3.1.3. Показатели качества автомобильных бензинов

Октановое число

Октановое число – важнейший показатель качества, характеризующий

детонационную стойкос ть бензина, зависящий от строения углеводородов,

фракционного состава, химической и физической стабильности, содержания

серы и др.

Октановое число (ОЧ) – условный показатель, который характеризует

детонационную стойкость бензинов по сравнению с эталонной смесью

изооктана и н-гептана.

За эталон принято соединение 2,2,4 –триметилпентан.(изооктан)

СН3

СН3-С-СН2 -СН-СН3

СН3

СН3

Октановое число принято за 100 пунктов

Наименее устойчивый к детонации компонент н-гептан С7 Н16

СН3 -СН2 - СН2 –СН2 –СН2 –СН2 -СН3

Октановое число 0 пунктов.

Физические свойства этих углеводородов близки, но структурное с троение

молекул разное, чем и объясняется различная детонационная стойкость.

По внешнему виду – это прозрачные, бесцветные жидкости, не содержащие

непредельных углеводородов и осадка, имеющие низкие температуры кипения

3

(около 99°С, плотность 692 и 683 кг/м ).

Октановое число определяется на одноцилиндровых ус тановках УИТ–85

по моторному (ГОСТ 511) или по исследовательскому (ГОСТ 3337) методам.

Сущность определения сводится к сравнительному сжиганию испытуемого

бензина, октановое число которого нужно найти, с искусственно

приготовленным эталонным топливом, октановое число которого известно.

33

Испытание ведут следующим образом. Одноцилиндровый двигатель

установки заправляют испытуемым бензином. В процессе работы степень

сжатия пос тепенно повышают до появления детонации. Ее интенсивность

регистрируют детонометром. После этого двигатель заправляют эталонным

топливом и подбирают такую смесь изооктана и н-гептана, при которой

интенсивность детонации будет такой же, как и на исследуемом бензине.

Октановым числом называют процентное содержание (по объему)

изооктана в эталонной смеси, состоящей из изооктана и н-гептана, по своей

детонационной стойкости равноценной испытуемому бензину. Режимы работы

установок приведены в таблице 8.

Таблица 8

Режим работы установок при определении ОЧ моторным

и исследовательскими методами

Показатель

Установка для испытаний

Двигатель

Размеры двигателя, мм:

диаметр цилиндра

ход поршня

Частота вращения вала, об/мин

Температура, °С

в системе охлаждения

воздуха, необходимого для горения

горючей смеси

масла в картере

Состав смеси

М оторный методИсследовательский метод

УИТ-85УИТ-85

Одноцилиндровый с переменной степенью сжатия

85,0

115,0

900±10

100±2

40...50

141±1

50...75

50...75

85,0

115,0

600±10

100±2

50...75

Не подогревается

50...75

Условия испытания бензина при определении октанового числа

исследовательским методом более мягкие, а получаемое значение выше, чем

по моторному методу. Эту разницу называют чувствительностью бензина.

Она зависит от его химического состава бензина. Чем меньше разница

(чувствительность) для бензина одной марки, тем лучше его эксплуатационные

свойства.

Предположим, испытуемый бензин по своей детонационной стойкости,

определенной на двигателе УИТ–85, оказался таким же, как эталонная смесь,

состоящая из 78 % изооктана и 22 % гептана. Тогда октановое число данного

бензина равно 78. Октановые числа по моторному и исследовательскому

методу маркируются по-разному – ОЧМ и ОЧИ (MON и RON). Для оценки

разных сортов товарного бензина обычно выбирается какой-то один индекс.

Так, согласно ГОСТ Р 51105–97, в марке бензина указывается октановое число,

определенное по исследовательскому методу.

34

Концентрация фактических смол

Интенсивнос ть смоло- и нагарообразования зависит от качества

используемого топлива и моторного масла. Чем тяжелее фракционный состав

бензина, выше его плотнос ть, больше содержание непредельных

и ароматических углеводородов, тем выше вероятнос ть протекания

процессов полимеризации при нагревании и хранении этих бензинов. В

результате этого процесса происходит образование смол. Основной показатель

качества, характеризующий склонность бензина к образованию отложений

в двигателях, – содержание в нем смолистых веществ.

