БЕНЗИНЫ

Паровоздушный поток двигает пленку в направлении цилиндров двигателя. Скорость перемещения пленки жидкого топлива в 50…60 раз меньше скорости паровоздушной смеси. В этих условиях происходит интенсивное испарение топлива с поверхности пленки.

Образование пленки жидкого топлива приводит к неравномерному распределению смеси по цилиндрам двигателя, особенно на переменных режимах работы (рис.1.1).

Количественная неравномерность горючей смеси характеризуется различными коэффициентами избытка воздуха (a) в цилиндрах двигателя.

Качественная неравномерность характеризуется различным содержанием отдельных фракций бензина, и присадок в горючей смеси, поступающей в разные
цилиндры двигателя. Бензин является смесью различных углеводородов, поэтому по мере испарения легких фракций жидкая пленка обогащается более тяжелыми углеводородами. Это явление фракционирования топлива происходит в процессе подготовки горючей смеси во впускном коллекторе. В цилиндрах, куда поступает больше паровоздушной фазы, будет повышенное содержание легких фракций бензина, в цилиндрах, куда больше поступает жидкой фазы, будет повышенное содержание тяжелых фракций. Испарение присадок, содержащихся в бензине, происходит с фракциями бензина близкими по испаряемости к присадке. Неравномерность распределения фракций по цилиндрам ведет к неравномерному распределению присадок.
Установлено, что качество и неравномерность распределения смеси по цилиндрам зависят от давления насыщенных паров, фракционного состава, скрытой теплоты испарения, коэффициента диффузии паров, вязкости, поверхностного натяжения, теплоемкости, плотности, а также от скорости и температуры воздуха, степени разряжения в диффузоре и количества поступающего тепла от двигателя и режима его работы.
При образовании топливовоздушной смеси тепло, необходимое для испарения топлива отнимается от воздуха. При этом температура воздуха, а, следовательно, и смеси может понизиться настолько, что произойдет конденсация и последующее замерзание атмосферной влаги, т.е. произойдет обледенение карбюратора. Отмечено, что при температуре воздуха 7,5 0С температура дроссельной заслонки через 2 мин. снижается до минус 14 0С. Образование льда в основном наблюдается на дроссельной заслонке и на внутренних стенках диффузора карбюратора. Обледенение усиливается при увеличении влажности воздуха. На образование льда оказывает влияние соотношение топлива с воздухом, теплоемкость и скрытая теплота испарения топлива, и температура воздуха. Условия испарения улучшают путем подогрева впускного коллектора, однако при повышенных температурах топливовоздушной смеси коэффициент наполнения цилиндров снижается, и мощность двигателя падает.

Процессы воспламенения и сгорания топлива в карбюраторном двигателе происходят следующим образом. Топливовоздушная смесь поступает в цилиндры двигателя, где смешивается с продуктами сгорания, сжимается и поджигается.

При зажигании электрической свечой смесь в зоне разряда нагревается мгновенно. Скорость химических реакций приобретает само ускоряющийся характер, завершающийся возникновением пламени. Распространение пламени может быть ламинарным или турбулентным в зависимости от характера движения смеси. Наполнение цилиндра смесью происходит с большими скоростями, при этом создается сильное вихревое движение. В этих условиях горение носит турбулентный характер, а нормальная скорость распространения фронта пламени составляют 10…40 м/с. Эта скорость зависит от частоты вращения коленчатого вала (рис. 1.2) и состава топливовоздушной смеси.

Увеличение степени сжатия и применение наддува приводит к росту скорости распространения фронта пламени.

Максимальное значение скорости распространения пламени наблюдается при a = 0,9.

При обогащении рабочей смеси скорость распространения фронта пламени уменьшается вследствие недостатка кислорода, а при обеднении - вследствие расхода тепла на нагревание избыточного количества воздуха. Принято считать, что в условиях двигателя пределы воспламенения топливовоздушной смеси составляют: 0,4…0,5 < a < 1,3…1,4. С точки зрения процессов смесеобразования и горения топлива необходимо обеспечить более высокую температуру горючей смеси, что с одной стороны улучшит испарение топлива, а с другой – расширит концентрационные пределы воспламеняемости горючей смеси (рис. 1.3).

Расширение концентрационных пределов воспламенения создает предпосылки для обеспечения устойчивой работы двигателя на обедненных смесях.
Сгорание топливовоздушной смеси может быть условно разделено на три фазы (рис.1.4): первая – начальная фаза, в которой небольшой очаг горения, возникший в зоне электродов свечи, превращается в развитый фронт турбулентного пламени; вторая – основная фаза распространения пламени; третья – фаза догорания смеси. Первая фаза начинается с момента искрового разряда между электродами свечи (точка «a» на индикаторной диаграмме) и длится до «точки отрыва» линии сгорания от линии сжатия (точка «d» на индикаторной диаграмме) т.е. до момента начала ощутимого повышения давления в результате сгорания.

В течение первой фазы происходит формирование фронта пламени из отдельных очагов, возникших в зоне электрического разряда. Длительность первой фазы зависит от мощности электрического разряда и физико-химических свойств горючей смеси.

Вторая фаза сгорания характеризуется резким увеличением скорости распространения фронта пламени за счет интенсивной турбулизации смеси. В этой фазе происходит основное выделение тепла, и она длится от момента начала нарастания давления (точка «d») до момента достижения максимального давления (точка «в»). Скорость сгорания топлива зависит от степени сжатия, угла опережения зажигания, состава смеси, физико-химических свойств топлива и других факторов.
Третья фаза начинается, когда давление снижается. Основная масса топлива к этому моменту уже сгорела, поршень движется вниз и объем камеры сгорания увеличивается. В третьей фазе под действием турбулентных пульсаций фронт пламени искривляется и распадается на отдельные очаги горения. Время догорания в отдельных очагах зависит от состава смеси и скорости распространения фронта пламени. От количества смеси догорающей в третьей фазе зависят эффективность рабочего процесса, а соответственно и максимальная мощность и экономичность двигателя, так как при теоретическом рабочем цикле двигателя предполагается сгорание всей смеси вблизи верхней мертвой точки. Чем выше скорость сгорания, тем большую мощность развивает двигатель при одинаковом расходе топлива.
В современных быстроходных двигателях со степенью сжатия 7…8 длительность основной фазы сгорания составляет 25…30 о угла поворота коленчатого вала, что соответствует 0,0025 с при 2000 мин -1. При такой длительности основной фазы сгорания «жесткость» работы двигателя, оцениваемая скоростью нарастания давления в камере сгорания по углу поворота коленчатого вала, составляет 1,5…2,0 кг/см2 . град для двигателей со степенью сжатия 8…10.
«Своевременность» процессов сгорания в значительной мере регулируется моментом поджигания смеси, т.е. углом опережения зажигания. Если смесь поджечь слишком поздно, то сгорание может начаться на ходе расширения, при этом падает мощность двигателя и ухудшается его экономичность. Если смесь поджечь слишком рано, то ее сгорание произойдет во время хода сжатия, при этом значительно возрастут потери мощности на преодоление давления газов на поршень при его движении к верхней мертвой точке.

Наивыгоднейшим является такое опережение зажигания, при котором основная фаза сгорания располагается на индикаторной диаграмме симметрично верхней мертвой точке. Для автоматического регулирования угла опережения зажигания в современных двигателях устанавливается центробежный регулятор опережения зажигания, который изменяет угол в зависимости от скорости вращения коленчатого вала, и вакуумный регулятор, для изменения угла при изменении нагрузки на двигатель. Но все это относится к нормальному сгоранию. Нормальным называется сгорание, при котором распространение фронта пламени по объему камеры сгорания является следствием передачи тепла путем теплопроводности и лучеиспускания. При нормальном сгорании топлива в двигателе скорость распространения фронта пламени относительно невелика и не превышает 40…50 м/с.
На некоторых режимах работы двигателя, особенно связанных с большими нагрузками или при использовании топлива, качество которого не соответствует условиям нормального сгорания, может возникнуть детонационное сгорание.
Суть его заключается в следующем: в рабочей смеси в тактах всасывания и сжатия развиваются предпламенные химические реакции окисления с образованием активных промежуточных продуктов. Глубина и скорость этих химических реакций возрастает с повышением температуры и давления, т.е. с повышением степени сжатия. По мере сгорания смеси температура и давление в камере сгорания быстро нарастают. На последние порции смеси высокие температура и давление действуют наиболее интенсивно, что приводит к их воспламенению. Образуется новый фронт пламени. Одновременно с новым фронтом пламени возникает новая ударная волна, которая, распространяясь по нагретой активной смеси, в которой предпламенные реакции близки к завершению, ускоряет ее самовоспламенение. При этом скорость распространения фронта пламени становится такой же, как и скорость распространения ударных волн. Таким образом появляется де-

тонационная волна сгорания, которая представляет собой распространение ударной волны с фронтом пламени со скоростью 1500…2500 м/с. Металлический стук в двигателе при работе с детонацией является результатом многократных периодических отражений ударных волн от стенок камеры сгорания. При этом на индикаторной диаграмме в конце сгорания регистрируется вибрация давления в виде ряда затухающих пиков (рис. 1.5).
В результате большой скорости и взрывного характера сгорания при детонации часть топлива и промежуточных продуктов сгорания «разбрасывается по объему», перемешивается с продуктами сгорания и не успевает полностью сгореть.
Главная опасность детонации заключается в повышенной отдаче тепла от сгоревших газов в стенки камеры сгорания и днище поршня из-за более высоких температур в детонационной волне и увеличения коэффициента теплоотдачи в результате срыва пограничного слоя более холодного газа.

