Применение спиртовых смесей на авиамоторах, ВВФ 2-1934

---

Попытка использования спирта как моторного топлива относятеще к концу 90-х годов. К этому времени появляется обширная литература по вопросу о спиртах, в которой уже с достаточной ясностью указываются те трудности, которые возникают при их применении. После двольно продолжительного затишья вопрос о спиртах как моторном топливе возникает в начале мировой войны, и с тех пор работы над получением дешевого спирта и изучения его эксплоатации на двигателях получают широкое распространение. Больше всего внимания этому вопросу уделяют страны, не имеющие собственной нефти и вследствие этого стоящие под угрозой быть лншенными топлива для двигателей в случае политических осложнений. Поэтому уже сейчас ряд стран принимает меры, гарантирующие возможность эксплоатации своего моторного парка на спиртовых смесях. В качестве примера можно указать на то, что в 1929 г. во Франции издается закон о6 обязательной примеси спирта к бензинам. Этому примеру в 1930 г. последовала Германия, которая обязала всех импортеров приобретать спирт в количестве до 2,5% от ввозимого бензина. К сегодняшнему дни спиртовые топлива применяются во Франции, Германии, Италии, Англии, Чехо-Словакии, Швеции и других странах. Благодаря столь обширному распространению спиртовых топлив выработано большое количество разнообразных смесей, могущих применяться на двигателях без каких-лиибо заметных недостатков. В качестве других компонентов смесей указываются бензин, бензол, тетралин, толуол, этиловый эфир, фенол и др.

Спирт представляет собой смесь химического вещества C₂H₅OH (этиловый алкоголь) с водой и носит название 95-96 градусного ректификата этилового спирта. Это значит, что в нем имеется 95-96% алкоголя и 5-4% воды по объему. Для работы в двигателе можно употреблять спирт любой крепости свыше 50. Чем больше в спирте воды, тем больше удельный расход и меньше мощность, отдаваемая двигателем. Между 100 и 80 применяемого спирта нет заметной разницы в мощности, но расход увеличивается пропорционально содержанию воды. При крепости ниже 80 уже начинает заметно падать мощность с одновременным ростом расхода. При крепости спирта ниже 70 с трудом удается запустить двигатель. Хотя на спирте и вполне возможна работа двигателя, однако нигде не имелось попыток внести спирт как эксплоатационное топливо. Во всех странах, где спирт применяются как топливо, рекомендуются спиртовые смеси с наибольшим содержанием спирта — до 50-60%. Это об'ясняется рядом недостатков спирта, которые заставляют ограничивать содержание спирта в готовом моторном топливе.

Первым и наиболее существенным недостатком спирта является его низкая теплотворная способность. В таблице 1 даются для сравнения теплотворные способности применяемых в авиации топлив спирта и спиртовых смесей.

Эта таблица показывает, что количество теплоты, выделяемое при сгорании 1 кг спирта, много меньше количества теплоты, выделяемой при сгорании 1 кг бензина. Известно, что расход топлива увеличивается пропорционально уменьшению теплотворной способности. Из приведенных цифр нетрудно подсчитать, что при переходе авиамотора на работу со спиртом расход составит 174% от расхода, получаемого при работе на бензине. Этот недостаток начинает пропадать при переходе на смеси, и при содержании спирта в количестве 30% увеличение расхода составит только 113% от расхода на бензине. Совершенно очевидно, что при постоянной весовой загрузке самолета при применении спирта в качестве топлива дальность полета соответственно понизится. Низкая теплотворная способность спирта об'ясняется тем, что в состав спирта входит 35% кислорода, который при сгорании не выделяет тепла.

