Файл: Гуреев, А. А. Автомобильные эксплуатационные материалы учебник.pdf

ним свойствам применяемых топлив может доходить до 10—15 окта-

позых единиц.

При эксплуатации автомобильного двигателя нагар по времени образуется неравномерно. Основное количество нагара отлагается в начале эксплуатации автомобиля. Экспериментально установлено, что после пробега автомобилем 10—16 тыс. км наступает некоторое рав­ новесное состояние нагара и при дальнейшей работе двигателя его ко­ личество изменяется незначительно. Равновесие достигается за счет того, что выгорание и удаление нагаров из камеры сгорания происхо­ дит примерно с той же скоростью, с какой они образуются в данный момент. Это явление, известное под названием самоочищение камеры сгорания, экспериментально наблюдали через кварцевое окно в голов­ ке цилиндров. Окисление смолистой части углеродистых нагаров со­ провождалось ярким свечением.

Причины, вызывающие увеличение требуемого октанового числа топлива из-за образования нагара в камере сгорания двигателя, могут быть разделены на три основные группы.

1.Влияние нагара на объем камеры сгорания. Отложение нагара занимает часть объема камеры сгорания, поэтому в его присутствии увеличивается степень сжатия двигателя и соответственно возрастают требования к детонационной стойкости применяемых бензинов.

2.Термическое влияние нагара. Склонность топливо-воздушной смеси к детонации увеличивается с повышением температуры. Отло­ жения нагара обладают хорошими теплоизоляционными свойствами

ипрепятствуют теплопередаче от горячих газов к охлаждающей жид­ кости. Кроме того, экспериментально установлено, что отложения име­ ют большую теплоемкость и, поглощая тепло при сгорании топлива, отдают его вновь поступающим порциям смеси, нагревая их до высо­ ких температур. Такое совместное действие, как передача тепла све­ жим порциям смеси и уменьшение отвода тепла от продуктов сгора­ ния, приводит к общему повышению температуры в камере сгорания

испособствует протеканию реакций, подготавливающих детонацию. Теплопроводность нагара, образовавшегося при работе двигателя на неэтилированном бензине, примерно такая же, как теплопроводность асбеста.

3.Каталитическое влияние нагара. Горячие отложения на стенках камеры сгорания способствуют каталитическому ускорению реакций,

вызывающих детонацию.

Влияние каждого из перечисленных свойств нагара на повышение требований к октановому числу бензина неодинаково. Многочислен­ ные исследования показывают, что наибольшее влияние оказывает тер­ мическое действие нагара.

При сгорании этилированных бензинов образуется большее коли­ чество нагаров, но в их составе содержится значительное количество продуктов разложения свинца, которые повышают теплопроводность нагара примерно в 1,5 раза.

Таким образом, при использовании этилированных бензинов отно­ сительная роль объемного влияния нагара больше, чем влияние его

90

теплоизоляционных свойств на повышение требований к детонацион­ ной стойкости применяемых бензинов.

Каталитическое влияние нагаров на увеличение требуемого окта­ нового числа невелико при сгорании как этилированных, так и неэти­ лированных бензинов.

Ранёе уже отмечалось, что отложения нагара могут вызывать не­ управляемое воспламенение рабочей смеси. Частички углеродистого нагара, «тлеющие» в камере сгорания, могут служить источником про­

явление наблюдается в случае применения бензинов, содержащих ме­ таллоорганические антидетонаторы, так как в этом случае нагары имеют повышенную электропроводность. В частности, одним из наибо­ лее существенных недостатков нового марганцевого антидетонатора является нарушение работы свечей зажигания.

Усовершенствование автомобильных двигателей и повышение их мощностных и экономических показателей сопровождается увеличе­ нием степени сжатия рабочей смеси. Новые форсированные двигатели с высокими степенями сжатия и жесткими тепловыми режимами осо­ бенно чувствительны к нагарообразованию в камерах сгорания. Рабо­ чая смесь по мере повышения степени сжатия становится в конце такта сжатия все более и более подготовленной к воспламенению. Такая смесь легко воспламеняется от горячих частиц нагара.

Кроме того, отложение нагара в двигателях с высокими степенями сжатия приводит к необходимости увеличения детонационной стой­ кости высокооктановых бензинов,'что связано не только с технически­ ми трудностями, но и с большими экономическими затратами.

Таким образом, проблема уменьшения нагарообразования в сов­ ременных автомобильных двигателях с высокими степенями сжатия имеет первостепенное значение.

Широкие исследования современных отечественных бензинов и их компонентов проведены с помощью ускоренного метода оценки на­ гарообразующих свойств топлив и масел на автомобильном карбюра­ торном двигателе.

Метод, названный авторами методом ПЛ, основан на испытании ис­ следуемого образца бензина на полноразмерном двигателе в течение 1 ч. Результаты испытания оценивают по изменению веса нагарников, вставляемых на время испытания в камеры сгорания двигателя.

По методу ПЛ была исследована склонность к образованию нагара у ряда товарных бензинов и их компонентов (табл. 25).

Наибольшую склонность к нагарообразованию показали бензины А-66. В этих бензинах около 70% бензина термического крекинга и 30% бензина прямой перегонки. Минимальная склонность к нагаро­ образованию оказалась у бензинов Б-70 и А-72. В состав бензина А-72 входило 70% бензина каталитического крекинга и около 30% бензина прямой перегонки. Следует отметить, что количество непредельных

91

углеводородов, содержащихся в бензине А-72, было примерно такое же, как и в бензинах А-66.