1.1. Марки, состав и применение автомобильных бензинов

Автомобильные бензины являются самым массовым продуктом нефтехимической промышленности. Около 25 % нефти, добываемой в мире, перерабатывается в бензин. Получение бензинов из альтернативного сырья: каменного угля, сланцев, битуминозных песков и природного газа пока ограничено.

Автомобильные бензины являются фракцией нефти, выкипающей в пределах температур 35…195 (205) ⁰С и представляют собой смесь различных компонентов, получаемых разными технологическими процессами нефтепереработки.

Бензины, как правило, состоят из базового бензина, высокооктанового компонента (ВОК), антидетонационных присадок и добавок, а также присадок, улучшающих другие эксплуатационные свойства.

Базовые компоненты бензинов получают прямой перегонкой нефти, каталитическим риформингом прямогонных бензиновых фракций, каталитическим крекингом и гидрокрекингом вакуумного газойля, а также термическими процессами переработки (термическим крекингом, термоконтактным крекингом и т.д.) вакуумного газойля, мазута, гудрона и другого тяжелого сырья.

Бензины прямой перегонки, состоящие, в основном, из парафиновых углеводородов нормального строения, имеют самую низкую детонационную стойкость, причем она снижается с повышением температуры конца кипения (табл.1.1). Октановые числа, определяемые по моторному методу, прямогонных фракций, выкипающих до 180 ⁰С, обычно составляет 40…50 ед. Детонационная стойкость фракций с температурой начала кипения 85 ⁰С несколько выше – 65…70 ед. Исключение составляют прямогонные бензины, получаемые из нефтей нафтенового основания, их октановые числа достигают 71…73 ед. Однако ресурсы этих нефтей весьма ограничены.

Для повышения октановых чисел прямогонных бензинов их подвергают каталитическому риформингу.

Октановые числа бензинов каталитического риформинга зависят от жесткости режима процесса. При жестком режиме они достигают октанового числа по исследовательскому методу (ОЧИ) – 95…99 и моторному методу (ОЧМ) – 86…90, при мягком режиме соответственно 83…85 и 74…79.

Таблица 1.1

Антидетонационные свойства бензинов прямой перегонки

различных нефтей

Бензин или фракции	ОЧИ	ОЧМ	Ч
Бензин, к.к. 200 ⁰С (Туймазинская нефть, Башкирия)	43,0	41,0	+2,0
Бензин, к.к. 200 ⁰С (Краснокамская нефть)	50,0	48,6	+1,4
Бензин, к.к. 200 ⁰С (Каталанглийская нефть, о. Сахалин)	70,5	68,5	+2,0
Бензин, к.к. 200 ⁰С (Мухановская нефть, Куйбышевская обл.)	33,0	32,8	+0,2
Бензин, к.к. 200 ⁰С (Урицкая нефть, Саратовская обл.)	63,8	62,0	+1,8
Бензин, к.к. 200 ⁰С (Ромашкинская нефть, Татария)	41,6	41,0	+0,6
Фракция н.к. 180 ⁰С (Ромашкинская нефть, Татария)	46,0	46,0	0,0
Фракция н.к. 120 ⁰С (Ромашкинская нефть, Татария)	57,5	58,0	-0,5
Фракция н.к. 85 ⁰С (Ромашкинская нефть, Татария)	67,0	68,0	-1,0
Фракция н.к. 62 ⁰С (Ромашкинская нефть, Татария)	76,0	75,0	+1,0
Фракция н.к. 62 ⁰С (Смесь нефтей Куйбышевской обл.)	75,0	73,2	+1,8

Бензины термических процессов (крекинга, коксования) содержат до 60% олефиновых углеводородов и по детонационной стойкости превосходят прямогонные бензины.

Бензины каталитического крекинга, помимо олефиновых углеводородов, содержат ароматические и изопарафиновые углеводороды. Их детонационная стойкость выше, чем у бензинов, получаемых термическими процессами.

Бензины термических процессов углубленной переработки нефти получают расщеплением высокомолекулярных углеводородов при температуре выше 315 ⁰С с образованием углеводородов с меньшей молекулярной массой (табл.1.2).

Таблица 1.2

Основные термические процессы переработки углеводородного топлива

Процесс	Сырье	Получаемые продукты	Средний выход бензина, % масс.
Термический крекинг	Мазут	Газ, бензин, остаток	13
Термический крекинг	Газойль коксования	Газ, бензин, сырье для производства технического углерода	25
Висбрекинг	Вакуумный газойль	Газ, бензин, крекинг остаток	35
Висбрекинг	Мазут, гудрон	То же и средний дистиллят	7-11
Процесс	Сырье	Получаемые продукты	Средний выход бензина, % масс.
Термоконтактный крекинг	Гудрон	Газ, бензин средний дистиллят, остаток	17
Замедленное коксование	Мазут	Газ, бензин средний дистиллят, кокс	15-22
	Гудрон	То же	15-23
	Газойль каталитического крекинга	Газ, бензин, газойль, игольчатый кокс	12

Термический крекинг в настоящее время ведется по новой системе, разработанной фирмой «Hydrocarbon Research», получившей название динакрекинг. Процесс проводят в специальном вертикальном реакторе, имеющим верхнюю зону гидрокрекинга, среднюю отпарную зону и нижнюю зоны газификации.

В верхней зоне сырье в среде инертного теплоносителя в присутствии водородсодержащего газа превращается в более легкие продукты, которые после отпаривания и газификации выводятся из реактора. Бензины, полученные этим процессом, отличаются повышенной химической стабильностью по сравнению с бензинами других термических процессов.

Висбрекинг – жидкофазный процесс термического крекинга в относительно мягких условиях. Степень превращения сырья зависит от температуры (400…480 ⁰С) и времени контакта. Бензины висбрекинга обладают невысоким октановым числом (65…66 ед. по ММ) и низкой химической стабильностью, обусловленной высоким содержанием непредельных углеводородов.

Термоконтактный крекинг – сочетает коксование в кипящем слое и газификацию образующегося кокса. Бензиновая фракция продуктов термоконтактного крекинга содержит значительное количество серы и непредельных углеводородов (соединений). Для использования в качестве компонента товарных бензинов ее необходимо подвергнуть гидроочистке или полному гидрированию и каталитическому риформингу.

Замедленное коксование осуществляется в реакторе в всевдоожжиженном слое порошкообразного кокса – теплоносителя при температуре 480…510 ⁰С и давлении 0,14…0,40 МПа. При коксовании образуется бензин с октановым числом 58…62, а при непрерывном коксовании ОЧ бензина повышается до 70 ед. по моторному методу (ММ). Групповой углеводородный состав бензина замедленного коксования: парафино-нафтеновые - 37…45, олефиновые – 49…51, ароматические – 5…13 % масс.

Бензины термических процессов содержат большое количество непредельных углеводородов, поэтому они имеют более высокие октановые числа, чем бензины прямой перегонки (табл. 1.3). Вследствие невысоких других эксплуатационных свойств бензины термических процессов имеют ограниченное применение.

Таблица 1.3

Антидетонационные свойства бензинов термических процессов

Бензин	ОЧИ	ОЧМ	Ч
Бензин термического крекинга мазута: из куйбышевских нефтей из саратовских нефтей	71,2 73,4	64,2 66,4	+7,0 +7,0
Бензин термоконтактного крекинга гудрона аланской нефти	83,8	71,0	+12,8
Бензин замедленного коксования гудрона	68,2	62,4	+5,8
Бензин пиролиза этиленового режима после облагораживания	99,0	86,0	+13,0
Бензин пиролиза бутиленового режима после облагораживания	74,3	68,8	+5,5
Бензин термического риформинга (фракция 100…260 ⁰С) на комбинированной установке	76,0	71,0	+5,0

Бензины каталитического крекинга являются основными компонентами товарных бензинов.

Каталитический крекинг – процесс каталитического деструктивного превращения тяжелых дистиллятных нефтяных фракций в моторные топлива и сырье для нефтехимии и производства технического углерода и кокса. При использовании современных цеолитсодержащих катализаторов обеспечивается выход на сырье до 50 % масс. бензина и около 20 % легкого газойля, который применяют как компонент дизельного топлива.