Вторым недостатком спирта как топлива является его чрезвычайно высокая скрытая теплота испарения. Действительно, для испарения 1 кг спирта без повышения его температуры необходимо к нему подвести 220 кал., в то время как для бензина будет достаточно около 80 клл. Благодаря этому недостатку возникает необходимость во время процесса карбюрации подводить к спирту много больше теплоты, чем к бензину, что требует изменении конструкции всасывающей системы. Практика показала, что теплоту лучше всего подводить к засасываемому воздуху, что достигается устройством специального подогревателя. На основании произведенных расчетов установлено, что необходимый подогрев воздуха для правильного смесеобразования спирта достигает величины 105 C. Для спиртовых смесей необходимый подогрев будет уменьшаться с уменьшением содержания спирта в смеси.

Третьим недостатком надо считать возможность коррозии как сосудов, в которых осуществляется хранение, так и выхлопной системы двигателя при работе на спирте. Последняя имеет место вследствие появления уксусной кислоты во время процесса сгорания и присутствия ее в продуктах сгорания спирта.

После работы двигателя на спирте на выхлопной системе и в первую очередь на клапанах появляется ржавчина попричине раз'едающего действия уксусной кислоты. При работе на спиртовых смесях благодаря улучшающемуся процессу сгорания в продуктах сгорания уксусной кислоты не наблюдается и коррозия выхлопной системы пропадает.

Наконец к недостаткам спирта можно отнести его дороговизну, плохие пусковые качества и гигроскопичности, т.е. способность притягиаать воду из атмосферы. Последний недостаток создает известные затруднения при хранении спирта.

Из крупных преимуществ спирта по сравнению с другими авиационными топливами кроме большой и независимой сырьевой базы можно еще отметить:

1. Высокие антидетонационные свойства. Это обстоятельство как одно из основных свойств, определяющих качество авиационного топлива, заставляет отнестись к спирту с большим вниманием и изыскивать пути его применения для двигателей. Антидетонационные свойства спирта значительно выше авиабеензола.

2. Низкая температура замерзания минус 114°. Эта температура замерзания, совершенно гарантирующая нас от замерзания топлива в зимних условиях эксплоатации, является чрезвычайно важным преимуществом по сравнении с бензольными смесями, которые уже не могут применяться при температурах ниже -40°.

Несмотря на эти преимущества, перечисленные выше недостатки настолько существенны, что препятствуют применению спирта как готового авиационного топлива. Повсюду, где только применяется для эксплоатации спирт, подбираются смеси, имеющие спирт в качестве одного из компонентов. В качестве спиртовых смесей обычно берутся смеси спирта с бензином.

Имеющийся у нас на рынке 96-градyсный ректификат этилового спирта (С₂Н₅ОН+Н₂О) удовлетворяет следующим техническим условиям (ОСТ № 116) (даются в сикращенном виде).

А. Определение

Ректификованным этиловым спиртом называется продукт фракционированной перегонки (ректификации) сырого этилового спирта, получаемый путем спиртового брожения веществ, содержащих углеводы.

Б. Технические условия

1. Ректификованный спирт должен представлнть собой прозрачную бесцветную жидкость без постороннего и неприятного запаха, вкуса и без примесей.

2. Крепость ректификонанного спирта должна быть не ниже 96% (по об'ему).

В. Упаковка

Ректификованный спирт должен храниться и транспортироваться в специально предназначенных н оборудованных для этой цели железных цистернах или баках. До 60 л спирт может храниться и транспортироваться в стеклянной посуде или специальных бидонах, закупоренных корковыми пробками и обернутых пергаментом за сургучной печатью. В исключительных условиях может быть допущуено хранение спирта в деревянных бочках, покрыт внутри спиртоупорной эмалью.

В этом же ОСТе № 116 даются методы проведения контроля по всем константам техуславий.

Параллельно с 96-процентным ректификованным спиртом существует еще так называемый абсолютный этиловый спирт. Последний представляет собой этиловый спног без всяких примесей воды (практически до 0,2%). До 1921 г. абсолютный алкоголь составлял продукт лабораторного производства и только после работ французского инженера Лариета он получил промышленное применении.

