таких палив, як спирт; тому застосування палив з низькою теплотворністю є доцільним лише в деяких випадках. Основним компонентом паливних сумішей для більшості двигунів швидкісних автомобілів є бензин, що має найвищу теплотворність.
| Таблиця 18 |
| Нижча теплотворність палив та паливоповітряних сумішей |
| Бензин | 10600 | 830 | 14,9 |
| Бензол | 9800 | 843 | 13,4 |
| Етиловий спирт | 6200 | 818 | 8,4 |
| Метиловий спирт | 5320 | 815 | 6,53 |
Випарюваність палива.Випарюваність оцінюється за температурою, при якій википає певну кількість палива (в % від об'єму, що нагрівається). Температура, за якої википає 10% палива, характеризує його пускові якості; температура, що відповідає википанню 50% палива, характеризує його здатність забезпечити двигуну прийомистість; температура википання 90% палива визначає його якості з погляду розрідження мастила.
У табл. 15 наведено дані щодо випаровування бензинів основних марок.
Випарюваність палива впливає на сумішоутворення. Частинки невипареного палива осідають на стінках впускного трубопроводу. Суміш із невипареними частинками палива погано згоряє, більш схильна до детонації; частинки рідкого палива, потрапляючи на стінки циліндрів, змивають мастило та сприяють появі корозії на металевій поверхні. Тому палива для двигунів гоночних автомобілів повинні мати хорошу випаровуваність.
Але на випаровування палива витрачається тепло паливоповітряної суміші. При цьому температура її знижується, а густина збільшується. Температура суміші знижується тим більше, чим вище прихована теплота випаровування даного палива. Основні автомобільні палива мають наступну приховану теплоту випаровування: бензин 75 ккал/кг, бензол 95 ккал/кг, спирт етиловий 200 ккал/кг, метиловий спирт 260 ккал/кг.
Спирти, що маютьнайбільшу приховану теплоту випаровування, більше за інших палив знижують температуру паливоповітряної суміші.
Низька температура паливоповітряної суміші сприяє внутрішньому охолодженню циліндрів двигуна. Порівняно холодна суміш, надходячи в циліндри, забирає тепло від найбільш нагрітих поверхонь і зменшує температуру в кінці стиснення. Нижча температура суміші наприкінці ходу стиску зменшує небезпеку появи детонації.
Найбільше внутрішнє охолодження циліндрів двигуна дає застосування спирту, оскільки він має найвищу приховану теплоту випаровування. Велика кількість спирту в суміші сприяє кращому охолодженню двигуна.
Межі займистості паливоповітряної суміші встановлюються за її складом, що визначається коефіцієнтом надлишку повітря.
Нижчою межею займистості для більшості паливоповітряних сумішей є багата суміш з α = 0,4 - 0,5, вища межа займистості відповідає бідній суміші з α = 1,15 - 1,2. Для двигунів гоночних автомобілів застосовують виключно збагачені суміші, у яких двигун може розвинути велику потужність. Тому необхідно забезпечити надійне займання суміші за малих значень α. Найкращі результати в цьому випадку дає спирт, що забезпечує гарну займистість від електричної іскри при зміні складу паливоповітряної суміші в широкому діапазоні.
Нагароутворення.Крекінг-бензини та кам'яновугільний бензол дають велику освіту нагару та смолистих відкладень. Тому їхнє застосування в двигунах гоночних автомобілів вкрай небажане. Найбільш повне згоряння без утворення нагару дає спирт.
Стабільність палива.Крекінг-бензин відрізняється також поганою стабільністю і змінює свої якості при більш менш триваломузберігання.