Бензины каталитического крекинга, получаемые на установке Г-43-107 (гидроочистка вакуумного дистиллята, каталитический крекинг, ректификация и газофракционирование продуктов крекинга) с псевдоожижженным катализатором, содержат значительное количество непредельных углеводородов, поэтому характеризуются повышенной склонностью к окислению и нуждаются в химической стабилизации с помощью антиокислительных присадок. Бензины каталитического крекинга имеют более высокую детонационную стойкость по сравнению с бензинами термических процессов. Детонационная стойкость повышается за счет ареновых и алкановых углеводородов изостроения.

Сущность процессов, протекающих при каталитическом крекинге, заключается в расщеплении высокомолекулярных углеводородов (крекинга), изомеризации парафиновых углеводородов, в дегидрировании циклоалканов в арены.

Каталитический риформинг – процесс, предназначенный для повышения детонационной стойкости бензинов и получения аренов, главным образом, бензола, толуола и ксилола.

В основе каталитического риформинга лежит ароматизация исходного сырья путем дегидроциклизации алканов, дегидроизомеризация алкилциклопентанов, изомеризация алканов, гидрокрекинг тяжелых углеводородов.

В качестве сырья каталитического риформинга используют прямогонные бензиновые фракции, в которых содержатся углеводороды с шестью углеводородными атомами, способные превращаться в ароматические кольца.

Сырьем каталитического риформинга является фракция, выкипающая в пределах 85…180 ⁰С. При более высокой температуре конца кипения увеличивается коксообразование и снижается выход бензина. Значительное влияние на процесс риформинга оказывает углеводородный состав сырья: при увеличении содержания нафтеновых углеводородов увеличивается выход бензина и снижается газообразование.

Выход продукта – составляет 78…82 % от сырья. Катализ имеет октановое число по моторному методу 80…85 ед. и содержит 50…65 % ароматических, 35…40 % парафиновых и др. 5 % нафтеновых углеводородов.

Гидрокрекинг - каталитический процесс, предназначенный для получения светлых нефтепродуктов, а также сжиженных газов С₃ – С₄ при переработке тяжелого нефтяного сырья под давлением водорода.

Выход легкого бензина (t_нк – 85 ⁰С) составляет 17,5 % и тяжелого бензина (t_{выкипания} - 85…115 ⁰С) – 33,3 % масс. при двухступенчатом крекинге сернистого вакуумного газойля. Легкий бензин состоит в основном из изопарафиновых углеводородов с ОЧ по ММ и исследовательскому методу (ИМ) 85 ед. Тяжелый бензин – из парафинистых тяжелых дистиллятов с ОЧ – 60 ед.

Бензин гидрокрекинга не содержит непредельных углеводородов. Поэтому, в отличие от бензина каталитического крекинга, он является химически стабильным, не требующим введения антиокислительных присадок. Октановое число бензинов гидрокрекинга повышают путем каталитическог риформинга.

Сравнительная характеристика антидетонационных свойств бензинов каталитических процессов представлена в табл. 1.4.

Таблица 1.4

Антидетонационные свойства бензинов каталитических процессов

Бензин

ОЧИ

ОЧМ

Бензин каталитического крекинга тяжелого дистиллятного сырья:

из ромашинской нефти

из туймазинской нефти

83,8

87,0

76,2

77,8

+7,6

+9,2

Бензин каталитического крекинга легкого сырья из куйбышевских нефтей

82,6

74,9

+7,7

Бензин каталитического риформинга:

платформинга обычного режима

платформинга «жесткого» режима

86,0

96,6

83,6

86,0

+2,4

+10,6

Бензин каталитическог риформинга без толуола:

платформинга обычного режима

гидроформинга

76,0

78,6

70,4

71,7

+5,6

+6,9

Головная фракция бензина

гидроформинга

платформинга

79,1

75,0

74,0

71,0

+5,1

+4,0

Для повышения детонационной стойкости к базовым бензинам добавляют высокооктановые компоненты (ВОК) в количестве 5…40 %.

ВОК по углеводородному составу делятся на две группы: алифатические и ароматические. Первая включает в себя: изопентан, изомеризат, алкилат (алкилбензин), вторая − толуол, пиробензол и смеси ароматических углеводородов С₆ и выше. Они представляют собой различные фракции низкокипящих углеводородов, выделенных из продуктов прямой перегонки нефти или вторичных процессов, а также не вступившие в реакции при процессах алкилирования, полимеризации, изомеризации (табл. 1.5).

Таблица 1.5

Антидетонационные свойства углеводородных высокооктановых

компонентов автомобильных бензинов

Компонент	ОЧИ	ОЧМ	Ч
Узкие фракции углеводородов: бутановая изобутановая изопентановая пентамиленовая	94,0 101,0 93,0 90,0	89,0 97,0 90,0 87,0	+5,0 +4,0 +3,0 +3,0
Газовый бензин (фракция 33 – 103 ⁰С)	89,0	85,8	+3,2
Диизобутилен (изооктилен)	100,0	88,0	+12,0
Полимерный бензин	100,0	85,0	+15,0
Алкилат	92,0	90,0	+2,0
Алкилбензин (широкая фракция алкилата)	90,0-94,0	88,0-92,0	+2,0-4,0
Толуол	115,0	103,0	+12,0
Пиробензол	102,0	88,0	+14,0
Алкилбензол	107,0	100,0	+7,0
Изооктан технический	100,0	100,0	0
Продукты изомеризации фракции С₅ – С₆(изомеризат)	81,0-87,0	79,0-85,0	+2,0-4,0

Требования к качеству высокооктановых компонентов регламентируются ГОСТ (ТУ) (табл. 1.6 и 1.7).

Таблица 1.6

Требования к показателям качества изопарафиновых компонентов бензина

Показатели	Алкилбензин ТУ 38372		Изооктан технический ГОСТ 4095
Показатели	бутиленовый	пропилен бутиленовый	Изооктан технический ГОСТ 4095
1	2	3	4
1. Октановое число по ММ, не менее: без ТЭС с 3,2 г ТЭС на 1 кг	90/91,5* -	89/90* -	90 107
2. Сортность на богатой смеси с 2,7 г ТЭС на 1 кг, не менее	140	130	-
3. Фракционный состав, ⁰С начало кипения, не ниже 10%, не выше 50%, не выше 90%, не выше 97,5%, не выше конец кипения, не выше Остаток и потери, %, не более	40 75 108/105* 140/130* 170/130* 180 1,5	40 75 105 140 - 180 1,5	40 80 105 140 - - 1,5
4. Давление насыщенных паров, кПа (мм рт. ст.), не более	25 (350)	25 (350)	25 (350)
5. Кислотность, мг КОН на 100 см³, не более	0,5 (0,35*)	0,5 (0,35*)	0,4
6. Йодное число, г йода на 100 г, не более	1,0 (0,35*)	1,0 (0,35*)	1,5
7. Концентрация фактических смол, мг на 100 мм³, не более	2	2	2
8. Массовая доля воды, %, не более	0,025	0,025	0,025
9. Содержание водорастворимых кислот и щелочей	отсутствие
10. Содержание механических примесей и воды	отсутствие
11. Испытание на медной пластинке	выдерживает
Примечание - * для алкилбензина высшей категории качества

Таблица 1.7

Требования к показателям качества ароматических компонентов бензина

Показатели	Толуол нефтяной ГОСТ 14710				Пиробензол ОСТ 3801105
	Чистый (пиролизный чистый)	Технический (продукт катал. риформинга)
1. Внешний вид	Бесцветная прозрачная жидкость без взвешенных частиц и воды				Бесцветная светло-желтая жидкость
2. Октановое число без ТЭС ММ ИМ	103 115		103 115		103 115
3. Фракционный состав, ⁰С начало кипения, не ниже 10%, не выше 50%, не выше 90%, не выше 97,5%, не выше 98%, не выше конец кипения, не выше Остаток и потери, %, не более	109,9 109,4 - - - 1,0 (1,5) 111,0 -		109,0 - - - - - 111,2 -		80 95 115 155 175 - - 1
4. Степень очистки, окраска с серной кислотой в номерах образцовой шкалы, не более	0,3		0,5		4
5. Бромное число, г Br₂ на 100 см³	£0,2 (£0,3)		£0,6		-
6. Температура начала кристаллизации, ⁰С, не выше	-		-		-18
7. Содержание: Сульфируемые вещества, %, не менее Сера, %, не менее	99,0 -		95,0 -		90 0,02
8. Водорастворимые кислоты и щелочи	отсутствие
9. Механические примеси	-			-		отсутствие

Кроме того, к ВОК относятся кислородсодержащие соединения (оксигенаты). Это спирты, эфиры и их смеси. Оксигенаты имеют высокую детонационную стойкость и снижают токсичность отработавших газов автомобиля. Оксигенаты можно получать из углеводородных газов, угля, сланцев, некоторых отходов органического происхождения.