Абсолютный спирт в условиях эксплоатации может быть легко отличимым от обводненного спирта. Для этого достаточно замерить удельный вес спирта. Чем больше в спирте воды, тем удельный вес его больше. В таблице 2 даются удельные веса спиртов с различной примесынь воды.

Из рассмотрения этой таблицы видно, что сумма об'емных процентов спирта и воды не равна 100%. Это обясняется тем, что спирт с водой при смешении дают уменьшение об'ема. Понятно, что при сложении весовых процетон этого не будет.

УСТОЙЧИВОСТЬ СПИРТОВЫХ СМЕСЕЙ

Исследование смесей бензина с 96-градусных и абсолютных спиртов показало, что смеси ведут себя по-разному. В то время как бензин с 96-градусным спиртом про обычных температурах (+15 С) образуют неустойчивы смеси, расслаивающиеся при незначительном понижение температуры, смеси бензина с абсолютным спиртом довольно устойчивы до температуры — (50° - 60°) С.

4 В таблице 3 показана температура расслоения смеси грозненского авиабензина с 35-градусным и абсолютны спиртом; в таблице 4 — то же с бакинским бензинов II сорта.

Из рассмотрения этих таблиц видно:

1. При высокой температуре спирто-бензиновые смеси являются вполне стабильными и однообразными смесями при применении 95-градусного ректификата спирта в качестве компонента. Однако, при понижении температуры эти смеси теряют свою стабильность и начнут расслаиваться на два отдельных слоя. Это обстоятельство исключает возможность применения таких смесей в условиях обычной эксплоатации.

2. При увеличении процентного содержания спирта температура расслаивания понижается. Можно для двойных смесей 95-градусного спирта с бензином найти такое содержание спирта (весьма большое), которое создаст однообразную смесь (даже при температурах довольно низких). Это содержание спирта должно быть более 80%, что практически не является пригодным в эксплоатацни по уже указанным причинам.

3. Применение абсолютного алкоголя (99,8°) в качестве компонента спирто-бензиновых смесей вполне допустимо в эксплоатации, так как температуры расслаивания такого смеси весьма низки даже при незначительном содержании спирта в смеси. Здесь также наблюдается закономерность понижения температуры расслаивания при увеличении процентного содержании спирта в смеси.

4. Как при применении 95-градусного спирта, так и при применении абсолютного спирта смеси с грозненским авиационным бензинов всегда более стабильны, чем смеси с бакинским бензином II сорта.

Составленные двойные смеси из абсолютного спирта н бензина по мере насыщения смеси водой и следовательно уменьшения крепости спирта начинают раеслаиваться. Так например если задаться температурой расслоения 0°С, то для смесей с грозненским авиабензином расслоение начинется только тогда, когда спирт насытится водой до 97,5°. Для смесей с бакинский бензином расслоение наступит при насыщении спирта до 98,5°.

Этот факт заставляет обратить внимание на бережное хранение спирта и его смесей. В таблице 5 дается падение крепости абсолютного спирта при небрежном хранении и хранении в открытой таре.

Под небрежным хранением понимается хранение не только в открытом сосуде, но и с доступом воздуха, насыщенного водяными парами.

Эта таблица показывает, что абсолютный спирт насыщается водой из атмосферы как в открытой таре, так н при небрежной хранении.

Если же его хранить в хорошей таре с плотной укупоркой, то его качество будет изменяться незначительно даже при весьма долгом хранении.

Гигроскопичность спирто-бензиновых смесей с абсолютным спиртом еще меньше. В баках самолетов спиртовые смеси могут храниться без освежения свыше месяца. Этого срока вполне достаточно для выработки горточего и замены его свежим.

Для того чтобы сделать все же возможной зксплоатацию двойных спирто-бензиновым смесей при наличии в нашем распоряжении 95-96% спирта, необходимо добавлять третье вещество, назначение которого — связывать спирт с бензином. При наличии такого вещества, носящего название стабилизатора, можно смеси сделать более устойчивыми и следояательно более приспособленными и условияе эксплоатации. К таким веществам относятся высшие спирты, которые при добавлении в количеств, 8-10%о могут заметно понизить температуру начала расслаивания. В таблице 6 даются некоторые высшие спирты и их улучшающее действие при добавлении 8% стабилизатора к смеси 30% ректификата 96-градусного спирта и 70% грозненского авиабензина.

