Бензин
Бензины предназначены для применения в поршневых двигателях внутреннего сгорания с принудительным воспламенением (от искры). Качество бензина определяется многими показателями, важнейшими эксплуатационными из которых являются:
• испаряемость;
• детонационная стойкость.
Испаряемость
Для обеспечения полного сгорания топлива в двигателе, его необходимо перевести в короткий промежуток времени из жидкого состояния в парообразное и смешать с воздухом в определенном соотношении - 1:14 - т.е. создать рабочую смесь. В зависимости от конструкции двигателя возможны различные способы образования рабочей смеси. К физико-химическим показателям, от которых зависит испаряемость бензинов, относят давление насыщенных паров, фракционный состав, скрытую теплоту испарения, коэффициент диффузии паров, вязкость, поверхностное натяжение, теплоемкость, плотность. Из перечисленных показателей важнейшими, определяющими испаряемость бензинов, являются давление насыщенных паров и фракционный состав. Эти два параметра определяют пусковые свойства бензинов, их склонность к образованию паровых пробок, физическую стабильность. Давление насыщенных паров зависит от температуры и от соотношения паровой и жидкой фаз и уменьшается с уменьшением температуры и увеличением отношения паровой фазы к жидкой. В лабораторных условиях давление насыщенных паров определяют при температуре 37,8°С и соотношении паровой и жидкой фаз (3,8-4,2):1 в "Бомбе Рейда" (ГОСТ 1756-52) или аппарате с механическим диспергированием типа "Вихрь" (ГОСТ 28781-90). Фракционный состав бензинов определяют перегонкой на специальном приборе, при этом отмечают температуру начала перегонки, температуру выпаривания 10, 50, 90% фракции и конца кипения, или объем выпаривания при 70, 100 и 180°С.
Требования к фракционному составу и давлению насыщенных паров бензинов определяются конструкцией автомобильного двигателя и климатическими условиями его эксплуатации. С одной стороны, необходимо обеспечить запуск двигателя при низких температурах, с другой стороны - предотвратить нарушения в работе двигателя, связанные с образованием паровых пробок при высоких температурах. Пусковые свойства бензина зависят от содержания в нем легких фракций, которое может быть определено по давлению насыщенных паров и температуре перегонки 10% фракций или объему легких фракций, выкипающих при температуре до 70°С. Чем ниже температура окружающего воздуха, тем больше легких фракций требуется для запуска двигателя. Пусковые свойства бензинов ухудшаются с понижением давления их насыщенных паров, причем при давлении 34 кПа концентрация паров бензина в рабочей зоне настолько мала, что запуск двигателя становится невозможным. Поэтому предусматривают ограничение не только верхнего, но и нижнего уровня давления насыщенных паров. Однако, чрезмерное содержание низкокипящих фракций в составе бензинов может вызвать неполадки в работе прогретого двигателя, связанные с образованием паровых пробок в системе топливоподачи. Причиной образования паровых пробок в автомобильном двигателе является интенсивное испарение топлива вследствие его перегрева. В условиях жаркого климата это явление может иметь массовый характер. Образование паровых пробок зависит от испаряемости бензина, температуры и конструкции двигателя. Чем выше давление насыщенных паров бензина, ниже температуры начала кипения и перегонки 10% и большего объема фракции, выкипающей при температуре до 70°С, тем больше его склонность к образованию паровых пробок. От содержания в бензине легкокипящих фракций зависит его физическая стабильность, т.е. склонность к потерям от испарения. Наибольшие потери от испарения имеют бензины, содержащие в своем составе низкокипящие углеводороды: бутаны, изопентан. От фракционного состава зависят такие показатели как скорость прогрева двигателя, его приемистость, износ цилиндро-поршневой группы. Наиболее существенное влияние на скорость прогрева двигателя, его приемистость оказывает температура перегонки 50% бензина. Температура выкипания 90% бензина также влияет на эти характеристики, но в меньшей степени. Скорость прогрева двигателя, его приемистость зависят и от температуры окружающего воздуха. Чем ниже температура воздуха, тем ниже должна быть температура перегонки 50% бензина для обеспечения быстрого прогрева и хорошей приемистости двигателя. Для нормальной работы двигателя большое значение имеет полнота испарения топлива, которая характеризуется температурой перегонки 90% бензина и температурой конца кипения. При неполном испарении бензина во впускной системе часть его может поступать в камеру сгорания в жидком виде, смывая масло со стенок цилиндров. Жидкая пленка через зазоры поршневых колец может проникать в картер, при этом происходит разжижение масла. Это приводит к повышенным износам и отрицательно влияет на мощность и экономичность работы двигателя.
