В действительном цикле двигателя происходят физико-химические превращения рабочего тела. В цилиндр двигателя поступает свежий заряд — воздух или топливовоздушная смесь. Затем свежий заряд смешивается с оставшимися в камере сгорания остаточными газами, образуя рабочую смесь. В процессе сгорания при выделении теплоты рабочая смесь превращается в отработавшие газы (ОГ). Окислителем при горении топлива является кислород атмосферного воздуха. В качестве жидкого топлива для двигателя используют продукты переработки нефти — бензин и дизельное топливо, представляющие собой смеси различных углеводородов. Могут применяться и другие виды топлива — сжатый и сжиженный газы; синтетические топлива, получаемые переработкой угля, сланцев, битуминозных песков; спирты; эфиры и др.
К топливам предъявляют следующие требования:
— максимальное содержание химической энергии в единице объема и полнота выделения теплоты;
— минимальное образование токсичных продуктов;
— надежная подача топлива и высококачественное смесеобразование в широком диапазоне изменения внешних условий, на всех режимах работы двигателя, включая пуск;
— минимальная склонность к образованию нагара и коррозионно-агрессивных продуктов сгорания; высокая термическая стабильность и хорошие моющие свойства;
— стабильность свойств при хранении и транспортировании;
— отсутствие механических примесей и воды;
— возможно малая пожароопасность;
— приемлемая стоимость.
Свойства топлив делятся на физико-химические и эксплуатационные
Физико-химические свойства характеризуют состояние и состав топлива: плотность, поверхностное натяжение, вязкость, фракционный и химический состав.
Эксплуатационные свойства отражают необходимые энергетические, экономические и экологические показатели двигателей и надежность их работы (воспламеняемость, испаряемость, антидетонационные свойства, пусковые и низкотемпературные качества). Бензины для автомобильных двигателей представляют собой смеси углеводородов, которые выкипают в диапазоне температур 40…200 °С. В Российской Федерации производят бензины марок А-76, АИ-93, АИ-95, АИ-98, а также бензины с улучшенными экологическими свойствами. Цифры в марке бензина характеризуют его антидетонационные свойства, которые оценивают октановым числом (0Ч). Оно численно равно процентному содержанию в смеси изооктана с 0Ч = 100 и гептана с ОЧ = 0, которая имеет такую же детонационную стойкость, как и испытуемый бензин. Октановое число оценивают по моторному методу в единицах ОЧМ и по исследовательскому методу в единицах ОЧИ. ОЧИ > ОЧМ на 8…12 единиц. Эту разницу называют чувствительностьюбензина к октановому числу.
Наименьшей детонационной стойкостью обладают парафины, наибольшей — ароматические углеводороды. Октановое число бензина повышают добавкой в него низкокипящих высокооктановых углеродов или кислородосодержащих веществ — метилового спирта, метилтетрабутилового эфира и других антидетонационных присадок (тетраэтилсвинца и тетраметилсвинца, а также металлокарбонатов, алкилгалогенидов). Применение присадок на основе свинца ограничено в эксплуатации из-за их токсичности. При увеличении степени сжатия и диаметра цилиндра необходимо использовать топливо с большим октановым числом.
Испаряемость бензинов определяется их фракционным составом и давлением насыщенных паров. Испаряемость влияет на пусковые свойства двигателя при низких температурах, на склонность к образованию паровых пробок в системе питания при высоких температурах, а также на приемистость двигателя.
Прокачиваемость, склонность к образованию отложений, коррозионная активность являются важными эксплуатационными свойствами бензинов.
Дизельные топлива для автомобильных и тракторных дизелей производят из гидроочищенных фракций прямой перегонки нефти.
В Российской Федерации производят дизельное топливо, предназначенное для использования при различных температурах окружающего воздуха: Л (летнее) — О °С и выше, З (зимнее) — минус 20 °С и выше; А (арктическое) — минус 50 °С и выше.