Опыты также показали, что чем меньше в спирте воды, тем меньше к нему надо добавить стабилизатора, для того чтобы доггигнуть нужных для эксплоатации температур расслаивании. К стабилизаторам двойных спиртовых смесей можно также отнести авиабензол, который своим присутствием в смеси задерживает процесс расслаивания. Однако эффективность действия авиабензола невелика, и его прибавлять к двойной смеси приходится в больших количествах. Этим об'ясняется то, что авиабензол рассматривается не как стабилизатор смеси, а как самостоятельный компонент. Таким образом приходим к выводу о необходимости составления тройных спирто-бензино-бензольных смесей.

Наличие во всех странах авиабензола привело к тому, что почти все рекомендуемые для эксплоатации на авиадвигателях спиртовые смеси являются тройными смесями, в которых бензол является необходимой составляющей частью.

При низких температурах спирто-бензино-бензольные смеси также расслаиваются. Однако всегда можно подобрать такое соотношение между составляющими, при котором температура расслаивания смеси будет ниже -40°. Эти смеси могут считаться вполне пригодными для условий эксплоатации.

В таблице 7 даются пределы возможного состава смеси грозненского авиабензина и бензола с процентами спирта от 20 до 60 при условии отсутствия расслоения до -40°; в таблице 8 - то же для бакинского бензина.

Эти таблицы показывают следующее:

1) выгоднее для составления тройных смесей употреблять бакинский бензин, пределы применения которого значительно шире, чем для грозненского авиабензина;

2) тенденция уменьшить содержание бензола в тройной смеси обязательно приводит к необходимости увеличивать содержание спирта; большое содержание спирта в смеси (более 50%) надо считать нежелательным из-за его вы веуказанных недостатков.

ИСПАРЯЕМОСТЬ СПИРТОВЫХ СМЕСЕЙ

Обычный ректификат этилового спирта оnличаетсz весьма плохими пусковыми свойствами. Он начинает кипеть при 78°С и при этой температуре почти целиком испаряется. Этим определяется тот факт, что при низких температурах и непрогретом двигателе запуск на спирте будет невозможен.

Двойные спиртовые смеси с бензином этим недостатком уже не обладают и показывают весьма хорошую испаряемость. Смеси спирта с бензином относятся к так называемым азеотропным смесям. Это значит, что смеси отличаются лучшей испаряемостыо, чем компоненты, входящие в их состав. Поэтому смесь бензина с 96-градусным спиртом показывает лучшие пусковые свойства, чем бензин или спирт в отдельности.

Обычно для характеристики приводится температура 10% выкипания на аппарате Энглера. Ниже в таблице 9 даются температуры 10% вькипания, начала кипения и упругости паров для спирта, бензина и спиртовых смесей.

Как уже указывалось выше, смеси 96-градусного спирта с бензином не представляют интереса для эксплоатации вследствие возможного их расслаивания. Как оказалось, смеси абсолютного спирта с бензином отличаются также свойством азеотропии и дают при эксплоатациа возможность легкого и быстрого запуска. В таблице 10 даются значения 10% выкипания для смесей грозненского и бакинского бензина с абсолютным спиртом.

Тройные спирто-бензино-бензольные смеси также отличаются лучшей испаряемостью и пусковыми свойствами, чем каждый из входящих компонентов. Это легко обнаружить в таблице 11.

Все приведенные таблицы показывают, что испаряемость любых смесей достаточна и может обеспечить в условиях эксплоатации запуск и приемистость двигатели.

