Экспертиза бензина

Требования Всемирной топливной хартии к автомобильным бензинам

Октановое число – это мера способности бензина сопротивляться самовоспламенению; самовоспламенение может вызвать детонацию в двигателе. Имеется два метода лабораторных испытаний для измерения октановых чисел: один из них определяет октановое число по исследовательскому методу (ОЧИ), а другой определяет октановое число по моторному методу (ОЧМ). ОЧИ наилучшим образом коррелирует с условиями низкой скорости и средней детонации, а ОЧМ коррелирует с условиями высокотемпературной детонации и частичной работы дросселя. Значения ОЧИ обычно больше, чем значения ОЧМ.

Автомобили проектируются и настраиваются на определенное октановое число. Когда потребитель использует бензин с октановым числом меньшим, чем требуемое октановое число, возникает детонация, которая может привести к серьезному повреждению двигателя. Двигатели, снабженные датчиками детонации, могут работать при более низких октановых числах, уменьшая угол опережения зажигания; однако, увеличится расход горючего и снизится мощность, а при очень низких октановых числах детонация не исчезнет. Использование бензина с октановым числом большим, чем требуется, не улучшит качество работы автомобиля. Топливная хартия устанавливает три сорта бензина по октановому числу в каждой категории (91, 95 и 98 по ОЧИ).

Нормальное сгорание топлива дает скорость, с которой распространяется пламя, в пределах до 35 м/с. Это при нормальном состоянии горючего. Но в особых условиях может происходить процесс детонирования, когда скорость сгорания возрастает до 1500-2500 м/с. Детонационные волны при этом отражаются от стен цилиндра.

Детонация вызывает звонкий стук в двигателе, встряску, может пойти дым черного цвета с искрами в газах выпуска. В этот момент страдают детали двигателя, происходит их повышенный износ, клапаны и поршни быстро выгорают.

Сгорание с детонированием происходит от сгорания и распада продуктов окисления очень непрочных, разлагающихся веществ, которые при этом имеют избыточность энергии. И чем больше температура, тем скорее происходит окисление. В карбюраторе при несгоревшей рабочей смеси порции этой смеси испытывают воздействие особо высоких температур, что ведет к образованию большого числа перекисей и создания условий детонации. Но если в составе есть углеводороды, которые не создают много перекиси, то и сгорание завершается в нормальном режиме.
Если же последние порции содержат большое число перекиси, то их концентрация может стать критической и привести к детонации и взрывному распаду. При резком повышении давления, возникновении ударной волны идет воспламенение смеси. При этом смесь сгорает со скоростью, равной распространению ударной волны.

Что увеличивает возможность детонации? Перегрев, плохое техобслуживание, когда возникает накипь на рубашке и из-за ее низкой теплопроводности повышается температура рабочей смеси. При этом снижению детонации способствует влажность окружающей атмосферы. Детонацию провоцируют и отложения в днище поршня и образование нагара в поршневых кольцах. Детонационная стойкость бензина определяется по его октановому числу.

Сера является природным компонентом сырой нефти. Если серу не удалить во время процесса переработки нефти, она будет загрязнять автомобильное топливо. Сера оказывает существенное влияние на автомобильные выбросы, снижая производительность катализатора и негативно влияя на датчики кислорода. Уменьшение концентрации серы приводит к уменьшению выбросов из всех автомобилей, оборудованных катализаторами.

Производители усиленно работают над снижением расхода топлива при сниженных выбросах углекислого газа. Работа на обедненной топливно-воздушной смеси – это наиболее перспективный способ достичь этого снижения в автомобилях, работающих на бензине. Однако возникает новая проблема, связанная с качеством очистки отработавших газов. В то время как несгоревшие углеводороды и СО эффективно удаляются с помощью существующих катализаторов во время работы на обедненной смеси, NOx удаляются только во время работы на стехиометрической или богатой смеси.

Катализаторы “Lean NOx absorber” работают, химически улавливая NOx во время работы на обедненной смеси. Затем NOx выделяются и разлагаются катализатором за несколько секунд работы на богатой смеси. Однако оксиды серы адсорбируются сильней и снижают поглотительную способность адсорбента по оксидам азота. Удаление серы требует более длительной работы на богатой смеси, что сводит на нет выгоды топливной экономичности, основанной на сжигании обедненной смеси. Однако, при использовании бензинов, не содержащих серу, будет сохраняться необходимая активность разложения NOx.

