Характеристика качеств автомобильных бензинов

Во время работы двигателя бензин подается к карбюратору, где испаряется и перемешивается с воздухом, образуя горючую смесь. Из карбюратора горючая смесь поступает в цилиндры двигателя, где и происходит быстрое сгорание рабочей смеси, длящееся десятые доли секунды.

В связи с данными процессами к бензину предъявляется ряд требований, основными из которых являются:

- быстрое образование топливно-воздушной (горючей) смеси необходимого состава;

- сгорание рабочей смеси с нормальной скоростью (без детонации);

- минимальное коррозирующее воздействие на детали системы питания двигателя;

- небольшие отложения смолистых веществ в системе питания двигателя;

- минимальное отравляющее воздействие на организм человека и окружающую среду;

- сохранность первоначальных свойств в течение длительного времени.

Соответствие бензина перечисленным требованиям зависит, прежде всего, от его физико-химических свойств, которые определяются рядом показателей, в качестве которых выступают давление насыщенных паров, фракционный состав, теплота испарения, вязкость и плотность. Основные показатели физико-химических свойств бензинов указываются в стандарте или в технических условиях на бензин данной марки.

От них зависят также быстрота и полнота сгорания бензино-воздушной смеси в цилиндрах двигателя, возможность работы двигателя на наиболее экономичных режимах.

Давление насыщенных паров характеризует испаряемость головных фракций бензинов, и в первую очередь их пусковые качества, т. е. представляет собой максимальную концентрацию паров топлива в воздухе, при которой устанавливается равновесие между паром и жидкостью. Таким образом, чем выше давление насыщенных паров бензина, тем легче он испаряется и тем быстрее происходят пуск и нагрев двигателя. Однако если бензин имеет слишком высокое давление насыщенных паров, то он может испаряться до смесительной камеры карбюратора. Это приведет к ухудшению наполнения цилиндров, возможному образованию паровых пробок в системе питания и снижению мощности, перебоям и даже остановке двигателя, в том числе увеличиваются потери от испарения при хранении в баках автомобилей и на складах.

Поэтому давление насыщенных паров бензина устанавливается таким, чтобы при хорошем его испарении не образовывались паровые пробки в системе питания двигателя.

Определение давления насыщенных паров выполняется при температуре 38 °С. Стандартом ограничивается верхний предел давления паров: летом – до 67 кПа и зимой – от 67 до 93 кПа. Температура 38 °С является показателем безопасности при заливке и перевозке топлива в баке автомобиля. Европейский стандарт EN 228 (''Топлива для двигателей внутреннего сгорания. Неэтилированный бензин. Требования и методы испытаний'') регламентирует уровень давления летом от 35 до 70 кПа и зимой от 55 до 90 кПа.

Фракционный состав устанавливает зависимость между количеством топлива (в процентах по объему) и температурой, при которой оно перегоняется. Для характеристики фракционного состава в стандарте указывается температура, при которой перегоняется 10, 50 и 90 % бензина, а также температура конца его перегонки, иногда и начала [1, 3, 6].

Метод определения фракционного состава светлых нефтепродуктов предназначается для бензинов, лигроина, керосина и дизельного топлива.

Фракционный состав является важнейшим показателем бензина, оказывающим влияние не только на качество смесеобразования, но и на работу двигателя в целом. Так, наряду с определенным давлением насыщенных паров для надежного пуска холодного двигателя необходимо наличие низкокипящих углеводородов, содержание которых контролируется температурами начала перегонки (t_нк) и разгонки первых 10 % бензина (t₁₀). Она должна быть не выше 70 °С. Для зимнего бензина предусмотрено выкипание пусковых фракций до 55 °С, что обеспечивает пуск холодного двигателя при температуре окружающего воздуха до –20…–25 °С. После пуска двигатель должен быстро прогреться, что связано с температурой разгонки 50 % бензина (t₅₀). Она находится в пределах 100…115 °С. Этот же показатель определяет и хорошую приемистость двигателя – способность обеспечить быстрый разгон автомобиля при резком открытии дроссельной заслонки. Полное испарение бензина в двигателе определяется температурами перегонки 90 % (t₉₀) и конца разгонки (t_кк) соответственно 185…195 °С и 215…220 °С. При чрезмерном повышении этих температур тяжелые фракции бензина не успевают испариться и попадают в цилиндры (свыше 200 °С). В результате бензин сгорает не полностью, мощность двигателя падает, а его топливная экономичность ухудшается. Кроме того, происходит разжижение моторного масла и его смывание тяжелыми фракциями с трущихся поверхностей, следствием чего являются повышенные износы деталей двигателя.