Смолы – это темно-коричневые жидкие или полужидкие вещества

3

с плотностью около 1000 кг/м , молекулярной массой 350…900, обладают

сильной красящей способностью, легко растворимы во всех нефтепродуктах

и органических растворителях (кроме ацетона и спирта). Смолистые

и смолообразующие вещества всегда содержатся в бензине. Их количество

зависит от технологии получения, способа очистки, длительности и условий

хранения топлива.

Содержащиеся в бензине тяжелые молекулы углеводородов, входящие

в состав смол, не могут испариться, они накапливаются на горячих стенках

трубопроводов, забивают жиклеры. Значительное накопление смолистых

веществ приводит к уменьшению проходных сечений различных учас тков

топливоподающей аппаратуры, всасывающего коллектора. Все это снижает

мощность и ухудшает экономичнос ть двигателя.

В зоне высокой температуры (клапаны, днище поршня, камера сгорания,

канавки поршневых колец) смолистые отложения постепенно уплотняются,

частично выгорают, образуют хрупкие и твердые нагары, которые в основном

состоят из углерода. При большом накоплении нагаров в двигателе повышается

износ, ухудшается процесс сгорания, увеличивается расход топлива.

Стандартом нормируют количес тво фактических смол, т. е. смолистых

соединений, которые находятся в бензине в момент определения. Сущнос ть

определения (ГОСТ 1567 и ГОСТ 8489) заключается в испарении горячим

воздухом 25 мл топлива при температуре 150°С. Остаток после испарения в

миллиграммах на 100 мл топлива показывает количество фактических смол.

Для автомобильных и авиационных бензинов различных марок норма

составляет 5 мг/100 мл; для реактивных двигателей – 6; дизельных топлив – 40.

Индукционный период

Кроме фактических смол, в бензине содержатся смолообразующие

вещества. Это различные нестойкие соединения, например непредельные

углеводороды, которые с течением времени, от повышенных температур, под

действием кислорода воздуха и от других факторов окисляются,

полимеризуются, конденсируются и переходят в смолы. Смолообразующие

соединения называют потенциальными смолами. Их количество зависит от

химического состава сырья, способов его переработки и качес тва очистки.

Недос таточной стабильностью обладают бензины, в состав которых входит

большое количес тво продуктов крекинга с высоким содержанием

35

непредельных углеводородов. Чем хуже условия транспортирования и

хранения бензина, тем больше образуется смол. При увеличении содержания

смол и смолообразующих веществ ухудшается полнота сгорания бензина,

снижается его детонационная стойкость. Накапливающиеся вместе со смолами

кислоты повышают коррозийность топлива.

Химическую стабильнос ть бензина оценивают индукционным периодом,

который характеризует способность бензина сохранять неизменным свой

состав при правильных условиях транспортирования, хранения и применения.

Для автомобильных бензинов норма составляет не менее 360 минут для первой

категории качества, для высшей категории 1200 минут. Для авиационных

бензинов не менее 8 часов.

Определяют этот показатель (ГОСТ 4039– 87) в лабораторной ус тановке

при искусственном окислении бензина (температура 100°С, в атмосфере

чистого кислорода при давлении 0,7 МПа). При окислении давление кислорода,

который тратится на образование смол и кислот, резко снижается.

Индукционным периодом называют время в минутах от начала искусственного

окисления бензина до активного поглощения им кислорода.

После того как время окисления превысит индукционный период,

начинается значительное накопление смол и других продуктов окисления,

эксплуатационные свойства бенз ина недопустимо ухудшаются. Основное

влияние на накопление смол оказывают условия хранения. В автомобильном

бензине с начальным содержанием смол 7,5 мг/100 мл после месяца хранения

при температуре 15°С образовывается 14 мг смол на 100 мл, а при 40°С –

558 мг/100 мл. Десять месяцев хранения того же бензина при температуре 15°С

в темноте дало 54 мг смол на 100 мл, а на свету – 76 мг/100мл. Кроме того,

существенное значение имеет с тепень заполнения емкости. Так,

у автомобильного бензина, хранившегося 6 месяцев в полной (заполнение

93 %) бочке, содержание фактических смол возросло в 4 раза, а при заполнении

50 % – в 12 раз. Наличие в емкостях с тарых продуктов окисления, воды,

механических примесей, окалины интенсифицирует процессы окисления и

накопления смол.

