Испаряемость
Испаряемость бензина характеризует условия смесеобразования и состав горючей смеси во впускной системе двигателя, склонность бензина к образованию паровых пробок в топливной системе автомобиля, а также полноту сгорания бензина и степень разжижения моторного масла бензиновыми фракциями. Испаряемость бензина оценивается следующими комплексными и единичными показателями, определяемыми лабораторными методами: фракционным составом, давлением насыщенных паров, склонностью к образованию паровых пробок (соотношение пар-жидкость).
Фракционный состав-содержание в бензине фракций, выкипающих в определенных температурных пределах (выражаемое в % об.). С фракционным составом бензина связаны такие характеристики двигателя, как легкий и надежный запуск, длительность прогрева, приемистость, полнота сгорания и расход топлива, образование отложений в камере сгорания
РИС. 3. Прибор для разгонки нефтепродуктов:
1-колба; 2-термометр: 3-верхний кожух нагревателя; 4-прокладка; 5-нижний кожух нагревателя; 6-холо-дильник; 7-мерный цилиндр.
РИС. 4. Кривые перегонки автомобильных бензинов разных марок:
1-АИ-93 летнего вида; 2-А-72 летнего вила; З-А-76 зимнего вида.
и ряд других [29]. Фракционный состав определяют по методу ГОСТ 2177-82 разгонкой 100см3 бензина в регламентируемых стандартом условиях на специальном приборе (рис. 3).
Стандартными единичными показателями фракционного состава отечественных автомобильных бензинов согласно ГОСТ 2084-77 являются:
температуры начала перегонки, перегонки 10, 50 и 90% и конца кипения;
объем остатка в колбе;
' сумма потерь при разгонке и остатка в колбе, которая равна разности между объемом бензина, залитым в колбу, и объемом дистиллята в мерном цилиндре после окончания разгонки.
Для исследовательских целей при определении фракционного состава фиксируют температуры перегонки каждых 10% бензина и по этим данным строят кривую перегонки бензина в координатах объем бензина (%)-температура (°С). Типичные кривые перегонки товарных бензинов разных марок представлены на рис. 4.
Давление насыщенных паров бензина-это давление паров, находящихся в равновесии с жидкой фазой при определенных соотношениях объемов жидкой и паровой фаз и данной температуре. Давление насыщенных паров дает дополнительную характеристику по содержанию и составу низкокипящих фракций бензина. По величине давления насыщенных паров можно судить: о пусковых свойствах бензина, о склонности бензина к образованию паровых пробок в топливной системе двигателя, о возможных потерях бензина при транспортировании и хранении.
Давление насыщенных паров бензина определяют статическим прямым или косвенным методом. Среди первых широко распространен метод определения в бомбах. В основном используют бомбу Рейда (рис. 5)-прибор, принятый в ряде стран, в том числе и в СССР, в качестве стандартного.
Прибор Рейда состоит из двух стальных камер, соединенных на резьбе. Верхняя камера по объему в 4 раза больше нижней и имеет штуцер для соединения с манометром (на рисунке не показан). Метод определения давления насыщенных паров в бомбе по ГОСТ 1756-52 соответствует зарубежным методам ASTMD 323 (США) и IP 69 (Великобритания).
Для определения давления насыщенных паров пробу бензина (~ 150 см3) предварительно охлаждают в ледяной ванне, затем заливают в нижнюю камеру прибора Рейда, также охлажденную в ледяной ванне, и плотно соединяют нижнюю (топливную) камеру с верхней (воздушной), ополоснутой водой. После этого прибор помещают в вертикальном положении в водяную баню, нагретую до температуры 38 + 0,3 °С. По манометру измеряют избыточное давление в верхней камере. Обычно для измерения давления используют ртутный манометр либо пружинный, отградуированный в кгс/см2.
