Учебное пособие

Гоночные мотоциклы

27. Выбор топлива для гоночных двигателей

Наиболее важными качествами топлива для гоночных двигателей являются испаряемость, теплота сгорания и способность выдерживать высокую степень сжатия без детонации.

Различные дополнительные требования, обычно предъявляемые к топливу, например малая кислотность, имеют второстепенное значение в условиях гоночной эксплуатации, когда двигатель подвергается частой разборке для очистки и осмотра внутренних деталей и находится под постоянным наблюдением квалифицированного персонала. Хорошая испаряемость обеспечивает легкий пуск холодного двигателя, а, кроме того, способствует полному и быстрому сгоранию топлива. Прежде, когда в качестве топлива применяли только бензин, о его испаряемости судили по плотности, так как легкие бензины испаряются при более низкой температуре, чем тяжелые. Однако такой способ, справедливый для бензинов одинакового происхождения, оказывается неправильным, если сравнивать бензины разного происхождения, а тем более такие виды топлива, как бензол и спирт.

Правильнее оценивать испаряемость по среднему значению температуры того интервала, в котором топливо выкипает полностью. Этот метод в основном также приемлем для топлив родственного происхождения вследствие того, что на испаряемость помимо температуры кипения влияют многие другие факторы, в том числе скрытая теплота испарения, затрачиваемая на перевод топлива из жидкого состояния в парообразное. Спирт, например, имеет несколько более низкую температуру кипения, чем бензол, но его испаряемость не лучше из-за высокой скрытой теплоты испарения, превышающей приблизительно втрое таковую для бензола.

В табл. 33 приведены основные свойства некоторых видов топлива, применяемых при нормальной эксплуатации мотоциклов и в гоночной практике. Теплота сгорания топлива различных видов, т. е. количество теплоты, выделяющейся при сгорании 1 кг топлива, отличается большим разнообразием. Но топливо с малой теплотой сгорания требует относительно небольшого количества воздуха для полного окисления. Следствием этого обстоятельства является крайне незначительная разница в теплоте топливовоздушных смесей, полученных из самых различных видов топлива (820—850 кал/м³). Это действительно не только для видов топлива, указанных в табл. 33, но и для всех остальных видов углеводородного топлива. В то же время, как известно, мощность двигателя ограничивается не расходом жидкого топлива, а количеством воздуха (или, вернее, топливовоздушной смеси), вводимым в цилиндры в единицу времени.

Таблица 33.
Основные свойства топлива

Сопоставляя вышеуказанные закономерности, можно сделать вывод, что мощность двигателя, работающего на применяемых в настоящее время видах топлива углеводородного типа, почти не зависит от теплоты сгорания. Очевидно также, что расход топлива обратно пропорционален его теплоте сгорания. Последнее играет важную роль при определении числа остановок во время гонок для пополнения запасов топлива и при расчете объема бака. С точки зрения экономии времени на заправку применение топлива с низкой теплотой сгорания вроде спирта представляется нецелесообразным, если учитывать, что, кроме числа остановок, увеличивается и время заправки, обусловленное большим объемом бака.

Во избежание лишних остановок на дистанции гоночные мотоциклы должны иметь топливные баки достаточно большого объема. Баки увеличенного объема приходится устанавливать для двухтактных двигателей, двигателей с наддувом и во всех случаях, когда двигатель работает на смесях с большим содержанием-спирта. На мотоциклах, имеющих двигатель с наддувом, объем топливного бака в некоторых случаях достигает 40—45 л. На мотоциклах с двигателями классов 250—500 см³ без наддува, работающих на бензине или бензино-бензоловой смеси, обычно устанавливают баки с заправочной вместимостью 16—20 л.

Все гоночные двигатели имеют высокую степень сжатия или высокое давление наддува при низкой степени сжатия. И в том и в другом случае в конце хода сжатия горючая смесь приобретает повышенную температуру и давление, другими словами, создаются условия, которые могут вызывать детонацию. Появление детонации нарушает нормальное функционирование двигателя и понижает его мощность. Давление в цилиндрах претерпевает резкие колебания и повышение, опасное для прочности основных деталей, появляются металлический стук и звон от ударов взрывной волны в стенки камеры сгорания; окисление топлива становится неполным — двигатель начинает дымить. Детонация приводит также к перегреву двигателя, в результате которого коробятся и обгорают выпускные клапаны, прогорают и разрушаются поршни, портятся свечи и т. д.

Для повышения допустимой степени сжатия и устранения детонации принимают конструктивные меры, придавая камерам сжатия выгодную форму и сокращая пути горения рациональным расположением свечи. С другой стороны, используют топливо с повышенными антидетонационными качествами или примешивают к топливу нормальных видов антидетонаторы, уменьшающие возможность детонации.

Критерием для оценки антндетонационных качеств топлива служит октановое число. Напомним, что октановым числом любого топлива называется процентное содержание изооктана С₇Н₁₆ в смеси изооктана с гептаном (С₇Н₁₆), равноценной по своим антидетонацнонным качествам данному горючему. Изооктан представляет собой стойкое в отношении детонации топливо, а гептан, наоборот, нестойкое.

