Что такое бензин и его свойства и противопоказания
Автомобильные бензины
Топливо для бензиновых двигателей и его характеристики
Для бензиновых двигателей применяют бензин – легкое топливо, представляющее собой светлую жидкость, быстро испаряющуюся на воздухе и хорошо воспламеняющуюся. С химической точки зрения бензин является смесью лёгких углеводородов, получаемых из нефти и нефтепродуктов.
Температура кипения бензина может варьировать в достаточно широких пределах — от 33 до 205 °C (в зависимости от содержания примесей).
Бензин несколько легче дизельного топлива – его плотность составляет 0,71…0,74 г/см³, тогда как у дизтоплива этот показатель может достигать 0,85 г/см³.
При сжигании бензина выделяется значительная тепловая энергия – его теплотворная способность может превышать 10 тыс. ккал/кг.
Замерзает бензин (в отличие от дизельного топлива) при достаточно низкой температуре – примерно -70…-74 °C.
Наиболее важными свойствами бензина являются испаряемость, антидетонационная стойкость и теплота сгорания.
***
Испаряемость бензина
Испаряемость бензина характеризует условия смесеобразования и состав горючей смеси во впускной системе двигателя, склонность бензина к образованию паровых пробок в топливной системе автомобиля, а также полноту сгорания бензина и степень разжижения моторного масла бензиновыми фракциями.
Испаряемость бензина оценивается следующими комплексными и единичными показателями, определяемыми лабораторными методами: фракционным составом, давлением насыщенных паров, склонностью к образованию паровых пробок (соотношение пар-жидкость).
Испаряемость бензина должна обеспечивать оптимальный состав топливовоздушной смеси на всех режимах работы двигателя независимо от способа ее приготовления (карбюрация, впрыск).
С испаряемостью бензина связаны такие характеристики двигателя, как пуск при низких температурах, вероятность образования паровых пробок в системе питания в летний период, приемистость автомобиля, скорость прогрева двигателя, а также износ цилиндропоршневой группы и расход топлива.
Содержание тяжелых фракций бензина ограничивают, так как в определенных условиях эксплуатации они могут испаряться не полностью и попадать в цилиндры двигателя в жидком состоянии. При этом топливо в цилиндрах смывает масляную пленку, из-за чего увеличивается износ, разжижается масло, повышается расход топлива.
Давление насыщенных паров — фактор, влияющий на надежность работы топливной системы, а также на потери от испарения, загрязняющие атмосферу при хранении, транспортировании и применении бензина.
***
Детонационная стойкость бензина
Детонационная стойкость – свойство бензина, определяющее возможную степень сжатия двигателя.
Детонация представляет собой особый вид сгорания горючей смеси, протекающего с явлениями взрыва отдельных объемов смеси при чрезвычайно высоких скоростях распространения фронта пламени в камере сгорания (2000 м/с и выше). Для сравнения: при нормальном сгорании эта скорость составляет 20…40 м/с, т. е. в 50…100 раз меньше, чем при детонационном сгорании. Детонационное сгорание топлива сопровождается значительным повышением давления в зоне детонации.
При детонационном сгорании смеси в двигателе слышны резкие металлические стуки, объясняемые ударами волн высокого давления о стенки камер сгорания, цилиндров и днищ поршней и возникновением вибрации деталей.
Кроме того, наблюдаются дымный выпуск с искрами вследствие неполного сгорания топлива и закипания жидкости в системе охлаждения из-за усиленной теплоотдачи стенкам камер сгорания и цилиндров.
В результате неполного сгорания топлива, усиленной теплоотдачи и увеличения механических потерь мощность и экономичность двигателя резко снижаются.
Длительная работа двигателя при детонационном сгорании может привести не только к повышенному износу его деталей, но и к образованию крупных дефектов в виде трещин и деформации деталей или даже их разрушения. Детонация обычно возникает в случае применения топлива несоответствующего сорта, а также при перегрузке и перегреве двигателя.