Детонационная стойкость
Этот показатель характеризует способность автомобильных бензинов противостоять самовоспламенению при сжатии. Высокая детонационная стойкость топлив обеспечивает их нормальное сгорание на всех режимах эксплуатации двигателя. Процесс горения топлива в двигателе осуществляется по радикально-цепному механизму. При сжатии рабочей смеси температура и давление повышаются и начинается окисление углеводородов, которое интенсифицируется после воспламенения смеси. Если углеводороды несгоревшей части топлива обладают недостаточной стойкостью к окислению, начинается интенсивное накапливание перекисных соединений, а затем их взрывной распад. При высокой концентрации перекисных соединений происходит тепловой взрыв, который вызывает самовоспламенение топлива. Самовоспламенение части рабочей смеси перед фронтом пламени приводит к взрывному горению оставшейся части топлива, к так называемому детонационному сгоранию. Детонация вызывает перегрев, повышенный износ или даже местные разрушения двигателя и сопровождается резким характерным звуком, падением мощности, увеличением дымности выхлопа. На возникновение детонации оказывает влияние состав применяемого бензина и конструктивные особенности двигателя. Показателем детонационной стойкости автомобильных бензинов является октановое число, показывающее содержание изооктана (в % объема) в смеси с н-гептаном, которая по детонационной стойкости эквивалентна топливу, испытуемому в стандартных условиях. В лабораторных условиях октановое число автомобильных бензинов и их компонентов определяют на одноцилиндровых моторных установках УИТ-85 или УИТ-65. Склонность исследуемого топлива к детонации оценивается сравнением его с эталонным топливом, детонационная стойкость которого известна. Октановое число на установках определяется двумя методами: моторным (по ГОСТ 511-82) и исследовательским (по ГОСТ 8226-82). Методы отличаются условиями проведения испытаний. Испытания по моторному методу проводят при более напряженном режиме работы одноцилиндровой установки, чем по исследовательскому. Поэтому октановое число, определенное моторным методом, обычно ниже октанового числа, определенного исследовательским методом. Октановое число, полученное моторным методом в большей степени характеризует детонационную стойкость топлива при эксплуатации автомобиля в условиях повышенного теплового форсированного режима, октановое число, полученное исследовательским методом, больше характеризует бензин при работе на частичных нагрузках в условиях городской езды. Разницу между октановыми числами бензина, определенными двумя методами, называют чувствительностью бензина. Наибольшей чувствительностью (9-12 ед.) отличаются бензины каталитического крекинга и каталитического риформинга, содержащие непредельные и ароматические углеводороды. Менее чувствительны (1-2 ед.) к режиму работы двигателя алкилбензин и прямогонные бензины, состоящие из парафиновых и изопарафиновых углеводородов. Требования к детонационной стойкости бензинов зависят от конструктивных особенностей двигателя, определяющим среди которых является степень сжатия. Так как увеличение степени сжатия позволяет повысить эксплуатационные показатели и экономичность работы двигателя, оно является определяющим в развитии автомобилестроения. Таким образом, прогресс в автомобилестроении приводит к постоянному повышению требований к детонационной стойкости применяемых бензинов. Детонационная стойкость автомобильных бензинов определяется их углеводородным составом. Наибольшей детонационной стойкостью обладают ароматические углеводороды. Самая низкая детонационная стойкость у парафиновых углеводородов нормального строения, причем она уменьшается с увеличением их молекулярной массы. Октановые числа бензинов каталитического риформинга зависят от жесткости режима процесса. При жестком режиме они достигают ОЧИ = 95-99 (исследовательский метод) и ОЧМ = 86-90 (моторный метод), при мягком режиме соответственно 83-85 и 74-79. Бензины термических процессов (крекинга, коксования) содержат до 60% олефиновых углеводородов и по детонационной стойкости превосходят прямогонные бензины: ОЧИ = 68-75, ОЧМ = 62-69. Бензины каталитического крекинга помимо олефиновых углеводородов содержат ароматические и изопарафиновые углеводороды. Их детонационная стойкость выше, чем бензинов, получаемых термическими процессами.
Учитывая постоянно возрастающие требования к уровню детонационной стойкости товарных бензинов, размеры необходимых вложений также увеличиваются. Самым дешевым и до недавнего времени наиболее распространенным способом повышения детонационной стойкости товарных бензинов было добавление к ним алкилсвинцовых антидетонаторов, в частности тетраэтил- или тетраметилсвинца в виде этиловой жидкости. Бензины, в которые добавлена этиловая жидкость, называют этилированными. С 1 июля 2003 года, согласно закону, принятому Госдумой РФ, в России запрещаются производство и оборот этилированного бензина. Алкилсвинцовые антидетонаторы так же, как и продукты их сгорания, высоко токсичны. Помимо высокой токсичности, применение этилированных бензинов препятствовало широкому использованию на автомобилях катализаторов дожига отработавших газов, так как продукты сгорания свинца отравляют катализатор. В качестве альтернативы алкилсвинцовым антидетонаторам для повышения детонационной стойкости автомобильных бензинов в России допущены и используются при производстве бензинов органические соединения марганца, железа, ароматические амины. Антидетонаторы на основе органических соединений марганца или железа менее токсичны, не вредят работе каталитических систем нейтрализации, но при их использовании возникают серьезные проблемы, связанные с отложениями оксидов марганца или железа в камере сгорания, на поверхностях клапанов, свечей сжигания. Это приводит к нарушению работы свечей, перегреву и коррозии выпускных клапанов, поверхностному (калильному) воспламенению топлива и, в итоге, к ухудшению мощностных и экономических характеристик двигателя, преждевременному его износу. Широкое распространение в России и за рубежом при производстве высокооктановых бензинов получил метил-третбутиловый эфир (МТБЭ). МТБЭ имеет октановые числа смешения: 115-135 по исследовательскому методу и 98-110 по моторному. Способность бензинов к повышению детонационной стойкости при добавлении антидетонаторов называют приемистостью.
