Свойства автомобильных бензинов

Бензинами называют жидкие нефтяные топлива, которые предназначены для использования в поршневых двигателях внутреннего сгорания с принудительным зажиганием (свечи).

Классифицируют их в зависимости от назначения на автомобильные и авиационные. Несмотря на различия в условиях применения автомобильные и авиационные бензины характеризуются в основном общими показателями качества, определяющими их физикохимические и эксплуатационные свойства.

Бензины могут включать в себя базовый бензин, высокооктановый компонент (ВОК), антидетонационные присадки и добавки, а также присадки, улучшающие другие эксплуатационные свойства.

Важным показателем качества бензина является его детонационная стойкость, которая характеризуется октановым числом.

Химический и углеводородный состав.

Химический состав бензина характеризуется групповым углеводородным составом, то есть содержанием в нем ароматических, олефиновых, нафтеновых и парафиновых углеводородов. Более того помимо углеводородов в бензине в незначительных количествах содержаться гетероатомные соединения, которые имеют в своем составе серу, кислород и азот. Они попадают в бензин из переработанной нефти и кислородные соединения образуются при окислении углеводородов при хранении бензина.

Ограничения по химическому и углеводородному составу автомобильных бензинов:

Содержание ароматических углеводородов, главным образом бензола – увеличение содержания ароматических соединений в бензине, как правило, приводит к соответствующему увеличению их выбросов несгоревших углеводородов. Одним из установленных последствий увеличения содержания ароматических углеводородов в бензине является увеличение выбросов бензола в окружающую среду.

Возможно сочетание нескольких вариантов, основываясь на характеристиках завода, наличии сырья, переработки и интеграции концепции химического производства.

Общее содержание ароматических углеводородов контролируется во время квалификационных испытаний, и не должен превышать 55% об.

Содержание олефиновых углеводородов.

Максимальное содержание олефиновых углеводородов в товарном бензине не должно превышать 18%, так как они являются основным источником для формирования смолистых соединений в бензине. Увеличение содержания олефиновых углеводородов также влияет на рост эмиссии в окружающую среду озонообразующих веществ и токсичных 6 диеновых веществ вместе с выхлопными газами.

Тем не менее, когда содержание кислородсодержащих соединений в бензине более чем 2,7% по массе кислорода, то происходит увеличения расхода топлива за счет низкой теплоты сгорания кислородсодержащих соединений, а также потери мощности двигателя транспортного средства. Поэтому из экологических предпосылок бензина следует, что содержание кислородсодержащих соединений должно быть не более 2,0 – 2,7%. В бензиновых спецификациях также введены стандарты для максимального содержания отдельных оксигенатов.

С испаряемостью бензина связаны многие характеристики двигателя, например, пуск при низких температурах, вероятность возникновения паровых пробок в топливной системе в летнее время, приемистость автомобиля, скорость прогрева двигателя, а также износ цилиндро-поршневой системы и расход топлива.

Содержание тяжелых бензиновых фракций ограничивают, так как в определенных условиях эксплуатации, они не могут полностью испариться и могут попасть в цилиндры двигателя в жидком состоянии. Топливо смывает масляную пленку в цилиндрах, из-за чего износ двигателя возрастает, разжижается масло и увеличивается расход топлива.

В спецификациях для бензина накладывают ограничения на давление насыщенных паров, в зависимости от климатических условий. Эта физическая характеристика топлива рассматривается как фактор, влияющий на надежность топливной системы, а также потерь от испарения, загрязняющие атмосферу во время хранения, транспортировки и использования бензина.

Испаряемость топлива влияет на выбросы транспортных средств, и это влияние особенно заметно при эксплуатации автомобиля в холодной и жаркой погоде.

В холодную погоду, низкая испаряемость увеличивает продолжительность пуска двигателя, а так как воздушно-топливная смесь чрезвычайно обогащена, то выброс несгоревших углеводородов очень высок.

Во время прогрева двигателя отсутствие испарения бензина приводит к обеднению смеси в начале ускорения, и, если транспортное средство устанавливается в режиме, близкому к пределу истощению, могут быть проблемы с приемистостью в связи с чередованием периодов, когда топливовоздушной смеси находится за пределами диапазона воспламенения. В такие периоды, возрастают выбросы несгоревших углеводородов и окиси углерода.

В жаркую погоду, основной проблемой является образование паровых пробок в результате испарения бензина в топливном насосе и трубопроводах подачи топлива, который ограничивает подачу топлива в двигатель. Это приводит к обеднению смеси и ухудшению приемистости, или, в экстремальных условиях, к остановке двигателя.