Коррозийные свойств бензина. Бензин, вступая в соприкосновение с металлом, способен вызвать серьезное его изменение - коррозию. Поэтому разные резервуары, металлические баки для топлива, детали в карбюраторе страдают от повреждения коррозией, которая неизбежно происходит из-за содержания в составе топлива органических кислот, сернистых соединений и щелочей.

Органические кислоты появляются в нем при транспортировке и хранении вследствие окисления. Особо разрушительная сила у кислот нефтяного ряда, они особенно разрушают детали с цинком и свинцом. При взаимодействии с металлом органика образует мыльные хлопья, которые также оседают на элементах системы питания в двигателе и приводят к ее засорению.

Соединения серы принято разделять на активные и неактивные. При этом к первым относятся сероводород, меркаптаны и элементарная сера. Вторые же это дисульфиды, сульфиды, прочие. Особо страдают металлические детали при появлении активных веществ, они наиболее опасны и потому недопустимы в бензине. Вторые сами по себе не оказывают разрушительного воздействия на металл. Но при сгорании топлива могут образовывать агрессивные оксиды серы. Доля серы колеблется в разных марках в разных пределах от 0,05 до - 12 процентов, и с повышением этого числа износ двигателя становится все более вероятным, а коррозия металла от воздействия серы на детали сокращает показатели мощности и экономичности двигателя. Кислоты, растворяемые в воде, нередко попадают в топливо из грязной тары. Кислоты тоже приводят к разрушению, потому их не должно быть в бензинах.

Свинец. Алкилсвинцовые топливные присадки ранее использовались как недорогие антидетонаторы для бензина. Однако их вредное влияние на здоровье привело к тому, что на многих рынках перестали использовать этилированный бензин. Следует все-таки обратить внимание на существующий автомобильный парк, так как для более старых автомобилей требуется наличие в топливе свинца (или топливных присадок, замещающих свинец) для защиты двигателя. Бензины с низким содержанием свинца (0.05 г/дм³) продаются на рынках этилированного бензина. Это снижает риск загрязнения и обеспечивает достаточную защиту двигателя. В то время как эффективность автомобильных катализаторов возрастает, стойкость к свинцовому отравлению остается очень низкой, так что даже слабое загрязнение свинцом может привести к разрушению современного катализатора. Следовательно, рынок бензина, не содержащего свинец, очень важен в долгосрочном плане.

Фактические смолы. Окисление непредельных бензиновых углеводородов приводит к появлению смол, которые откладываются на стенах в камере сгорания и прочих деталях, с которыми соприкасается топливо. Эти отложения имеют коричневый темный цвет, они липкие и могут постепенно нарушать работу двигателя. Накапливаясь в карбюраторе, закупоривая собою трубопроводы, эти вещества способны наделать много неприятностей для автомобиля и даже вывести его из строя.

Когда работает двигатель, высококипящие бензиновые фракции вместе со своими смолами направляются к цилиндрам, а при постоянном подогреве стенок трубопровода окисление идет активнее, и вредные вещества оседают на стенках трубопроводов, полимеризуются, образуют отложения, сужают полезный просвет трубопровода, ухудшают испарение.

Отложения осаждаются и на впускных клапанах, из-за его происходит зависание клапанов. Отложения могут привести и к детонации при сжатии двигателя, а нагары ухудшают отвод теплоты горячих газов к жидкости системы охлаждения.

Существует понятие концентрации фактических смол в мг на 100 мл бензина. В автомобильном топливе их содержание допустимо 2 - 10 мг в 100 мл, при превышении происходит снижение времени до поломки двигателя от повышенного нагара.

Золообразующие топливные присадки могут негативно и необратимо повлиять на работу катализаторов и других компонентов (например, кислородного датчика), что приведет к увеличению выбросов. Таким образом, следует использовать высококачественный бензин, а использования золообразующих топливных присадок необходимо избегать.

Индукционный период бензина. Высокая химическая стабильность - основной показатель качественного бензина. Химической стабильностью называется то, как топливо противостоит химическим изменениям при транспортировке, хранении и использовании. На нее влияет состав, его неуглеводородные примеси, наличие различных добавленных присадок для антиокисления.