Нормативы качества бензинов и тенденции их изменения
Основная масса автомобильных бензинов для реализации в России вырабатывается по ГОСТ 2084 или ТУ 38.001165. В зависимости от октанового числа выпускают по ГОСТ 2084 марки бензинов А-76, Аи-91 или Аи-95, а по ТУ 38.001165 - марки Аи-80, Аи-92 или Аи-96. Требования, устанавливаемые этими и другими документами, эволюционируют в соответствии с общемировой тенденцией изменения качества бензинов. В основном, эти изменения отражают выполнение экологических требований (снижение содержания свинца, серы, бензола, ароматических и олефиновых углеводородов) и требований автомобилестроителей по улучшению важнейших эксплуатационных свойств топлива (повышение октанового числа, оптимизация испаряемости бензинов по давлению насыщенных паров и фракционному составу). Отражением этой тенденции является исключение в ТУ 38.001165 всех марок этилированных бензинов и появление норматива по бензолу - "не более 5% объёма", снижение нормы по сере до "не более 0,05 массовых %", введение нижнего ограничивающего требования к давлению насыщенных паров "не ниже 35 кПа". С 01.01.99 г. на территории Российской Федерации действует ГОСТ Р 51105-97 "Бензины автомобильные неэтилированные", который практически полностью соответствует требованиям на Европейские бензины, изложенные в стандарте EN 228 в редакции до 2000 г. и соответствующие эколого-санитарным требованиям Евро-2. ГОСТ Р 51105-97 в содержит требования на четыре сорта автомобильных бензинов: Нормаль-80, Регуляр-92, Премиум-95 и Супер-98 (все неэтилированные с содержанием свинца не более 0,01 г/л). Некоторые нефтяные компании производят бензины по новому ГОСТу, однако этого не очень заметно по маркировке колонок на АЗС, где пока не введено новых обозначений марок бензинов, хотя на некоторых уже встречается маркировка колонок на Супер-98. Это связано с пока еще небольшой долей бензинов, выпускаемых по ГОСТ Р 51105. С 01.08.99 г. введен в действие стандарт Ассоциации автомобильных инженеров РФ СТО ААИ 007-98 "Бензины автомобильные. Технические требования". Стандарт имеет статус рекомендательного и по основным показателям идентичен ГОСТ Р 51105-97. Стандарт ААИ содержит дополнительные требования к бензинам по образованию отложений на впускных клапанах, а также по влиянию бензинов на отложения и износ деталей двигателей. Отличается новый стандарт и маркировкой бензинов: Нормаль-80, Регуляр-91, Регуляр-92, Супер-95 и Супер-плюс-98, что соответствует Европейской маркировке бензинов. В России с 01.07.00 г. был введен новый стандарт на автомобильные бензины (ГОСТ Р51313-99), который устанавливает минимальные требования к бензинам, обязательные к исполнению независимо от того, по каким документам они выпускаются. В качестве обязательных должны соблюдаться нормативы по октановым числам, бензолу "не более 5% объёма", содержанию серы "не более 0,05-0,10 массовых %" для разных марок и т.п. С 1 июля 2000 года все бензины, выпускаемые по техническим условиям, должны соответствовать требованиям ГОСТ Р 51313-99. Соответствие бензинов, выпускаемых по техническим условиям, требованиям ГОСТ Р 51313-99 проверяется при сертификации бензинов, которая является обязательной.
Сертификаты соответствия
В Европе с 01.01.2000 г. вступили в действие нормы Евро-3. Это повлекло за собой ужесточение требований к автомобильному бензину по содержанию свинца с 0,013 до 0,005 г/л, по содержанию серы с 0,05% до 0,015% и по содержанию бензола с 5% до 1%. Введены, также, ограничения по содержанию ароматических углеводородов - не более 42% и по содержанию олефиновых углеводородов - не более 18% объёма. Нормы Евро-3 реализованы в России введением с 01.07.02 нового стандарта - ГОСТ Р 51866. В 2004-5 гг. в Европе вводятся более жесткие нормы Евро-4, которыми снижается норматив по ароматическим углеводородам до 35% и по содержанию серы до "не более 0,005 массовых %". На ОАО "Сибнефть-ОНПЗ" выпускаются, в основном, следующие марки автомобильных бензинов: Аи-80, Аи-92, Аи-96 по ТУ 38.001165 и Супер-98 по ГОСТ Р 51105. Качество выпускаемых бензинов в целом превышают требования ТУ 38.001165 и в 2005 году планируется постепенная замена марок бензинов Аи-80, Аи-92, Аи-96 по ТУ 38.001165 на марки Нормаль-80, Регуляр-92 и Премиум-95 по ГОСТ Р 51105
