Одержання та переробка нафтопродуктів (стр. 3 из 17)

Для характеристики фракційного складу у стандарті регламентовані: температура початку кипіння (t_п.к.), температури, при яких переганяється 10, 50 і 90% (t_10%, t_50%, t_90%) бензину, температура кінця його кипіння (t_к.к.), а також визначають залишок після перегонки і втрати. Усі ці показники у тій чи іншій мірі характеризують бензин у двигуні з іскровим запаленням.

На рис. 1.1 показана крива розгонки бензину та вказані його основні фракції – пускова, робоча і кінцева.

Рис. 1.1 Крива фракційної розгонки бензину

В склад пускової фракції бензину входять легкокиплячі вуглеводні, які входять у перші 10% об'єму дистиляту (t_п.к. – t_10%). Робочу фракцію складають дистиляти, які википають у межах від 10% до 90% об'єму (t_10% – t_90%), і кінцевуфракцію – від 90% об'єму до кінця кипіння (t_90% – t_к.к.).

Пускові властивості та схильність до утворення парових пробок визначається температурами початку кипіння t_п.к.іперегонки 10% бензину t_10%.По температурі t_10% роблять висновок про наявність у бензині пускових фракцій, від яких залежить легкість пуску холодного двигуна. Чим нижче ця температура, тим легше і швидше можна запустити двигун, оскільки більша кількість бензину надходитиме в циліндр у вигляді пару.

Це стосується тих бензинів, які використовуються при низьких температурах повітря.

При високій температурі перегонки 10% бензину ускладнюється пуск холодного двигуна, тому що основна кількість бензину подається в циліндр у рідкому стані. Такий бензин розріджує масло, змиваючи його зі стінок циліндрів, і призводить до підвищеного спрацювання деталей двигуна.

Якщо бензин має дуже низькі температури t_п.к.і t_10%,то на прогрітому двигуні, особливо у спеку, в системі живлення можуть утворюватися парові пробки, які порушують подачу палива з паливного бака до бензонасоса. Гранична температура пуску карбюраторного двигуна (найменша температура повітря t_п, ºС) описується наступною емпіричною залежністю:

.

Після пуску прогрів та прийомистість двигуна(інтенсивність розгону автомобіля до певної швидкості після різкого відкриття дросельної заслінки) обумовлюється робочою фракцією. Чим крутіше підіймається у цій частині крива розгонки, тим одноманітніше паливо і склад горючої суміші по різним циліндрам двигуна, тим краще прийомистість автомобіля і тім стійкіше його робота (рис. 1.2). Якість робочої фракції визначається головним чином температурою перегонки 50% бензину t_50%(рис. 1.3). Чим нижче ця температура, тим легше випаровуються середні фракції бензину, забезпечуючи стійку роботу двигуна на режимі холостого ходу і його добру прийомистість. Із збільшенням часу прогріву підвищуються втрати палива на збагаченій суміші та наступним утворюванням токсичних продуктів у відпрацьованих газах.

Рис. 1.2 Залежність часу прогріву двигуна від фракційного складу бензину

Рис. 1.3 Вплив температури t₅₀ на швидкість автомобіля, що розвиває за 6 с розгону при різних температурах повітря

Проте, використання бензину з низькою температурою 50% може привести до зниження коефіцієнту наповнення і потужності двигуна.

Знос та економічність роботи двигуна оцінюєтьсятемпературою перегонки 90% (t_90%) і температурою кінця кипіння (t_к.к.), по яким роблять висновок щодо інтенсивності і повноти згорання робочої суміші, про наявність у бензині важких (хвостових) фракцій. При наявності важких фракцій, бензин випаровується не повністю, що призводить до нерівномірного розподілу пальної суміші між циліндрами, розрідження масла і змиву його зі стінок циліндрів, а також до підвищення спрацювання двигуна і витрат палива. Чим менший інтервал температур, від t_90%до t_к.к. тим якість палива вища (рис. 1.4).

Рис. 1.4 Залежність загального зносу та витрати палива двигуна від температури кінця кипіння t_к.к бензину

2. Експлуатаційні властивості та використання автомобільних бензинів (ІІ частина)

Суть нормального та детонаційного згоряння

У двигунах із запаленням від іскри робоча суміш займається в кінці такту стиску. У цей час температура суміші підвищується, але не досягає значень, відповідних температурі займання. Внаслідок іскрового розряду у запалювальній свічці суміш біля неї нагрівається до температури займання і утворюється полум’яне горіння. Згоряння робочої суміші розпадається на дві фази: фазу утворення полум’я горіння та фазу гаряче-полум’яного горіння.

В першій фазі, тривалість якої становить 12…15% від загального часу згоряння суміші, відбувається більш інтенсивне окислення молекул палива, ніж при стиску суміші, за рахунок підігріву від електричної іскри. У першій фазі горіння підвищення тиску практично не відрізняється від підвищення тиску, викликаного стисненням суміші.