Возникшая в двигателе детонация при работе автомобиля, не имеющая систематического характера, может быть устранена уменьшением нагрузки на двигатель (путем перехода на низшую передачу) и прикрытием дроссельной заслонки карбюратора.
Систематическая детонация при работе двигателя с правильно установленным зажиганием свидетельствует о недостаточно высоких антидетонационных свойствах используемого топлива.
Показателем, характеризующим антидетонационные свойства бензина, является его октановое число.
***
Октановое число бензина
Октановое число бензина определяют на специальной установке, представляющей собой одноцилиндровый двигатель с изменяемой степенью сжатия, сравнением антидетонационных свойств испытуемого бензина со свойствами эталонного топлива – приготовляемой в разных пропорциях смеси сильнодетонирующего топлива (гептана) и стойкого против детонации топлива (изооктана) – эквивалентной смеси.
При одинаковых антидетонационных свойствах эквивалентной смеси и испытуемого бензина октановое число бензина принимают равным процентному содержанию изооктана в эквивалентной смеси. Чем больше октановое число бензина, тем меньше он детонирует при сжатии и тем большую степень сжатия может иметь двигатель, работающий на этом бензине.
Октановое число бензина является очень важным свойством топлива, поскольку, как мы знаем из теплотехники, от степени сжатия зависят многие динамические и экономические характеристики двигателя внутреннего сгорания, в том числе – его КПД. Т. е. чем выше степень сжатия в цилиндрах двигателя, тем эффективнее протекают процессы преобразования тепловой энергии в механическую.
Для повышения октанового числа бензина и уменьшения возможности его детонации в двигателях с повышенной степенью сжатия в некоторых сортах бензина используют специальные добавки – антидетонаторы. Наиболее сильным из применяемых антидетонаторов является этиловая жидкость, добавляемая к бензину в небольших количествах. Бензин с добавками этиловой жидкости называют этилированным. Этилированный бензин ядовит, поэтому в него добавляют красящее вещество для отличия от обычного бензина. Обращаться с этилированным бензином следует очень осторожно, соблюдая правила техники безопасности. В последнее время производство этилированного бензина в России запрещено.
Для автомобилей с карбюраторными двигателями применяют бензин марок: АИ-92, АИ-95, АИ-98. Буква «А» в маркировке бензина означает «автомобильный», буква «И» — метод определения октанового числа (исследовательский), цифры – октановое число бензина.
***
Оптимальный состав горючей смеси
Процесс смесеобразования заключается в смешивании бензина в распыленном состоянии с воздухом в определенной пропорции. Горючая смесь должна удовлетворять двум основным требованиям:
- при воспламенении в цилиндре двигателя смесь должна сгорать очень быстро (в течение короткого промежутка времени), чтобы обеспечить соответствующее давление газов на поршень в начале рабочего хода;
- бензин, входящий в состав горючей смеси, должен сгорать полностью, чтобы выделялось наибольшее количество теплоты, и работа двигателя была наиболее экономичной. Неполное сгорание топлива ведет к его выбросу в систему выпуска отработавших газов, что приводит к его неоправданному перерасходу. Кроме того, двигатель сильно дымит, а на стенках цилиндров интенсивно откладывается копоть и сажа.
Подробнее процессы горения топлива рассматриваются на отдельной странице сайта.
Для быстрого и полного сгорания горючей смеси необходимо, чтобы бензин с воздухом смешивались в строго определенной массовой пропорции, было очень мелко распылен и хорошо перемешан с воздухом. В этом случае каждая мельчайшая частица бензина будет окружена частицами кислорода в требуемом для полного окисления количестве. Не следует забывать, что горение – это процесс окисления топлива, т. е. его химическое взаимодействие с кислородом, сопровождающееся выделением тепловой энергии.
Состав горючей смеси в зависимости от соотношения топлива и воздуха в ней характеризуют специальным показателем – коэффициентом избытка воздуха α, представляющим собой отношение действительного количества воздуха в смеси (в кг), приходящегося на 1 кг топлива, к теоретически необходимому количеству, обеспечивающему полное сгорание 1 кг топлива.