Пересчет давления насыщенных паров, измеренного при данной температуре и атмосферном давлении, в. другие единицы измерения в соответствии с техническими условиями (стандартами) на бензин проводят по формулам:
1 Па = 7,5024 • 10-3 мм рт. ст. = 1,02 • 10-5 ГС/см2
Кроме прямого метода по ГОСТ 1756-52 для определения давления насыщенных паров бензина в СССР используют косвенный метод по ГОСТ 6668-53 на приборе Валявского - Бударова. Метод основан на оценке увеличения объема паровоздушной смеси после испарения топлива в газовой бюретке при постоянном давлении и соотношении начальных объемов воздуха и топлива, равном 1:1. Схема прибора Валявского - Бударова для измерения давления насыщенных паров приведена на рис. 6.
При проведении испытания в системе с помощью уравнительной склянки 11 создают сифон и оставляют в бюретке 2 необходимый объем воздуха. Затем испытуемое топливо сливают из пипетки 8 в бюретку. После достижения равновесного состояния измеряют объем образовавшейся паровоздушной смеси. Давление насыщенных паров бензина Рнас рассчитывают по формуле:
где Vвозд, Vсм - объем чистого воздуха (до испарения) и паровоздушной смеси (после испарения) соответственно; Ратм - атмосферное давление; Рж- давление насыщенных паров напорной жидкости (воды).
Метод Валявского - Бударова не пригоден для испытания бензинов, содержащих спирты, поскольку при контакте с напорной жидкостью (водой)
РИС. 5. Прибор для определения давления насыщенных паров моторных топлив (бомба Рейда):
1-топливная камера; 2-воздушная камера; 3-штуцер; 4-газовый кран.
РИС. 6. Прибор Валявского - Бударова для определения давления насыщенных паров моторных топлив:
1-стакан; 2-бюретка; 3-барометрическая трубка; 4-мешалка; 5, 6-краны; 7-резиновая трубка; 8-пипетка; 9-термометр; 10-барометрическая трубка; //-уравнительная склянка.
Таблица 1. Результаты определения давления насыщенных паров образцов автомобильных бензинов разными методами (данные Е.Я.Важник)*
Бензины |
Давление насыщенных паров, мм рт.ст. (кПа) |
Абсолютная разность результа- тов, мм рт. ст. (кПа) |
Относительное отклонение от средней величины, % |
|
ГОСТ 1766-52 |
ГОСТ 6668-53 |
|||
АИ-93 |
|
|
|
|
образец 1 |
316 (42,1) |
326 (43,5) |
10 (1,33) |
± 1,6 |
образец 2 |
444 (59,2) |
452 (60,3) |
8 (1,1) |
±0,9 |
А-76 |
|
|
|
|
образец 1 |
641 (84,4) |
642 (84,6) |
1 (0,13) |
± 0,07 |
образец 2 |
584 (77,9) |
586 (78,1) |
2 (0,27) |
± 0,17 |
А-72 |
645 (86,0) |
627 (83,4) |
18 (2,5) |
±1,4 |
Смесь А-76 и метанола |
|
|
|
|
98% + 2% |
700 (93,3) |
603 (80,4) |
97 (12,9) |
±7,4 |
90% + 10% |
701 (93,4) |
642 (25,6) |
59 (7,9) |
± 4,4 |
* 1 мм рт.ст. = 133,32 Па.
такой бензин расслаивается, и спирт переходит в водную фазу. Результаты определения давления насыщенных паров бензинов, состоящих из обычных углеводородных компонентов, имеют вполне удовлетворительную воспроизводимость. Данные же испытаний бензино-метанольных смесей существенно различаются при использовании методов ГОСТ 1766-52 и ГОСТ 6668-53 (табл. 1).
Склонность бензина к образованию паровых пробок в системе подачи топлива карбюраторного двигателя оценивается наиболее объективно по величине фазового соотношения пар-жидкость, т.е. отношению объемов паровой и жидкой фаз бензина, испарившегося при определенных условиях.
