Бензины и их свойства и противопоказания
Бензины являются одним из основных видов горючего для двигателей современной техники. Автомобильные и мотоциклетные, лодочные и авиационные поршневые двигатели потребляют бензины. В настоящее время производство бензинов является одним из главных в нефтеперерабатывающей промышленности и в значительной мере определяющим развитие этой отрасли.
Ассортимент и качество вырабатываемых автомобильных бензинов определяются структурой автомобильного парка, техническими возможностями нефтепереработки и нефтехимии, а также экологическими требованиями.
Автомобильные бензины должны быть химически нейтральными и не вызывать коррозию металлов и емкостей, а продукты их сгорания — коррозию деталей двигателя. Коррозионная активность бензинов и продуктов их сгорания зависит от содержания общей и меркаптановой серы, кислотности, содержания водорастворимых кислот и щелочей, присутствия воды. Эти показатели нормируются в нормативно-технической документации на бензины.
Увеличение количества автомобилей проводит к возрастанию токсичных выбросов в окружающую среду, что обусловливает необходимость ужесточение норм на выбросы и требований к качеству моторных топлив. Огромное количество загрязняющих веществ, образующихся при сжигании автомобильных бензинов, обусловливает тот факт, что среди всех требований, предъявляемых к бензинам, на первое место выдвигаются экологические.
Загрязнение окружающей среды, связанное с применением бензинов, может происходить на этапах транспортирования, заправки и др. (испарение, утечки и пр.). Однако основным источником загрязнения являются отработавшие газы. В их составе содержится более 300 соединений, наносящих вред окружающей среде и здоровью человека.
Среди продуктов сгорания неэтилированных бензинов наибольшую опасность представляют оксид и диоксид углерода, оксиды азота, оксиды серы, углеводороды и твердые частицы.
Токсичность неэтилированных бензинов и продуктов их сгорания в основном определяется содержанием в них ароматических углеводородов, особенно бензола, олефиновых углеводородов и серы. Ароматические углеводороды более токсичны по сравнению с парафиновыми углеводородами. Если парафины в соответствии с ГОСТ 12.1.005–88 относятся к 4-му классу опасности, то бензол относится ко 2-му классу, а толуол — к 3-му. При их сгорании образуются полициклические ароматические углеводороды (бензпирены), обладающие канцерогенными свойствами. Чем выше содержание ароматических углеводородов в бензине, тем выше температура его сгорания и содержание оксидов азота в отработавших газах. Высокое содержание серы в бензине увеличивает выбросы оксидов серы, которые губительно действуют на здоровье человека, животный и растительный мир, конструкционные материалы. При использовании бензинов с кислородсодержащими добавками содержание токсичных продуктов в отработавших газах несколько снижается. Состав отработавших газов двигателя внутреннего сгорания приведено на таблице 1.
Таблица 1.
Компоненты | Содержание в отработавших газах, % об. | Количество, кг/т топливо |
Азот | 74–77 | – |
Кислород | 0,3–0,8 | – |
Вода | 3,55 | – |
Диоксид углерода | 5–12 | – |
Оксид углерода | 1–10 | 225 |
Оксиды азота | 0,1–0,5 | 55 |
Оксиды серы | 0–0,0012 | 1,5–2,0 |
Углеводороды | 0,01–1,0 | 20 |
Альдегиды | 0–0,2 | 0,8–1,0 |
Сажа, г/м3 | 0–0,04 | 1,0–1,5 |
Бенз–α–пирен, г/м3 | до 0,00002 | – |
Надежная, эффективная и экономическая работа любого карбюраторного двигателя будет обеспечена только в том случае, если бензин удовлетворяет следующим требованиям:
имеет высокие карбюрационные свойства, т. е. образует такую горючую смесь, которая обеспечивает легкий пуск двигателя и устойчивую работу при всех возможных режимах;
не вызывает детонации двигателя, т. е. имеет достаточную детонационную стойкость;
обеспечивает полное сгорание, не вызывает смоло- и нагарообразования на деталях двигателя;
обладает высокой стабильностью, т. е. при длительном хранении состав и свойства остаются без существенных изменений;
при хранении не вызывает коррозии металла резервуаров, баков, трубо- и топливопроводов, а при его сгорании — деталей двигателей от действия продуктов сгорания (имеет высокие антикоррозионные свойства);
теплота сгорания горючей смеси должна быть, возможно, более высокой.
Для улучшения эксплуатационного свойства бензина называемого детонационной стойкостью им прибавляют октаноповышаюшие присадки или добавляют высокооктановая добавка.