При работе автомобильного двигателя на авиационном бензине Б-70 нагара образуется примерно в 2,5—3,0 раза меньше, чем на авто­ мобильных бензинах А-66.

Наименьшую склонность к иагарообразованию среди компонентов автомобильных бензинов имеют продукты прямой перегонки нефти. При работе на таких бензинах нагара образуется всего от 5 до 13 мг/ч. Наибольшую склонность к иагарообразованию имеют бензины терми­ ческого крекинга и каталитического риформинга жесткого режима. При их сгорании образуется в 6—7 раз больше нагара, чем при сгора­ нии бензинов прямой перегонки. Бензины других каталитических про­ цессов по склонности к иагарообразованию занимают промежуточное положение между бензинами прямой перегонки и термического кре­ кинга.

Склонность смесей бензинов к иагарообразованию, как показали исследования, изменяется по закону аддитивности.

Данные по склонности к иагарообразованию отдельных компонен­ тов бензинов и аддитивность этого свойства для бензиновых смесей позволяют правильно и обоснованно подойти к решению вопросов оп­ тимального компонентного состава не только для существующих, но и для новых, перспективных сортов товарных автомобильных бен­ зинов.

Склонность автомобильных бензинов к иагарообразованию зави­ сит главным образом от содержания в них непредельных и ароматиче­ ских углеводородов. Содержание непредельных углеводородов в бен­ зине с точки зрения нагарообразования имеет большее значение, чем содержание ароматических. В присутствии большого количества не­ предельных углеводородов ароматические углеводороды практически

92

не влияют на процесс образования нагара. Однако, когда непредельные углеводороды отсутствуют, добавление ароматических углеводородов

вбензин приводит к увеличению нагарообразования. Добавление 30% толуола к бензину Б-70 увеличивает нагарообразование почти в 2 раза.

Однако общее количество непредельных углеводородов в бензине не может служить критерием оценки его склонности к нагарообразованию. Так, в бензине А-72 непредельных углеводородов содержалось столь­ ко же, сколько в бензине А-66, а склонность его к нагарообразованию оказалась значительно ниже. Объяснение этому обстоятельству кроет­ ся в различном строении непредельных углеводородов. Известно, что

вбензине термического крекинга содержатся более реакционно спо­

собные непредельные углеводороды, чем в бензине каталитического крекинга.

Однако современные высокооктановые бензины либо вообще не содержат непредельных углеводородов, либо содержат небольшое количество относительно неактивных углеводородов этого класса. Склонность к нагарообразованию таких бензинов обусловливается количеством и строением ароматических углеводородов. С повышением молекулярного веса ароматического углеводорода и температуры ки­ пения его влияние на нагарообразование, как правило, увеличи­ вается.

Следует полагать, что в процессе образования нагара в карбюра­ торном двигателе испаряемость углеводородов приобретает решаю­ щее значение. Низкокипящие ароматические углеводороды (бензол и толуол) успевают испариться во впускной системе двигателя и в предпламенных стадиях, находясь в паровой фазе, не подвергаются окис­ лению, конденсации и уплотнению с последующим образованием угле­ водистых продуктов, составляющих нагар. Высококипящие аромати­ ческие углеводороды, долгое время оставаясь в жидкой фазе, под воздействием высоких температур претерпевают окислительные пре­ вращения и служат источником образования нагара.

Испытания на двигателях показали, что с увеличением количества ароматических углеводородов склонность этилированных бензинов к нагарообразованию также возрастает.

Ароматические углеводороды являются ценными составляющими автомобильных бензинов, так как обладают высокой детонационной стойкостью. Однако содержание их в товарных бензинах должно быть ограничено вследствие повышения нагарообразования в двигателе. Прямое сопоставление детонационной стойкости бензинов и их склон­ ности к нагарообразованию в зависимости от содержания ароматичес­ ких углеводородов (рис. 37) позволило предложить норму содержания ароматических углеводородов в товарных автомобильных бензинах.

Установлено, что удельный прирост количества нагара в камере сгорания, т. е. прирост количества нагара в результате добавления ароматических углеводородов в количестве, соответствующем повыше­ нию детонационной стойкости топлива на одну октановую единицу, остается практически неизменным для различных ароматических угле­ водородов, когда содержание их в бензине изменяется в пределах от 0% до 40—45%. При большем содержании ароматических угле-

93

водородов резко повышается удельный прирост количества нагара

(см. рис. 37).

Таким образом, содержание ароматических углеводородов в то­ варных автомобильных бензинах не должно быть более 40%. Эта нор­ ма нуждается в дальнейшем обосновании и проверке в эксплуатацион­

ных условиях.

Среди неуглеводородных примесей наибольшее влияние на нагарообразование могут оказывать сернистые и кислородные соединения./ Об участии сернистых соединений в образовании нагаров говорит то, что в составе нагаров всегда отмечается относительно большое со­ держание серы. Прямые испытания бензинов с различным количеством серы показали, что с увеличением содержания серы в бензине возраста­

ет его склонность к нагарообразованию, а именно:

Различное содержание фактических смол в бензине в пределах до­ пустимых норм практически не влияет на нагарообразование в дви­ гателе. Однако при длительной работе двигателя на бензинах с боль­ шим содержанием фактических смол или даже при кратковременных испытаниях бензинов с чрезвычайно большим количеством смол заме­ чено некоторое увеличение нагарообразования, которое является след­ ствием механического уноса некоторой части смолистых отложений из

94