Сгорание бензина

Как происходит нормальное сгорание бензина в двигателе?

В карбюраторном двигателе топливо сгорает в два этапа (рис. 10). Первый продолжается с момента подачи электрической искры (участок а) по углу поворота коленчатого вала до начала воспламенения. В этот период топливо окисляется, нагревается и воспламеняется. Второй период - непосредственное сгорание (участок 6) - продолжается до максимального подъема давления от расширяющихся продуктов сгорания и заканчивается спустя несколько градусов после верхней мертвой точки (ВМТ). Чем выше температура рабочей смеси к моменту подачи искры, тем интенсивнее происходит сгорание. По мере сгорания горючих составляющих скорость процесса горения уменьшается, и поршень перемещается вниз (к нижней мертвой точке). Объем, занимаемый продуктами сгорания, увеличивается, совершается полезная нормальная работа двигателя.
При нормальном сгорании скорость распространения фронта пламени составляет 20...40 м/с. На скорость сгорания существенное влияние оказывают химический состав и количество топлива, его соотношение с воздухом, величина остаточных газов в цилиндре, температура и давление смеси, конструкция камеры сгорания и т.д. Наиболее интенсивно идет процесс при небольшом обогащении горючей смеси (а =0,95). Дальнейшее обогащение или обеднение смеси снижает скорость горения (в первом случае увеличивается неполнота сгорания топлива, во втором - расходуется тепло на нагревание избыточного кислорода и азота).
В двигателях с более высокой степенью сжатия процесс сгорания интенсифицируется: повышаются температура и давление горючей смеси, при определенных условиях может наступить детонация - взрывное сгорание бензина.

Что такое детонация и каковы ее внешние признаки?

Детонационное сгорание чаще всего происходит при неправильном выборе бензина для двигателей с высокой степенью сжатия. При детонационном горении скорость распространения фронта пламени резко увеличивается, достигая 1500...2000 м/с. Поскольку пространство камеры сгорания невелико, упругие детонационные волны многократно ударяются и отражаются от стенок камеры сгорания, что вызывает характерный для детонации металлический стук. Отражающиеся ударные волны нарушают нормальный процесс сгорания, вызывают вибрацию деталей двигателя, в результате чего значительно возрастает износ. Выпускные газы приобретают темный, иногда черный цвет, т.е. при детонации увеличивается неполнота сгорания топлива.
Горячие газы, ударяясь о стенки цилиндра, повышают коэффициент теплопередачи и вызывают перегрев двигателя. Температура и давление оставшейся части рабочей смеси сильно повышаются, что также способствует перегреву деталей двигателя. Обычно детонация возникает в одном из цилиндров двигателя, но может быстро передаваться на другие. При сильной детонации возможны пригорание колец, прогар клапанов, поршней (рис. 11), разрушение подшипников. Внешние признаки и последствия детонации (износ, разрушение деталей) в значительной степени обусловлены ее силой.
Интенсивность детонации зависит от того, какая часть циклового заряда топлива перейдет во взрывное сгорание, что определяется главным образом химическим строением углеводородов топлива, температурой и давлением газов. Если нормально сгорает 93...95 % рабочей смеси, а детонирует 5...7 %, то наблюдается слабая детонация. Если же со взрывом сгорает 20...25 % циклового заряда, то возникает очень сильная детонация, часто приводящая к аварии.

При работе двигателя даже с незначительной детонацией, особенно на режимах разгона и в тяжелых дорожных условиях из-за увеличения максимального давления сгорания, механического и теплового воздействия ударной волны, усталостных явлений в металле, вызванных вибрацией, значительно возрастает износ деталей цилиндропоршневой группы (табл 3). При детонационном сгорании пленка масла на стенках цилиндра сгорает и срывается под действием ударной волны.

 В чем сущность детонационного сгорания?