К высокооктановым компонентам относят ароматические углеводороды, алкилбензин и оксигенаты.
Оксигенаты (кислородсодержащие добавки (спирты, простые и сложные эфиры)) — одного из самых высокооктановых компонентов для моторных топлив. Эти добавки, наряду с повышением октанового числа бензинов, способствуют снижению содержания токсичных углеводородов и монооксида углерода в выхлопных газах.
Основные структурные формулы эфиров и их свойства приведены в табл. 2.
Таблица 2
Свойства некоторых эфиров
Название эфира | Формула | Очи | ОЧм | ОЧср | t кипения, С |
МТБЭ | | 118 | 110 | 109 | 55 |
ЭТБЭ | | 118 | 102 | 110 | 70 |
МТАЭ | | 111 | 98 | 104,5 | 87 |
ДИПЭ | | 110 | 99 | 104,5 | 69 |
Оксигенаты все больше используются как компоненты бензинов, так как они позволяют:
понизить точку выкипания 50 %(об.) бензина и улучшить его испаряемость на переходных режимах;
повысить ОЧ смеси без добавки ТЭС;
сократить содержание СО в выхлопных газах за счет более полного сгорания ТВС благодаря наличию химически связанного кислорода в эфире -примерно 16–18 % (мас.) от молекулярной массы.
Наименьшие износ деталей и расход топлива будут при температуре охлаждающей жидкости 85–90 0С. При снижении температуры на 20 0С в результате ухудшения процесса сгорания расход бензина увеличивается на 5–10 %, при низком тепловом режиме (30–40 0С) перерасход достигает 30–40 %. Для поддержания теплового режима нужно следить за состоянием системы охлаждения двигателя, так как при накоплении накипи повышается температура деталей цилиндропоршневой группы. При толщине накипи в 1 мм расход топлива возрастает примерно на 8 %.
Экономичность работы тесно связана с уровнем бензина в поплавковой камере, герметичностью клапанов, правильностью установки угла опережения момента зажигания. Большие значение имеет регулировка распределительного механизма: слишком ранее или позднее открытие клапанов вызывает падение мощности и увеличение расхода. Для его снижения нужно тщательно следить за исправностью двигателя, используя средства диагностики, вовремя проводить техническое обслуживание.
Литература:
- А. А. Гуреев, В. С. Азев. Автомобильные бензины. Свойства и примениние. Москва.: «Нефть и газ» 1996 г., 443ст.
- Под редакцией д. т.н., В. А. Проскурякова. Химия нефти и газа. Л.: Химия 1995 г. 360 ст.
Виды топлива для автомобилей
Данный раздел дает основные представления об отечественных топливах, причем особое внимание уделено их свойствам, определяющим необходимость применения моющих присадок и присадок-модификаторов к топливу.
1.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
С момента появления первых двигателей внутреннего сгорания и до настоящего времени основными видами топлива для автотранспорта остаются продукты переработки нефти — бензины и дизельные топлива. Эти топлива представляют собой смеси углеводородов и присадок, предназначенных для улучшения их эксплуатационных свойств. В состав бензинов входят углеводороды, выкипающие при температуре от 35 до 2000С, а в состав дизельных топлив — углеводороды, выкипающие в пределах 180-3600С. Производство топлива включает комплекс технологических процессов переработки нефти и нефтепродуктов.
1.2. БЕНЗИНЫ
Бензин — это смесь легкокипящих жидких углеводородов различного строения с температурой кипения 35…2000С, получаемая при перегонке нефти, осушке природного газа, переработке твердых видов топлива и при вторичной переработке продуктов перегонки нефти (например, мазута). Наиболее важными для бензинов являются требования к детонационной стойкости и фракционному составу, от которых зависят их эксплуатационные характеристики. Бездетонационная работа двигателя достигается применением бензина с требуемой детонационной стойкостью. Наименьшей детонационной стойкостью обладают нормальные парафиновые углеводороды, а наибольшей — ароматические углеводороды. Варьируя углеводородный состав, получают бензины с различной детонационной стойкостью, характеризуемый октановым числом (ОЧ). Октановое число — это цифра, показывающая антидетонационную стойкость бензина. Чем выше ОЧ, тем выше стойкость бензина против детонации. Определение ОЧ производится на специальных моторных установках.