До того момента, пока его зальют в бак автомашины, он проходит долгий путь транспортировки по нефтебазам, а ранее от завода, где его производят. На всем пути бензин испытывает окисление в результате смешения с кислородом. Основная часть продуктов, образующихся при этом, остается растворенной в самом топливе, но некоторые выпадают как осадок. Причем в резервуарах может накапливаться некоторое число отстоя и осадка, и это тоже ускоряет окислительный процесс. На него влияет также каталитическое воздействие от металла, к примеру, меди.

Чтобы предупредить неприятный процесс, используются специальные антиокислители, их еще называют ингибиторами. Под воздействием молекулярного кислорода эти процессы приостанавливаются на какое-то время. Поэтому современный бензин обычно содержит такие присадки в небольших количествах - примерно от тысячной до десятых доли процента.

Антиокислитель тормозит процесс на определенный момент, это время называют индукционным периодом, после чего воздействие кислорода вновь возрастает. Обычный период составляет от 600 до 1300 минут. При ускоренном окислении для определения индукционного периода образуются смолы, и их количество указывает на стабильность топлива при долгом хранении.

Химическая стабильность автомобильного бензина - это показатель, который позволяет определить их склонность к смолообразованию, а значит, и рассчитать время хранения. Она зависит от химического состава бензинов. Образование смол, а также изменение цвета и появление резкого запаха у топлива и маслянистого слоя на дне резервуара происходит в результате окисления. Окислению в большей степени подвержены бензины с высоким содержанием олефиновых углеводородов, а также произведенные с применением крекинга или пиролиза. С помощью специального прибора, под определенным давлением и при специальной температуре проводится контроль индукционного периода - времени, в течение которого топливо в данных условиях не окисляется. Соответственно, показатели индукционного периода позволяют сделать вывод о склонности его к смолообразованию и окислению, эти показатели прямо пропорциональны. Образование смолистых веществ пагубно сказывается на состоянии двигателя - смолы откладываются на впускных трубопроводах, газораспределительных впускных клапанах, деталях и стенах системы питания и камеры сгорания. Степень окисления исчисляется показателем, который называется остатком (в мг), который образовывается в 100 г бензина после его испарения в специальных условиях. Чем выше температура окружающей среды, тем менее стабильность, соответственно, рекомендуется покраска резервуаров в светлые тона и заливка горючего на максимальный уровень. Использование присадок увеличивает срок хранения и индукционный период.

 МТМ (метилциклопентадиенил трикарбонил марганца) – это соединение на основе марганца, поставляемое как топливная присадка, увеличивающая октановое число, для бензина и топливная присадка, улучшающая сгорание, для дизельного топлива. Продукты горения МТМ образуют отложения на внутренних деталях двигателя, таких как свечи зажигания, приводя к перебоям зажигания, нарушению работы двигателя и повышенным выбросам. В результате растет число нареканий со стороны потребителей и гарантийных расходов производителя.

Продукты горения также накапливаются на катализаторе. Как только катализатор покрывается или забивается ими, время жизни и эффективность его уменьшаются. Продукты горения МТМ накапливаются на поверхности катализатора, но бортовая система диагностики может ошибочно показывать, что катализатор работает нормально. Таким образом, неисправность катализатора не будет замечена и устранена, в то время как автомобиль будет работать с повышенными выбросами загрязняющих веществ в атмосферу.

Ферроцен использовался как замена свинца для увеличения октанового числа для неэтилированных топлив на некоторых рынках. Он содержит железо, которое накапливается на катализаторах и других частях выхлопной системы в виде оксида железа. Оксид железа действует как физический барьер между катализатором/кислородным датчиком и отработавшими газами. В результате система очистки отработавших газов не способна функционировать, как требуется, что приводит к увеличению выбросов. Таким образом, использования ферроцена необходимо избегать в составе неэтилированного бензина.

Кремний не является естественным компонентом бензина. Однако иногда он появляется в товарном бензине при попадании отработанных растворителей, содержащих соединения кремния, используемых на нефтеперерабатывающих заводах. Такое загрязнение оказывает существенное негативное влияние на системы очистки отработавших газов. Кремний, даже в небольших концентрациях, может вызвать сбой работы кислородных датчиков и высокие уровни отложений в двигателе и катализаторах. Это может привести к отказу двигателя при использовании даже менее чем одного бака такого загрязненного горючего. Следовательно, в бензине не должно присутствовать обнаруживаемых концентраций кремния, а также он не должен использоваться как компонент какой-либо топливной присадки для улучшения характеристик бензина и двигателя.

