Справочник автолюбителя

4. Топливо для двигателей внутреннего сгорания

4.1. Химмотология топлива

Основная задача двигателя, установленного в автомобиль или другую машину, состоит в том, чтобы преобразовать тепловую энергию, образующуюся при сгорании топлива, в полезную механическую работу.

Горение топлива в двигателе представляет собой сложный физико-химический процесс, в основе которого лежат химические реакции соединения водорода и углерода топлива с кислородом воздуха. Водород топлива, соединяясь с кислородом воздуха, образует пары воды Н20, а углерод топлива, соединяясь с кислородом воздуха, образует при полном сгорании углекислый газ С02, а при неполном сгорании (при недостаточном количестве воздуха в топливо-воздушной смеси) – угарный газ СО.

Количество тепла, выделяемого при полном сгорании топлива, зависит от химического состава топлива (от количества содержащихся в нем углерода С и водорода Н), а также от структуры молекул углеводородов СН. Теплота сгорания каждого килограмма жидкого углеводородного топлива может быть в пределах 9600—10700 килокалорий (килокалорией называют количество тепла, необходимое для нагревания 1 кг воды на 1 °C).

Чем больше теплота сгорания топлива, тем меньше его расходует двигатель для совершения той же работы. Однако это не значит, что в любом двигателе можно, меняя состав топлива, добиваться желаемых высоких показателей эффективности. Дело в том, что топливо, способное выделять при сгорании больше тепла, требует для своего горения больше воздуха, а каждый двигатель устроен таким образом, что может потреблять ровно столько воздуха, сколько предусматривает его конструкция. Поэтому воздуха чаще всего не хватает, и сгорание оказывается неполным. При этом в продуктах сгорания, кроме «положенных» углекислого газа и воды, появляются свободный водород, уже упоминавшаяся окись углерода СО, несгоревшие углеводороды СхНу, а иногда и частицы свободного углерода.

Каким же должно быть моторное топливо?

В принципе, это может быть любое легковоспламеняющееся вещество в жидкой или газообразной фазе, хорошо смешивающееся с воздухом и отвечающее следующим требованиям: по возможности полное сгорание с максимальным выделением тепла; минимальное образование токсичных и коррозийно-активных веществ; удобство хранения и транспортирования; применяемость в различных климатических условиях: нетоксичность; невысокая стоимость.

Веществ с подобными свойствами в практике известно немало. Однако даже лучшему из них в смысле экологии – водороду (выхлопной газ – водяной пар) присущи недостатки: неудобство транспортирования и хранения, взрывоопасность в смеси с воздухом и низкая антидетонационная стойкость. Хорошие смеси с воздухом образуют многие спирты и органические растворители, но они вызывают повышенную коррозию деталей двигателя. Сжиженный газ имеет невысокую стоимость, малотоксичен, удобен при транспортировании и хранении, однако требует переоборудования бензинового двигателя.

Поэтому пока лучшими видами топлива для обычных двигателей внутреннего сгорания остаются традиционные продукты: бензины и дизельное топливо. Эта тенденция, очевидно, сохранится и в первой трети нынешнего тысячелетия. Затем, по прогнозам ученых, запасы нефти на Земле истощатся. Ведь они не бесконечны, а сейчас за одни сутки сжигается столько, сколько природа с помощью солнечной энергии способна восстановить лишь за 1000 лет. Кроме того, огромное количество нефти и нефтепродуктов теряется во время транспортирования. Только в «благополучное» Средиземное море из аварийных танкеров ежегодно выливается около миллиона тонн нефти, каждая капля которой образует на поверхности воды пленку диаметром 30 см. Однако нефть будут добывать и сжигать до тех пор, пока она не исчезнет полностью.

Автомобильные бензины представляют собой наиболее многочисленную группу моторного топлива. Они отличаются друг от друга и маркируются по величинам октановых чисел.

Октановое число характеризует способность бензина сгорать в двигателе внутреннего сгорания без детонации, то есть его детонационную стойкость.

Не углубляясь в тонкости теории поршневых двигателей, напомним, что после подачи искры в камеру сгорания через 0,001 секунды возникает пламя, фронт которого распространяется со скоростью 20–40 м/с. Сзади фронта пламени остаются раскаленные продукты сгорания; расширяясь, они сжимают свежую топливо-воздушную смесь, еще находящуюся впереди этого фронта. Последние не сгоревшие участки смеси к моменту приближения к ним фронта пламени оказываются сжатыми до 30–80 кгс/см2 и, вследствие сжатия, нагретыми до 300–700 °C.