Свойства автомобильных бензинов

Карбюрационные свойства

Плотность. Под плотностью понимают массу вещества, отнесённую к единице его объёма. Плотность бензина (как и его вязкость) влияет на расход топлива через калиброванные отверстия жиклёров карбюратора. Уровень бензина в поплавковой камере также зависит от плотности. Для автомобильных бензинов плотность при 20 ⁰С должна находиться в пределах от 690 до 750 кг/м³.

Плотность топлива определяется ареометром, гидростатическими весами и пикнометром.

Плотность бензина с понижением температуры на каждые 10 ⁰С возрастает примерно на 1 %. Зная температуру при которой была определена плотность можно привести её к стандартной температуре (+20 ⁰С):

 

r₂₀ = r_t + g (t - 20), (2.2)

где: r_t - плотность испытуемого продукта при температуре испытаний, кг/м³;

t - температура испытания, ⁰С;

g - температурная поправка плотности (определяется по расчётной таблице, находится в пределах от 0,515 до 0,910 кг/м³).

Вязкость (внутреннее трение) - свойство жидкостей, характеризующее сопротивление действию внешних сил, вызывающих их течение.

Величина вязкости может быть выражена в абсолютных единицах динамической, кинематической вязкости или в условных единицах.

В системе СИ за единицу динамической вязкости h принята вязкость такой жидкости, которая оказывает сопротивление 1Н взаимному сдвигу двух слоёв жидкости площадью 1 м², находящихся на расстоянии 1 м один от другого и перемещающихся с относительной скоростью 1 м/с.

Единица измерения динамической вязкости [кг/(м_*с)].

Кинематическая вязкость - это динамическая вязкость, разделённая на плотность жидкости, определённой при той же температуре.

 

n_t = h_t /r_t. (2.3)

 

За единицу кинематической вязкости в СИ принят квадратный метр в секунду [м²/с]. Наиболее часто используется мм²/с.

Условной вязкостью называется вязкость, выраженная в условных единицах, получаемых на различных вискозиметрах. Пересчёт условной вязкости (⁰ВУ_t) (градусов Энглера ⁰Е_t) в кинематическую производится по следующей формуле:

n_t = 0,07319 ⁰ВУ_t - 0,631 / ⁰ВУ_t. (2.4)

Вязкость оказывает превалирующее влияние на весовое количество топлива, протекающее через жиклёр в единицу времени. Снижение температуры вызывает увеличение вязкости бензина, а это вызывает снижение его расхода. Расход бензина через жиклёр при изменении температуры от 40 до - 40 ⁰С снижается на 20 - 30 %.

Поверхностное натяжение - характеризуется работой, необходимой для образования 1 м² поверхности жидкости (т.е. для перемещения молекул жидкости из её объёма в поверхностный слой площадью в 1 м²) и выражается в Н/м. Поверхностное натяжение, наряду с вязкостью, влияет на степень распыливания бензина. Чем меньше его величина, тем меньших размеров получаются капли. Поверхностное натяжение всех автомобильных бензинов одинаково и при +20 ⁰С равно 20 - 24 мН/м (в 3,5 раза меньше чем у воды).

Испаряемость. Под испаряемостью топлива понимают его способность переходить из жидкого состояния в парообразное.

Испарение топлива является необходимым условием его сгорания, так как смешивается с воздухом и воспламеняется только паровая фаза. Автомобильные бензины должны обладать такой испаряемостью, чтобы обеспечивать лёгкий пуск двигателя, его быстрый прогрев и полное сгорание бензина после этого, а также исключить образование паровых пробок в топливной системе.

Практически испаряемость топлив для двигателей оценивают, определяя их фракционный состав методом разгонки на стандартном аппарате (для бензинов измеряют ещё и давление насыщенных паров). Бензин, представляя собой смесь углеводородов, не имеет фиксированной температуры кипения: он испаряется в интервале температуры 35 - 195 ⁰С.

При разгонке фиксируют следующие характерные температурные точки: температура начала кипения, температуры выкипания 10 % (t₁₀), 50 % (t₅₀), 90 % (t₉₀) топлива и температуру конца кипения. Характерные температурные точки приводят в стандартах и паспортах качества.