Таким образом, облегчение фракционного состава бензина способствует улучшению работы двигателя. Однако при этом необходимо иметь в виду, что чрезмерное снижение t₁₀ приводит к испарению легких фракций уже в трубопроводах или топливном насосе до карбюратора. Образующиеся пузырьки пара создают паровые пробки, нарушающие подачу бензина в карбюратор и ведущие к перебоям в работе, а зачастую даже к полной остановке двигателя. Кроме того, снижение t₉₀и t_кк ограничивает количество используемых дистиллятов нефти и тем самым уменьшает выход из нее бензина, т. е. его ресурсы.

Согласно европейскому стандарту на топлива для автомобилей ЕN 228 t₁₀ = 70 °С, t₅₀ = 100 °С, t₉₀ = 180 °С, t_кк = 215 °С [12].

В процессе смесеобразования существенную роль играет теплота испарения (парообразования) топлива. Она представляет собой количество тепла, затрачиваемого на испарение единицы массы топлива. Это тепло отнимается от топлива и воздуха, в результате чего температура топливно-воздушной смеси снижается, испарение замедляется, качество смесеобразования ухудшается. Теплота испарения углеводородных топлив сравнительно невелика – 290...300 кДж/кг, вследствие чего снижение температуры смеси не превышает 15...20 °С.

Вязкость и плотность бензина в наибольшей степени оказывают влияние на его расход через дозирующие жиклеры карбюратора или электромагнитной форсунки.

Плотностью называется масса вещества, отнесенная к единице его объема. Плотность нефтепродуктов определяется при помощи нефтеденсиметров (ареометров) при температуре 20 °С, так как с повышением температуры плотность нефтепродуктов уменьшается, а с понижением – увеличивается.

Бензины имеют близкие значения плотности (таблица 3), которая с понижением температуры на каждые 10 °С возрастает примерно на 1 %.

Европейский стандарт ЕN 228 ограничивает допустимую плотность автомобильного бензина диапазоном 725…780 кг/м³.

Таблица 3 – Плотность и вязкость топлив

Приведенную плотность определяют следующим образом:

r₂₀ = r_t + g (t – 20),

где r₂₀ – плотность при температуре 20 °С, кг/м³;

r_t – плотность при температуре t, кг/м³;

g – температурная поправка, кг/м³;

t – температура в момент измерения, °С.

Автохозяйства получают бензин с нефтебаз в весовых единицах (кг), а при заправке автомобилей через автозаправочные станции замер производится в объемных (л). Поэтому, зная плотность, производят пересчет весовых единиц (единиц массы) в объемные. Количество бензина в массовых единицах

G_t = V_tr_t,

где V_t – количество бензина в объемных единицах, л;

r_t – плотность бензина при той же температуре, кг/л.

Вязкость характеризует свойства жидкости оказывать сопротивление течению, т. е. перемещению ее слоев под действием внешней силы. Различают динамическую и кинематическую вязкость. В системе СИ динамическая вязкость имеет размерность Па · с. Кинематическая вязкость (удельный коэффициент внутреннего трения) измеряется в м²/с.

Вязкость определяют в капиллярных вискозиметрах путем замера времени истечения жидкости определенного объема через калибровочный капилляр.

При снижении температуры вязкость бензина повышается, что ведет к уменьшению расхода топлива. В то же время плотность бензина возрастает, что, напротив, приводит к росту его расхода. Однако ввиду того, что вязкость бензина при снижении температуры изменяется в большей степени, чем плотность, она оказывает преобладающее влияние на расход топлива. В результате при снижении температуры от +40 °С до –40 °С расход бензина через жиклер уменьшается на15...20 %.

При использовании бензинов, не соответствующих требованиям двигателя, на ряде режимов его работы может возникать особый вид аномального сгорания – детонационное сгорание. Это широко известное явление проявляется в звонком металлическом стуке, дымлении отработавших газов и резком перегреве двигателя.

Причиной детонационного сгорания является образование неустойчивых перекисных соединений при окислении углеводородов топлива. При повышенных температурах и давлениях в камере сгорания перекисные соединения разлагаются с выделением большого количества тепла. Процесс разложения носит взрывной характер, в результате чего в цилиндре возникают ударные волны и скорость распространения пламени возрастает до 2000...2500 м/с. Перекисные соединения образуются при сгорании топлива всегда, но детонация возникает лишь при их определенном (критическом) содержании для определенных условий (давления и температуры) в цилиндре. Чем выше давление и температура в цилиндрах, тем при меньшем содержании перекисных соединений начинается переход нормального сгорания в детонационное.