На автомобилях с карбюраторными двигателями, высокая испаряемость может также привести к кипению топлива в поплавковой камере, таким образом, в цилиндры попадает очень богатая топливно-воздушной смесь и, как следствие, происходит увеличение выбросов окиси углерода и несгоревших углеводородов.

Вязкость.

Очень важным свойством является вязкость бензинов, так как от нее зависит скорость поступления топлива к двигателю по топливопроводу и в меньшей степени на его распыление в карбюраторе. Существует динамическая и кинематическая вязкость.

Вязкость бензина зависит от его химического и фракционного состава. С увеличением содержания ароматических и нафтеновых углеводородов и утяжеление фракционного состава топлива вязкость увеличивается.

В настоящее время, вязкость моторного бензина в спецификациях не стандартизирована. Вязкость бензина зависит от температуры, при которой он находится. При снижении температуры и увеличение давления вязкость бензина повышается.

Для определения вязкости используют устройства, которые называются вискозиметры.

Плотность топлива влияет на протекание процессов смесеобразования, если плотность бензина будет низка, то поплавок карбюратора утонет и бензин вытечет из распылителя, переобогатив смесь. Значения плотности для различных групп углеводородов отличаются, поэтому по ней можно ориентировочно судить и об углеводородном составе бензина.

Например, если две фракции имеют одинаковые температуры начала и конца кипения, то наименьшую плотность имеет та, которая состоит из парафиновых углеводородов, и наибольшую, которая содержит в основном ароматические углеводороды.

Плотность определяют через измерение массы единицы объема топлива. В спецификациях на автобензины плотность нормировалась при температуре 20°С, а в настоящее время осуществлен переход на нормирование при температуре 15°С.

Детонационная стойкость параметр, характеризующий способность топлива противостоять самовоспламенению при сжатии. Это важнейшая количественная характеристика топлива, на основе которой определяется его сортность и применимость в двигателях той или иной конструкции.

Высокая детонационная стойкость бензинов обеспечивает их нормальное сгорание на всех режимах эксплуатации двигателя. При сжатии рабочей смеси, температура и давление повышаются, и начинается окисление углеводородов, которое интенсифицируется после воспламенения смеси. Если углеводороды несгоревшей части топлива обладают недостаточной стойкостью к окислению, начинается интенсивное накапливание перекисных соединений, а затем – их взрывной распад.

При высокой концентрации перекисных соединений, происходит тепловой взрыв, который вызывает самовоспламенение топлива.

Самовоспламенение части рабочей смеси перед фронтом пламени приводит к взрывному горению оставшейся части топлива — к так называемому «детонационному сгоранию», «детонации».

Детонация вызывает перегрев, повышенный износ, или даже местные разрушения двигателя, и сопровождается резким характерным звуком, падением мощности, увеличением дымности выхлопа. На возникновение детонации оказывают влияние состав применяемого бензина и конструктивные особенности двигателя.

Октановое число численно равно процентному содержанию изооктана в эталонной смеси с н-гептаном, которая 9 по детонационной стойкости в условиях стандартного одноцилиндрового двигателя эквивалента испытуемому топливу. Испытания протекают в двух режимах: жестком (частота вращения коленчатого вала 900 об/мин) и мягком (600 об/мин).

Получают соответственно моторное и исследовательское октановые числа (ОЧМ и ОЧИ).

Повысив детонационную стойкость бензина, можно уменьшить вероятность самопроизвольного воспламенения рабочей смеси. Источниками воспламенения могут быть перегретые выпускные клапаны, свечи, кромки прокладок, тлеющие частицы нагара и так далее.

Это явление, которое приводит к нарушению нормального процесса горения, называется калильное зажигание. Наиболее опасно преждевременное воспламенение (до подачи искры), так как оно приводит к снижению мощности, энергетической эффективности, повышению риска детонации. Вероятность преждевременного воспламенения топлива зависит от склонности к образованию углеродистых отложений в камере сгорания, и свойства полученного нагара.

При сгорании бензина, содержащего металлоорганические антидетонаторы и большое количество ароматических углеводородов, вероятность появления калильного зажигания и преждевременного воспламенения очень высока.

Октановое число – важнейший показатель качества бензинов, зависящий от природы нефтепродукта, строения углеводородов, фракционного состава, химической и физической стабильности, содержания серы и др.