Содержание лёгких фракций в топливе характеризуется температурой выкипания 10 %. Эти фракции определяют пусковые свойства топлива, чем ниже температура выкипания 10 % топлива, тем они лучше. Для зимнего топлива t₁₀ должна быть не выше 55 ⁰С. Но при использовании зимнего вида бензина в летний период возможно образование паровых пробок в топливоподающей системе.

Качества горючей смеси при разных режимах работы двигателя, продолжительность прогрева, приёмистость зависят от испаряемости рабочей фракции, которая по стандарту нормируется 50 % - ной точкой. Чем ниже температура этой точки, тем однороднее состав рабочей смеси по отдельным цилиндрам, тем устойчивее работает двигатель, улучшается его приёмистость.

Температура выкипания 90 % топлива характеризует его склонность к конденсации. Склонность топлива к конденсации тем меньше, чем меньше интервал от t₉₀ до температуры конца кипения, когда испаряются тяжёлые углеводороды. Поскольку тяжёлые углеводороды испаряются не полностью, то, оставаясь в капельно-жидком состоянии, они могут проникать через зазоры между цилиндром и поршневыми кольцами в картер двигателя, что приводит к смыванию смазочной плёнки, увеличению износа деталей, разжижению масла, увеличению расхода топлива.

Давление насыщенных паров. Давление паров испаряющегося бензина на стенки герметичной ёмкости называют давлением (упругостью) насыщенных паров. Давление насыщенных паров возрастает с при повышении температуры.

Стандартом ограничивается верхний предел давления паров до 67 кПа летом и от 67 до 93 кПа зимой. Бензины с высокой упругостью паров склонны к повышенному образованию паровых пробок в топливоподающей системе; их использование влечёт за собой снижение наполнения цилиндров, падение мощности. Увеличиваются также потери от испарения такого бензина при хранении на складах и в топливных баках.

Низкотемпературные свойства. Температура застывания автомобильных бензинов обычно ниже минус 60 ⁰С, поэтому этот показатель для них не регламентируется. Но при эксплуатации двигателя в условиях низких температур могут возникнуть осложнения связанные с образованием в бензинах кристаллов льда. Установлено, что с понижением температуры растворимость воды в бензинах уменьшается. При быстром охлаждении излишняя влага, не успевшая перейти в воздух, выделяется в виде мелких капель, которые при отрицательных температурах превращаются в кристаллы льда. Забивая фильтры, кристаллы нарушают подачу бензина в двигатель.

 

Антидетонационные свойства

Детонационная стойкость, оцениваемая октановым числом (ОЧ), - важнейшее свойство топлива, обеспечивающее работу двигателя без детонации.

Октановым числом топлива называют процентное содержание (по объёму) изооктана в искусственно приготовленной смеси, состоящей из изооктана (ОЧ = 100) и нормального гептана (ОЧ = 0), по своей детонационной стойкости равноценной испытуемому топливу.

Определяют ОЧ моторным и исследовательским методами. Моторным методом ОЧ определяют на одноцилиндровой установке ИТ 9 - 2М, позволяющей проводить испытания с переменной степенью сжатия от 4 до 10 единиц. Исследовательским методом детонационную стойкость бензина определяют на установке ИТ9 - 6 в режиме работы легкового автомобиля при его движении в условиях города. Разница в ОЧ, определённых по исследовательскому и моторному методам, составляет 7 - 10 единиц (при исследовательском методе ОЧ больше).

ОЧ указывают на всех марках бензина. При его определении исследовательским методом в маркировке ставится буква "И", например АИ - 93.

Детонационная стойкость бензина зависит от его группового состава и от того на какой смеси работает двигатель. В топлива, антидетонационные свойства которых не соответствуют эксплуатационным требованиям, добавляют высокооктановые компоненты или специальные присадки - антидетонаторы.

В качестве высокооктановых компонентов применяют вещества, обладающие хорошими антидетонационными свойствами: бензол, этиловый спирт, продукты каталитического крекинга, риформинга и др.

Наиболее распространённой присадкой - антидетонатором, в настоящее время, является тетраэтилсвинец Pb(C₂H₅)₄ (ТЭС).