ЭКСПЛОАТАЦИЯ СПИРТОВЫХ СМЕСЕЙ НА АВИАДВИГАТЕЛЕ

Как уже указывалось, спиртовые смеси требуют для правильной работы двигателя некоторого избыточного подогрева воздуха, который должен быть тем больше, чем в смеси больше спирта.

Некоторые авиационные двигатели уже в своей конструкции предусматривают значительный подогрев всасываемого воздуха. К таким двигателям принадлежат моторы BMV-VI со степенями сжатия 5.5, 6.0 и 7.3. В этом моторе засасываемый воздух сначала проходит через ходы картера и нагревается от его стенок, затем нагревается в карбюраторе и наконец, перемешанный с топливом, подогревается во всасывающих трубопроводах.

Исследование работы этого мотора показало полнейшую пригодность его к работе на спиртовых смесях без специальных приспособлений в том случае, если содержание спирта и смеси невелико. Совершенно очевидно, что летом можно допустить большее содержание спирта в смеси, потому что засасываемый воздух имеет температуру градусов на 30 более, чем зимой.

Для этого мотора, исходя из необходимисти обеспечении стабильности смеси и отсутствия детонации, были подобраны следующие составы топлив:

Для лета (по весу): спирта 96-градусного 30%, авиабензона 33%, грозненского ааиационного бензина 37%.

Для зимы (по весу): спирта 25%, авиабензина 45%, грозненского авиациониого бензина 30%.

Основные свойства летней смеси: удельный вес - 0,785; температура расслаивании - 44°.

Основные свойства зимней смеси: удельный вес - 0,798; температура расслаивания - 45°.

На указанных смесях мотор прошел испытания и показал полнейшую возможность его эксплоатации. После разбора мотора никаких признаков коррозии не наблюдалось, на поршнях был незначительный нагар. Рабочие поверхности поршней и цилиндров находились в хорошем состоянии.

При подборе регулировки карбюратора DCL-60 оказалось, что как для лета, так и для зицы регулировку можно оставить одинаковой. Наилучшие результаты дала следующая регулировка диаметров: главного жиклера - 2,35 мм, компенсационного жиклера - 2,00 мм; пускового жиклера - 0,8 мм.

На этой регулировке мотор на полном газу показывает примерно на 2% увеличение мощности. Одновременно увеличивается расход топлива, составляя 250-260 г/л с/час, а на номинальной мощности - 240-245 г/л. с/час. Это соответстаует увеличению расхода примерно на 13%. Обе подобранные смеси для зимы н лета обеспечивают ровную и устойчивую работу мотора, хорошую приемистость и отсутствие детонации.

Испытание других авиамоторов на спиртовых смесях также показало полнейшую возможность их эксплоатации обязательным предварительным подогревом воздуха специальным подогревателем.

Для обеспечения правильной работы двигателя необходим подогрев, с тем чтобы температура входящего воздуха составляла:
для смесей с 20% спирта - +15°
для смесей с 30% спирта - +25°
для смесей с 40% спирта - +35°

Большое количество работ, проведенных со спиртовыми топливами за границей и у нас, заставляет обратить внимание на одно обстоятельство, весьма важное для обеспечения грамотной эксплоатации. Это - необходимость избегать богатых смесей при эксплоатации спиртовых топлив.

же указывалось, что сгорание спирта при условии недостачи воздуха приводит к образованию уксусной кислоты. Последняя наносит сильные повреждения клапанному механизму тем, что на шторках появляется ржавчина, которая приводит к заеданию клапанов. Поэтому обеспечение правильной регулировки состава смеси является весьма важной задачей в эксплоатации. Наиболее возможной ошибкой, приводящей к сильному обогащению смеси в условиях эксплоатации, является пренебрежение пользованием высотным краном. В условиях эксплоатации спиртовых смесей правильное пользование высотным краном должно особенно строго требоваться.

