Подробнее о процессе сгорания…

Бензин остается основным топливом автомобилей и мотоциклов. Но что это?

Самое старое определение - чисто практическое. Самым простым способом разделения сырой нефти на полезные продукты, такие как бензин, керосин, мазут и смазочное масло, была его дистилляция. Сырая нефть подавалась в нагретый чан на дне высокой металлической башни. При подаче тепла сырая нефть кипела и испарялась, конденсируясь на поверхностях при различных температурах, указанных выше. Жидкость, которая кипела в диапазоне примерно от 90 до 410 градусов по Фаренгейту, называлась бензином. Название этого процесса - фракционная перегонка.

В первые дни нефтяной промышленности ходовыми товарами были керосин для освещения и смазочные масла. Газообразные и бензиновые фракции были расценены как опасные, поскольку они легко образовывали взрывоопасные смеси с воздухом, поэтому они либо «сгорали», либо сливались в реки.

Способность образовывать воспламеняющуюся смесь с воздухом вызвала интерес у Вильгельма Майбаха, работавшего с Готлибом Даймлером в Германии до 1900 года. Они были знакомы с двигателями внутреннего сгорания, работающими на городском газе (продукт производства кокса), но такие двигатели были чрезвычайно тяжелы для своей мощности - около 1000 фунтов на лошадиную силу! - и должны были быть подключены к газопроводу. Изобретатели хотели создать достаточно легкие двигатели внутреннего сгорания, чтобы приводить в движение транспортные средства, и для этого было необходимо более портативное топливо, горючая жидкость. Бензин, который испаряется настолько быстро, был просто идеальным.

Физически бензин, как и сама сырая нефть, состоит из молекул углеводородов сотен различных структур. Некоторые из них представляют собой длинные цепочки атомов углерода, каждая из которых связана с одним или несколькими атомами водорода.

Некоторые из них - разветвленные углеродные цепи, а другие имеют кольцевую структуру. Такие цепи или кольца содержат в бензине от пяти до восьми атомов углерода в каждой.

Простейшим углеводородом является метан - один атом углерода связан с четырьмя атомами водорода - и составляет большую часть природного газа, материал в настоящее время производится спорным процессом «фракционирования». По мере увеличения числа атомов углерода на молекулу углеводорода его способность к испарению - его летучесть - уменьшается.

Чтобы создать практичный двигатель, необходимо создать устройство для смешивания топлива и воздуха в желаемом соотношении.

При разложении под воздействием тепла в пламени атомы водорода и углерода могут свободно соединяться с кислородом воздуха, выделяя тепло в процессе образования низкоэнергетических соединений - углекислого газа и воды.

Для полного сгорания - каждый атом углерода, соединяющийся с двумя атомами кислорода с образованием диоксида углерода, и каждая пара атомов водорода, соединяющихся с одним кислородом с образованием воды - требуется соотношение 14 частей воздуха к одной части топлива. Для максимального выделения тепла требуется чуть больше 12,5 частей воздуха на одну часть топлива. Со временем было обнаружено, что электрические искры могут воспламенить топливно-воздушные смеси только в диапазоне от 10:1 (обогащенный) до 18:1 (обедненный).

Чтобы создать практичный двигатель, необходимо создать устройство для смешивания топлива и воздуха в желаемом соотношении. Первым из них был испарительный карбюраторный. Когда воздух проходил к воздухозаборнику двигателя через воздуховод, он направлялся через фитиль, пропитанный бензином. Поскольку для испарения жидкости требуется тепло, испаритель должен был быть нагрет для устойчивой работы. Самый простой способ сделать это - использовать выхлопные газы - очень осторожно.

Майбах в Европе и Оскар Хедстрем в США разработали распылительные карбюраторы, которые используют частичный вакуум протекающего воздуха, чтобы втянуть поток или распыленное топливо из отверстия в воздушный поток.

По мере развития двигателя внутреннего сгорания возникали более практичные соображения. В топливе не должно было быть воды, камеди и соединений серы, которые были коррозийными. Он должен был быть достаточно летучим, чтобы испариться к моменту возгорания. Он не может содержать компоненты с более высокой молекулярной массой, которые будут конденсироваться на стенке цилиндра и попадать в картер двигателя, разбавляя смазочное масло. Он не должен быть настолько изменчивым, чтобы закипать в теплую погоду в топливопроводах или карбюраторе (блокировка пара).

До 25 процентов сырой нефти может быть извлечено в виде бензина путем фракционной перегонки, но к 1912 году транспортным средствам, работающим на двигателях с микросхемой, требовалось больше бензина, чем могло быть извлечено таким образом из нефти.

Первой попыткой преобразования более тяжелых фракций в бензин был термический крекинг; нагревание этих более тяжелых фракций в отсутствие воздуха «раскалывает» более крупные молекулы на более мелкие. Этот процесс требовал очень высокой температуры и был довольно рискованным.

Процесс был улучшен за счет использования катализаторов, позволяющих расщеплять большие молекулы при более низкой температуре.

Катализатором часто является атом тяжелого металла, такой как платина, чье мощное электрическое поле на мгновение деформирует интересующую молекулу настолько, что она изменяется желаемым образом. Измененный продукт, уже не так сильно привязанный к катализатору, отделяется.

Первопроходцы двигателей внутреннего сгорания стремились увеличить крутящий момент и эффективность двигателя путем повышения степени сжатия, но когда компрессия была увеличена до уровня выше примерно 3,5:1, издавались странные стуки, и продолжительная работа в этом состоянии приводила к перегреву и повреждению деталей.

https://www.cycleworld.com/story/bikes/gasoline-fuels-our-motorcycles-but-what-is-it/