Бензины используются только в поршневых двигателях с принудительным воспламенением горючей смеси электрической искрой. Смесь топлива с воздухом готовится при относительно низких температурах либо в специальном приборе — карбюраторе, либо во впускном трубопроводе или камерах сгорания, куда бензин впрыскивается с помощью форсунок.
Непосредственный впрыск бензина осуществляется преимущественно в авиационных поршневых двигателях и в некоторых автомобильных двигателях, в основном зарубежных, а также в двигателе перспективного отечественного автомобиля ВАЗ 2110. Подавляющее большинство поршневых ДВС с принудительным воспламенением, эксплуатирующихся в России, являются карбюраторными.
Схема топливной системы (системы питания) автомобильного карбюраторного двигателя. Бензин заливают в топливный бак 1, оборудованный горловиной, пробкой с клапаном и указателем уровня топлива. Из бака бензин засасывается насосом 4 диафрагменного типа и при небольшом давлении подается в карбюратор 5. По пути из бака в карбюратор установлен ряд топливных фильтров и фильтровотстойников для очистки бензина от механических примесей и воды.
Карбюратор — основной агрегат топливной системы. Он предназначен для дозирования топлива и воздуха, распыливания и частичного испарения топлива, смешения топлива и воздуха, а также для изменения количества топливовоздушной смеси, поступающей в цилиндры двигателя. Необходимость в подобном изменении возникает при перемене скорости движения автомобиля, изменении профиля дороги, появлении дополнительной нагрузки на двигатель и в других случаях.
Схема устройства простейшего карбюратора. Воздух из атмосферы проходит через воздухоочиститель, где задерживаются взвешенные частицы пыли, далее, минуя воздушную заслонку (на схеме не показана), поступает в диффузор 4. Воздушная заслонка при работе прогретого двигателя всегда открыта, она прикрывается только в период пуска двигателя. В диффузоре, имеющем форму трубки «Вентури», скорость воздуха возрастает, а давление снижается. Бензин поступает в поплавковую камеру карбюратора 1, в которой с помощью поплавка с запорной иглой при всех режимах работы поддерживается постоянный уровень топлива. Из поплавковой камеры по специальному каналу бензин проходит через калиброванное отверстие (жиклер) 2 и вытекает через распылитель 3 в диффузор 4 за счет создаваемого в нем разряжения при движении воздуха. Воздушный поток в диффузоре карбюратора при всех режимах работы двигателя имеет турбулентный режим, что способствует быстрому испарению бензина и интенсивному перемешиванию топливовоздушной смеси.
Реальные современные карбюраторы отличаются от описанного выше элементарного карбюратора. Бензин в них подается в диффузор и смесительную камеру с помощью нескольких каналов с жиклерами, которые составляют главную дозирующую систему, систему холостого хода, вспомогательное устройство для получения максимальной мощности двигателя (экономайзер) и т.д. Эти системы и устройства предназначены для создания топливовоздушной смеси необходимого состава в соответствии с режимом работы двигателя (пуск, холостой ход, средние и большие нагрузки, максимальная мощность и др.). Оптимальный состав топливовоздушной смеси необходим для обеспечения стабильной работы и высокой экономичности двигателя.
Таким образом, бензин в карбюраторе распыливается, частично испаряется, смешивается с воздухом, и образовавшаяся смесь по впускному трубопроводу направляется в цилиндры двигателя. Здесь в тактах впуска и сжатия происходят окончательное испарение и смешение бензина с воздухом. В конце такта сжатия топливовоздушная смесь воспламеняется электрической искрой. Образовавшийся очаг горения постепенно превращается в турбулентное пламя, распространяющееся по всему объему камеры сгорания.
Для нормальной работы двигателя необходимо, чтобы распространение фронта пламени проходило с оптимальной скоростью. Повышение этой скорости приводит к детонационному сгоранию. При меньших скоростях по сравнению с оптимальной возможно неполное сгорание топлива за относительно короткий отрезок времени такта рабочего хода. При детонационном сгорании наблюдается разрушение поршней и клапанов, преждевременный износ подшипников шатунов и коленчатого вала двигателя. При неполном сгорании топливовоздушной смеси увеличиваются отложения нагара на деталях двигателя, возрастает содержание сажи и токсичных компонентов в отработавших газах и увеличивается расход топлива.
Режим сгорания зависит как от состава топливовоздушной смеси (соотношение топливо/воздух), так и от химического состава топлива и наличия в нем соответствующих добавок и присадок.
Сгорание топливовоздушной смеси начинается в конце такта сжатия и заканчивается примерно в середине рабочего хода поршня. Газы, образовавшиеся в процессе сгорания, выбрасываются в атмосферу в такте выпуска. Кроме основных продуктов сгорания бензина — Н2О и СО2, отработавшие газы содержат оксид углерода, оксиды азота, оксиды серы, низкомолекулярные углеводороды, элементарный углерод (сажу), продукты сгорания различных присадок, например оксиды свинца и галогениды свинца при использовании этилированных бензинов, а также азот и неизрасходованный на сгорание топлива кислород воздуха. Многие из примесей к основным продуктам сгорания являются токсичными соединениями, загрязняющими окружающую среду. Содержание токсичных продуктов в отработавших газах в значительной степени зависит от химического состава топлива.
Таким образом, для эффективной работы двигателя применяемое топливо должно обеспечивать создание однородной топливовоздушной смеси необходимого состава при любых температурах окружающего воздуха. Это требование регламентируют такие свойства и показатели топлива, как испаряемость (фракционный состав и давление насыщенных паров), поверхностное натяжение, плотность, вязкость, скорость диффузии паров в воздух, теплота испарения, теплоемкость, содержание смол и др. Топливо с оптимальными значениями этих показателей обеспечивает экономичность двигателя, хорошие пусковые характеристики при различных температурах, быстрый прогрев и высокую приемистость, надежную работу карбюратора, минимальное образование отложений во впускной системе.
Другим важнейшим требованием двигателя к топливу является необходимость обеспечения нормального сгорания топливовоздушной смеси на всех режимах работы с необходимыми мощностными, экономическими и экологическими показателями. Это требование регламентируют такие свойства топлива, как теплота сгорания, групповой углеводородный состав, содержание неуглеводородных примесей, стойкость к детонации и неуправляемому калильному зажиганию и др. Топливо с оптимальными значениями показателей этих свойств обеспечивает долговечность двигателя, высокую экономичность его работы, минимальную дымность и токсичность отработавших газов.