Оксигенаты, такие как МТБЭ и этанол, часто добавляются в бензин для увеличения октанового числа или чтобы вызвать изменение в стехиометрии в сторону обеднения смеси для уменьшения выбросов оксида углерода. Работа на более обедненной смеси снижает выбросы оксида углерода на автомобилях с карбюраторами и топливными системами без электронного управления с обратной связью. Эти выгоды снижения выбросов не реализуются в полной мере в современных автомобилях, использующих электронное управление с обратной связью, потому что эффект обеднения имеет место только во время работы на холодном двигателе или во время быстрого ускорения. Это переобеднение может вызвать рост выбросов. Так как этанол имеет более высокую теплоту парообразования, чем эфиры, снижение ездовых характеристик автомобиля, использующего бензин с этанолом, происходит за счет дополнительной теплоты, необходимой для испарения бензина. Если используются оксигенаты, предпочтительно использовать эфиры. Использование метанола не допускается. Метанол – это агрессивное вещество, которое может вызвать коррозию металлических деталей топливных систем и разрушение полимеров.

Олефиновые углеводороды – это ненасыщенные углеводороды, которые являются высокооктановыми компонентами бензина. Однако они могут привести к образованию отложений и повышенным выбросам химически активных углеводородов, способствующих образованию озона и токсичных соединений. Олефиновые углеводороды термически нестабильны и могут привести к образованию смол и отложений в во впускной системе двигателя.

Ароматические углеводороды – это молекулы топлива, которые содержат, по крайней мере, одно бензольное кольцо. Они являются высокооктановыми и высокоэнергетическими компонентами бензина. Сгорание ароматических углеводородов может привести к увеличению содержания канцерогенного бензола в выхлопных газах и увеличению отложений в камере сгорания. Снижение объемной доли ароматических углеводородов в бензине существенно снижает выбросы токсичного бензола и углекислого газа.

Бензол – это природный компонент сырой нефти, являющийся высокооктановым продуктом каталитического риформинга. Для человека он является сильным канцерогеном. В атмосферу выделяется в результате испарения и с отработавшими газами.

Давление насыщенных паров. Бензин имеет свойство испаряться, испарение может быть двух видов - статистическое и динамическое. Давление насыщенных паров бензина должно контролироваться по сезонам с учетом различных уровней испаряемости, необходимых при различных температурах. Давление насыщенных паров должно строго контролироваться при высоких температурах, чтобы снизить вероятность проблем, связанных с горячим топливом, таких как паровая пробка или перегрузка угольного фильтра (адсорбера). Контроль над давлением насыщенных паров при высоких температурах также важен для снижения выбросов за счет испарения. При более низких температурах более высокое давление насыщенных паров необходимо, чтобы позволить легкий запуск и прогрев двигателя.

Статическое – это когда неподвижная поверхности испаряет свои пары в стоячий воздух. Такое испарение характерно для закрытых условий резервуара. При динамическом испарении происходит обдув топлива воздушным потоком. Так происходит, например, в двигателях внутреннего сгорания.

Замкнутое пространство ограничивает скорость испарения, и она равняется скорости конденсации, поэтому такая система находится в равновесии, пар находится в плотности насыщенности, его плотность минимальна.
Давлением насыщенных паров называется давление, которое развивают пары при равновесии с жидкостью в данном температурном режиме. При этом в простых жидкостях оно определяется только параметрами жидкости и температур, а в сложных, к которым относится и бензин - соотношением объёма жидкой и паровой фазы.

На что это влияет? Чем больше испаряемость, тем больше существует вероятность возникновения паровых пробок в системе двигателя. Вот почему в жарких регионах и в условиях высокогорья образуется много паров в ущерб жидкой составляющей. Пары смешиваются с топливом, поступают с примесью воздуха, образуемого при нагревании, и общее количество подачи топлива уменьшается. Возникают перебои в работе двигателя, его остановки.
Летнее давление насыщенных паров не должно превышать 66661 Па (500 мм рт. ст.), зимнее – не более 93325 Па. Поэтому зимний бензин летом запрещено использовать в работе, как и летний в зимнее время.