Существуют два метода определения ОЧ: — исследовательский (ОЧИ — октановое число по исследовательскому методу); — моторный (ОЧМ — октановое число по моторному методу). Численное значение ОЧИ больше ОЧМ. Буква «А» означает, что бензин автомобильный. Численное значение — это октановое число бензина. Наличие после буквы «А» буквы «И» означает, что октановое число определено по исследовательскому методу. Если после буквы «А» нет буквы «И», то октановое число определено по моторному методу. Российскими стандартами предусмотрены следующие марки бензинов: А-76, А-80, АИ-91, АИ-92, АИ-93, АИ-95, АИ-98. Наиболее важным конструктивным фактором, определяющим требования двигателя к октановому числу, является степень сжатия. Повышение степени сжатия двигателей позволяет улучшить их технико-экономические и эксплуатационные показатели. При этом возрастает мощность и снижается удельный расход топлива. Однако с увеличением степени сжатия необходимо применять бензин с более высоким октановым числом. Поэтому важнейшим условием бездетонационной работы двигателей является соответствие октанового числа, применяемого бензина и степени сжатия двигателя.
Следует подчеркнуть, что требуемое октановое число зависит не только от степени сжатия, но еще от формы камеры сгорания, максимальной частоты вращения коленчатого вала, теплонапряженности двигателя, наличия наддува и других факторов. Поэтому, встречаются ДВС, у которых степень сжатия отличается на 1…2 единицы, а бензин для них рекомендован один и тот же. Для повышения детонационной стойкости бензинов в их состав вводят антидетонаторы — вещества, которые при добавлении к бензину в относительно небольших количествах резко повышают его антидетонационную стойкость. К их числу относятся антидетонаторы на основе ароматических аминов, соединений ферроцена и марганца или их смесь.
С фракционным составом связаны такие характеристики двигателя, как его пуск, образование паровых пробок в системе питания двигателя, прогрев и приемистость, экономичность и долговечность работы. Учитывая противоречивые требования к фракционному составу бензина в части содержания низкокипящих фракций с позиций обеспечения пуска двигателя, с одной стороны, и образования паровых пробок, обледенения карбюратора и потерь на испарение — с другой. У нас в стране вырабатываются два вида бензинов — зимний и летний. Эти бензины имеют оптимальный фракционный состав для определенных температурных условий и позволяют без осложнений эксплуатировать автомобили в различное время года. Все отечественные стандарты предусматривают содержание в бензинах серы (до 0,05…0,10%) и фактических смол (до 30…100 мг/л). Эти включения вызывают вредные отложения и коррозию деталей ДВС. В соответствии со стандартами бензины не должны содержать воду, механические примеси, водорастворимые кислоты и щелочи, однако на практике встречаются случаи существенного отклонения от этих требований.
1.3. ДИЗЕЛЬНЫЕ ТОПЛИВА
Дизельное топливо (ДТ) для автомобильных дизелей изготавливают из дистиллятных фракций прямой перегонкой нефти, а также из дистиллятных фракций, подвергнутых гидроочистке и депарафинизации с добавлением до 1% изопропилнитрата для повышения цетанового числа. ДТ состоит в основном из двух компонентов: легко воспламеняемой жидкости (цетана) и плоховоспламеняющегося метилнафталина. Наиболее важными эксплуатационными свойствами дизельного топлива являются его воспламеняемость и прокачиваемость. Воспламеняемость топлива характеризует его способность к самовоспламенению. Цетановое число (ЦЧ) — это процентное содержание цетана в дизельном топливе по отношению к метилнафталину.
Цетановое число (ЦЧ) характеризует способность топлива к самовоспламенению. Чем выше ЦЧ, тем лучше топливо самовоспламеняется. Повышение ЦЧ улучшает самовоспламеняемость топлива при конкретных условиях, что способствует облегчению запуска дизеля. Оптимальный диапазон для ЦЧ = 45…50 единиц. Если ЦЧ ниже 45, то это приводит к «жесткой» работе дизеля (см. Раздел 1, п. 5.6), а если выше 55, то топливо слишком рано воспламеняется, не успев хорошо перемешаться с воздухом. Последнее ухудшает эффективность и полноту сгорания топлива, увеличивая тем самым его расход. В различных российских стандартах на дизтопливо ограничение по минимальному значению цетанового числа неодинаково и принадлежит диапазону 35…45. По стандартам Швеции, например, цетановое число должно быть не менее 47…50, в Калифорнии — не менее 48. Прокачиваемость дизтоплива характеризует способность топлива к перетеканию в системе питания дизеля от топливного бака до распылителя форсунки. Прокачиваемость зависит от свойств применяемого дизтоплива (температуры помутнения, предельной температуры фильтруемости, температуры застывания, содержания механических примесей и воды) и конструктивных особенностей системы питания и фильтрации топлива.
Тф — предельная температура фильтруемости — это температура, при которой топливо при охлаждении в определенных условиях перестает проходить через специальный топливный фильтр.