Установлено, что ТЭС действует, как антидетонатор только при высоких температурах, когда он начинает распадаться с образованием атомного свинца. Механизм действия ТЭС, как антидетонатора описывается следующими выражениями:

 

Pb(C₂H₅)₄ ® Pb + 4C₂H₅, (2.5)

Pb + O₂ ® PbO₂. (2.6)

 

Двуокись свинца вступает в реакцию с перекисями, разрушая их и образуя малоактивные продукты окисления углеводородов и окись свинца.

 

R - CH₂ - OOH + PbO₂ ® COH + PbO + H₂O + ½ O₂. (2.7)

 

Окись свинца, взаимодействуя с кислородом воздуха, снова окисляется в двуокись свинца, которая вновь способна реагировать с перекисной молекулой. Этим объясняется высокая эффективность малых количеств антидетонатора.

Наиболее существенным недостатком ТЭС является его высокая токсичность.

В чистом виде ТЭС не применяют, так как это может привести к отложению окислов свинца в камере сгорания. В бензин вводят этиловую жидкость, представляющую собой смесь ТЭС с выносителями и красителями. Бензин с этиловой жидкостью называют этилированным. Искусственное окрашивание такого бензина предупреждает о его ядовитости (А - 76 жёлтый; АИ - 93 оранжевый, АИ - 98 голубой).

Токсичность ТЭС, несмотря на его хорошие антидетанационные свойства, обуславливает необходимость разработки новых не токсичных, или менее токсичных антидетонаторов.

 

Коррозионные свойства

Топливо вызывает коррозию металлов и в жидком и в газообразном состоянии, коррозионное воздействие оказывают и продукты его сгорания.

От углеводородов топлива металлы не корродируют, коррозии способствует наличие в топливе коррозионно-агрессивных соединений: водорастворимых (минеральных) кислот и щелочей, активных сернистых соединений, воды, органических кислот.

Вода, а также водорастворимые кислоты и щёлочи в товарных бензинах отсутствуют, могут попасть при транспортировке и хранении.

Органические кислоты всегда содержатся в топливе (менее активны по сравнению с неорганическими), но их содержание заметно возрастает при длительном хранении. Содержание органических кислот характеризуют кислотностью. Этот показатель нормируют количеством щелочи (в миллиграммах), потребной для нейтрализации кислот, содержащихся в 100 мл топлива.

Сернистые соединения по коррозионной агрессивности подразделяют на активные и неактивные. Их содержание в топливе отрицательно сказывается на таких его свойствах, как стабильность, способность к нагарообразованию, коррозионная агрессивность и др. Сернистые соединения способствуют повышению коррозионной агрессивности продуктов сгорания, приводят к повышению твёрдости нагара. Присутствие данных соединений в топливе крайне нежелательно. Максимальное содержание серы в отечественных бензинах регламентируется соответствующими стандартами и составляет 0,12 %.

Стабильность топлива

Под стабильностью топлива понимают его способность сохранять свойства в допустимых пределах для конкретных эксплуатационных условий. Условно различают физическую и химическую стабильность топлива. Физическая стабильность - способность топлива сохранять свой фракционный состав и однородность.

Химическая стабильность - способность топлива сохранять свой химический состав. В результате окисления бензинов в процессе хранения образуются растворимые органические кислоты и смолистые вещества. Содержанием фактических смол - продуктов реакций окисления, полимеризации и конденсации определяют степень осмоления бензинов. При содержании фактических смол в пределах, допускаемых стандартами (7 - 15 мг/100мл), двигатели длительное время работают без повышенного смоло- и нагарообразования. Способность бензина сохранять свой состав неизменным при соблюдении условий перевозки, хранения и использования (стабильность) оценивают индукционным периодом. Этот показатель оценивают по времени в минутах от начала окисления бензина до активного поглощения им кислорода в лабораторной установке при искусственном окислении бензина (t = 100 ⁰C, в атмосфере сухого чистого кислорода при давлении 0,7 МПа). Это время для бензинов находится в пределах от 600 до 900 мин. Для повышения химической стабильности применяют гидроочистку бензинов и вводят в их состав специальные многофункциональные антиокислительные присадки.

 

Ассортимент бензинов

 

Отечественный ассортимент автомобильных бензинов включает следующие марки: А - 76, АИ - 92, АИ - 93, АИ - 95, АИ - 98. Каждая марка, кроме АИ - 95 и АИ - 98, подразделяется на два вида - зимний и летний.