Метилтретбутиловый эфир (МТБЭ) считается наиболее перспективным компонентом. На основании положительных результатов государственных испытаний в России разрешено производство и применение автобензинов с содержанием МТБЭ до 15 % масс.

МТБЭ - бесцветная жидкость с резким запахом, имеет относительно низкую температуру кипения (55 ^ОС) и повышенное давление насыщенных паров, что ограничивает его применение в летний период в связи с требованиями по испаряемости.

При производстве высокооктановых бензинов АИ-95 и АИ-98 обычно добавляют МТБЭ или МТБЭ в смеси с третбутанолом, получившей название фэтерол. Эти компоненты повышают полноту сгорания бензина и равномерность распределения детонационной стойкости по фракциям. МТБЭ снижает теплоту сгорания бензина и повышает агрессивность по отношению к резинам.

МТБЭ не оказывает отрицательного действия на организм человека. Добавление в бензины снижает содержание оксида углерода, углеводородов и полициклических ароматических соединений в отработавших газах. Незначительно увеличивает расход бензина вследствие более низкой, чем у углеводородов теплоты сгорания (35200 кДж/кг). Однако при эксплуатации автомобиля в городских условиях экономичность двигателя не ухудшается, а повышается на 3-5 % вследствие снижения неравномерности распределения детонационной стойкости бензина по фракциям.

За рубежом МТБЭ получают из метанола, вырабатываемого из природного газа и изобутена, производимого на установках крекинга или пиролиза НПЗ. Бутановую фракцию углеводородов выделяют из широкой фракции легких углеводородов, затем проводят реакцию изомеризации н-бутана в изобутан с последующим дегидрированием его в изобутен. Мировая цена на МТБЭ примерно вдвое выше цены премиального автомобильного бензина.

Среди других эфиров в качестве компонентов к автомобильному бензину рассматриваются: этилтретбутиловый эфир (ЭТБЭ), третамилметиловый эфир (ТАМЭ), простые метиловые эфиры, полученные из химически активных олефинов С₃и С₇, присутствующие в бензине каталитического крекинга (табл. 1.8).

Таблица 1.8

Характеристики эфиров С₅ – С₈, в качестве компонентов бензинов

Показатель	МТБЭ	ЭТБЭ	ТАМЭ	Метиловые эфиры из олефинов С₆ – С₇
1 Плотность при 20 ⁰С, кг/м³	746	746	775	-
2 ОЧИ	120	120	110	-
3 ОЧМ	100	104	94	-
4 ОЧ дорожное (ДМ)	110	112	102	85-95
5 Температура кипения, ⁰С	55	73	86	100
6 Содержание кислорода, % масс.	18,2	15,7	15,7	12,3-13,8
7 Давление насыщенных паров, кПа	41,1-61,2	21,7-34,5	6,9-13,8	6,9

В качестве оксигенатов испытывались смесь 48 % метилового и 52 % третбутилового спирта под названием «ксинол» и побочная фракция при производстве изопропилового спирта - диизопропиловый эфир (ДИПЭ).

Наличие в бензине 2 % кислорода в виде «ксинола» или МТБЭ практически не изменяет мощность и экономичность двигателя. При содержании 2,7 % кислорода в виде технического ДИПЭ увеличивает массовый расход топлива из-за снижения теплоты сгорания. Содержание оксида углерода (СО) в отработавших газах снижается от 30 до 50 %. Значительно меньше оксигенаты влияют на выброс углеводородов и окислов азота.

В состав так называемого модифицированного бензина, перспективного с экологической точки зрения, обязательно вводится от 2,0 до 2,7 % кислородсодержащих соединений.

Метиловый спирт СН_зОН имеет высокую детонационную стойкость, удовлетворительную испаряемость, образует мало нагара и менее токсичные продукты сгорания по сравнению с бензином. Высокая теплота испарения метилового спирта позволяет снизить температуру горючей смеси в такте пуска, повысить коэффициент наполнения и увеличить мощность двигателя. Двигатели на метиловом спирте выбрасывают в 3-5 раз больше формальдегида по сравнению с бензиновым двигателем. Метиловый спирт сейчас дороже бензина, его рекомендуют в первую очередь использовать в качестве компонента к бензину, а не в чистом виде.

Испытания бензометанольных смесей продолжаются и пока показали «нецелесообразность» их использования на автотранспорте из-за расслаивания смесей при хранении, повышенной коррозионной активности и ухудшения пусковых свойств в холодное время года.

Этиловый спирт (С₂Н₅ОН) находит применение в качестве компонента к бензинам и самостоятельного топлива. Фирмой ФИАТ создан и успешно эксплуатируется специальный автомобиль на этиловом спирте в Бразилии. В США бензоэтанольные смеси называют газохоллом (10 % спирта). Расход топлива в двигателе на 5% выше по сравнению с бензином. Повышенная гигроскопичность спирта увеличивает коррозионное воздействие на двигатель. Этиловый спирт обладает повышенной летучестью и испаряется легче бензина. Рекомендуется смешение бензина со спиртом производить непосредственно на заправочных станциях. Массовое применение этилового спирта в качестве компонента модифицированных бензинов в настоящее время не рассматривается.

Добавление кислородсодержащих компонентов (КСК) является одним из путей улучшения экологических свойств бензинов. Современные международные стандарты, ГОСТ Р 51866-2002 ограничивают содержание КСК в составе автомобильных бензинах – 2,3-2,7 % (в пересчете на чистый кислород).

В настоящее время в международную кооперацию по внедрению бензинов, содержащих этанол, входят США, Швеция, Бразилия, Голландия, Франция, Канада и Колумбия. Работы по внедрению в производство бензино-этанольного топлива ведутся во ВНИИ НП с 1994 г. Проведенные лабораторно-стендовые и эксплуатационные испытания (ОАО «АвтоВАЗ») показали возможность использования этанола, а рабочая группа научной экспертизы (протокол от 10.09.97 №5/97) подтвердила целесообразность использования до 5 % этанола при производстве автомобильных бензинов.

Недостатком бензино-спиртовых смесей является фазовая нестабильность, т.е. расслоение при отрицательных температурах и в присутствии воды, что обусловлено ограниченной взаимной растворимостью бензинов, этанола и воды при данной концентрации и температуре.

Следует отметить, что проблема фазового разделения бензино-этанольных смесей снимается в случае использования абсолютированного этанола. Однако в реальных условиях хранения и транспортирования бензино-этанольного топлива неизбежно его обводнение (конденсация воды из влажного воздуха). Кроме того, для увеличения объема выпуска неэтилированных бензинов предусматривается использование этанола гидролизного производства с содержанием воды до 4 %.

В связи с этим для сохранения гомогенности бензино-спиртовой смеси при понижении температуры необходимо введение стабилизатора.

В настоящее время в научной и патентной литературе опубликовано достаточное количество работ, посвященных практическому применению различных классов соединений в качестве стабилизаторов бензино-этанольных смесей. Наиболее изученными и часто применяемыми являются алифатические спирты, эфиры, кетоны, альдегиды и их смеси. Для увеличения растворимости воды предложены мицеллообразующие поверхностно-активные вещества (ПАВ): высшие жирные кислоты и их эфиры, спирты, амины и амиды кислот и др. ПАВ.

Средний компонентный состав основных марок автомобильных бензинов приведен в таблице 1.9. Углеводородный состав бензиновых фракций различных процессов переработки нефти показан в таблице 1.10. Сравнительная характеристика компонентного состава бензинового фонда России, США и Западной Европы показана в таблице 1.11.

Таблица 1.9

Средние компонентные составы автомобильных бензинов, % об.

Компонент	АИ-80	АИ-91	АИ-92	АИ-95	АИ-98
Бензин каталитического риформинга: мягкого режима жесткого режима	40…80 -	60-90 40-100	60-88 40-100	- 45-90	- 25-88
Ксилольная фракция	-	10-20	10-30	20-40	20-40
Бензин каталитического крекинга	20-80	10-85	10-85	10-50	10-20
Бензин прямой перегонки	20-60	10-20	10-20	-	-
Алкилбензин	-	5-20	5-20	10-35	15-50
Бутаны + изопентан	1-7	1-10	1-10	1-10	1-10
Газовый бензин	-	0,7	0-10	8-15	10-15
Бензин коксования	1-5	-	-	-	-
Гидростабилизированный бензин пиролиза	10-35	10-30	10-30	10-20	10-20
МТБЭ	£8	5-12	5-12	10-15	10-15

Таблица 1.10

Углеводородный состав бензиновых фракций различных процессов

переработки нефти

Бензины	Содержание углеводородов
Бензины	Арены	Циклоалканы	Алканы	Алкены
Прямогонный бензин из: Татарской нефти Западносибирской нефти Бакинской нефти	3-10 7-12 2-10	20-30 22-35 40-65	60-80 55-70 25-50	1-2 1-2 -
Катализат риформинга: мягкого режима жесткого режима	40-50 60-70	50-60 30-38			1-2 1-2
Бензин каталитического крекинга	20-35	55-65			8-12
Бензин термического крекинга	15-35	50-60			15-25
Бензин коксования	20-25	25-35			45-60
Алкилат	-	-	100	-
Рафинат установок экстракции	3…4	96…97			-
Легкая смола пиролиза	45…60	10…18			20…28

Таблица 1.11

Компонентный состав бензинового фонда, % (об.)