Для предотвращения или замедления реакций окисления в условиях

хранения и транспортировки применяют антиокислительные присадки.

Антиокислительные присадки

СН3 ОН

СН3 – С-

СН3

СН3

Агидол (ионол)

СН3

- С-СН3

СН3

→

СН3

СН3 – С-

СН3

СН3

О-

СН3

-С-СН3

СН3

+ Н+

36

О=

– NH–

=О

п–оксидифенил амин

Общий принцип антиокислительной присадки состоит в следующем.

Процесс окисления идет через стадию образования свободных радикалов.

Крупныемолекулы антиокислителей содержат подвижный атом Н* и

объемные заместители. Атом Н* способен соединяться со свободными

радикалами с образованием неактивных молекул R* +H* →RH.

Эта присадка добавляется порядка 0,01% –0,02% по массе в бензин. При

длительном хранении присадки расходуются, тогда процесс окисления

начинает идти более активно.

Коррозионная активность топлив

Образование корроз ии на поверхнос ти деталей, соприкасающихся с

топливом, а также корроз ионное изнашивание трущихся деталей зависят от

содержания в топливе коррозионно-активных веществ

Топливо проходит специальную с тадию очис тки с целью удаления из

него вредных веществ, способных корродировать металл. Коррозию

вызывают: 1) минеральные, рас творимые в воде кислоты и щелочи;

2) органические кислоты; 3) сера и сернистые соединения.

К первой группе относятся серная кислота, образовавшаяся при очис тке

топлива, и щелочь, плохо вымытая в процессе очис тки. Водорастворимые

кислоты и щелочи вследс твие их большого коррозионного воздейс твия на

металлы должны по нормам в топливах отсутствовать. При их обнаружении

топливо бракуетс я и к применению не допускаетс я.

Из органических кислот втопливе наиболее значительное

корродирующее дейс твие оказ ывают нафтеновые кислоты в присутс твии

воды. Особенно сильно они разъедают свинец и цинк, слабо – медь и олово,

почти не действуют на алюминий и железо. Топливо, содержащее

нафтеновые кислоты, может вызвать коррозию оцинкованных бензобаков,

деталей из свинцовой бронзы.

Содержание нафтеновых кислот оценивают по кислотнос ти, согласно

ГОСТа 5985–83. Кислотностью называют количес тво мг КОН, необходимое

для нейтрализации 100 мл нефтепродукта. Согласно стандарту кислотнос ть

должна быть не более 3,0 мг КОН/100 мл для автомобильных бенз инов.

Массовая доля серы

Общее содержание серы характеризует суммарное количество всех

сернистых соединений в топливе, которые при сгорании образуют кислородные

соединения серы, вызывающие коррозию и способствующие процессам

образования отложений и износу двигателя. Экспериментальными работами

установлено, что при увеличении серы с 0,05 до 0,10 % износ деталей двигателя

возрастает в 1,5–2,0 раза, а при повышении количества серы до 0,20 % – в 4

раза.

37

Основная масса сернистых соединений, содержащихся в нефти, при

получении топлива перегоняется с углеводородами, выкипающими при

температуре выше 200°С. Поэтому общее количество серы в бензине редко

превышает 0,05%.

Испытание на медной пластине

Испытание на медной плас тине является универсальным способом оценки

коррозионной активности моторных топлив, зависящей от общего содержания

активных соединений серы.

Проверка коррозионных свойств бензина сводится к следующему (ГОСТ

6321-69): отполированную пластинку из чистой электролитической меди

погружают в испытуемое топливо и выдерживают три часа при 50°С, сутки при

0

комнатной температуре. Ускоренный метод– 18 минут при температуре 100 С.

Бензин не соответствует требованием, если после испытания пластинка

покрывается черными, темно-серыми, коричневыми, бурыми пятнами или

налетом.

Объемная доля бензола.

Чистый бензол (С6 Н6 ) обладает высоким октановым числом 113 единиц.

Это бесцветная жидкос ть с характерным запахом, кипящая при 80°С. Причины

ограничения применения бензола:

• высокая температура замерзания (кристаллизации –5°С),

• плохая летучес ть при низких температурах,

• высокая гигроскопичность,

• пониженная теплотворность,

• высокое содержание смол,

• высокая токсичность продуктов сжигания (бензоперены).

