Автотракторные бензины

Эксплуатационные свойства бензинов.
Требования к качеству
Лекция №2.1.

1. Основные сведения

Бензин и его свойства
Бензин - продукт переработки нефти (горючая смесь лёгких углеводородов) представляющий собой горючее с низкими детонационными характеристиками.
Бензины предназначены для применения в поршневых двигателях внутреннего сгорания с принудительным воспламенением (от искры).
Физические свойства:
Температура кипения от 30 до 200 °C.
Плотность около 0,75 г/см³.
Теплотворная способность примерно 10 500 ккал/кг (46 МДж/кг, 34,5 МДж/литр).
Температура замерзания ниже −60 °C в случае использования специальных присадок.

Получение бензинов
Бензин получают путем возгонки и отбора фракций нефти, выкипающих в определенных температурных пределах:
до 100 °C — бензин I сорта,
до 110 °C — бензин специальный,
до 130 °C — бензин II сорта,
до 265 °C — керосин («метеор»),
до 270 °C — керосин обыкновенный, примерно до 300 °C — отбор масляных фракций.
Остаток считается мазутом.
Из сырой нефти производится до 50% бензина. Эта величина включает природный бензин, бензин крекинг-процесса, продукты полимеризации, сжиженные нефтяные газы и все продукты, используемые в качестве промышленных моторных топлив.

Разновидности бензина
Автомобильные бензины
Автомобильные бензины подразделяются на летние и зимние (в зимних бензинах содержится больше низкокипящих углеводородов).
Авиационные бензины
Авиационный бензин отличается от автомобильного более высокими требованиями к качеству, обычно имеет более высокое октановое число (что характеризует его детонационную стойкость на бедной смеси) и подразделяется по «сортности» (что характеризует его детонационную стойкость на богатой смеси).
Экстракционные бензины
температура кипения 70-95 °C) прямой перегонки малосернистых нефтей применяются для экстракции растительных масел, извлечения жира из костей, никотина из махорочного листа, как растворитель в резиновой и лакокрасочной промышленности.
Нафта (бензины для нефтехимии)
Нафта представляет собой фракцию нефти с пределами выкипания до 180 градусов Цельсия, состоят преимущественно из нормальных парафинов С5-С9. Получают прямой перегонкой нефти с добавлением небольшого количества вторичных фракций. Применяется как сырьё пиролиза для получения этилена на нефтехимических предприятиях, для блендинга и для экспорта.

Требования к качеству
Один из важных факторов, от которого зависят технико-экономические показатели двигателя – это качество применяемого топлива и поэтому оно должно обладать определенными свойствами и характеристиками, и отвечать следующим требованиям:
Иметь высокую теплоту сгорания.
Обладать хорошими смесеобразующими свойствами, обуславливающими легкий пуск двигателя, плавный переход с одного режима работы на другой и устойчивую работу двигателя при эксплуатации в различных климатических условиях.
Не детонировать на всех эксплутационных режимах.
Не образовывать нагароотложений, приводящие к перегреву и повышенному износу двигателя.
Не вызывать коррозию деталей как при непосредственном контакте с ним, так и от образующихся продуктов сгорания.
Быть стабильным при транспортировке и хранении, т.е. не изменять своих первоначальных свойств.
Иметь низкую температуру застывания, чтобы обеспечивать хорошую прокачиваемость при отрицательных температурах окружающего воздуха.
Не оказывать вредного воздействия на человека и окружающию среду.

Повышение качества автотракторных бензинов
Повысить качество автомобильных бензинов можно за счет следующих мероприятий:
отказа от применения в составе бензинов соединений свинца;
снижения содержания в бензине серы до 0,05 %, а в перспективе до 0,003 %;
снижения содержания в бензине ароматических углеводородов до 45 %, а в перспективе до 35 %;
нормирования концентрации фактических смол в бензинах на месте применения на уровне не более 5 мг на 100 см³;
деления бензинов по фракционному составу и давлению насыщенных паров на 8 классов с учетом сезона эксплуатации автомобилей и температуры окружающей среды, характерной для конкретной климатической зоны;
введения моющих присадок, не допускающих загрязнения и осмоления деталей топливной аппаратуры.