Основная причина возникновения детонации - образование и накопление в рабочей смеси активных перекисей (кислородсодержащих веществ), которые разлагаются в последней фазе горения, выделяют избыточную энергию и вызывают взрывное сгорание топлива.
Пероксиды (R - О - О - R) и гидроперекиси (R - О - О -Н) - это первичные продукты окисления углеводородов топлива. Они образуются при прямом присоединении молекулы кислорода к углеводородам. Если присоединение молекулы происходит по С - С связи, получается перекись, а если по С - Н связи, то гидроперекись. При дальнейшем окислении накапливаются альдегиды, органические кислоты, спирты и другие соединения Конечными продуктами являются углекислый газ и вода.
Процессы окисления носят цепной характер. Согласно теории цепных реакций, вместе с образованием конечных продуктов окисления восстанавливаются нестойкие активные соединения, которые вновь разлагаются, выделяют теплоту и становятся новыми очагами реакций окисления. В результате непрерывно повторяющихся реакций появляются цепи с большим числом активных центров, вызывающих самоускорение реакции.
В двигателе окисление топлива кислородом воздуха начинается в процессе наполнения и сжатия горючей смеси. Чем выше степень сжатия, тем больше давление и температура цикла, интенсивнее протекают процессы окисления. Эти процессы еще более энергично продолжаются после воспламенения топлива, особенно в тех порциях рабочей смеси, которые сгорают последними: здесь количество продуктов окисления максимально. Когда концентрация нестойких соединений достигает критического значения для данного вида топлива, происходит взрывное сгорание оставшейся части несгоревшей рабочей смеси. На рисунке 12 приведена индикаторная диаграмма, которая снята при работе детонирующего двигателя.

Очевидно, что из многочисленных факторов, препятствующих детонационному сгоранию, наиболее важным является правильный подбор химического состава бензина для данного типа двигателя. Если бензин обладает малой детонационной стойкостью, то в нем накапливается много перекисных соединений, способных выделять атомарный кислород и вызывать детонацию. У бензинов с высокой детонационной стойкостью концентрация продуктов окисления недостаточна для возникновения детонации.

Как оценивают детонационную стойкость автомобильных бензинов?

Способность вызывать детонацию двигателя зависит от многих свойств сжигаемого бензина: строения углеводородов, фракционного состава, химической и физической стабильности, содержания серы и др. Оценивается детонационная стойкость октановым числом, которое указывается в марке бензина Чем выше детонационная стойкость, тем эффективнее и экономичнее работа двигателя.
Октановое число устанавливают на одноцилиндровых установках ИТ9-2М и УИТ-65 по моторному (ГОСТ 511-82) или на установках ИТ9-6 и УИТ-65 по исследовательскому (ГОСТ 8226-82) методам. Сущность определения сводится к сравнительному сжиганию испытуемого бензина, октановое число которого нужно найти, с искусственно приготовленным эталонным топливом, октановое число которого известно. Эталонное топливо составляют из двух индивидуальных углеводородов: изооктана - высокая и и-гептана - низкая детонационная стойкость. Физические свойства этих углеводородов близки, но структурное строение молекул разное, чем и объясняется различная детонационная стойкость. По внешнему виду - это прозрачные, бесцветные жидкости, не содержащие непредельных углеводородов и осадка, имеющие низкие температуры кипения (около 99 Q, плотность 692 и 683 кг/м3. Октановое число (по моторному методу): для изооктана C₈H₁₈

составляет 100 единиц, n-гептана (строение СНз - СНз - СНз - СНз -СНз - СНз - СНз) - 0 единиц.
Установки ИТ9-2М, ИТ9-6 и УИТ-65 имеют однотипные двигатели, агрегаты и измерительную аппаратуру, но условия испытания разные (табл.4).
  