Наиболее эффективным способом борьбы с детонацией является повышение детонационной стойкости бензинов. Под детонационной стойкостью (или антидетонационными свойствами) бензинов понимается их способность противостоять возникновению детонации в двигателе. Основным показателем детонационной стойкости бензинов являетсяоктановое число, которое указывается в стандартах или технических условиях в числе важнейших физико-химических свойств бензина.

Для каждого типа карбюраторного двигателя допускается применение бензина со строго определенным октановым числом, которое обусловливается степенью сжатия двигателя: чем выше степень сжатия, тем большее октановое число должен иметь бензин. Октановое число определяют моторным и исследовательским методами, суть которых заключается в сравнении работы одноцилиндрового двигателя на испытуемом бензине и эталонном топливе. В качестве эталонного топлива используют смесь двух углеводородов – изооктана (С₈Н₁₈) и нормального гептана (С₇Н₁₆). Октановое число первого принимают равным 100 единицам, второго – нулю. Если составлять смесь из этих углеводородов в определенном процентном соотношении, то оно и будет характеризовать октановое число. Так, смесь из 92 % изооктана и 8 % гептана будет равноценна бензину с октановым числом 92.

Таким образом, октановое число (ОЧ) – это условный показатель детонационной стойкости бензина, численно равный процентному содержанию (по объему) изооктана в смеси с нормальным гептаном, равноценной по детонационной стойкости испытуемому топливу.

Чем выше октановое число, тем более стоек бензин перед детонацией и тем лучшими эксплуатационными качествами он обладает.

Лучше противостоят детонации бензины, в которых преобладают ароматические углеводороды, затем следуют нафтеновые, и наименьшая детонационная стойкость у бензинов, состоящих в основном из нормальных углеводородов.

Наличие в бензине сернистых соединений и смолистых веществ понижает его октановое число, поэтому содержание их в бензине строго контролируется.

Испытание бензина моторным методом (ОЧ М) проводят следующим образом: вначале запускают двигатель на испытуемом бензине и доводят его при повышении нагрузки до возникновения детонации, которая фиксируется по шкале указателя детонации; затем переводят питание двигателя на эталонную смесь, имеющую октановое число, примерно на две единицы большее, чем у бензина. Если в фиксированном режиме нагрузки детонация не появится, двигатель переводят на другую смесь (с октановым числом, меньшим на две единицы) и вновь наблюдают за возникновением детонации. При ее появлении подсчитывают октановое число как среднее арифметическое октановых чисел двух взятых эталонных смесей. С целью большей достоверности указанное испытание проводят три раза.

Исследовательский метод испытания бензина (ОЧ И) по схеме проведения не отличается от моторного, различие заключается лишь в режиме нагрузки на двигатель в момент испытания: нагрузка устанавливается несколько меньшая, чем при моторном методе. В результате детонация возникает при использовании эталонных смесей с большим содержанием изооктана, поэтому октановое число, получаемое исследовательским методом, будет на несколько единиц выше. Например, октановое число бензина А–76, определенное по моторному методу, соответствует бензину АИ–80.

Значительное влияние на износ двигателя и затраты по уходу за автомобилем оказывает также содержание в бензине минеральных и органических кислот, щелочей, смол, серы и ее соединений.

Минеральные (водорастворимые) кислоты и щелочи отличаются сильным коррозионным воздействием: в первом случае на черные и цветные металлы, во втором – на цветные металлы, в связи с чем их содержание в бензинах не допускается.

Коррозионное воздействие органических (нафтеновых) кислот значительно слабее, чем минеральных, в связи с чем допускается содержание их ограниченного количества в бензинах. Они представляют опасность для цветных металлов, и в первую очередь для свинца и меди. Поэтому органические кислоты в бензине приводят к ускоренному износу вкладышей коренных и шатунных подшипников коленчатого вала, втулок верхней головки шатуна и других деталей из цветных металлов (кроме алюминиевых).

Контроль за содержанием органических кислот осуществляется по величине кислотности, под которой понимается количество щелочи (КОН, мг), обеспечивающей полную нейтрализацию всех нафтеновых кислот в 100 мл топлива. Кислотность бензинов не должна превышать 3 мг/100 см³.

Высокой коррозионной агрессивностью характеризуютсяактивные сернистые соединения,к которым относятся элементарная сера (S), сероводород (H₂S) и меркаптаны (R-S-H), в связи с чем в топливе они содержаться не должны. Содержание этих соединений качественно оценивается испытаниями на медную пластинку по изменению ее цвета. Пластинка не должна покрываться черными, темно-коричневыми и серо-стальными пятнами и налетами.