Влияние на здоровье человека
В случае отравления, вызванного вдыханием небольших концентраций паров бензина, наблюдаются симптомы, похожие на алкогольную интоксикацию: психическое возбуждение, эйфория, головокружение, тошнота, слабость, рвота, покраснение кожных покровов, учащение пульса. В тяжелых случаях могут наблюдаться галлюцинации, обморочные состояния, судороги, повышенная температура.
Хроническое отравление бензином выражается в повышенной раздражительности, головокружении, поражении печени и ослаблении сердечной деятельности.
Попадание бензина в лёгкие, при засасывании его в шланг, может привести к развитию «бензиновой пневмонии»: появляются боли в боку, одышка, кашель с ржавой мокротой, повышение температуры.
При попадании бензина внутрь появляются обильная и повторная рвота, головная боль, боли в животе, жидкий стул. Иногда отмечаются увеличение печени и её болезненность, желтушность склер.

2. Условия горения топлива в карбюраторном двигателе.

Карбюраторный двигатель
К основным механизмам и системам бензинового двигателя относятся:
кривошипно-шатунный механизм,
газораспределительный механизм,
система питания,
система выпуска отработавших газов,
система зажигания,
система охлаждения,
система смазки.

Крайние положения поршня называются верхней "мертвой" точкой (ВМТ) и нижней "мертвой" точкой (НМТ).
Ход поршня (S) - путь, пройденный от одной "мертвой" точки до другой.
Объем камеры сгорания (Vc) - объем, расположенный над поршнем, находящимся в ВМТ.
Рабочий объемом цилиндра (Vp) - объем, освобождаемый поршнем при перемещении от ВМТ к НМТ.
Полным объемом цилиндра является сумма объемов камеры сгорания и рабочего объема: Vn = VP + Vc.
Рабочий объем двигателя – это сумма рабочих объемов всех цилиндров. Измеряется рабочий объем в литрах.
Карбюраторный двигатель

Работа карбюраторного двигателя.
Рабочий процесс в карбюраторном двигателе состоит из четырех тактов:
1-й такт (всасывание горючей смеси)
2-й такт(сжатие рабочей смеси)
3-й такт(рабочий ход)
4-й такт(выпуск)
Рис. 1. Рабочий цикл четырехтактного карбюраторного двигателя:
а) впуск;
б) сжатие;
в) рабочий ход;
г) выпуск

1-й такт (всасывание горючей смеси)
Горючая смесь - смесь мелко распыленного бензина с воздухом в определенной пропорции (примерно 1:15).
В карбюраторных двигателях процесс приготовления горючей смеси происходит в карбюраторе. В инжекторных двигателях впрыск топлива в воздушный поток осуществляют специальные форсунки.
При такте впуска поршень от верхней мертвой точки перемещается к нижней мертвой точке. Объем над поршнем увеличивается. Цилиндр заполняется горючей смесью через открытый впускной клапан.
В процессе заполнения цилиндра горючая смесь перемешивается с остатками отработавших газов и меняет свое название, теперь эта смесь называется рабочая.
За первый такт работы двигателя кривошип коленчатого вала поворачивается на пол-оборота.
Рис. 2. Впуск

2-й такт (сжатие рабочей смеси)
При такте сжатия поршень от нижней мертвой точки перемещается к верхней мертвой точке. Оба клапана плотно закрыты, поэтому рабочая смесь сжимается.
При сжатии газов их температура повышается. Давление в цилиндре над поршнем в конце такта сжатия достигает 9–10 кг/см², а температура 300–400°С.
Степень сжатия показывает, во сколько раз полный объем цилиндра больше объема камеры сгорания ( Vn/Vc).
В процессе такта сжатия коленчатый вал двигателя поворачивается на очередные пол-оборота. От начала первого такта и до окончания второго, он повернется уже на один оборот.
Рис. 3. Сжатие