Как видно из данных, приведенных в таблице 4, условия испытания бензина при определении октанового числа исследовательским методом более мягкие, а получаемое значение выше, чем по моторному методу. Эту разницу называют чувствительностью бензина. Она зависит от его химического состава. Чем меньше разница для бензина одной марки, тем лучше его эксплуатационные свойства.
Испытание ведут следующим образом. Одноцилиндровый двигатель установки заправляют испытуемым бензином. В процессе работы степень сжатия постепенно повышают до появления детонации. Ее интенсивность регистрируют детонометром. С помощью приспособлений фиксируют степень сжатия, при которой возникает детонация После этого двигатель заправляют эталонным топливом и подбирают такую смесь изооктана и n-гептана, при которой интенсивность детонации будет такой же, как и на исследуемом бензине. По количеству недетонирующего углеводорода в искусственно приготовленной смеси устанавливают октановое число.
Октановым числом называют процентное содержание (по объему) изооктана в эталонной смеси, состоящей из изооктана и n-гептана, по своей детонационной стойкости равноценной испытуемому бензину.
Предположим, испытуемый бензин по своей детонационной стойкости, определенной на двигателе ИТ9-2М, оказался таким же, как эталонная смесь, состоящая из 78 % изооктана и 22 % гептана. Тогда октановое число данного бензина равно 78.
В марке автомобильного бензина цифра характеризует минимальное значение октанового числа по моторному методу. Если указана буква "И", то октановое число определено исследовательским методом. Например, бензин А-76 - октановое число по моторному методу не менее 76; АИ-93 - автомобильный бензин с октановым числом по исследовательскому методу не менее 93, а по моторному - 85.
Требовательность карбюраторных двигателей к детонационной стойкости бензина определяется комплексом конструкционных особенностей, в первую очередь степенью сжатия и диаметром цилиндра. Ориентировочно октановое число можно подсчитать по формуле

ОЧ = 125,4 -413/e- + 0.183dц,

где ОЧ - требуемое октановое число (по моторному методу);
e - степень сжатия; dц - диаметр цилиндра, мм.

Детонационная стойкость углеводородов при работе двигателя на бедных и богатых горючих смесях неодинакова. На бедных смесях наибольшую детонационную стойкость имеют изомеры парафиновых углеводородов. На богатых смесях лучшими оказываются ароматические углеводороды. Наименьшая стойкость у нормальных парафиновых углеводородов. Нафтеновые и непредельные занимают промежуточное положение. Для более полной характеристики высокооктановых топлив (авиационные бензины) их детонационную стойкость оценивают при работе двигателя как на бедных, так и на богатых смесях. На бедных смесях оценивают октановое число, на богатых - сортность. В марке авиационных бензинов указывают две цифры. Например, Б-95/130 - бензин авиационный, в числителе указывается октановое число, в знаменателе - сортность (130 - двигатель при работе на богатой смеси развивает мощность на 30 % выше, чем изооктан).

Что такое калильное зажигание?

Калильное зажигание - это неуправляемая реакция воспламенения рабочей смеси от раскаленного вещества, например нагара, образовавшегося в камере сгорания, или от перегретых деталей - центральных электродов, нижних частей запальных свечей, выпускных клапанов и др. Калильное зажигание нарушает процесс нормального сгорания бензина, имеет непосредственную связь с развитием или возникновением детонации.
Борьба с калильным зажиганием заключается в улучшении конструкции камеры сгорания, использовании для работы двигателя моторного масла, рекомендованного для данного типа двигателя, изменении состава и свойств нагара, образующегося в камере сгорания, за счет введения в бензины специальных присадок. Наиболее широкое распространение имеют фосфорсодержащие присадки, например трикрезилфоофат.

Как можно повысить детонационную стойкость?

Бензин с высокой детонационной стойкостью можно получить подбором сырья, технологии его переработки, добавлением высокооктановых компонентов. Но наиболее часто октановое число повышают, вводя в бензин антидетонаторы - вещества, добавляемые в топливо в небольшом количестве для повышения детонационной стойкости.
В качестве антидетонатора в основном используют тетраэтилсвинец (ТЭС) - Pb(C₂H₅)₄; ТЭС - это густая бесцветная ядовитая жидкость; плотность - 1659 кг/м3; температура кипения -200 °С; легко растворяется в нефтепродуктах и не растворяется в воде. ТЭС тормозит образование перекисных соединений в топливе, что уменьшает возможность возникновения детонации.

Рис. 13. Влияние содержания ТЭС на октановое число бензинов:
1 - прямая перегонка; 2 -термический крекинг; 3 -каталитический крекинг;
4 - риформинг.