Компонент	Россия	США	Западная Европа
1	2	3	4
Бензин каталитического риформинга	52,8	34,6	46,9
Бензин каталитического крекинга	9,6	36,1	27,1
Прямогонный бензин	25,2	4,0	7,6
Бутаны	5,7	5,5	5,7
Изомеризат	1,5	4,7	5,0
Бензин коксования	4,9	-	-
Оксигенаты	0,2	2,1	1,8
Алкилат	0,3	2,1	5,9
Примечание - Общий бензиновый фонд: Россия – 30 млн. т/год; США – 325 млн. т/год; Западная Европа – 125 млн. т/год.

Наиболее эффективным и экономически выгодным способом улучшения антидетонационных свойств бензинов является добавление специальных присадок - антидетонаторов. Антидетонаторами называют вещества, которые при добавлении к бензину в относительно небольших количествах значительно повышают его детонационную стойкость.

Поиск таких присадок проводят уже более 70 лет. Наиболее эффективные антидетонаторы найдены среди органических производных свинца, олова, висмута, марганца, железа и других металлов. В частности, были изучены алкилы металлов, их карбонилы, внутрикомплексные соли.

На российском рынке в настоящее время появилось множество присадок к моторным топливам различных зарубежных фирм (табл. 1.12). Следует отметить, что большинство этих присадок не адаптирована к российским бензинам, а главное, к имеющейся автомобильной технике. Поэтому применение зарубежных присадок в составе бензинов не всегда обеспечивает достижения рекламных преимуществ их использования.

Таблица 1.12

Антидетонационные присадки и добавки к автомобильным бензинам,

допущенные к применению на территории России

Наименование	Допустимая концентрация, %
Присадка Хайтек-3000 фирмы Ethyl	до 50 мг Mn/л
Присадка АвтоВЭМ (ТУ 38.401-58-185-97)	до 1,3
Добавка Феррада (ТУ 38.401-58-186-97)	до 1,3 (37 мг Fe/л)
Присадка АПК (ТУ 38.401-58-189-97)	до 0,3 (37 мг Fe/л)
Присадка Ферроз (ТУ 38.401-58-83-94)	до 0,02 (37 мг Fe/л)
Добавка АДА (ТУ 38.401-58-61-93)	до 1,3
Добавка БВД (ТУ 38.401-58-228-99)	до 1,9
Добавка ВОКЭ (ТУ 38.401-58-244-99)	до 5,0
Добавка МАФ (ТУ 38.401-1045-96)	до 3,5 (37 мг Fe/л)
Добавка Фэтерол (ТУ 2421-009-04749189-95)	до 15,0
МТБЭ (ТУ 103704-90)	до 15,0
Добавка ДАКС (ТУ 0251-003-02066612-96)	до 3,5
Присадка Октан-Максимум (ТУ 38.401-144-97)	до 0,02 (37 мг Fe/л)

Наряду с увеличением октанового числа введение антидетонаторов в бензины изменяет их экологические и эксплуатационные свойства. Поэтому для каждого антидетонатора установлен диапазон концентраций, в котором получение положительного антидетонационного эффекта не приводит к существенному ухудшению других свойств бензина (в таблице 1.12 приведены максимально-допустимые концентрации антидетонаторов).

Проведенные испытания различных антидетонаторов и их композиций свидетельствуют о следующем:

наибольшую приемистость к антидетонаторам (повышение октанового числа после введения присадки или добавки) имеют бензины на основе алифатических углеводородов, т.е. парафиновые и нафтеновые углеводороды поддаются большему воздействию, чем олефиновые и ароматические;

с ростом октанового числа бензина его приемистость к антидетонаторам снижается, следовательно, для производства высокооктановых бензинов из-за уменьшения эффективности действия антидетонаторов в области высоких значений октановых чисел необходимо использовать базовые основы с большой величиной октанового числа;

приемистость базовых бензинов к антидетонаторам выше по исследовательскому методу, чем по моторному;

применение октаноповышающих композиций позволяет использовать базовую основу с меньшей величиной октанового числа, т.е. получить экономию дорогостоящих высокооктановых компонентов.

Для стабилизации бензинов каталитического и термического крекинга в них вводят антиокислительные присадки, способные в малых концентрациях тормозить окислительные процессы. В качестве антиокислительных присадок применяют: параоксидифениламил (ПОДФА) от 0,007 до 0,01 %, ФЧ-16 от 0,03 до 0,1 %, ионол от 0,05 до 0,1 % и Агидол – 12 до 0,15 %.

Автомобильные бензины маркируются буквой «А» с цифровым индексом, характеризующим величину октанового числа по моторному методу, и буквами

«АИ» с цифровым индексом, означающим величину октанового числа по исследовательскому методу.

В соответствии с ГОСТ 2084-77 вырабатывались следующие марки автомо-

бильных бензинов: А-76 и АИ-91 неэтилированный, АИ-95 неэтилированный.

В настоящее время ГОСТ 2084-77 отменен на территории РФ в части марок автомобильных бензинов А-76 этилированный, АИ-91, АИ-95. Действует ГОСТ Р 51105-97 с изменением 1. ГОСТ Р 51105-97 распространяется на неэтилированные бензины для автомобильного транспорта, применяемые в качестве топлива для автомобильных и мотоциклетных двигателей, а также двигателей другого назначения, рассчитанных на использование неэтилированного бензина.

В соответствии с ГОСТ Р 51105-97, в зависимости от октанового числа, определенного исследовательским методом, устанавливаются следующие марки неэтилированных бензинов: Нормаль-80 − не менее 80; Регуляр-91− не менее 91; Регуляр-92 − не менее 92; Премиум-95 − не менее 95; Супер-98 − не менее 98.

В зависимости от климатического района применения (ГОСТ 16350) автомобильные бензины подразделяются на пять классов:

1 – для района II₉ с 1 апреля по 1 октября;

2 – для районов II₄ и II₅ с 1 апреля по 1 октября;

3 – для районов I₁ и I₂ с 1 апреля по 1 октября и для района II₉ с 1 октября по 1 апреля;

4 – для районов II₄ и II₅ с 1октября по 1 апреля;

5 – для районов I₁ и I₂ с 1октября по 1 апреля.

Кроме того, бензины выпускаются следующих марок:

А-80 (ТУ 38.001165-97);

А-92 (ТУ 38.001165-97);

А-96 (ТУ 38.001165-97);

АИ-93 (ТУ 38.401158-156-96);

АИ-95 (ТУ 3840158-201-97);

АИ-95 «Экстра» (ТУ 38.1011279-89);

АИ-98 (ТУ 3840158-122-95);

Супер АИ-95 и АИ-98ф (ТУ 3840158-89-94);

Евро-Супер-95 (ТУ 38.401-58-99-94);

А-72 и АИ-93 (ТУ 38.401-58-56-93);

АИ-91 (ТУ 38.1011225-89).

Вновь введенные технические условия:

бензины автомобильные неэтилированные (ТУ 38.40158-240-99);

бензины автомобильные неэтилированные, содержащие этанол (ТУ 38.40158-244-99);

бензин автомобильный неэтилированный (городской) (ТУ 38.40158-264-2000);

бензин прямогонный смесевой (ТУ 38.40158-271-2000);

бензин автомобильный компаундированный с улучшенными экологическими свойствами (бензин АК_з) (ТУ 38.40158-235-99).

У экспортных бензинов А-80, А-92, А-96 по ТУ 38.001165 цифра означает величину октанового числа по исследовательскому методу.

Для эксплуатации автомобилей с карбюраторным двигателем в условиях Севера применяют бензины, вырабатываемые прямой перегонкой из газовых конденсатов по ТУ 51-126-83: АГ-72 и АГ-76. Эти бензины имеют более легкий фракционный состав и конец кипения не выше 150 ⁰С.