Для чистого изооктана октановое число принято за 100. Если детонационная стойкость топлива выше, чем у изооктана, то ее оценивают «сортностью» топлива.

Под сортностью топлива подразумевают число, показывающее в процентах, какую мощность может развить двигатель на данном топливе по сравнению с мощностью, развиваемой при работе на изооктане. Возможное увеличение мощности при работе на данном топливе определяют путем постепенного увеличения давления наддува.

Необходимое октановое число топлива для какого-либо определенного двигателя не является постоянной величиной, оно зависит от режима работы — дросселирования, состава смеси, изменения давления наддува и изменения частоты вращения. Например, при снижении коэффициента наполнения с увеличением частоты вращения уменьшается давление сжатия, а потому снижается и необходимое октановое число.

Все антидетонаторы можно разделить на три основные категории:

1. слабые антидетонаторы, прибавляемые к основному топливу (бензину) в количестве нескольких десятков процентов;
2. средние антидетонаторы, прибавляемые в количестве до 10 %;
3. сильные антидетонаторы, прибавляемые к основному топливу в десятых долях процента.

К первой категории относятся такие антидетонаторы, как бензол (C₆H₆), толуол (С₇Н₈), ксилол (С₈Н₁₀), метиловый спирт (СН₃ОН) и этиловый спирт (С₂Н₅ОН). Очень часто топливо состоит только из антидетонаторов (например, смесь из спирта и бензола). Поэтому понятие об основном топливе имеет чисто условное значение и применимо только к двум последним категориям антидетонаторов, входящих в состав топлива в меньшем процентном количестве; иногда к числу антидетонаторов причисляют только вещества, упомянутые в п. 3, которые сами служить топливом не могут. Роль небольшой примеси бензина к спиртобензоловым смесям сводится к облегчению пуска двигателя и ускорению процесса сгорания.

Из перечисленных слабых антидетонаторов наименее активным является бензол, несколько лучше действуют толуол и ксилол, наиболее активен спирт.

В табл. 34 и 35 приведены ориентировочные составы смесей топлива для различных степеней сжатия.

Таблица 34.
Гоночные смеси (по Г. Петеру)

Таблица 35.
Ориентировочные составы смесей топлива для различных степеней сжатия (по Эвансу)

Весьма существенное значение для антидетонационных качеств топлива имеет его скрытая теплота испарения. Процесс испарения начинается в карбюраторе, продолжается во впускной трубе и заканчивается в цилиндре при ходе сжатия. Теплота испарения заимствуется от частиц воздуха, остаточных газов и всех деталей, соприкасающихся с капельками топлива. Таким путем достигаются снижение температуры горючей смеси в конце хода сжатия перед вспышкой и охлаждение наиболее нагретых частей двигателя — поршней и клапанов. Эти явления неоценимы, когда тепловой режим работы очень напряжен, как это всегда бывает у гоночных двигателей. Спирт обладает наиболее высокой скрытой теплотой испарения (см. табл. 33) и потому принят за основу топлива, предназначенного для самых форсированных гоночных машин, несмотря на большой недостаток, отмеченный выше, — малую теплоту сгорания. С другой стороны, надо иметь в виду, что топливо с малой теплотой сгорания требует меньшего количества воздуха на полное окисление, а значит, количество такого топлива в заданном объеме горючей смеси будет больше. Таким образом, охлаждающее действие спирта обусловливается не только высокой теплотой испарения, но и большим массовым содержанием его в горючей смеси. В одном литре воздуха при теоретически правильном составе смеси содержится 0,085 см³ бензина, или 0,097 см³ бензола, или 0,143 см³ спирта.

Другим преимуществом спирта следует считать также его способность надежно воспламеняться от электрической искры при значительных изменениях состава горючей смеси(*). Благодаря этому карбюраторы могут регулироваться на весьма обогащенную смесь в расчете на то, что избыток топлива хотя и не сгорит в цилиндре, но зато даст охлаждающий эффект в процессе предварительного сжатия. Подобная регулировка карбюратора отчасти объясняет повышенный расход топлива гоночных мотоциклов. В данном случае повышение расхода топлива оправдывается облегчением температурного режима работы наиболее нагретых деталей.

Охлаждающее действие спирта может быть поддержано некоторыми конструктивными мероприятиями; в частности, желательно, чтобы впускная труба была по возможности короткой или совсем отсутствовала, как это иногда принято у двигателей с креплением карбюратора непосредственно к головке цилиндра. Тогда процесс испарения топлива протекает целиком в цилиндре двигателя и скрытая теплота испарения заимствуется в основном от внутренних горячих деталей, а не от впускной трубы, поэтому короткие впускные трубы содействуют снижению температуры выпускных клапанов и поршней.