На рисунке 13 показано влияние содержания ТЭС на изменение октанового числа бензинов, полученных из различного сырья и по разной технологии переработки. Как видно из приведенных данных, наиболее эффективно добавление ТЭС до 0,50...0,80 г на 1 кг бензина. При более высокой концентрации значительно повышается токсичность, а детонационная стойкость возрастает незначительно. Увеличение содержания ТЭС может приводить к снижению надежности работы двигателя из-за накопления свинца в камере сгорания, а также усложняет работу обслуживающего персонала при проведении ТО и ремонта двигателей (повышенная токсичность).
ТЭС очень ядовит, может проникать в кровь человека через поры кожи и постепенно накапливаться, а также попадать в организм через дыхательные пути. Даже небольшие дозы ТЭС в пище вызывают смертельные отравления.
ТЭС в чистом виде в топливо не добавляют, а вводят в виде этиловых жидкостей (ЭЖ) (табл. 5), состоящих из антидетонатора и выносителей свинца.

В качестве выносителей свинца используют различные хлористые и бромистые органические соединения, которые способствуют удалению продуктов разложения ТЭС вместе с отработавшими газами. При добавлении этиловой жидкости в зависимости от углеводородов, входящих в состав бензина, октановое число увеличивается на 8...12 единиц.
Бензины, в которые введены ЭЖ, называют этилированными. Для предупреждения о ядовитости их окрашивают в различные цвета (зеленый, красный, оранжевый, ярко-желтый).

Как действуют антидетонаторы?

При температуре выше 500 °С ТЭС разлагается на свинец и группу С2Н5. Выделяющийся ион Pb окисляется до PbO2. Диоксид свинца реагирует с гидроперекисями и перекисями, разрушая и прерывая цепи окисления.

Образуются менее активные соединения (альдегиды и оксид свинца), а также освобождается атом кислорода, который вновь взаимодействует с PbО, тем самым восстанавливая антидетонационные свойства ТЭС. Таким образом, ТЭС и продукты его распада, находясь в рабочей смеси, задерживают накопление перекисей и отодвигают момент наступления такой их концентрации, при которой возникает детонация. Если в топливе содержится сера, то эффективность ТЭС резко снижается, т.к. образуется сернистый свинец, препятствующий разложению перекисей и восстановлению диоксида свинца.
При хранении этилированных бензинов их детонационная стойкость снижается в результате разложения ТЭС. Этот процесс ускоряется при наличии в топливе воды, осадков, смол, хранении при повышенной температуре и др.

Длительное время ведутся работы по изысканию неядовитых эффективных антидетонаторов. Наиболее перспективны марганцевые антидетонаторы: пентакарбонил марганца Mn (СО)₅, метилциклопентадиэтилтрикарбонил марганца СН₃С₅Н₄Mn(СО)₃ - МЦКМ и др. Эффективность МЦКМ находится на уровне ТЭС (табл. 6).

Марганцевые антидетонаторы - это неядовитые жидкости, однако их применение до настоящего времени сдерживается из-за снижения долговечности двигателя.
Одно из свойств бензина - его склонность к образованию отложений в камере сгорания двигателя. В случае применения этилированных бензинов при сгорании ТЭС распадается, вызывая повышенное образование нагаров. При испытаниях на одноцилиндровой установке предусмотрена прямая взаимосвязь между концентрацией ТЭС и интенсивностью нагарообразования (рис. 14).

Рис. 14. Влияние концентрации ТЭС (1) и аромагических углеводородов (2) на нагарообразование.

В среднем зависимость загрязненности от концентрации ТЭС следующая:

Аналогичное влияние оказывает повышение количества в бензине высокооктановых компонентов, состоящих в основном из ароматических углеводородов (см. рис. 14). Образующиеся нагары увеличивают фактическую степень сжатия, повышая требовательность к антидетонационным свойствам бензина, ухудшают теплоотвод из камеры сгорания в охлаждающую среду.

Что такое дорожное октановое число?

