Jak dlouho trvá, než se benzín odpaří – důvody a faktory ovlivňující rychlost odpařování

Aby bylo zajištěno úplné shoření směsi v motoru ve velmi krátké době, je nutné převést benzín z kapalného skupenství do stavu parního a páry smíchat s určitým objemem vzduchu, tj. vytvořit hořlavou směs. Tato směs vzniká nejčastěji mimo válec motoru, v karburátoru. Odpařování benzínu začíná v karburátoru po atomizaci, pokračuje v sacím potrubí a končí ve spalovacích prostorech motoru.

Těkavost benzinu musí být taková, aby zajistila vytvoření směsi páry se vzduchem, kterou lze zapálit pomocí elektrické jiskry. V tomto případě musí být směs hořlavá ve všech provozních režimech motoru za všech klimatických podmínek. Kromě toho by měla volatilita

být takové, aby zajistily úplný přechod benzinu z kapalného do plynného stavu před dokončením spalovacího procesu ve válcích motoru, motory se zážehovým zážehem mají nejpřísnější požadavky na těkavost paliva, proto používají nejlehčí benzinové frakce ropných produktů.

Těkavost paliv závisí na fyzikálních vlastnostech paliv a podmínkách odpařování. Těkavost paliv je ovlivněna: jemností rozprašování, rychlostí proudění vzduchu, teplotou a tlakem vzduchu a dalšími faktory v závislosti zejména na konstrukčních vlastnostech energetických soustav motoru [7].

Fyzikální vlastnosti, které určují rychlost a úplnost odpařování benzinu, zahrnují frakční složení, tlak nasycených par, výparné teplo, koeficient difúze par, viskozitu, povrchové napětí, tepelnou kapacitu a hustotu.

Tlak nasycených par benzínu se obvykle určuje dvěma metodami. Podle Reidovy metody se zaznamenává tlak nasycených benzinových par ve speciální bombě pomocí tlakoměru při 38 CC a poměru kapalné a parní fáze rovném 1:4. Podle metody vyvinuté Valyavským a Budarovem se změna objemu směsi páry a vzduchu určuje, když se benzín zahřeje na 38 ° C ve skleněném zařízení s fázovým poměrem 1: 1. Se zvýšením poměru z páry na kapalnou fázi se tlak nasycených par benzínu snižuje. K tomu dochází v důsledku toho, že obsah snadno hořlavých uhlovodíků v benzínu je omezený a při nasycení velkého objemu parní fáze je naměřený tlak nasycených par poněkud nižší. Výsledky z Reidovy metody jsou obvykle o 8-10 kPa nižší než hodnoty získané metodou Valyavsky-Budarov.

Frakční složení benzinu se určuje destilací za standardizovaných podmínek pomocí speciálního zařízení. Zaznamenávají se teploty, při kterých začíná a končí destilace benzinu, a oddestiluje se jeho určitý objem.

Výchozí vlastnosti a sklon k tvorbě parozámků

Při startování motoru se musí benzin v sacím systému odpařit natolik, aby se vzduchem vytvořila směs, kterou lze zapálit jiskrou. Čím více nízkovroucích frakcí obsahuje, tím lepší jsou výchozí vlastnosti benzinu.

Závislost teploty případného startu motoru na tlaku nasycených par je složitější (obr. 3). Při tlaku nasycených par pod 33,3 kPa se výchozí vlastnosti benzinu prudce zhoršují [4].

Výchozí vlastnosti benzinu se tedy zlepšují, když se frakční složení benzinu stává lehčím. Ale použití velmi lehkých benzinů způsobuje další provozní potíže — vytváření parních zámků v systému napájení motoru.