В зарубежных спецификациях на автомобильные бензины, например, в спецификациях ASTMD 438 США фазовое соотношение «пар-жидкость» является обязательным показателем. Для его определения применяют метод ASTMD 2633, заключающийся в измерении объема паров, образовавшихся в результате испарения 1 мл бензина при заданной фиксированной температуре и нормальном давлении (760 мм рт. ст.).
Фазовое соотношение пар-жидкость для каждой фиксированной температуры нагрева бензина Ф, рассчитывают по формуле:
Фt = Vt/V0
где Vt - объем паровой фазы, измеренный в равновесии с жидкостью (жидким бензином) при данной фиксируемой температуре tи нормальном атмосферном давлении, см3; V0-начальный объем пробы бензина, см3.
В СССР фазовое соотношение пар-жидкость определяют по ГОСТ 22055-76 (аналогичному методу ASTMD 2633) с использованием установки, схема которой представлена на рис. 7. Основным узлом установки является паровая бюретка 2, изготовленная из стекла. Нижний боковой отвод паровой бюретки закрывается пробкой из эластичной резины 3. Бюретку 2 и уравнительную склянку 5 заполняют глицерином.
РИС. 7. Установка для определения фазового соотношения пар - жидкость бензина:
1-водяная баня с регулируемой температурой; 2-паровая бюретка; 3--резиновая пробка; 4-резиновая трубка; 5-уравнительная склянка.
Результаты определения соотношения пар-жидкость для бензинов разных марок в зависимости от температуры приведены на графиках рис. 8. Как видно из рисунка, бензины, мало различающиеся давлением насыщенных паров (например, образцы 1 и 5), существенно различны по фазовому соотношению пар-жидкость при одинаковых температурах, что свидетельствует об отсутствии прямой взаимной зависимости этих показателей.
Были исследованы условия образования паровых пробок в топливной системе двигателя наиболее массового советского грузового автомобиля ЗИЛ-130 [30]. Установлено, что при работе двигателя без нагрузки критическое соотношение пар-жидкость при частоте вращения коленчатого вала 1400 и 2000 мин ~ 1 равно соответственно 29-32 и 22-23, независимо от стандартной величины давления насыщенных паров, которая для испытанных образцов бензина А-76 составляла 413-550 мм рт.ст. (55-73 кПа). Эти данные подтверждают, что склонность бензинов к образованию паровых пробок более надежно оценивается показателем соотношение пар — жидкость, а не давлением насыщенных паров. При испытании двигателя ЗИЛ-130 в стендовых условиях были найдены критические значения показателя соотношение пар-жидкость, исключающие образование паровых пробок в широком диапазоне оборотов и нагрузок (табл. 2).
Таблица 2. Температура образования паровых пробок и критическое
фазовое соотношение пар-жидкость для стандартного бензина А-76
при разных режимах работы двигателя ЗИЛ-130 в стендовых условиях [30]
Частота вращения коленчатого вала, мин ~ 1 |
Нагрузка двигателя от номинальной, % |
Температура образования паровой пробки, °С |
Критическое фазовое соотношение пар -жидкость |
600 |
0 |
71,0 |
75,5 |
1000 |
0 |
68,0 |
63,5 |
1400 |
0 |
66,5 |
57,5 |
2000 |
0 |
63,5 |
45,5 |
1000 |
30 |
58,0 |
26,0 |
1400 |
40 |
56,0 |
20,0 |
2000 |
50 |
52,0 |
10,0 |
РИС. 8. Зависимость фазового соотношения пар-жидкость бензина разных марок от температуры :
1-A-72 (Рнас =469 мм рт.ст.); 2-А-72(Рнас = 536 мм рт.ст.); 3 - А-76(Рнас = 487 мм рт. ст.); 4 - А-72(Рнас = 441 мм рт.ст.); 5 - АИ-93 (Рнас = 447 мм рт.ст.)
Учитывая результаты испытаний, приведенные в табл. 2, допустимое значение соотношения пар-жидкость для бензина А-76, применяемого на автомобилях ЗИЛ-130, составляет 26 при температуре 58 °С.