Фракционный состав задается либо как ряд температур «Т» (Т50 – это температура, при которой выкипает 50% бензина), либо как ряд величин «И» (И100 – процент бензина, испарившегося при 100 градусах). Избыточно высокая температура Т50 (или низкий процент И100) может привести к плохому запуску и плохим рабочим характеристикам во время прогрева при умеренных температурах окружающей среды. Контроль над индексом пускового периода (ИПП), рассчитываемым по температурам, при которых выкипает 10%, 50% и 90% бензина, и объемной доле кислорода, может также использоваться как гарантия надежного холодного пуска и прогрева двигателя.

Бензин состоит из различных углеводородов, обладающих сложной и не одинаковой испаряемостью. Испаряемость зависит от химического состава топлива, а определяется по пределам температуры выкипания как его самого, так и отдельных его фракций. Качество бензина напрямую зависит от того, как соотносятся в нем фракции. Именно они влияют на легкость запуска двигателя и на приемистость, на время прогрева и прочие характеристики.
Различают пусковую, рабочую и концевую фракции. Первая это самые низкокипящие углеводороды, они занимают десятую часть дистиллята. Еще до 90 процентов объема составляет рабочая фракция, а оставшиеся 10 - фракция концевая, до конца кипения.

Соотношение фракций должно быть таковым, чтобы бензин мог обеспечивать хороший запуск двигателя, скорый его разгон, малый расход и распределение топлива по цилиндрам с минимальным износом их и поршней. При этом соотношение фракций должно быть идеальным. В противном случае жидким топливом будет омываться смазка, а моторное масло разжижится в картере. При недостатке низкокипящих фракций часть неиспарившегося топлива в не разогретом двигателе попадет в цилиндры жидким видом. Отсутствие смазки приведет к преждевременному износу деталей.

Чтобы этого всего не допустить, существует система контроля за содержанием низкокипящих углеводородов. В настоящее время она строится на трех показателях:

• температура начала перегонки - не меньше 35 градусов летом и без нормы зимой;
• температура перегонки 10 процентов бензина - не более 70 градусов летом и не более 55 зимой;
• давление насыщенных паров.

Прогрев двигателя стартует с пуском и продолжается до устойчивости в работе. В конце на холостом ходу происходит практически испарение топлива полностью во впускном трубопроводе. При минимальной температуре перегонки 50% и более легком составе двигатель греется быстрее. Топливо же низкой температуры скорее испаряется во впускном трубопроводе, горючая смесь лучше наполняет цилиндры и возрастает мощность двигателя.
Приёмистость улучшается тогда, когда цилиндры при дросселировании наполняются богатой смесью. Обедненная же смесь, когда системе питания частично не испаряется, приводит к остановке двигателя.
Температурой перегонки 50% летнего топлива обозначен верхний предел в 115°С, зимнего топлива – до 100°С. Это позволяет получить скорый прогрев и хорошую приёмистость двигателя.

Использование топлива высокой температуры на конце кипения повышает износ двигателя, увеличивает отложения на деталях солей, повышает топливный расход. Поэтому для летнего бензина температурой перегонки 90% топлива должна быть температура не выше 180°С, а для зимнего не более 160°С. Конец кипения летнего не должен превышать 195°С, а зимнего 185°С.

Паровая пробка. Излишне высокая испаряемость бензина может вызвать проблемы при нагревании топлива, такие как образование паровой пробки, перегрузка угольного фильтра и повышенные выбросы. Паровая пробка возникает, когда слишком много пара образуется в топливной системе и снижается подача топлива в двигатель. Это может привести к потере мощности, неустойчивой работе двигателя или к тому, что двигатель заглохнет. Так как давление насыщенных паров и фракционный состав не достаточны для того, чтобы гарантировать устойчивую работу автомобиля, необходимо установить некоторое соотношение паровой и жидкой фаз (показатель паровой пробки).

Топливные присадки для защиты от отложений. Сгорание даже очень качественного бензина может привести к образованию отложений. Такие отложения будут увеличивать выбросы из двигателя и негативно влиять на рабочие характеристики автомобиля. Высококачественное топливо содержит топливные присадки для защиты от отложений на форсунках и клапанах.

Однако моющие присадки обычно увеличивают уровень отложений в камере сгорания (ОКС) по сравнению с базовым горючим. Поэтому необходимо создавать оптимальные топливные присадки для максимального снижения ОКС, что позволит конструкторам двигателей улучшить конструкции камер сгорания для снижения выбросов и расхода горючего. Удаление ОКС может снизить углеводородные выбросы из двигателя на величину до 10%, СО – до 4% и NOx – до 15%.