Неактивные сернистые соединения менее агрессивны и вызывают коррозию только при сгорании в двигателе. Наличие этих соединений проявляется главным образом в виде повышенных износов деталей двигателя, так как они проникают в картер двигателя и соприкасаются с конденсировавшимися парами воды и кислородом воздуха. При этом они образуют сильно коррозирующие серную и сернистую кислоты, которые окисляют масло и вызывают износ деталей. Исходя из общего действия неактивных сернистых соединений допускается их ограниченное содержание в топливе до 0,001– 0,1 %. Количество этих соединений контролируется по суммарному содержанию имеющейся в них элементарной серы, отнесенной в процентах ко всей массе бензина.

Наличие воды в топливе вызывает сильную коррозию топливных баков, элементов системы питания двигателя и др. Кроме того она опасна прежде всего при температуре ниже 0 °С, так как, замерзая, образует кристаллы, которые могут преградить доступ бензина в цилиндры двигателя, а также она способствует осмолению бензина.

Поэтому товарные бензины воду содержать не должны. В связи с этим необходимо контролировать возможное обводнение бензинов при их перевозке, хранении и заправке в условиях автотранспортных предприятий. Избыточное количество воды обычно собирается на дне емкости (тары, бака) или находится в виде эмульсии (смеси с топливом) при интенсивном перемешивании. В случае обводнения топлива его необходимо отстоять в емкости для хранения и в дальнейшем отделить от воды.

В автомобильном бензине исключается наличие механических примесей, ведущих к засорению жиклеров карбюратора и форсунок, абразивному износу топливной аппаратуры и деталей двигателя, отложениям и др. Под механическими примесями понимаются все твердые частицы любого происхождения, остающиеся на бумажном фильтре после фильтрования установленного объема топлива. Как и в случае обводнения, попадание механических примесей в топливо возможно в процессе его транспортировки и хранения, при использовании загрязненных емкостей и т. д. Применение такого топлива возможно только после отстоя твердых примесей и их фильтрации.

Стабильность бензинов должна обеспечивать сохранение их свойств в течение определенного периода, так как первоначальные качества бензина вследствие происходящих в них физико-химических процессов постепенно ухудшаются. Особенно это характерно для бензинов термического крекинга. Сохранение первоначальных качеств бензина в процессе транспортирования, хранения и применения зависит от его физической и химической стабильности. Физическая стабильность связана главным образом с испарением легких фракций при хранении и транспортировке бензина. В результате ухудшаются эксплуатационные свойства бензина, в первую очередь его пусковые свойства. Например, при испарении 3...4 % бензина давление насыщенных паров может снизиться в 2...2,5 раза.

Наличие в бензине непредельных углеводородов ведет к их химическому превращению вследствие окисления. В результате бензины приобретают желтовато-коричневый цвет, а на стенках емкости при хранении появляется слой смолистых веществ. При использовании такого бензина смолы интенсивно отлагаются на деталях топливной системы, ухудшая тем самым смесеобразование и снижая наполнение двигателя. При сгорании в двигателе смолы в результате сложных химических превращений образуют плотный, трудно поддающийся удалению нагар. Процесс усиливается при повышенной температуре и хорошем доступе воздуха. Появление нагара ведет к детонации двигателя, способствует возникновению калильного зажигания.

Склонность бензинов к окислению и смолообразованию контролируется индукционным периодом, представляющим собой время, в течение которого бензин не окисляется в среде чистого кислорода при определенных условиях (давление 0,7 МПа и температура 100 °С). Чем выше стабильность бензина, тем больше его индукционный период и ниже склонность к смолообразованию, благодаря чему время хранения может быть увеличено.

Процессам окисления и осмоления способствует контакт бензина с воздухом, поэтому он быстрее осмоляется при неполном заполнении тары. Процесс является самоускоряющимся, и поэтому бензин, залитый в тару, не очищенную от остатков старого осмолившегося бензина, осмоляется преждевременно. Ускоряют образование смол ржавчина и загрязнение тары.

Для контроля за степенью осмоления бензинов используется показатель содержания фактических смол, представляющий собой количество смолообразных продуктов, остающихся после полного испарения в струе воздуха 25 мл испытуемого бензина. Содержание фактических смол выражается в миллиграммах на 100 мл бензина и регламентируется двумя нормами: содержанием на месте производства и перед применением.