Výskyt parních uzávěrů a související problémy při provozu motoru jsou vysvětleny následovně. Při zahřívání benzinu v energetickém systému se odpařují nízkovroucí uhlovodíky a tvoří se páry, jejichž objem je 150-200krát větší než objem kapalného benzinu. V důsledku toho proudí energetickým systémem směs kapaliny a benzínových par s malým objemem vzduchu, který byl předtím v benzínu a uvolňoval se z něj při zahřátí. Hmotnostní výkon palivového čerpadla klesá. Při běžícím motoru automobilu v létě se může benzín zahřát na takovou teplotu, při které se tvoří tolik par, že se hořlavá směs v důsledku náhlého vyčerpání nemůže vznítit od zapalovací jiskry. Motor se v tomto okamžiku „zastaví“. Všechny vnější projevy vypínání motoru jsou stejné jako při ucpání palivového potrubí, proto se tomuto jevu říká „vapor lock“.

Následující závislosti maximálních teplot ohřevu benzínu tп, při kterých se motor zastavuje v důsledku tvorby parních zámků, na teplotách začátku varu tnk, destilaci 10% t10% a tlaku nasycených par benzínu p (v kPa) byly stanoveny:

Je třeba poznamenat, že teplota ohřevu benzínu v energetickém systému motoru může být o 20-40 °C vyšší než okolní teplota v důsledku zahřívání benzínu v motorovém prostoru automobilu sáláním tepla z motoru.

Atmosférický tlak má významný vliv na tvorbu parních zámků v systému napájení motoru. S prudkým nárůstem nadmořské výšky prudce klesá atmosférický tlak a teplota benzínu klesá pomalu. Při provozu letadel s pístovými motory, ale i automobilů ve vysokohorských oblastech se vytvářejí příznivé podmínky pro tvorbu parních zámků. Letecký benzín proto obsahuje méně nízkovroucích frakcí než automobilový benzín. Přípustná výška letu letadla s pístovým motorem závisí na tlaku nasycených par použitého benzínu (obr. 4).

Použití benzinu s vysokým obsahem nízkovroucích frakcí je kromě tvorby parních zámků doprovázeno námrazou karburátoru a zvýšenými ztrátami benzinu při skladování a přepravě [4> – námraza karburátoru vzniká v důsledku prudkého poklesu teploty v sacím systému v důsledku odpařování nízkovroucích benzinových frakcí. Teplo potřebné k odpaření benzinu (výparné teplo) se odebírá ze vzduchu, ve kterém dochází k odpařování, a z kovových částí karburátoru a celého sacího systému. Čím více nízkovroucích frakcí v benzínu, tím nižší je teplota směsi vzduch-palivo. Za určitých podmínek vlhkost přítomná ve vzduchu zamrzá a kondenzuje na chladných částech a vytváří krusty ledu. Při vysoké vlhkosti vzduchu může škrticí klapka přimrznout k difuzoru a motor se zastaví.

Bylo zjištěno, že například při okolní teplotě + 7,5 ° C klesne teplota škrticí klapky 2 minuty po nastartování motoru na -14 ° C.

Pokles teploty v sacím systému motoru, a tedy námraza karburátoru, závisí na odpařování benzínu (obr. 5). Čím vyšší je těkavost benzínu, tím větší je riziko námrazy karburátoru. To se bere v úvahu při vývoji optimálního frakčního složení a tlaku nasycených par. V technických specifikacích nejsou žádné zvláštní požadavky na kvalitu benzínu, aby se zabránilo námraze karburátoru.

Benziny s vysokým obsahem nízkovroucích frakcí jsou náchylnější ke ztrátám odpařováním a znečištění ovzduší parami uhlovodíků.

Požadavky na obsah nízkovroucích frakcí v benzinu jsou tedy rozporuplné. Z hlediska výchozích vlastností benzinu platí, že čím více jich je, tím lépe; z hlediska tvorby parozámků, námrazy karburátoru a ztrát vypařováním je lepší, když je takových frakcí méně. Optimální obsah nízkovroucích frakcí v benzinu závisí na klimatických podmínkách provozu vozidla. Pro území naší země je technicky oprávněné rozdělit benzíny na dva celosezónní pásmové (severní a jižní) a dva sezónní stupně (tabulka 2) pro střední klimatický pás (zimní a letní). S ohledem na potíže s výrobou a expedicí benzinu různých frakcí však norma počítá s výrobou automobilových benzinů pouze pro zimní a letní typy. Benziny s optimální volatilitou umožňují spolehlivý provoz vozidel v kteroukoli roční dobu, ve všech klimatických pásmech naší země.