Автомобильные бензины предназначены для применения на следующей технике:

А-76 − на двигателях с Е = 6,5…6,7 (ГАЗ-53, ГАЗ-66, ЗИЛ-130, ЗИЛ-131, БРДМ и др.);

АИ-93 (-92) − на двигателях с Е = 7…8,5 (на всех современных отечественных и большинстве иностранных легковых автомобилях);

АИ-95 − на двигателях с Е = 8…10 (на отечественных представительных автомобилях ЗИЛ, «ЧАЙКА» и престижных автомобилях иностранных марок).

Основной маркой автобензина для военной техники является А-76, дублирующей − А-72, А-80 и АГ-76, а резервной − А-92,А-96, АИ-93 и АИ-95.

Во всем мире в настоящее время проблемы экологии приобрели первостепенное значение. Приняты законодательные акты, в результате чего проводятся работы по совершенствованию техники, состава топлив и смазочных материалов.

Так, с марта 1993 года введены европейские нормы ЕN 222 по экологическим показателям бензинов. В соответствии с этими нормами бензины практически не должны содержать свинца, допускаются лишь его следы (менее 0,013 г/дм³).

Параметры отечественных наиболее массовых товарных бензинов существенно отличаются от принятых международных норм, особенно в части экологических требований. В целях повышения конкурентоспособности российских бензинов и доведения их качества до европейских стандартов разработан ГОСТ 51105-97. Этот стандарт не заменяет другие ГОСТы, по которым предусмотрен выпуск как этилированных, так и неэтилированных бензинов, но в соответствии с ним будут вырабатываться только неэтилированные бензины (максимальное содержание свинца не более 0,01 г/дм³).

Бензин «Нормаль-80» предназначен для использования на грузовых автомобилях наряду с бензином А-76. Неэтилированные бензины «Регуляр-91», «Регуляр-92» предназначены для эксплуатации автомобилей взамен этилированного АИ-93. Автомобильные бензины «Премиум-95» и «Супер-98» полностью отвечают европейским требованиям, конкурентоспособны на нефтяном рынке и предназначены в основном для зарубежных автомобилей, ввозимых в Россию. Характеристики физико-химических и эксплуатационных показателей некоторых автомобильных бензинов, вырабатываемых в России представлены в табл. 1.13,1.14,1.15.

В настоящее время наиболее активная работа по улучшению экологических характеристик автотранспорта проводится в Москве. Утверждены технические требования к качеству бензинов с улучшенными экологическими свойствами для реализации в Москве. Московский нефтеперерабатывающий завод выпускает четыре марки бензинов: АИ-80ЭК, АИ-92ЭК, АИ-95ЭК и АИ-98ЭК. Аббревиатура «ЭК» означает, что бензин обладает улучшенными экологическими свойствами. Ярославский нефтеперерабатывающий завод выпускает две марки бензина с индексом «Е» ЯрМарка 92Е, ЯрМарка 95Е. Характеристики данных марок бензинов представлены в табл. 1.16.

Таблица 1.14

Характеристика физико-химических и эксплуатационных показателей

автомобильных бензинов

1. Концентрацию марганца определяют только для бензинов, содержащих марганцевый антидетонатор (МЦТМ).

2. Автомобильные бензины, предназначенные для длительного хранения (5 лет) в Госрезерве и Министерстве обороны, должны иметь индукционный период не менее 1200 мин.

Таблица 1.15

Характеристики автомобильных бензинов с улучшенными

Аналогичные по составу бензины выпускает «Нижегороднефтеоргсинтез»: «НОРСИ-80», «НОРСИ-92», «НОРСИ-95», у которых содержание серы не более 0,05 % масс, непредельных − не более 10 %, ароматики − 40…50 %.

Однако, поиск оптимальных решений по перспективному составу моторных топлив представляет собой сложную комплексную проблему, включающую в себя оценку экологического ущерба в сопоставлении с техническими возможностями и финансовыми затратами на совершенствование конструкции двигателей, изменение технологии производства топлив, поиск и внедрение принципиально новых решений. Все эти вопросы требуют серьезных проработок.

Согласно требований ГОСТ Р 51866-2002 (ЕН 228-99), разработанного ОАО «ЛУКОЙЛ», выпускаются автомобильные бензины высшего качества и обычного неэтилированного бензина марок:

Физико-химические и эксплуатационные показатели этих бензинов приведены в табл. 1.17, 1.18, 1.19.

Таблица 1.17

Требования к бензинам высшего качества марок

* - Бензин высшего качества марки Супер Евро-98 вырабатывают с октановым числом 98 по исследовательскому методу (88 – по моторному) и показателям качества, установленными в табл. 1.17.

Требования к неэтилированному бензину обычного качества марки

Классы испаряемости

Примечание: *- для бензинов классов А,В,С,D,Е и F индекс паровой пробки

1.2. Марки, состав и применение авиационных бензинов

Авиационные бензины предназначены для применения в поршневых авиационных двигателях. В авиационных двигателях используется принудительный впрыск топлива во впускную систему, что определяет некоторые особенности авиационных бензинов по сравнению с автомобильными. Более высокие требова-

ния к качеству авиационных бензинов определяются также жесткими условиями их применения.

Производство и потребление авиационных бензинов в последние годы резко снизилось в связи с переходом авиации на реактивные двигатели. В настоящее время авиабензинов вырабатывается всего около 2 % от общего объема всех бензинов.

В соответствии с ГОСТ 1012 отечественная промышленность выпускает следующие марки авиабензинов: Б-95/130 и Б-91/115. Кроме того, по ТУ 38.101913 выпускается авиабензин Б-70, по ТУ 4-60 ─ смесевой бензин СБ-78 и по ТУ 38.401-58-47 ─ авиабензин Б-92.

Состав авиабензинов аналогичен составу автомобильных бензинов и включает: базовый бензин, ВОК, антидетонатор и присадки. В авиационных бензинах содержится значительно больше тетраэтилсвинца.

Маркируются авиабензины буквой Б и цифровым индексом, выраженным дробным числом: числитель ─ величина октанового числа по моторному методу, знаменатель - сортность бензина.

В настоящее время разработаны технические условия на авиационные бензины марок Б - 100/130 и Б - 100/130 малоэтилированный по ТУ 38.401-58-197-97. Установленные нормы к качеству указанных бензинов соответствуют требованиям ASTM D 910 и европейским спецификациям на бензины марок 100 и 100 LL.

Содержание тетраэтилсвинца в одном составляет – 2,2 г/кг, а в малоэтилированном – 1,0 г/кг.

Характеристика авиационных бензинов представлена в табл.1.20.

Характеристика авиационных бензинов

Б-91/115 ─ на самолетах Ан-2, Як - 50, вертолетах Ми-1 и Ка-26;

СБ-78 ─ на самолетах Л-200А, Як-12, Ан-14, вертолетах Ка-15 и Ка-18.

Основной маркой авиабензина является Б-91/115, дублирующей ─ Б-95/130 и Б-92, резервной ─ АИ-93 (л) или АИ-95 (л).

Авиабензин марки Б-92 является перспективным и может применяться взамен бензина Б-91/115 в двигателях всех типов.

Характеристики авиабензинов аналогичны характеристикам автомобильных бензинов. Отличаются только ограничениями по содержанию ароматических углеводородов (не более 35 %) и по давлению насыщенных паров (почти в два раза меньше). Это связано с условиями работы двигателей внутреннего сгорания, применяемых на авиационной технике.

1.3. Основные эксплуатационные свойства бензинов

Согласно ГОСТ 26098 « Термины и определения» эксплуатационное свойство ─ это свойство нефтепродукта, проявляющееся при производстве, транспортировании, хранении, испытании, применении, характеризующее совокупность однородных явлений при этих процессах.

К основным эксплуатационным свойствам бензинов относятся: горючесть, испаряемость и склонность к образованию отложений.

Горючесть ─ эксплуатационное свойство, характеризующее особенности и результат процесса горения паров топлива с воздухом, протекающего в камере сгорания двигателей.

Горючесть бензина характеризуется его детонационной стойкостью ¾ способностью бензина сгорать без взрыва в двигателе с искровым зажиганием.

Детонационную стойкость оценивают по величине октанового числа.

Октановое число ─ условная величина, численно равная процентному (по объему) содержанию изооктана в такой его смеси с нормальным гептаном, кото-

рая по своей детонационной стойкости в стандартных условиях испытания на специальной моторной установке эквивалентна испытуемому топливу.

При этом детонационная стойкость изооктана условно принята за 100 единиц, а нормального гептана ─ за 0.

Для автомобильных бензинов нормируется октановое число, определяемое по моторному и исследовательскому методам. В настоящее время октановое число по моторному и исследовательскому методам определяется на одноцилиндровой установке УИТ - 85, но при различных режимах испытания. Моторный метод моделирует работу двигателей на форсированных режимах при длительных нагрузках, характерных для работы машин в загородных условиях, исследовательский ─ работу двигателей машин при меньших нагрузках и температурных режи-

мах, характерных для городских условий (частые остановки, неполная загрузка и т.п.).