Отсутствие предварительного испарения во впускной трубе позволяет ввести в цилиндр дополнительное количество воздуха, соответствующее неиспаренной части топлива.

Более низкая температура смеси в конце хода впуска при использовании спирта в качестве топлива приводит к увеличению плотности заряда и улучшению коэффициента наполнения двигателя. В этом заключается так называемый компрессорный эффект от применения спиртовых смесей. Следствием компрессорного эффекта является увеличение мощности двигателя. Если допустить, что вся скрытая теплота испарения спирта берется от воздуха, то температура смеси по теоретическим подсчетам должна быть приблизительно на 140° С ниже температуры внешнего воздуха. Температура внешнего воздуха обычно принимается равной около 288 К (или 15 °С), т. е. примерно вдвое выше упомянутой температуры смеси из паров спирта и воздуха.

Плотность заряда горючей смеси обратно пропорциональна его абсолютной температуре, и, следовательно, после испарения спирта теоретически должна увеличиться вдвое. В той же пропорции, казалось бы, должно увеличиться наполнение, а следовательно, и мощность двигателя. В действительности охлаждение смеси получается незначительным, так как скрытая теплота испарения сообщается топливу в основном от горячих деталей двигателя и остаточных газов. Тем ие менее наличие компрессорного эффекта и увеличение мощности от применения спирта доказаны лабораторными испытаниями! прирост мощности составляет около 5 %.

Соображения относительно компрессорного эффекта в известной мере относятся к непосредственному впрыску топлива в цилиндр или впрыску во впускную трубу, так как в этом случае испарение топлива частично происходит за счет тепла воздуха.

Возрастание коэффициента наполнения в результате использования спирта н обогащенной смеси ведет к увеличению среднего эффективного давления. Обогащение смеси позволяет также форсировать двигатель по давлению наддува без изменения октанового числа топлива.

Температура самовоспламенения топлива хотя и влияет на детонационные качества, но не может служить мерилом для их оценки. Так, температура самовоспламенения бензола значительно выше, чем спирта (см. табл. 3.3), и все-таки спирт выдерживает более высокие степени сжатия благодаря сильному охлаждению во время перехода в парообразное состояние.

Усиление внутреннего охлаждения двигателя можно получить добавляя к топливу небольшое количество воды (до 5 %). К недостаткам спиртовых смесей относится затруднительность пуска двигателя, обусловленная высокой теплотой испарения топлива и образованием конденсата на электродах свечи. Пуск облегчается небольшой примесью эфира или авиационного бензина.

К антидетонаторам второй группы относятся анилин (C₈H₅NH₂), кснлидин (C₈H₉NH₂) и толуидин. Эти антидетонаторы не получили распространения в качестве примеси к гоночным топливам.

Среди сильных антидетонаторов наиболее известен тетраэтиловый свинец РЬ (С₂Н₅)₄. Сильные антидетонаторы не имеют охлаждающих свойств спиртовых смесей н потому сфера их применения ограничена менее форсированными двигателями без наддува или же их употребляют в сочетании с антидетонаторами первой категории (спирт, бензол). Тетраэтиловый свинец, смешанный с топливом в чистом виде, вызывает освинцовывание клапанов, клапанных седел, свечей и камеры сгорания. Этот дефект можно частично устранить, смешивая тетраэтиловый свинец с двубромэтиленом и с монохлорнафталином. Подобная смесь носит название этиловой жидкости. Дополнительные компоненты действуют химически на тетраэтиловый свинец в момент вспышки и способствуют его удалению из цилиндра вместе с продуктами сгорания.

В этиловую жидкость добавляют краску для того, чтобы отличить чистое топливо от этилированного, имеющего в своем составе ядовитый тетраэтиловый свинец.

Этиловую жидкость добавляют к топливу в количестве от 2 до 6 см³ на 1 л. Увеличение содержания сильных антидетонаторов свыше нескольких десятых процента бесцельно, потому что не увеличивает октанового числа топлива.

Зарубежные нефтяные компании выпускают в продажу смеси топлив, предназначенные для гоночных двигателей; состав таких смесей приведен в табл. 36.

Таблица 36.
Состав некоторых топлив для высокофорсированных двигателей гоночного типа

В послевоенные годы в гоночные смеси стали вводить азотистые топлива: нитробензол (C₆H₅NO₂), нитрометан (CH₃NO₂) и нитропропан (C₃H₇NO₂), обладающие сильным форсирующим эффектом за счет окисления топлива кислородом молекулы NO₂ во время процесса сгорания с соответствующим повышением температуры и давления. Азотистые топлива, в особенности нитрометан, взрывчаты и поэтому требуют осторожного обращения.

Добавлением азотистых топлив к метанолу удавалось повысить мощность двигателей на 20 %; однако при содержании азотистых топлив свыше 20 % часто наблюдаются поломки поршней, коленчатых валов и обгорание клапанов.

(*) Пределы воспламеняемости по коэфициенту избытка воздуха ориентировочно для бензина 0,5—1,4, для спирта 0,4—1,7.