Важными эксплуатационными качествами дизельного топлива являются испаряемость, воспламеняемость, низкотемпературные свойства.
Испаряемость дизельного топлива зависит от фракционного состава, плотности и вязкости.
Воспламеняемость дизельных топлив оценивают цетановым числом (ЦЧ). Его определяют по объемному содержанию цетана (ЦЧ= 100) в смеси с
а-метилнафталином (ЦЧ = 0), которая при испытании на одноцилиндровой установке имеет одинаковую воспламеняемость с исследуемым топливом. Для быстроходных дизелей ЦЧ = 45. Пусковые свойства дизеля улучшаются при повышении ЦЧ.
Приближенная связь между ОЧ и ЦЧ выражается зависимостью: ЦЧ = 60 — ОЧ/2. Таким образом, топливо, обладающее высоким ЦЧ (хорошей воспламеняемостью), имеют малое ОЧ (низкую детонационную стойкость). При снижении температуры до определенных значений дизельное топливо мутнеет, из него начинают выпадать кристаллы углеводородов. При дальнейшем понижении температуры дизельное топливо теряет способность проходить через фильтр с необходимой скоростью. Далее оно застывает. Для улучшения низкотемпературных свойств дизельное топливо очищают от парафиновых углеводородов и обогащают специальными присадками.
Газообразные топлива,применяемые в автомобильных двигателях, по агрегатному состоянию при нормальных условиях подразделяют на сжатые и сжиженные.
В сжатом газе (обычно это природный газ) до 95% метана СН4.
Сжиженные газы являются в основном продуктами переработки попутных газов и газов газоконденсатных месторождений. Они содержат бутан-пропановые и бутилен-пропиленовые смеси, находящиеся при нормальной температуре в жидком состоянии. Объемная теплота сгорания газов существенно меньше, чем жидких топлив. Основные достоинства газовых топлив в сравнении с бензиновыми: вследствие высокой эффективности сжигания могут обеспечить больший КПД; позволяют значительно увеличить степень сжатия; обеспечивают надежный пуск при низких температурах; удовлетворительные экологические свойства, обусловленные отсутствием свинца, оксидов металлов, ароматических углеводородов, низким содержанием серы.
Водород является перспективным топливом, которое обладает наиболее высокой теплотой и температурой сгорания и образует «чистые» продукты при сгорании, не считая оксидов азота. Препятствиями для применения водорода являются высокая стоимость его получения, трудности с хранением и заправкой.
Кислородосодержащие соединения,применяемые в качестве топлива для двигателей — спирты (метанол, этанол, пропанол), эфиры и растительные масла. Наибольшее применение нашел метанол, который получают из угля, сланцев, древесины, биомассы. Октановое число спиртов больше, чем у бензинов, поэтому их целесообразно применять в двигателях с искровым зажиганием. Однако они обладают существенными недостатками: низкой теплотой сгорания, коррозионностью, высокой теплотой испарения, гигроскопичностью. Производные спиртов (метилтетрабутиловый эфир, диметиловый эфир) лишены этих недостатков.
Водотопливные эмульсиисущественно снижают содержание сажи и оксидов азота в отработавших газах, повышают эффективность дизельных топлив. Обычно используют эмульсии типа «вода в топливе», в которых объемное содержание воды составляет 10…40 %. Эмульсии снижают температуру пламени и повышают полноту сгорания благодаря улучшению смесеобразования топлива с воздухом из-за «микровзрывов» капель воды.
К недостаткам эмульсий можно отнести склонность к расслоению с топливом и невозможность их использования при низких температурах.
Синтетические топливаприменяют как в чистом виде, так и в качестве добавок к углеводородным топливам. Они могут быть получены из каменного угля в виде синтетических бензинов и дизельных топлив, метанола. Недостатки таких топлив — меньшая теплота сгорания, большее содержание серы и соединений азота, повышенная температура застывания.