Октановые числа одного и того же бензина, определяемые моторным и исследовательским методами, отличаются друг от друга. Так, для АИ-93 октановое число, определенное по исследовательскому методу, на 5…8 единиц выше, чем по моторному методу. Разность между октановыми числами, определенными по моторному и исследовательскому методам, называют чувствительностью бензина.

Условия работы авиационных поршневых двигателей отличаются от условий, в которых работают автомобильные двигатели, частотой вращения коленчатого вала, температурным режимом, наличием наддува и др., поэтому для оценки детонационной стойкости авиабензинов наряду с октановым числом нормируется так называемая «сортность» на богатой смеси и в условиях наддува.

Сортность показывает, на сколько больше или меньше можно получить мощность при работе специального одноцилиндрового двигателя на богатой смеси на испытуемом топливе по сравнению с мощностью, развиваемой этим же двигателем на изооктане.

Детонационная стойкость углеводородов зависит от их молекулярной массы и строения и повышается в ряду: н-алканы, н-алкены, цикланы, изоалканы, арены

(ароматические). С повышением молекулярной массы детонационная стойкость углеводородов всех классов снижается.

Повышение детонационной стойкости достигается: изменением химического состава базового бензина, добавлением высокооктановых компонентов и введением специальных присадок - антидетонаторов.

Наиболее эффективной антидетонационной присадкой до конца ХХ столетия являлся тетраэтилсвинец (ТЭС) - (С₂Н₅)₄Рв. Это бесцветная сильно токсичная жидкость (ПДК_р.з.= 0,005 мг/м³) с высокой плотностью (1,652 г/см³). Хорошо растворяется в бензине, спирте, ацетоне. ТЭС эффективно повышает октановое число бензина при добавлении до 3-4 г/л (0.3-0.4 %).

Механизм действия ТЭС заключается в том, что при повышенных температурах (от 200 ⁰С) (С ₂Н ₅)₄Рв начинает разлагаться с образованием металлического свинца и свободного радикала:

При 500…600 ⁰С происходит полное разложение ТЭС и окисление металлического свинца:

РвО₂ прерывает взрывное развитие перекисных цепочек, образующихся в рабочей смеси:

При сгорании бензина, содержащего ТЭС, образуется окись свинца, имеющая низкую летучесть (t _пл. = 888⁰С), и часть ее отлагается на стенках камеры сгорания, свечах, клапанах, что может привести к быстрому выходу двигателя из строя. Поэтому ТЭС добавляют к бензину в смеси с веществами, способными при сгорании образовывать со свинцом или его оксидами соединения с большим давлением насыщенных паров и низкой температурой плавления. Такие вещества по-

лучили название выносителей, а смесь ТЭС с выносителями ─ этиловой жидкости. В качестве выносителей свинца наибольшее распространение нашли галоидоалкилы (С₂Н₅Br и С₂Н₅Вr₂). Галоидоалкилы при повышенных температурах превращают металлический свинец и окись свинца в «летучие» галоидопроизводные:

В температурных условиях работы двигателя эти галоидопроизводные свинца находятся в парообразном состоянии и практически полностью выносятся из камеры сгорания.

В США в качестве антидетонатора была наиболее распространена присадка тетраметилсвинец (ТМС), а в качестве выносителя применяется дибромметан

(С₂Н₄Вr₂). Для высокооктановых ароматизированных автобензинов ТМС более эффективен, чем ТЭС.

В настоящее время в интересах экологической безопасности применение ТЭС и ТМС повсеместно прекращается, и ведутся непрерывные поиски высокоэффективных нетоксичных антидетонаторов. Исследованные в качестве антидетонаторов вещества можно разделить на две группы: металлоорганические и органические соединения.

Среди металлоорганических соединений кроме ТЭС и ТМС, наиболее эффективными оказались соединения, содержащие марганец: циклопентадиенилтрикарбонилмарганец (ЦТМ) и метилциклопентадиенилтрикарбонилмарганец (МЦТМ) и железо: дициклопентадиенилжелезо (ДЦПДЖ) и пентакарбонилжелезо (ПКЖ). По антидетонационной эффективности марганцевые антидетонаторы аналогичны, а содержащие железо несколько уступают свинцовым. Однако при работе на бензине с марганцевыми антидетонаторами образующийся нагар вызывает перебой в работе свечей зажигания за счет утечки тока на поверхности изолятора свечи и образования токопроводящих нитей между электродами свечи. Про-

дукты сгорания марганца имеют высокую электропроводность, возрастающую с повышением температуры. Проводятся исследования по изысканию преобразователей нагара, изменению конструкций свечей, применению новых материалов для изоляторов и электродов свечей.

К органическим антидетонаторам относятся: метиланилин, ксилидин, экстралин. При добавлении этих антидетонаторов к бензину в количестве 2 % об. Ок-

тановое число возрастает на 4…5 пунктов, а при добавлении 5 % ─ на 7…8 пунктов.

Испаряемость – эксплуатационное свойство, характеризующее особенности и результат процесса перехода топлива из жидкого состояния в парообразное. Скорость испарения зависит от температурного режима и физико-химических свойств бензинов.

Испаряемость бензинов влияет на легкость запуска, продолжительность прогрева, приемистость и устойчивость работы двигателя. От испаряемости зависит полнота сгорания и эффективность применения бензина. Вместе с тем испаряемость оказывает решающее влияние на потери бензина при хранении, изменение его качества и экологию окружающей среды.

Испаряемость бензина характеризуют его физические показатели: фракционный состав, давление насыщенных паров (Рн.п.), поверхностное натяжение, теплопроводность, теплоемкость и скрытая теплота испарения.

Наиболее полно характеризует испаряемость фракционный состав ─ это зависимость между температурой и количеством фракций, выкипающих при этой температуре.

Запуск двигателя в основном затруднен при низких температурах, когда частота вращения коленчатого вала мала (40...150 мин^-1). В этих условиях разрежение в диффузоре будет небольшим, в результате образуется переобедненная смесь (a = 1,8…2,5). Для устранения этого явления смесь искусственно обогащают (a = 0,8…0,9), прикрывая воздушную заслонку.

О легкости пуска холодного двигателя судят по температурам начала перегонки и выкипания 10 % фракций, а также по давлению насыщенных паров. Чем ниже температуры начала перегонки и выкипания 10 % фракций, тем выше давление насыщенных паров, тем легче запустить холодный двигатель.

Установлена эмпирическая зависимость температуры воздуха (t_возд.), при которой возможен легкий пуск холодного двигателя от температур начала перегонки (t_н.п.) и выкипания 10 % фракций (t_10%):

Для облегчения запуска в зимнее время могут использоваться пусковые жидкости с Рн.п. > 700 мм рт.ст. (93,3 кПа).

На продолжительность прогрева, наряду с конструкционными факторами, сильное влияние оказывает температура перегонки 50 % фракций. Чем ниже эта температура, тем легче и полнее происходит испарение и быстрее прогревается

двигатель. Поэтому для экономии горючего в зимнее время необходимо утеплять капот и прикрывать жалюзи радиатора.

Температура перегонки 50 % фракций оказывает существенное влияние и на приемистость двигателя, т.е. на быстроту перехода двигателя на режим максимальной мощности. При резком открытии дроссельной заслонки тепловой режим двигателя нарушается за счет поступления во впускной коллектор большого количества топлива и холодного воздуха, вследствие чего температура во впускном коллекторе снижается, и испарение бензина ухудшается. Горючая смесь оказывается обедненной. При чрезмерном обеднении смеси двигатель вообще может заглохнуть. Для восстановления теплового равновесия требуется некоторое время. Чем ниже средняя температура перегонки бензина, тем быстрее двигатель выйдет на режим максимальной мощности, причем эта зависимость увеличивается с понижением температуры окружающего воздуха.

Полное испарение бензина в двигателе характеризуется температурами выкипания 90 % фракций и конца кипения. При высоких значениях этих температур тяжелые фракции не испаряются во впускном коллекторе и поступают в цилинд-

ры в жидком виде. Неиспарившийся бензин, смывая масло с зеркала цилиндра и снижая вязкость моторного масла в картере, способствует повышенному износу

двигателя. Особенно интенсивно изнашивается двигатель, работающий на бензинах тяжелого фракционного состава в холодное время года.

При использовании бензинов с высокой температурой конца кипения также усиливается неравномерность распределения горючей смеси по цилиндрам двигателя и повышается склонность бензина к нагарообразованию. Снижение температуры конца кипения бензинов может повысить их эксплуатационные свойства, однако это снижает ресурс бензинов.

Другим важным показателем испаряемости является давление насыщенных паров. По этому показателю судят о склонности бензина к образованию паровых пробок в топливной системе и потерям при хранении. Чем выше давление насыщенных паров, тем интенсивнее испаряется бензин. С увеличением температуры

Особенно опасно образование паровых пробок в топливной системе летательного аппарата, поэтому у авиабензинов давление насыщенных паров ограничено ─ 220…360 мм рт.ст. (» 48 кПа) для обеспечения надежности запуска.

