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  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.).

52

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:

53

( С₂ Н₅)₄ Рв Рв + 4С₂ Н₅.

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

Р в + О₂ РвО₂.

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

О

І І

R - СН₂ - О - О - Н + РвО₂ R- С - Н + РвО + Н₂О + 1/2О_2,

2 РвО + О₂ 2 РвО₂.

При сгорании бензина, содержащего ТЭС, образуется окись свинца, имеющая низкую летучесть (t _пл. = 888 ⁰С), 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:

С₂Н₅Вr С₂Н₄ + НВr,

РвО + 2 НВr РвВr₂ + Н₂О,

Рв + 2 НВr РвВr₂ + Н₂.

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

54

(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.

55

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 ( = 1,8…2,5). Для устранения этого явления смесь искусственно обогащают ( = 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%):

t_возд. > 0.5 t _10% - 50.5 + ( t _н..п. - 50)/3. (1.1)

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

56

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

о

57

пасность образования паровых пробок увеличивается, поэтому у бензинов летнего вида Рн.п. < 500 мм рт.ст. (66,7 кПа), а у зимнего ─ Рн.п.< 700 мм рт.ст. (93,3 кПа).

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).

С

58

клонность бензина к отложениям оценивают по следующим показателям: концентрация фактических смол, индукционный период и содержание ТЭС.

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.

Таблица 1.21