Моторный и исследовательский методы предусматривают определение детонационной стойкости бензина на постоянных режимах работы двигателя. Однако для обеспечения высоких динамических показателей современных автомобилей важное значение имеет бездетонационная работа и на режиме разгона. При повышении частоты вращения коленчатого вала двигателя испаряющиеся фракции топлива поступают в камеру сгорания раньше тяжелых углеводородов, которые в это время движутся в виде пленки по стенке впускного коллектора. По этой причине основной фактор, определяющий детонационную стойкость бензина, - октановое число его легких фракций.
У бензинов прямой перегонки октановое число легких фракций выше, чем тяжелых. В современные бензины вводят значительное количество высокооктановых ароматических компонентов с температурой кипения выше 110 °С. При разгоне двигателя на таком бензине испаряющиеся легкие фракции не содержат высокооктановых компонентов, их октановое число ниже, чем у тяжелых, что приводит к появлению детонации. Кроме того, тетраэтилсвинец, имеющий температуру кипения 200 °С, поступает в цилиндры двигателя главным образом с высококипящими фракциями, что еще больше увеличивает детонацию при разгоне автомобиля.
Детонационную стойкость бензина на различных режимах работы можно оценить дорожным октановым числом, определяемым методом дорожных детонационных испытаний автомобиля в условиях, имитирующих езду в городских условиях (ГОСТ 10373-75). В таблице 7 приведено сопоставление антидетонационных свойств товарных бензинов, оцененных различными способами.

Величина дорожного октанового числа хорошо согласуется со значением антидетонационной стойкости легких фракций и наиболее точно характеризует эксплуатационные свойства современных высокооктановых бензинов.
Для уменьшения разницы в октановых числах этилированных и неэтилированных бензинов вместо ТЭС целесообразно применять тетраметил свинец (ТМС), который выкипает при 110 °С и больше увеличивает октановое число легких фракций.

Можно ли повысить октановое число без использования антидетонаторов?

С целью уменьшения загрязнения атмосферы токсичными выхлопными газами при использовании этилированных бензинов октановое число нередко повышают за счет добавления высокооктановых углеводородов (алкилбензины, ароматические углеводороды). Однако из-за их дефицитности, а также отрицательного влияния ароматиков на эксплуатационные характеристики двигателей эти способы малоперспективны. Одно из направлений расширения производства высокооктановых неэтилированных бензинов - использование эфиров и спиртов как присадок к топливу. Среди них наиболее эффективны метилтретичнобутиловый эфир МТБЭ и вторичный бутиловый спирт ВБС (табл. 8).

Дорожные испытания показали, что неэтилированные бензины с 7...8 % МТБЭ при всех скоростях движения превосходят товарные бензины. Значительно выше эффективность ВБС, особенно в сочетании с МТБЭ (повышение эффективности мощности, сокращение расхода топлива на 5...6 %, уменьшение токсичности выхлопных газов). Перспективно использование ТБС -третичнобутилового спирта, который попутно получают при производстве этилена и пропилена. Все перечисленные соединения особенно заметно увеличивают октановое число легких фракций (дорожное октановое число), что необходимо для улучшения динамики современных скоростных автомобилей.

Как можно снизить детонацию при эксплуатации?

На возникновение детонации, кроме химического состава топлива, конструкционных особенностей двигателя (главным образом, степени сжатия), некоторое влияние оказывают условия эксплуатации.

• Возникновению детонации способствует сгорание топлива при коэффициенте избытка воздуха, близком к единице. При обогащении горючей смеси кислорода становится недостаточно для образования перекисных соединений. При обеднении смеси теплота расходуется на нагревание избыточного воздуха, склонность к детонации уменьшается.

• Распространенным приемом снижения детонации является уменьшение угла опережения зажигания, когда сокращается время на подготовку горючей смеси к воспламенению, а сгорание и образование кислородсодержащих веществ происходит за меньшее время.

• Увеличение частоты вращения коленчатого вала также снижает склонность к детонации, т.к. сокращается время, отводимое на цикл. Прикрывая дроссельную заслонку, уменьшают порцию горючей смеси, что тоже снижает интенсивность детонации.

• 
  Летом, особенно в южных районах, когда в двигатель поступает теплый воздух и склонность к детонации больше, необходимо лучше охлаждать двигатель.

• Если в двигатель поступает влажный воздух, то часть теплоты затрачивается на испарение воды, детонация уменьшается.

Следовательно, все те причины, которые способствуют снижению давления и температуры в цилиндре двигателя, уменьшают склонность к возникновению детонации и наоборот.
Изменением условий эксплуатации можно лишь в какой-то мере ослабить интенсивность детонации, но полностью исключить ее нельзя. Основным является правильный подбор бензина для каждого типа двигателя.