3-й такт (рабочий ход)
Происходит преобразование выделяемой при сгорании рабочей смеси энергии в механическую работу. Давление от расширяющихся газов передается на поршень и затем, через шатун и кривошип, на коленчатый вал.
В самом конце такта сжатия рабочая смесь воспламеняется от электрической искры, проскакивающей между электродами свечи зажигания. В начале такта рабочего хода сгорающая смесь начинает активно расширяться. Поскольку впускной и выпускной клапаны все еще закрыты, то расширяющимся газам остается давить на подвижный поршень.
Под действием давления, достигающего величины 50 кг/см², поршень начинает перемещаться к нижней мертвой точке.
Температура в цилиндре достигает более 2000 градусов.
Коленчатый вал при рабочем ходе делает очередные пол-оборота.
Рис. 4. Рабочий ход

4-й такт (выпуск отработавших газов)
При движении поршня от нижней мертвой точки к верхней мертвой точке открывается выпускной клапан (впускной все еще закрыт), и отработавшие газы выбрасываются из цилиндра двигателя.
Отработавшие газы содержат ряд токсичных компонентов (например, CO, NO2). Содержание CO в отработавших газах карбюраторных двигателей колеблется от 0,5 до 13%.
Увеличенное количество CO вызывается неполным сгоранием топлива при неправильной регулировке карбюратора и плохом техническом состоянии двигателя.
Коленчатый вал двигателя при такте выпуска делает еще пол-оборота. И всего, за четыре такта рабочего цикла, он сделал два полных оборота.
После такта выпуска начинается новый рабочий цикл, и все повторяется: впуск – сжатие – рабочий ход – выпуск... и так далее.
Рис. 5. Выпуск

Так работает одноцилиндровый карбюраторный двигатель
Двухтактный Четырехтактный

Процесс сгорания бензина. Детонационные свойства
Лекция №2

Теплота сгорания.
Количество теплоты, выделяемое при сгорании топливно-воздушной смеси, зависит от теплоты сгорания топлива и состава смеси. Чем выше теплота сгорания, тем меньше затрат топлива на единицу мощности.
Теплота сгорания топливно-воздушной смеси подсчитывается по формуле
где Qн – нижняя удельная теплота сгорания или рабочая (теплота сгорания, получаемая в практических условиях);
ηп.с – коэффициент полноты сгорания топлива;
α – коэффициент избытка воздуха;
Lт.в. – теоретическое количество воздуха, необходимого для полного сгорания 1 кг топлива.

Воспламенение рабочей смеси
Воспламенение топливно-воздушной смеси зависит от:
ее состава и вида топлива
температуры и давления (с возрастанием их значений пределы воспламеняемости увеличиваются).
Различают верхний и нижний пределы воспламеняемости.
За верхний предел принято такое содержание топлива в воздухе, при котором дальнейшее обогащение смеси делает ее невоспламеняемой.
Нижний предел определяется недостатком топлива в воздухе, т.е. таким состоянием смеси, при котором дальнейшее обеднение делает ее невоспламеняемой.

Состав рабочей смеси
Состав горючей смеси оценивают по коэффициенту избытка воздуха α , который представляет собой отношение массы воздуха Lд , действительно участвующего в процессе сгорания, к его теоретически необходимой массе Lт

Виды рабочих смесей по составу
Нормальная рабочая смесь – считается, при α = 1 т.е. Lд = Lт . Для сгорания 1 кг топлива нужно около 15 кг воздуха. Двигатель, работающий на "нормальной" смеси развивает мощность близкую к максимальной, его удельный расход топлива несколько выше минимального.
Обедненная рабочая смесь. На 1 кг топлива приходится 15 … 16,5 кг воздуха. При работе на обедненной смеси мощность двигателя несколько снижается в следствии замедления скорости сгорания смеси, но экономичность повышается.
Бедная рабочая смесь. На 1 кг топлива приходится более 16,5 кг воздуха. Работа двигателя на бедной смеси сопровождается резким падением мощности и увеличением удельного расхода топлива. Смесь, у которой на 1 кг топлива приходится более 19,5 кг воздуха в цилиндре не воспламеняется.
Обогащенная рабочая смесь. На 1 кг топлива приходится менее 15 кг, но не менее 13 кг воздуха. В этом случае двигатель развивает максимальную мощность вследствие увеличения скорости горения, но экономичность его ухудшается.
Богатая рабочая смесь. На 1 кг бензина приходится менее 13 кг воздуха. Работа двигателя на богатой смеси вызывает падение мощности и значительно ухудшает экономичность. Смесь, в которой соотношение топлива и воздуха менее чем 1 к 7,5 в цилиндре не воспламеняется.

