Топливо для двигателей внутреннего сгорания

2.1.1. Автомобильные бензины

 

К бензинам относятся жидкие нефтяные топлива, предназначенные 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, определяющими их физико-химические и эксплуатационные свойства. Здесь будет рассказываться об условиях применения, требованиях к качеству, марках, составе, эксплуатационных свойствах и применении автомобильных бензинов.

Условия применения бензинов определяются условиями эксплуатации вооружения и военной техники (на земле, в воздухе, летом, зимой, на равнинах, в горах, в южных районах, на Севере и т. д.), особенностями рабочего процесса двигателя.

Рабочий цикл двигателя с искровым зажиганием, как и всех двигателей внутреннего сгорания, слагается из процессов испарения, смесеобразования, воспламенения и сгорания топлива. При сгорании топлива выделяется тепловая энергия, которая преобразуется двигателем в механическую работу. Горючая смесь в поршневых двигателях с искровым зажиганием образуется либо в специальном приборе - карбюраторе, либо непосредственно в цилиндре двигателя, куда воздух и топливо поступают раздельно.

Соответственно различают карбюраторные двигатели и двигатели с непосредственным впрыском топлива. В настоящее время среди двигателей с искровым зажиганием в ВС РФ наиболее распространенными являются карбюраторные двигатели.

Испарение бензина и образование горючей смеси в карбюраторном двигателе происходит в воздушном потоке на пути от карбюратора до цилиндра и завершается в камере сгорания. Скорость воздушного потока в диффузоре карбюратора составляет 40-150 м/с и в 20-30 раз превышает скорость топливной струи.

В воздушном потоке струя топлива разбивается на мелкие капли, средний диаметр которых составляет 0,1-0,3 мм. Образовавшиеся капли подхватываются воздушными потоками и интенсивно испаряются. Часть капель попадает в цилиндры двигателя, где под действием высокой температуры испарение завершается. А другая часть капель при выходе из диффузора карбюратора оседает на стенках впускного коллектора и образует пленку жидкого топлива.

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.

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 самоускоряющийся характер, завершающийся возникновением пламени. Нормальная скорость распространения фронта пламени составляют 10-40 м/с. Эта скорость зависит от частоты вращения коленчатого вала и состава топливовоздушной смеси. Максимальное значение скорости распространения пламени наблюдается при коэффициенте избытка воздуха, равном 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 пределы воспламенения топливовоздушной смеси в условиях двигателя характеризуются коэффициентами избытка воздуха от 0,4-0,5 до 1,3-1,4.

«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.

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 детонационного сгорания 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 детонационная 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. 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 на стенки камеры сгорания и днище поршня. Она приводит к перегреву двигателя и может вызвать местные разрушения поверхности камеры сгорания и днища поршня. Кроме того, работа двигателя с детонацией ведет к повышенному износу деталей.

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. Оно 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.

Первое направление обусловлено конструкцией двигателя ВВТ: иметь оптимальные антидетонационные свойства на бедных и богатых смесях, на различных режимах работы двигателя; обладать хорошей испаряемостью, обеспечивать легкий запуск, устойчивую работу и хорошую приемистость двигателя; иметь хорошую совместимость с конструкционными материалами.

Второе направление обусловлено условиями эксплуатации техники: 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.

Третье направление обусловлено производственной базой ГСМ: иметь широкую сырьевую и производственную базу, отработанные технологии.

Четвертое направление обусловлено экологической безопасностью ГСМ: быть безопасными в обращении, не вызывать загрязнения окружающей среды самим и продуктами сгорания.

Марки, состав и применение автомобильных бензинов. Автомобильные бензины - самый массовый продукт 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)° С 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. Октановые числа (04), определяемые по моторному методу, прямогонных фракций, выкипающих до 180° С, обычно составляет 40-50 единиц. Детонационная стойкость фракций с температурой начала кипения 85° С несколько выше - 65-70 единиц. Исключение составляют прямогонные бензины, получаемые из нефти нафтенового основания, их октановые числа достигают 71-73 единиц. Однако ресурсы этой нефти весьма ограничены.

Для повышения октановых чисел прямогонных бензинов их подвергают каталитическому риформингу.

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

Основными компонентами товарных бензинов являются бензины каталитического крекинга.

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.

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

Сырьем каталитического риформинга является фракция, выкипающая пределах 85-180° С. При более высокой температуре конца кипения увеличивается коксообразование и снижается выход бензина. Выход продукта - составляет 78-82% от сырья. Катализ имеет октановое число по моторному методу 80-85 ед.

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

Выход легкого бензина (t_нк - 85° С) составляет 17,5% и тяжелого бензина (t_{выкипания} - 85-115° С) - 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 60ед. 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 каталитического риформинга.

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.

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° С) 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 его в смеси с третбутанолом, получившей название «фэтерол». МТБЭ не оказывает отрицательного действия на организм человека. Добавление его 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 (35 200 КДж/кг).

За рубежом МТБЭ получают из метанола, вырабатываемого из природного газа, и изобутена, производимого на установках крекинга или пиролиза нефтеперерабатывающих заводов (НПЗ). 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 С₃ и С₇, присутствующие в бензине каталитического крекинга.

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 увеличивается 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 СН₃ОН 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.

Этиловый спирт (С₂Н₅ОН) находит применение в качестве компонента к бензинам и самостоятельного топлива. 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.

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.

Недостатком бензиноспиртовых 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.

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.

На российском рынке в настоящее время появилось множество присадок к моторным топливам различных зарубежных фирм. Следует отметить, что большинство этих присадок не адаптированны к российским бензинам, а главное, к имеющейся автомобильной технике. Поэтому применение зарубежных присадок в составе бензинов не всегда обеспечивает достижения рекламных преимуществ их использования (табл. 2.1).

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 табл. 2.1 приведены максимально-допустимые концентрации антидетонаторов).

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 автомобильных 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, он 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.

Таблица 2.1