Многочисленные исследования показывают, что качество смесеобразования в двигателе зависит от таких физических свойств топлива, как давление насыщенных паров, фракционный состав, скрытая теплота испарения, коэффициент диффузии паров, вязкость, поверхностное натяжение, теплоемкость, плотность.
Важнейшим свойством, обусловливающим испаряемость топлива, является давление его насыщенных паров.
Следует различать статическое испарение, при котором отсутствует относительное перемещение топлива и воздуха на поверхности их соприкосновения, и динамическое испарение, происходящее в условиях «обдува» испаряющегося топлива воздухом при относительном перемещении топлива и воздуха.
Статическое испарение имеет место при хранении топлива в резервуарах. В двигателях внутреннего сгорания происходит динамическое испарение топлива. При прочих равных условиях скорость динамического испарения всегда выше скорости статического испарения по следующим причинам.
При испарении топлива молекулы его вылетают из жидкости в окружающий воздух. Часть испарившихся молекул может снова удариться о поверхность жидкости и поглотиться ею. Степень испарения топлива определяется разностью между количеством молекул, вылетающих из жидкости и снова ею поглощаемых. Интенсивность или скорость испарения зависит от начальной концентрации молекул данного топлива в воздухе и от скорости их диффузии. Если газовое пространство над жидкостью не ограничено, то испарение происходит с максимальной скоростью. В этом случае имеет место свободное испарение. В замкнутом объеме в начальный момент скорость испарения равна скорости свободного испарения, но по мере насыщения воздуха молекулами топлива увеличивается число молекул, возвращающихся обратно в жидкую фазу, и процесс испарения замедляется. При определенной концентрации молекул топлива в воздухе число вылетающих из жидкости и возвращающихся в нее молекул уравнивается, наступает состояние динамического равновесия.
Максимальная концентрация паров топлива в воздухе, при которой устанавливается состояние динамического равновесия, характеризует собой давление насыщенных паров данного топлива. Чем выше давление насыщенных паров топлива, тем большее количество его испаряется, прежде чем концентрация молекул в паровой фазе достигнет состояния динамического равновесия.
Скорость испарения топлива, согласно закону Дальтона, определяется уравнением
V=A(PH-P),
где V— скорость испарения топлива; Р— парциальное давление паров топлива в воздухе над поверхностью топлива; А — коэффициент пропорциональности, зависящий от поверхности испарения, общего давления, коэффициента диффузии паров топлива в окружающую среду и т.д.; Рн — давление насыщенных паров.
Таким образом, давление насыщенных паров топлива — важнейший показатель, определяющий его испаряемость во впускном трубопроводе двигателя.
Давление насыщенных паров топлива является функцией его состава и зависит от температуры и соотношения паровой и жидкой фаз.
Давление насыщенных паров в лабораторных условиях принято определять двумя методами. Метод Рейда (ГОСТ 1756— 52) заключается в регистрации по манометру давления насыщенных паров бензина, помещенного в специальную бомбу и нагретого в водяной бане до 38°С. Соотношение объемов жидкой и паровой фаз в бомбе Рейда равно 1:4.
Второй метод, разработанный Валявским и Бударовым (ГОСТ 6668—53), заключается в определении изменения объема паровоздушной смеси при нагревании бензина до 38°С в стеклянном приборе. Соотношение объемов жидкой и паровой фаз при определении по методу Валявского — Бударова принято равным 1:1.
Все другие методы определения давления насыщенных паров топлива не получили широкого распространения ввиду малой точности или громоздкости аппаратуры.
Весьма существенное влияние на получаемые результаты имеет соотношение фаз при определении давления насыщенных парой.
Когда объем паровой фазы по сравнению с объемом жидкой фазы невелик, то того количества легкоиспаряющихся углеводородов, которое содержится в бензине, бывает вполне достаточно, чтобы насытить паровую фазу. В этом случае при насыщении состав жидкой фазы практически не изменяется, и в равновесии находятся пар и бензин первоначального состава.
Когда объем паровой фазы значительно превышает объем жидкой фазы, то для насыщения расходуется уже значительное количество легкоиспаряющихся углеводородов, при этом состав жидкой фазы меняется. В состоянии насыщения паровая фаза находится в равновесии с жидкостью уже измененного состава. Давление насыщенных паров здесь отличается от давления насыщенных паров, определенного при небольшом объеме паровой фазы. Иными словами, с увеличением отношения паровой фазы к жидкой найденное давление насыщенных паров будет уменьшаться (рис. 4.4). В связи с этим величины давления, полученные по методу Рейда, обычно на 60—80 мм рт.ст. ниже значений, определенных по методу Валявского — Бударова. Влияние соотношения фаз на определяемое давление насыщенных паров увеличивается с повышением температуры определения.
Следует отметить, что в реальных условиях в двигателе соотношение паровой и жидкой фаз в условиях испарения бензина во впускном трубопроводе меняется в очень широких пределах. На прогретом двигателе при установившемся режиме работы это соотношение очень большое, что можно доказать расчетом. Для полного сгорания 1 г бензина требуется около 15 г воздуха, который занимает объем при 20°С и 760 мм рт.ст., равный 12 500 см1. Этот объем воздуха можно принять за объем паровоздушного пространства, куда происходит испарение топлива во впускном трубопроводе двигателя. При объеме жидкой фазы, равном объему 1г бензина— 1,33см3, соотношение паровой и жидкой фаз составит около '9500. Если учесть уменьшение объема жидкой фазы по мере испарения, то следует считать, что в условиях установившегося режима на прогретом двигателе соотношение фаз составляет более 10 000 и даже при работе на богатых смесях топливновоздушная смесь далека от насыщения [2].
С другой стороны, в первый период пуска для появления вспышек в цилиндрах карбюраторного двигателя необходимо подавать смесь, имеющую коэффициент избытка воздуха в пределах 0,05—0,07. Следовательно, в этот период испарение бензина будет происходить при соотношении фаз, равном 500—700. Такие значения соотношения фаз — минимальны для двигателя, но и они тоже достаточно велики и позволяют заключить, что при всех возможных режимах испарение бензина в двигателе происходит при высоких соотношениях паровой и жидкой фаз — от 500 до 10 000 и более. Испарение бензина в двигателе всегда происходит в среду, далекую от насыщения. С этой точки зрения, данные по давлению насыщенных паров бензинов по принятым в настоящее время методам (соотношение фаз 4:1 и 1:1) для оценки испаряемости топлива во впускной системе двигателя имеют важное, но все же не абсолютное значение. Это связано в первую очередь с различием в условиях испарения топлива в лабораторных методах и в реальных двигателях.
Давление насыщенных паров углеводорода определенного строения и топлива определенного состава зависит от температуры. Характер этой зависимости можно видеть на рис. 4.5. где представлены данные о давлении насыщенных паров при различных температурах для некоторых отечественных товарных автомобильных бензинов.
Пользуясь уравнением Клаузиуса — Клапейрона, можно представить давление насыщенных паров бензинов в виде прямой зависимости от температуры в полулогарифмических координатах.
Давление насыщенных паров при отрицательных температурах имеет важное значение для определения пусковых свойств бензинов. При рассмотрении скорости испарения топлива отмечалось, что величина коэффициента пропорциональности в формуле закона Дальтона зависит от коэффициента диффузии паров топлива в окружающую среду.