Внешний вид бензина

По стандарту в бензине не допускается наличие взвешенных и осевших

на дно посторонних примесей, в том числе и воды, которая вызывает мутнос ть

бензина, поэтому бензин должен быть прозрачным.

Посторонние примеси, попадающие в бензин при транспортировке,

хранении,приемоотпускныхоперацияхвместесо смолистыми

и нагарообразующими веществами увеличивают интенсивность накопления

высокотемпературных отложений. Кроме того, абразивные частицы повышают

скорость изнашивания деталей двигателя.

Количество воды, находящейся в свободном состоянии, зависит от условий

транспортировки, хранения и может быть значительным. Вода теоретически

(если она во взвешенном состоянии) улучшает процесс сгорания и повышает

детонационную стойкость бензина, а практически вызывает сильную коррозию

всех элементов топливной системы. Вода вызывает перебои в работе двигателя,

а в зимнее время может вызвать останов двигателя из-за обледенения

карбюратора и/или замерзания в магистралях топливной системы.

Цвет бензина служит первичным признаком определения качества. Бензин

либо бесцветен, либо имеет бледно-желтый цвет.

38

Давление насыщенных паров

Давление насыщенных паров (ДНП) или упругость паров — это давление,

которое оказывают пары на стенки сосуда при испарении топлива в замкнутом

пространстве. Оно характеризует испаряемость бензиновых фракций

и пусковые качества топлива. ДНП зависит от химического и фракционного

составов топлива. Как правило, чем больше в топливе содержится

легкокипящих углеводородов, тем выше упругость паров. ДНП возрастает

также при повышении температуры.

Определяют давление паров (ГОСТ 1756–83), выдерживая испытуемый

бензин 20 мин в герметичном резервуаре при 38°С. По прошествии данного

времени, по манометру фиксируют давление паров бензина.

Использование бензина с высокой упругостью паров приводит

к повышенному образованию паровых пробок в системе питания, снижению

наполнения цилиндров, падению мощности. В летних сортах бензинов ДНП

не должно быть больше 80 кПа. Зимние сорта бензинов для облегчения пуска

двигателя в холодное время года имеют большее давление 80…100 кПа. Кроме

того, ДНП характеризует физическую стабильнос ть бензина.

Фракционный состав

Бензин, который пос тупает в систему питания карбюраторного двигателя,

должен образовывать топливовоздушную смесь определенного состава,

обеспечивающую полноту сгорания на всех режимах работы двигателя.

Горючая смесь должна иметь определенные соотношения паров бензина

и воздуха. Качество горючей смеси зависит от карбюрационных свойств

бензина; испаряемос ти, скрытой теплоты парообразования, упругости паров,

плотности, вязкости и поверхностного натяжения. Основное влияние

на качество смеси оказывает испаряемость.

Испаряемость – это способность топлива переходить из жидкого

состояния в парообразное. Испарение может быть статическим, когда

нефтепродукт испаряется с неподвижной поверхнос ти в неподвижный воздух,

и динамическим — при движении продукта и воздуха. На интенсивность

испарения оказывают влияние многие факторы: температура окружающей

атмосферы и нефтепродукта, давление насыщенных паров, теплопроводность,

теплоемкость, величина поверхности и др. Образование горючей смеси

в двигателях осуществляется при динамическом испарении, когда основное

влияние оказывают скорость движения сред и степень распыления бензина.

Испаряемость бенз инов оценивают фракционным составом (табл. 7).

Поскольку бензин, как и другие нефтепродукты, не является индивидуальным

соединением,а смесьюуглеводородов,он не имеетфиксированной

температуры кипения, а испаряется в интервале температур 35–200°С.

Сущность определения фракционного состава (ГОСТ 2177–82) сводится

к следующему. Бензин в количестве 100 мл нагревают в специальном приборе,

образующиеся пары охлаждают, они конденсируются, превращаются

в жидкость, которую собирают в мерный цилиндр. Во время перегонки

регистрируют температуру начала кипения (падения первой капли в цилиндр),

39

а затем выкипания 10, 50, 90 % и конца кипения (Т НК, Т 10%, Т50%, Т 90%, Т КК). Эти

данные приводят в стандартах и паспортах качества.