Высокая испаряемость бензина может иногда стать причиной обледенения карбюратора. Испарение бензина в карбюраторе сопровождается понижением температуры его деталей. В условиях высокой влажности при температуре воздуха около 4 ⁰С происходит вымерзание влаги из окружающего воздуха, которое вызывает обледенение карбюратора.

Снижая испаряемость бензина, можно предотвратить обледенение карбюратора, однако это ухудшает пусковые свойства бензинов. Поэтому в бензин вводят специальные антиобледенительные присадки или осуществляют конструктивные меры.

Склонность к образованию отложений – эксплуатационное свойство, характеризующее особенности и результат процессов образования отложений продуктов превращения топлив при эксплуатации техники.

В процессе хранения и при применении в двигателях бензины образуют отложения в резервуарах, топливных баках, системе питания, в камере сгорания, на поршнях и клапанах. Различают низкотемпературные отложения ─ смолы и шламы, и высокотемпературные ─ нагары и лаки.

Смолы представляют собой продукты окислительной полимеризации и конденсации углеводородов. Некоторое количество низкотемпературных отложений образуется и за счет отсоса во впускную систему картерных газов, которые содержат продукты неполного сгорания бензина, мельчайшие капельки масла, пары воды. Слой смолистых отложений создает дополнительное сопротивление топливовоздушной смеси, затрудняет отвод тепла, ухудшает условия испарения, нарушает работу клапанного механизма (табл. 1.21).

Опасны не только уже образовавшиеся смолы, но и потенциальные, т.е. те, которые образуются во время приготовления горючей смеси. Склонность бензина к отложениям увеличивается с понижением химической стабильности, которая определяется содержанием непредельных углеводородов. Содержание в бензине непредельных углеводородов оценивается йодным числом.

Состояние двигателя в зависимости от концентрации

Более достоверный прогноз склонности бензинов к смолообразованию дает определение индукционного периода. Окисление бензина является автокаталитическим процессом, так как образующиеся продукты окисления каталитически

ускоряют процесс смолообразования. Вначале реакция протекает медленно и в бензине происходит накопление первичных продуктов окисления (период индукции), но по мере накопления этих продуктов, а также смолистых веществ, реакция ускоряется. Индукционный период уменьшается, если в свежий бензин ввести продукты окисления. Поэтому недопустимо смешение свежего бензина со старым осмолившимся. Осмоление бензинов каталитически ускоряют цветные металлы: медь, свинец, а также ржавчина.

Разложение ТЭС сопровождается выпадением из жидкой фазы кристаллического или хлопьевидного осадка, который сам может явиться причиной засорения топливных фильтров и карбюратора.

Наиболее эффективным способом борьбы с образованием отложений во впускной системе двигателя является применение специальных моющих или многофункциональных присадок.

Высокотемпературные отложения могут вызывать зависания клапанов, увеличивают степень сжатия, ухудшают отвод тепла, способствуют возникновению преждевременного воспламенения рабочей смеси.

Количество и характер отложений в двигателе зависят от состава бензина, наличия в нем ароматических и сернистых соединений, смолистых веществ, добавок и присадок. Снижение температуры конца кипения и удаление сернистых соединений резко уменьшают нагарообразование.

Смолистые вещества не оказывают значительного влияния на образование нагара, но образуют лаковые отложения на юбке и в канавках поршня, на кольцах и клапанах.

Нагар на 70…75 % состоит из углерода при применении неэтилированного бензина или содержит 60…90 % соединений свинца в случае использования этилированных бензинов. Это является причиной быстрого выхода из строя двигателей автомобилей в случае применения на них этилированных авиационных бензинов, так как автомобильные двигатели конструктивно не рассчитаны на применение бензинов с высоким содержанием ТЭС (табл.1.22).

Зависимость массы нагара от содержания ТЭС

Для предотвращения разложения ТЭС и смолообразования в бензины вводят антиокислительные присадки (ингибиторы окисления). Для устранения последствий нагарообразования в ряде случаев используют специальные присадки к бензинам, представляющие собой органические соединения фосфора, такие как трикрезолфосфат, трибутилфосфат и алкилборные кислоты и их эфиры. Механизм действия этих присадок в этилированных бензинах заключается в образовании свинцовофосфорных и свинцовоборных соединений, снижающих его температуру воспламенения, что прекращает тление нагретых частиц.

Также значительно уменьшают нагарообразование спирты.

Таким образом, количество отложений и скорость их образования зависят как от внешних факторов, так и от скорости протекания химических и физических процессов, происходящих в бензинах. Влияние отложений на надежность работы двигателя однозначно отрицательное

Основными факторами, влияющими на возникновение детонации, являются: степень сжатия двигателя, форма камеры сгорания, диаметр цилиндра, материал поршней и головки блока цилиндра, наличие отложений нагара, угол опережения зажигания, число оборотов коленчатого вала, температура и влажность окружающего воздуха, состав смеси, температура охлаждающей жидкости и т.д.

В двигателях с высокой степенью сжатия иногда возникает «калильное» зажигание – самопроизвольное воспламенение рабочей смеси независимо от времени подачи искры свечей зажигания. Источниками калильного зажигания являются раскаленные тела (тлеющий нагар, перегретые части деталей цилиндропоршневой группы).

Калильное зажигание по своему характеру принципиально отличается от детонационного сгорания, хотя эти явления в условиях работы автомобильного двигателя тесно связаны. Однако процесс сгорания смеси после калильного зажигания протекает с нормальными скоростями и может не сопровождаться детонацией. И хотя калильное зажигание и детонация тесно связаны между собой и часто оба явления имеют место в двигателе в одно и то же время, но механизм протекания этих процессов и меры борьбы с ними существенно различаются.

Калильное зажигание нарушает нормальное протекание процесса сгорания, делает его неуправляемым. Неуправляемое развитие процесса горения при «калильном» зажигании также вызывает появление стука, перегрев двигателя и падение мощности.

Таким образом, исходя из вышеизложенного, для обеспечения высокой эффективности применения бензинов в современных двигателях и оптимизации физико-химических показателей качества к ним предъявляются следующие требования, которые можно разделить на четыре направления:

- иметь оптимальные антидетонационные свойства на бедных и богатых смесях, на различных режимах работы двигателя;

- иметь хорошую совместимость с конструкционными материалами.

- хорошо прокачиваться при различных условиях, не образовывать паровых пробок и не выделять твердой фазы при низких температурах;

- быть стабильными при хранении и не образовывать отложений в системе питания.

- иметь широкую сырьевую и производственную базу, отработанные технологии.

4- обусловленные экологической безопасностью:

- не вызывать загрязнения окружающей среды самим и продуктами сгорания.

цилиндры двигателя. Бензин является смесью различных углеводородов, поэтому по мере испарения легких фракций жидкая пленка обогащается более тяжелыми углеводородами. Это явление фракционирования топлива происходит в процессе подготовки горючей смеси во впускном коллекторе. В цилиндрах, куда поступает больше паровоздушной фазы, будет повышенное содержание легких фракций бензина, в цилиндрах, куда больше поступает жидкой фазы, будет повышенное содержание тяжелых фракций. Испарение присадок, содержащихся в бензине, происходит с фракциями бензина близкими по испаряемости к присадке. Неравномерность распределения фракций по цилиндрам ведет к неравномерному распределению присадок.

Установлено, что качество и неравномерность распределения смеси по цилиндрам зависят от давления насыщенных паров, фракционного состава, скрытой теплоты испарения, коэффициента диффузии паров, вязкости, поверхностного натяжения, теплоемкости, плотности, а также от скорости и температуры воздуха, степени разряжения в диффузоре и количества поступающего тепла от двигателя и режима его работы.

При образовании топливовоздушной смеси тепло, необходимое для испарения топлива отнимается от воздуха. При этом температура воздуха, а, следовательно, и смеси может понизиться настолько, что произойдет конденсация и последующее замерзание атмосферной влаги, т.е. произойдет обледенение карбюратора. Отмечено, что при температуре воздуха 7,5 ⁰С температура дроссельной заслонки через 2 мин. снижается до минус 14 ⁰С. Образование льда в основном наблюдается на дроссельной заслонке и на внутренних стенках диффузора карбюратора. Обледенение усиливается при увеличении влажности воздуха. На образование льда оказывает влияние соотношение топлива с воздухом, теплоемкость и скрытая теплота испарения топлива, и температура воздуха. Условия испарения улучшают путем подогрева впускного коллектора, однако при повышенных температурах топливовоздушной смеси коэффициент наполнения цилиндров снижается, и мощность двигателя падает.

Основные характеристики автомобильных бензинов

Окончание таблицы 1.13