У другій фазі реакція горіння прискорюється, і тепло, що виділяється при цьому, нагріває робочу суміш, яка знаходиться попереду полум'я; фронт полум'я переміщується до незгорілих шарів робочої суміші.

Поширення полум'я пов'язане з передачею тепла у паливо-повітряному середовищі і залежить від теплопровідності середовища та вихрових течій у ньому. Швидкість поширення полум'я при нормальному горінні коливається у межах 20…40 м/с і залежить від якості палива, складу горючої суміші, початкової температури і тиску, наявності залишкових газів та ступеня завихрення суміші у камері згоряння. Найбільша швидкість поширення полум'я спостерігається при збагаченні суміші, коли α = 0,90.

Більш багаті і бідні суміші горять повільніше. Із збільшенням у робочій суміші залишкових газів, швидкість горіння зменшується. Турбулентність робочої суміші у циліндрі значно збільшує швидкість поширення полум'я. Порівняно з швидкістю поширення полум'я при згорянні палива у спокійному стані, поширення полум'я у циліндрі збільшується за рахунок турбулентності у 10 разів.

При нормальному горінні палива, тиск у циліндрі зростає плавно. Проте у ряді випадків згоряння супроводжується дуже високим місцевим підвищенням температури і тиску, що відбувається майже миттєво, та носить вибуховий характер і називається детонацією.

Рис. 1.1 Індикаторні діаграми роботи бензинового двигуна:

а) – при нормальному згорянні робочої суміші; б) – при детонаційному згорянні

Детонація – це «ненормальна» робота двигуна із займанням від іскри, яка викликана вибуховим, детонаційним згорянням частини горючої суміші, що супроводжується різкими металевимистуками, димним вихлопом, перегрівом двигуна, зниженням потужності та іншими шкідливими наслідками, навіть механічне пошкодження деталей двигуна.

Виникнення явища детонації можна пояснити на підставі теорії перекисного окислення акад. А.Н. Баха та теорії ланцюгових реакцій, розробленої акад. М.М. Семеновим і його школою. Згідно з теорією А.Н. Баха, у період, який передує займанню робочої суміші, відбуваються реакції попереднього окислення вуглеводнів. Інертна молекула кисню при цьому активізується під дією енергії окислювального тіла, що виражається у послабленні зв'язків, які з'єднують атоми кисню в молекулу. Початковим продуктом окислення вуглеводнів є перекиси. Кисень входить до складу молекули перекису у вигляді -0–0-, включаючись у молекулу вуглеводню по С-Н зв'язку.

Перекиси представляють собою малостійкі з'єднання, схильні до різних перетворювань. Важливим фактором, який визначає напрям вторинних реакцій, є температура. Чим вища температура горючої суміші до моменту займання, тим інтенсивніше утворюються у ній хімічно-активні речовини. Згідно з теорією акад. М.М. Семенова, горіння палива носить характер ланцюгових реакцій. У цьому випадку активні центри, що утворились спочатку, співударяючись з молекулами палива, утворюють у числі продуктів реакції активні центри, які знову реагують з молекулами палива, утворюючи нові активні центри. Протягом реакції активні центри відновлюються і реакція розвивається ланками. Не завжди активні центри відновлюються. У результаті співударяння активного центру змолекулою вихідної речовини можуть виникнути не один, а кілька активних центрів, і тоді реакція набуває вигляду розгалуженої ланцюгової реакції. У випадку, коли процес утворення активованих молекул буде перебільшувати процес обриву ланцюгів, нормальне горіння може перетворитися у детонацію, для виникнення якої концентрація перекисів повинна досягти критичного значення. Дослідження показують, що при детонації критична концентрація перекисів створюється у тій частині палива, яка догоряє в останню чергу. Тривалість детонації становить 0,0001 с, що відповідає приблизно 2 градусам повороту колінчастого вала. Критична концентрація перекисів створюється у кінці фази тиску. При високій концентрації перекисів, внаслідок їх бурхливого розпаду та прискорення ланцюгової реакції, відбувається детонація. При цьому виділяється велика кількість енергії у малому об'ємі, що призводить до виникнення ударної пружної хвилі, після чого займання кожного наступного шару частини суміші, яка не згоріла, відбувається внаслідок удару хвилі, а тиск і температура у цьому шарі зростають скачкоподібно. Ударна хвиля у двигуні, рухаючись з надзвуковою швидкістю, досягає стінок циліндра і багаторазово відбиваючись від них, викликає вібрацію стінок, яка сприймається, як детонаційний звук. Таким чином, виникнення детонації є результатом нагромадження у частині заряду, що не згоріла, робочої суміші перекисів. Чим інтенсивніше будуть утворюватись перекиси, тим швидше може перейти нормальне горіння у детонаційне.