ОБ ППЕ ВОПРОСЫ ЭКСПЛОАТАЦИИ СПИРТОВЫХ ТОПЛИВ

В условиях экплоатации контроль правильности составления спиртовой смеси можно осуществить путем проверки удельного веса смеси. В случае тройных смесей этой константы недостоточно; для двойных же смесей можно вполне воспользоваться измерением удельного веса для контроля правильности составленной смеси. В таблице 12 приводится удельные веса абсолютного спирта с бакинским и грозненским бензинами.

При пользования этой таблицей надо помнить, что по мере уменьшения крепости спирта удельный вес будет повышаться за счет влаги, поглощаемой топливом из атмосферы.

При составлении тройных бензино-бензольно-спиртовых смесей необходим ряд предохранительных мероприятий, обеспечивающих правильный состав смеси.

Эти мероприятия сводятся в первую очередь к последовательности смешения компонентов. Практика показала, что наилучшей по однообразности получается тройная смесь в том случае, если сначала слить спирт с бензолом и хорошо эту смесь перемешать. Только в однообразную бензольно-спиртовую смесь можно доливать бензин.

Во-вторых необходимо обратить сугубое внимание на правильное содержание входящих компонентов, особенно в случае составления тройной смеси, состоящей из бензола и бензина, взятых на пределе тех разбегов, которые даются в таблицах 6 и 7 (например смесь 30% спирта + 35% авиабензола + 35% грозненского авиабензина). Надо помнить, что изменение состава смеси в сторону уменьшения содержания бензола на 5% может повысить температуру расслаивания на 15°. Это обстоятельство требует особого внимания к составлению тройных смесей. При переходе на эксплоатацито спиртовых смесей необходимо провести тщательную промывку баков и всей системы бензинопитания. Это требование вызывается следующим обстоятельством. Во время работы на бензине или бензольных смесях внутренние стенки баков покрываются плотной коркой в результате отложений на стенках не растворимых в бензине и бензоле твердых частиц. Эти твердые частицы могут быть продуктами коррозии или же механическими примесями, попавшими в бак вместе с топливом по небрежности. Практика показала, что все налеты и отложения в системе очень хорошо растворяются в спирте. Таким образом благодаря загрязнению спирта при работе мотора возможна забивка фильтров, жиклеров и т.д. Для того чтобы избежать остановки двигателя по указанной причине, перед заливкой спиртовых смесей необходимо промыть баки самолета и всю топливную магистраль спиртом, с тем чтобы, очистив их от отложений, не бояться засорения.

При эксплоатации спиртовых смесей необходимо помнить, что последние также хорошо растворяют краски и эролаки. При небрежной заправке пролитое на выкрашенные детали самолета спиртовое топливо растворяет их и самолет остается без защитной окраски. Поэтому необходимо принимать меры, предохраняющие самолет от обливания. В заключение необходимо остановиться на коррозии, вызываемой применением спиртовых смесей. Исследование этого вопроса ясно показало, что коррозию вызывают не спирты, а растворенная в них вода. Чем больше воды растворено в спирте, тем сильнее выражено будет явление коррозии. Спирты, имеющие воды более 6%, дают явление ржавления железной тары. Спирты, имеющие менее б% воды, настолько крепко присоединяют воду, что последняя не оказывает киррозийного действия. Водные спирты лучше всего хранить в таре медной или омедненной. Латунь также хорошо сопротивляется коррозии. В техусловиях уже указывалось, что можно хранить спирты в деревянной таре.

Кроме железа от спиртов страдает резина. При этом явление раз'едания зависит от раз'едающего действия спирта. Поэтому здесь зависимость обратная: чем боль воды в спирте, тем практически меньше его раз'едающее действие. Переход на эксплоатацию спиртовых смесей требует замены дюритовых и резиновых соединений как в системе мотора, так и в трубопроводах.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Применение спиртов в качестве моторного топлива широко принято за границей и не представляет особых трудностей при эксплоатации. Аккуратное и внимательное выполнение основных требований, указанных в настоящей статье, может считаться достаточным для того, чтобы эксплоатация спиртовых смесей протекала нормально и без всяких неполадок в работе мотора.

М.С. Комский