Как указывалось в предыдущей статье, в зависимости от соотношения масс бензина и воздуха различают нормальную, обедненную, обогащенную и богатую горючую смесь.
Нормальной называют смесь, в которой на 1 кг бензина приходится 15 кг воздуха – теоретически необходимое количество воздуха для полного сгорания бензина. Коэффициент α для нормальной горючей смеси равен единице.
Соотношение 1:15 является примерным (обычно системы питания бензиновых двигателей регулируются на нормальный состав 1:14,7), поскольку с точки зрения химии количество кислорода в смеси должно обеспечивать окисление водорода и углерода, содержащихся в данной марке бензина. В процессе сгорания участвует не только кислород воздуха, но и кислород, в том или ином количестве содержащийся в самом топливе. Если учесть этот факт, а также то, что в разных марках и сортах бензина может содержаться разное массовое количество водорода и углерода (основных теплотворных компонентов топлива), то можно понять, что состав нормальной смеси для разных сортов бензина будет несколько отличаться.
Обедненной (α = 1,1…1,15) называют смесь, в которой имеется незначительный избыток воздуха по сравнению с нормальной смесью, а бедной (α > 1,2) – смесь, в которой воздуха существенно больше, чем необходимо для полного сгорания бензина.
Обогащенная смесь (α = 0,85…0,9) имеет недостаток воздуха – до 13 кг на 1 кг топлива. Скорость сгорания обогащенной смеси возрастает, в результате чего давление газов в цилиндрах двигателя увеличивается. Такая смесь позволяет развить двигателю максимальную мощность, но при этом общий расход топлива увеличивается из-за неполноты его сгорания.
Богатая смесь имеет значительный недостаток воздуха (α < 0,85). В такой смеси из-за нехватки кислорода бензин сгорает не полностью, что вызывает снижение мощности двигателя при значительном расходе топлива. 
В результате догорания несгоревшего топлива в выпускном трубопроводе возникают хлопки, что является внешним признаком сильного обогащения рабочей смеси. При чрезмерно обогащенной смеси, когда содержание воздуха достигает 5 кг на 1 кг бензина (α < 0,4), смесь совсем не воспламеняется.
Анализируя свойства горючей смеси разных составов, можно сделать следующие выводы:
Если двигатель по условиям работы не должен развивать полно мощности (при средних нагрузках), то самой выгодной является обедненная смесь, поскольку расход топлива при этом значительно снижается. Некоторое уменьшение мощности двигателя в этом случае при его работе с неполной нагрузкой значения не имеет.
При больших нагрузках целесообразно работать на обогащенной смеси, так как двигатель при этом развивает наибольшую мощность. Несколько повышенный расход топлива вследствие кратковременности работы двигателя на данном режиме не вызывает заметного увеличения общего расхода топлива за большой период времени.
Работа двигателя на бедной или богатой смесях, вызывающих снижение мощности и экономичности двигателя, недопустима.
***
Принцип работы простейшего карбюратора
Бензин и его характеристики. Смесь, горючая, лёгких углеводородов с температурой кипения от 33 до 205 °C. Плотность около 0,71 г/см³. Теплотворная способность примерно 10 200 ккал/кг (46 МДж/кг, 32,7 МДж/литр). Температура замерзания −72 °C в случае использования специальных присадок. Бензин — продукт переработки нефти. Представляет горючее с низкими детонационными характеристиками. Существуют: природный бензин, бензин крекинг-процесса, продукты полимеризации. Так же сжиженные нефтяные газы и все продукты, используемые в качестве промышленных моторных топлив. Бензин – это самое распространенное топливо для большинства видов транспорта.
Поршневых двигателях внутреннего сгорания
Бензины предназначены для применения в поршневых двигателях внутреннего сгорания с принудительным воспламенением (от искры). В зависимости от назначения их разделяют на автомобильные и авиационные. Несмотря на различия в условиях применения автомобильные и авиационные бензины характеризуются в основном общими показателями качества. Их физико-химические и эксплуатационные свойства различны. Современные автомобильные и авиационные бензины должны удовлетворять ряду требований.