V leteckém benzínu je obsah nízkovroucích uhlovodíků výrazně omezen, protože tvorba parních zámků ve všech výškách letu je nepřijatelná. Tlak nasycených par všech značek leteckého benzinu není vyšší než 48 kPa a počáteční bod varu není nižší než 40 °C. Aby byly zajištěny výchozí vlastnosti, tlak nasycených par leteckého benzinu by neměl být nižší než 29,3–32,0 kPa (tabulka 3).

Zahřívání a odezva motoru

Teplota destilace 50% (obj.) benzínu je omezena na základě požadavků na odezvu motoru a dobu jeho zahřívání. Odezvou motoru rozumíme jeho schopnost rychle zrychlit vůz na požadovanou rychlost po prudkém otevření plynu.

Zahřívání motoru pokrývá dobu od okamžiku nastartování až do dosažení hladkého a stabilního provozu. Čím rychleji se motor zahřeje, tím méně promarněného času a spotřeby benzínu a tím menší opotřebení dílů motoru. Doba zahřívání motoru souvisí s teplotou destilace 50% (obj.) benzínu a závisí na teplotě vzduchu, při které se motor zahřeje. S klesající teplotou vzduchu je potřeba benzín s nižší destilační teplotou 50 % (obj.) benzínu. V důsledku výzkumu byly stanoveny následující požadavky na frakční složení benzínu:

Splnění těchto požadavků na bod varu 50% (obj.) benzínu zajišťuje nejen rychlé zahřátí motoru, ale také jeho dobrou odezvu na plyn.

Opotřebení a účinnost motoru

Účinnost chodu motoru a opotřebení jeho částí souvisí s destilačními teplotami 90% (obj.) benzínu a koncem jeho bodu varu.

Při vysokých teplotách se těžké benzinové frakce v sacím potrubí motoru neodpařují a do válců se dostávají v kapalné formě. Kapalná část benzínu se ve spalovacím prostoru zcela neodpaří a protéká uzávěry a mezerami pístních kroužků do klikové skříně motoru. V tomto případě část benzínu neshoří a účinnost motoru se zhoršuje (obr. 6). Kromě toho těžké frakce benzinu odplavují olej ze stěn válců, což způsobuje polosuché tření a v důsledku toho zvýšené opotřebení třecích částí motoru. Zvýšení bodu varu benzinu je doprovázeno zvýšením nerovnoměrného rozložení spalitelné směsi po válcích motoru, zvýšením sklonu k tvorbě karbonu atd. Snížení teploty destilace o 90 % (obj. ) a k.k. zlepšuje výkonnostní vlastnosti benzinu, ale zároveň výrazně snižuje jejich zdroje.

V současné době jsou stanoveny optimální teploty destilace 90 % (obj.) a konec varu (viz výše). Rozsáhlý rozvoj katalytického reformování benzinových frakcí však může vést k revizi optimálních teplot konečného varu komerčního automobilového benzinu (zejména u bezolovnatého AI-93 se státní značkou kvality). Jak je známo, během procesu katalytického reformování se zvyšuje bod varu benzínu v důsledku aromatizace. A na rozdíl od přímo destilovaných a tepelně krakovaných benzinů jsou uhlovodíky s nejvyšším oktanovým číslem koncentrovány ve vysokovroucích frakcích reformovaných benzinů. Snížení konečného bodu varu reformovaných benzínů zhoršuje jejich odolnost proti klepání.

Pro letecký benzin jsou destilační teploty 90 % (obj.) a koncové body varu ne vyšší než 145 a 180 °C, v daném pořadí, samozřejmě optimální a nevyžadují revizi, a to navzdory rozsáhlému zavedení katalyticky reformovaných benzinů jako základu pro příprava komerčních leteckých benzínů.