Тп — температура помутнения — это температура, при которой в процессе охлаждения топливо теряет прозрачность.
Тп близка к Тф. Помутнение вызвано выпадением высокоплавких углеводородов (парафинов, алканов) в виде кристаллов, способных забить собой топливные фильтры. Поэтому рабочая температура применения дизтоплива должна быть выше температуры его помутнения.
Тг — температура застывания (гелеобразования) топлива — температура в процессе охлаждения дизтоплива, при которой топливо в специальном приборе, наклоненном под углом 450С, сохраняет неподвижность в течение 1 минуты. Этот показатель служит для оценки возможности заправки, транспортирования, слива и перелива дизельного топлива при отрицательных температурах окружающего воздуха. За нижний температурный предел применения любого дизельного топлива принимают температуру, которая на 3…50С выше температуры помутнения. Эксплуатационную оценку принято производить также по температуре застывания, руководствуясь следующим правилом: самая низкая температура окружающего воздуха, при которой возможно применение данного дизтоплива, должна быть на 10…150С выше температуры застывания. Марки отечественного дизтоплива устанавливают в зависимости от условий применения. ГОСТ 305-82 предусматривает дизтопливо:
- Л — летнее: для эксплуатации при температуре окружающего воздуха 00С (Цельсия) и выше.
- 3 — зимнее: а) для эксплуатации в умеренной климатической зоне при температуре окружающего воздуха -200С и ниже (Тг = -350С); б) для эксплуатации в холодной климатической зоне при температуре окружающего воздуха -300С и ниже (Тг = -450С).
- А — арктическое: для эксплуатации при температуре окружающего воздуха -450С и ниже (Тг = -550С).
Дизельные топлива, как и бензины, имеют условные обозначения. В обозначение летнего дизтоплива входит массовая доля серы и температура вспышки. Например, Л-0,2-40 означает: массовая доля серы 0,2%, температура вспышки 400С. В обозначение зимнего дизтоплива входит массовая доля серы и температура застывания. Например, 3-0,4-35 означает: массовая доля серы 0,4%, температура застывания минус 350С. В обозначение арктического дизтоплива входит только массовое содержание серы.
По сравнению с бензинами в отечественных дизтопливах содержание серы существенно больше (в 5-10 раз). Для дизтоплива содержание серы строго нормируется по двум составляющим: по общей сере (обычно не более 0,2…0,5%) и меркаптановой сере (обычно не более 0,01%). При сгорании из серы образуются ее оксиды, которые оказывают коррозионное воздействие на металлы — детали ЦПГ. При низких температурах оксиды серы легко растворяются в капельках воды, образуя сернистую и серную кислоты.
Наиболее агрессивными по коррозии являются меркаптаны и сероводород. От содержания в дизтопливе серы существенно зависит срок службы дизеля. Чем больше серы, тем интенсивнее коррозионное изнашивание дизеля, поэтому в промышленно развитых странах содержание серы в дизтопливе ограничено более жесткими стандартами. Так, в Калифорнии содержание серы ограничено значением 0,05%, что в 4… 10 раз меньше по сравнению с российскими видами дизтоплива, а в Швеции требования к содержанию серы еще более строгие.
Важным эксплуатационным свойством дизельного топлива является его склонность к образованию нагара и лаковых отложений в двигателе. Отложения приводят к нарушениям в работе двигателя, что ухудшает его технико-экономические и экологические показатели. Количество вредных отложений в двигателе возрастает при увеличении содержания в дизтопливе серы и сернистых соединений, фактических смол, непредельных и ароматических углеводородов (йодного числа), несгораемых неорганических соединений (зольности).
Повышение зольности топлива увеличивает износ деталей ЦПГ и топливной аппаратуры дизеля.
Все отечественные стандарты не допускают наличие в дизтопливе воды и механических примесей. Однако на автозаправочных станциях этим требованиям дизтопливо соответствует крайне редко. Концентрация фактических смол в дизтопливе российскими стандартами ограничена и для разных топлив не должна превышать 200…400 мг/л, т.е. в среднем она в 4 раза выше, чем у российских бензинов.
1.4. ДРУГИЕ ВИДЫ ТОПЛИВА
Альтернативные топлива — это природный газ, нефтяной углеводородный газ (пропан-бутановый), спирты, синтетическое топливо, водород, генераторный газ и др. Каждый вид топлива по сравнению с обычными нефтяными топливами имеет как преимущества, так и недостатки. Превалирование последних в настоящее время препятствует широкому распространению альтернативных топлив.