Они должны обеспечивать экономичную и надежную работу двигателя (Бензин и его характеристики). Требования эксплуатации: иметь хорошую испаряемость, позволяющую получить однородную топливовоздушную смесь оптимального состава. При любых температурах; иметь групповой углеводородный состав, обеспечивающий устойчивый, бездетонационный процесс сгорания. На всех режимах работы двигателя не изменять своего состава и свойств. При длительном хранении не оказывать вредного влияния на детали топливной системы, резервуары, резинотехнические изделия и др. В последние годы экологические свойства топлива выдвигаются на первый план.
Состав бензинов
Бензин — представляет собой смесь углеводородов состоящих в основном из предельных 25-61 %, непредельных 13-45%, нафтеновых 9-71 %, ароматических 4-16 % углеводородов с длиной молекулы углеводорода от C 5 до C 10 и числом углеродных атомов от 4-5 до 9-10 со средней молекулярной массой около 100Д. Так же в состав бензина могут входить примеси — серо-, азот- и кислослородсодержащих соединений. Бензин — это самая легкая фракция из жидких фракций нефти (Бензин и его характеристики). Эту фракцию получают в числе разных процессов возгонки нефти. По этому от фракционного состава бензинов зависят легкость и надежность пуска двигателя, полнота сгорания, длительность прогрева, приемистость автомобиля и интенсивность износа деталей двигателя. Фракционный состав бензинов определяется согласно ГОСТ 2177-99.
Легкие фракции бензина характеризуют пусковые свойства топлива — чем ниже температура выкипания топлива, тем лучше пусковые свойства. Для запуска холодного двигателя необходимо, чтобы 10% бензина выкипало при температуре не выше 55 градусов (зимний сорт) и 70 градусов (летний) по Цельсию. Зимние сорта бензина имеют более легкий (чем летние) фракционный состав. Легкие фракции нужны только на период пуска и прогрева двигателя. Основная часть топлива называется рабочей фракцией. От ее испаряемости зависят: образование горючей смеси при разных режимах работы двигателя, продолжительность прогрева (перевода с холостого хода под нагрузку), приемистость (возможность быстрого перевода с одного режима на другой). Содержание рабочей фракции должно совпадать с 50% отгона. Минимальный интервал температур от 90% до конца кипения улучшает качество топлива и снижает его склонность к конденсации, что повышает экономичность и уменьшает износ деталей двигателя. Температуру выкипания 90% топлива иногда называют точкой росы.
Свойства бензинов
Бензины — легковоспламеняющиеся бесцветные или слегка желтые (при отсутствии специальных добавок) жидкости, имеющие плотность 700-780 кг/м? Бензины имеют высокую летучесть, и температуру вспышки в пределах 20-40 градусов по Цельсию. Температура кипения бензинов находится в интервале от 30 до 200 C. Температура застывания — ниже минус 60 градусов. При сгорании бензинов образуется вода и углекислый газ. При концентрациях паров в воздухе 70—120 г/м3 образуются взрывчатые смеси.
Автомобильные бензины в силу своих физико-химических характеристик должны обладать следующими свойствами:
- Однородность смеси;
- Плотность топлива — при +20 °С должна составлять 690…750 кг/м2;
- Небольшую вязкость — с ее увеличением затрудняется протекание топлива через жиклеры, что ведет к обеднению смеси. Вязкость в значительной степени зависит от температуры. При изменении температуры от +40 до -40 °С расход бензина через жиклер меняется на 20…30%;
- Испаряемость — способность переходить из жидкого состояния в газообразное. Автомобильные бензины должны обладать такой испаряемостью, чтобы обеспечивались легкий пуск двигателя (особенно зимой), его быстрый прогрев, полное сгорание топлива, а также исключалось образование паровых пробок в топливной системе;
- Давление насыщенных паров — чем выше давление паров при испарении топлива в замкнутом пространстве, тем интенсивнее процесс их конденсации. Стандартом ограничивается верхний предел давления паров летом — до 670 ГПа и зимой — от 670 до 930 ГПа. Бензины с более высоким давлением склонны к образованию паровых пробок, при их использовании снижается наполнение цилиндров и теряется мощность двигателя, увеличиваются потери от испарения при хранении в баках автомобилей и на складах;
- Низкотемпературные свойства — способность бензина выдерживать низкие температуры;
- Сгорание бензина. Под “сгоранием” применительно к автомобильным двигателям понимают быструю реакцию взаимодействия углеводородов топлива с кислородом воздуха с выделением значительного количества тепла. Температура паров при горении достигает 1500…2400 °С.