Фракционный состав
Основное из физико-химических свойств топлива, определяющее качество топливно-воздушной смеси, и, следовательно, полноту сгорания топлива - испаряемость, которая характеризуется фракционным составом.
Фракция – это часть бензина, выкипающая в определенных пределах.
Фракционный состав определяют по ГОСТ 2177–82 при помощи специального прибора

Определение фракционного состава
В колбу 1 наливают 100 мл исследуемого топлива и нагревают до кипения.
Пары топлива поступают в холодильник 3, где конденсируются и далее в виде жидкой фазы поступают в мерный цилиндр 4.
В процессе перегонки фиксируют температуру, при которой выкипает 10, 20, 30 % и т.д. исследуемого топлива.
Перегонку заканчивают, когда после достижения наивысшей температуры наблюдается небольшое ее падение.
По результатам перегонки строят кривую фракционной разгонки испытуемого топлива

Кривая фракционной разгонки
Первая – пусковая фракция, обусловленная выкипанием 10 % топлива, характеризует его пусковые качества. Чем ниже температура выкипания этой фракции, тем лучше для запуска двигателя. Для зимних сортов бензина необходимо чтобы 10 % топлива выкипало при температуре не выше 55 °С, а для летних – не выше 70 °С.
Другая часть бензина, выкипающая от 10 до 90 % называют рабочей фракцией. Температура ее испарения не должна быть выше 160 … 180 °С.
Тяжелые углеводороды бензина в интервале от 90 % выкипания до конца кипения представляют собой концевые или хвостовые фракции, которые крайне нежелательны в топливе. Наличие этих фракций приводит к отрицательным явлениям при работе двигателя: неполному сгоранию топлива, повышенному износу деталей за счет смывания смазки с гильз цилиндров и разжижения моторного масла в двигателе, увеличению нагарообразования.

Нормальное и детонационное горение
Различают нормальное и детонационное горение топлива.
При нормальном сгорании рабочей смеси:
ее части воспламеняются постепенно и происходит полное сгорание
скорость распространения пламени составляет 25 … 40 м/сек (можно регулировать обеднением или обогащением рабочей смеси)
давление в цилиндре нарастает плавно.
В результате повышения температуры и давления может начаться детонационное (взрывное) горение.
При детонационном горении:
скорость горения нарастает скачкообразно и достигает 1500 … 2500 м/сек.
в результате возникающий вибрации появляется характерный металлический стук.
часть топлива не успевает полностью сгореть, что внешне сопровождается появлением дымного выхлопа.
происходит перегрев деталей двигателя, двигатель работает неуравновешенно, из-за перегрева прогорают поршни и клапаны, пригорают поршневые кольца, резко повышается износ цилиндро-поршневой и кривошипно-шатунной групп.

Факторы, влияющие на процесс горения
Конструктивные факторы:
степень сжатия;
форма камеры сгорания;
расположение и количество искровых свечей;
материал поршней, головки блока и гильз.
Пути повышения экономичности двигателя:
повышение степени сжатия ε;
применение надува;
снижение температуры рабочей смеси;
уменьшение диаметра поршня, увеличение числа искровых свечей.
Эксплуатационные факторы:
угол опережения зажигания;
коэффициент избытка воздуха;
нагарообразование в камере сгорания;
частота вращения коленчатого вала.
Состав топлива:
качество используемого топлива, которое характеризуется детонационными свойствами.