По отдельным техническим условиям выпускается неэтилированный бензин АИ - 95 "Экстра" для применения в автомобилях высшего класса. Объёмы его производства незначительны.

В промышленно развитых странах применяются в основном два вида бензинов - "Премиум" с октановым числом по исследовательскому методу 97 - 98 (О.Ч.И. 97 - 98) и "Регуляр" с О.Ч.И. 90 - 94.

Решением Совета стран ЕЭС от 20.03.85 г. на перспективу утверждён единый неэтилированный бензин "Премиум" с О.Ч.И. 95 (О.Ч.М. 85). В настоящее время все новые модели автомобилей за рубежом переводятся на использование только неэтилированного бензина.

 

Вопросы для самопроверки

1 Что понимают под термином "сгорание" применительно к автомобильным двигателям?

Что характеризует параметр называемый коэффициентом избытка воздуха?

Что такое теплота сгорания топлива?

В чём заключается отличие между высшей и низшей теплотой сгорания топлива?

Опишите структуру процесса сгорания двигателя с искровым зажиганием.

От каких факторов зависит скорость сгорания в двигателях с искровым зажиганием при нормальном развитии процесса?

Чем характеризуется детонационное сгорание рабочей смеси?

Каковы основные причины возникновения детонации?

Перечислите основные эксплуатационные требования, предъявляемые к автомобильным бензинам.

Какие свойства автомобильных бензинов оказывают влияние на процесс смесеобразования?

Как влияет плотность бензина на показатели работы двигателя?

Каким образом определяется плотность жидких нефтепродуктов?

Что характеризует свойство жидкостей называемое вязкостью?

В каких единицах может быть выражена вязкость жидкостей?

Дайте определение динамической вязкости жидкости.

Как связаны между собой динамическая и кинематическая вязкость жидкости?

Что называется условной вязкостью жидкости?

Как влияет вязкость бензинов на показатели работы двигателя?

Что характеризует свойство жидкости называемое поверхностным натяжением?

Как влияет поверхностное натяжение бензинов на показатели работы двигателя?

Каким образом характеризуется испаряемость бензинов?

Какое влияние оказывают показатели испаряемости автомобильных бензинов на эксплуатационные характеристики двигателя?

Что характеризует свойство жидкости называемое давлением насыщенных паров?

Как влияет давление насыщенных паров на эксплуатационные качества бензинов?

Дайте определение параметру называемому октановым числом топлива?

Какие существуют методы определения октанового числа?

От чего зависит детонационная стойкость бензинов?

Назовите основные методы повышения детонационной стойкости автомобильных бензинов.

Перечислите основные достоинства и недостатки применения тетраэтилсвинца, как присадки - антидетона.

От каких факторов зависят коррозионные свойства бензинов?

Что понимают под стабильностью топлива?

От каких факторов зависит стабильность автомобильных топлив?

Назовите основные марки бензинов отечественного и зарубежного производства, приведите пример их маркировки.

 

Дизельные топлива

3.1 Эксплуатационные требования к качеству дизельных топлив

 

Дизельное топливо - это нефтяная фракция, основу которой составляют углеводороды с температурами кипения в пределах от 200 до 350 ⁰С.

Рабочий процесс в дизельных двигателях принципиально иной чем в карбюраторных. В воздух сжатый в цилиндре до 3 - 7 МПа и нагретый за счёт высокого давления до 500 - 800 ⁰С, под высоким давлением (до 150 МПа) через форсунку впрыскивается топливо. Сложные процессы смесеобразования и сгорания осуществляются за очень небольшой промежуток времени, соответствующий 20 - 25⁰ поворота коленчатого вала (в 10 - 15 раз меньше чем в карбюраторных двигателях).

Для обеспечения в быстроходных дизельных двигателях полного и качественного сгорания топлива к нему предъявляются следующие эксплуатационные требования:

· хорошая прокачиваемость;

· обеспечение тонкого распыла и хорошее смесеобразование;

· уменьшение нагарообразования;

· отсутствие коррозионного воздействия на элементы топливоподающей системы и детали двигателя;

· химическая стабильность.