Легкие фракции бензина (по кривой от начала кипения до выкипания 10 %)

характеризуют пусковые свойства топлива: чем ниже температура выкипания

10 % топлива, тем лучше пусковые свойства. Для пуска холодного двигателя

необходимо, чтобы 10 % бензина выкипало при температуре не выше 55°С

(зимний сорт) и 70°С (летний). Зная температуру выкипания 10% бензина,

можно оценить минимальную температуру воздуха, при которой пуск легкий

(Т лп), пуск возможен (Т вп) и пуск невозможен (Т нп):

Т ВП = Т 10%/2– 50,5; ТПН = Т 10%/2 – 50,5 + (Т НК – 50)/3.Т ЛП = Т10%/1,25 – 59;

Для примера имеем:

летний бензин Т НК = 40°С, Т10% = 70°С;

зимний бензин Т НК = 35°С, Т 10% = 55°С.

Тогда получим:

летний бензин: Т лп = –3°С, Т вп = –15,5°С, Т нп = –18,8°С;

зимний бензин: Т лп = –15°С, Т вп =–23°С, Т нп = –28°С.

Полученные цифры нельзя воспринимать как незыблемый критерий

возможности пуска. Формулы эмпирические, и результаты могут варьироваться

как в одну, так и в другую сторону в зависимости от состояния двигателя в

целом и аккумуляторной батареи с карбюратором в частности.

При температуре окружающего воздуха ниже –25…30°С для пуска

холодного двигателя необходим предварительный подогрев. Легкие фракции

нужны только на период пуска и прогрева двигателя, в дальнейшем они

начинают интенсивно испаряться в топливном баке, бензопроводах. Вмес те с

жидкостью через жиклер карбюратора поступает пар, снижается коэффициент

наполнения цилиндров, падает мощность, двигатель перегревается.

В топливоподающей системе образуются паровые пробки, возникают перебои

в работе, двигатель глохнет. Особенно это час то наблюдается при

использовании зимних сортов бензина летом. В связи с этим количество

легкокипящих углеводородов в бензине ограничивают; температура начала

кипения для всех сортов бензина должна быть не ниже 35°С.

Основную часть топлива называют рабочей фракцией (по кривой

разгонки от 10 до 90 %). От испаряемости рабочей фракции зависят

образование горючей смеси при разных режимах работы двигателя,

продолжительность прогрева (перевода с холостого хода под нагрузку),

приемистость (возможность быс трого перевода с одного режима на другой).

По стандарту рабочую фракцию нормируют 50 %-ной точкой. С понижением

температуры окружающего воздуха требуются бензины с более низкой

температурой перегонки 50% бензина: для летнего не выше 115°С, для зимнего

не выше 100°С. Чем она ниже, тем однороднее состав топлива и горючей смеси

по отдельным цилиндрам, устойчивее работает двигатель, лучше приемистость.

Температура перегонки концевых фракций (от 90 % до конца кипения)

влияет на полноту испарения топлива, полноту сгорания, на токсичнос ть

выхлопа, а также на экономичнос ть и износ двигателя. Концевые фракции

40

поступают в цилиндр, не испарившись, они не участвуют в сгорании,

и экономичнос ть двигателя ухудшается. Тяжелые фракции бензина, осевшие

на стенках цилиндра, смывают смазочную пленку, разжижают масло

и увеличивают износ.Несгоревшеетопливооткладываетсятакже

на поверхностях камеры сгорания и поршней в виде нагара, который

инициирует детонационное сгорание и калильное зажигание. Чем меньше

интервал температуры от 90 % до конца кипения, тем выше качество топлива.

Объем остатка в колбе (количество не испарившегося при перегонке бензина)

характеризует наличие в бензине тяжелых, трудноиспаряемых углеводородов и

примесей, которые оказывают вредное влияние на работу двигателя. Как

правило, эти остатки, попадая в двигатель, полнос тью не сгорают и

увеличивают удельный расход топлива и рабочие износы двигателя. Зимние

виды бензина имеют более легкий, чем летние, фракционный состав, что

необходимо для облегчения пуска двигателей в холодное время года.

В целом фракционный состав определяет легкость и надежность пуска

двигателя, возможность образования паровых пробок, полноту сгорания

и экономичнос ть, длительнос ть прогрева, приемис тость, интенсивность износа

деталей двигателя.