Детонационная стойкость бензина
Для исследования детонационной стойкости бензина применяется метод сравнения испытуемого бензина с детонационной стойкостью эталонного топлива. Это топливо представляет собой смесь двух углеводородов – изооктана и гептана.
Высокая детонационная стойкость изооктана оценивается 100 ед., а низкая гептана – 0 ед.
Показателем детонационной стойкости бензинов является октановое число.
Октановым числом называется величина численно равная процентному содержанию (по объему) изооктана в смеси с гептаном. Если октановое число топлива равно 76, то это значит, что детонационная стойкость этого топлива такая же, как у смеси, состоящей из 76 % изооктана и 24 % гептана.

Методы определения октанового числа
Существует два метода определения октанового числа топлива – моторный и исследовательский.
Моторный метод определения октанового числа топлива заключается в следующем:
Устанавливают нормальный режим работы одноцилиндрового двигателя с изменяемой степенью сжатия на испытуемом топливе.
Изменяя степень сжатия, добиваются появления интенсивной детонации.
Подбирают такую эталонную смесь изооктана с гептаном, которая при тех же условиях работы двигателя, будет также устойчиво детонировать.
По соотношению изооктана и гептана дают заключение о испытуемом топливе.

Методы определения октанового числа
Исследовательский метод заключается в менее жестком режиме работы лабораторного двигателя на испытуемом топливе. Поэтому октановое число по исследовательскому методу несколько выше, чем октановое число, определенное по моторному методу.
Анализ "октанового числа" в процессе эксплуатации показывает, что исследовательский метод лучше характеризует свойства бензина при работе двигателя в условиях загородной езды, а моторный метод – в тяжелых дорожных условиях.
Если октановое число было определено исследовательским методом, то в марке бензина ставится индекс "И", например автомобильный бензин АИ-93, а при моторном методе бензин будет иметь обозначение А-76.

Увеличение октанового числа
Увеличение октанового числа бензина возможно по ряду направлений:
подбор соответствующего нефтяного сырья;
совершенствование технологии переработки и очистки бензина.
добавление к бензинам антидетонаторов.
Антидетонаторы:
тетроэтилсвинец, (ТЭС);
тетраметилсвинец (ТМС).
Недостатки ТЭС
ТЭС – ядовитое вещество, поэтому при обращении с ним, и этилированным бензином необходимо соблюдать меры предосторожности;
свинец, находящийся в нем, из камеры сгорания удаляется не полностью, что приводит к освенцовыванию камеры сгорания. С целью уменьшения этого явления к ТЭС добавляют бромистые и хромистые соединения.
В современных двигателях применяют ТМС, который более эффективен по сравнению с ТЭС. Это объясняется тем, что в форсированных двигателях температурный режим достаточно высок, а ТЭС разлагается слишком рано, так как он не слишком термически устойчив, и в связи с этим часть вещества расходуется непроизводительно, а ТМС в отличии от ТЭС более термически устойчив.
В состав и ТЭС и ТМС входят красители, поэтому все этилированные бензины имеют окраску в отличии от неэтилированных.

Состав этиловых жидкостей

Зависимость между содержанием ТЭС
в изоктане и октановым числом

Марки бензинов
По ГОСТ 2084-77 и ГОСТ Р51105-97 и ТУ 38.001165-97. В зависимости от октанового числа ГОСТ 2084-77 предусматривает пять марок автобензинов: А-72, А-76, АИ-91, АИ-93 и АИ-95. Для первых двух марок цифры указывают октановые числа, определяемые по моторному методу, для последних - по исследовательскому.
В целях повышения конкурентоспособности российских бензинов и доведения их качества до уровня европейских стандартов разработан ГОСТ Р 51105-97 "Топлива для двигателей внутреннего сгорания. Неэтилированный бензин. Технические условия". Этот стандарт не заменяет ГОСТ 2084-77, которым предусмотрен выпуск как этилированных, так и неэтилированных бензинов. В соответствии с ГОСТ Р 51105-97 будут вырабатываться только неэтилированные бензины (максимальное содержание свинца не более 0,01 г/дм3).
В зависимости от октанового числа по исследовательскому методу установлено четыре марки бензинов: "Нормаль-80", "Регуляр-91", "Премиум-95", "Супер-98".