Автомобильные бензины
В России автомобильные бензины выпускаются по ГОСТ 2084-77, ГОСТ Р 51105-97 и ГОСТ Р 51866-2002, а также по ТУ 0251-001-12150839-2015 Бензин АИ 92,95 (Альтернативный).
Автомобильные бензины подразделяются на летние и зимние (в зимних бензинах содержится больше низкокипящих углеводородов).
Основные марки автомобильных бензинов ГОСТ Р 51105-97:
Нормаль-80 — с октановым числом по исследовательскому методу не менее 80;
Регуляр-92 — с октановым числом по исследовательскому методу не менее 92;
Премиум-95 — с октановым числом по исследовательскому методу не менее 95;
Супер-98 — с октановым числом по исследовательскому методу не менее 98
Маркировка автомобильных бензинов
В соответствии с ГОСТ Р 54283-2010, автомобильные бензины маркируются тремя группами знаков, разделёнными дефисом (например, «АИ-92-4»):
- буквы «АИ» (бензин автомобильный с октановым числом, измеренным исследовательским методом ГОСТ 8226-82);
- октановое число, измеренное исследовательским методом (например, 80, 92, 95 или 98);
- число 2, 3, 4 или 5 — класс бензина; число совпадает с номером экологического стандарта серии «Евро», которому должен соответствовать бензин (2 для Евро-2, 3 для Евро-3 и т. д.).
Пример. Марка «АИ-92-4» расшифровывается как бензин автомобильный с октановым числом 92, измеренным исследовательским методом, соответствующий четвёртому экологическому классу (стандарту Евро-4). Поскольку с 2003 года в России официально прекращено производство вредного этилированного бензина, то все бензины считаются неэтилированными, и данный факт в маркировке никак не отображается.
Сырьё для получения бензина
Сырьём для получения бензина является нефть. Нефть – это природная жидкая смесь разнообразных углеводородов с небольшим количеством других органических соединений; ценное полезное ископаемое, залегающее часто вместе с газообразными углеводородами (попутные газы, природный газ). Соединения сырой нефти – это сложные вещества, состоящие из пяти элементов – C, H, S, O и N, причем содержание этих элементов колеблется в пределах 82–87% углерода, 11–15% водорода, 0,01–6% серы, 0–2% кислорода и 0,01–3% азота. Углеводороды – основные компоненты нефти и природного газа. (Бензин и его характеристики) Простейший из них – метан CH4 – является основным компонентом природного газа.
Все углеводороды могут быть подразделены на алифатические (с открытой молекулярной цепью) и циклические, а по степени ненасыщенности углеродных связей – на парафины и циклопарафины, олефины, ацетилены и ароматические углеводороды. Обычная сырая нефть из скважины — это зеленовато-коричневая легко воспламеняющаяся маслянистая жидкость с резким запахом. Химически нефти очень различны и изменяются от парафиновых, которые состоят большей частью из парафиновых углеводородов, до нафтеновых или асфальтеновых, которые содержат в основном циклопарафиновые углеводороды; существует много промежуточных или смешанных типов. Парафиновые нефти по сравнению с нафтеновыми или асфальтеновыми обычно содержат больше бензина и меньше серы и являются главным сырьем для получения смазочных масел и парафинов. Нафтеновые типы сырых нефтей, в общем, содержат меньше бензина, но больше серы и мазута, и асфальта.