7.2.1. Автомобильные и авиационные бензины

Детонационная стойкость (ДС) является основным показателем качества авиа- и автобензинов, она характеризует способность бензина сгорать в ДВС с воспламенением от искры без детонации. Детонацией называется особый ненормальный режим сгорания карбюраторного топлива в двигателе. При этом только часть рабочей смеси после воспламенения от искры сгорает с обычной скоростью. Последняя порция несгоревшей рабочей смеси, находящаяся перед фронтом пламени, мгновенно самовоспламеняется, в результате - скорость распространения пламени возрастает до 1500 — 2000 м/с, а давление нарастает не плавно, а резкими скачками. Этот резкий перепад давления создает ударную детонационную волну, распространяющуюся со сверхзвуковой скоростью. Удар такой волны о стенки цилиндра и ее многократное отражение от них приводит к вибрации и вызывает характерный звонкий металлический стук высоких тонов. При детонационном сгорании двигатель перегревается, появляются повышенные износы цилиндро-поршневой группы, увеличивается дымность отработавших газов. При длительной работе на режиме интенсивной детонации возможны и аварийные последствия. Особенно опасна детонация в авиационных двигателях.

На характер сгорания бензина и вероятность возникновения детонации в карбюраторных двигателях оказывают влияние как конструктивные особенности двигателя (степень сжатия, диаметр цилиндра, форма камеры сгорания, расположение свечей, материал поршней, цилиндров и головки блока цилиндра, число оборотов коленчатого вала, угол опережения зажигания, коэффициент избытка и влажность воздуха, нагарообразование, тепловой режим в блоке цилиндров и др.), так и качество применяемого топлива.

Исходя из радикально-цепного механизма горения топлива, разработанного русским ученым А.Н. Бахом, можно сформулировать следующий принцип оптимизации конструктивных и эксплуатационных параметров карбюраторного двигателя: наиболее благоприятны для бездетонационного горения такие значения параметров, которые обеспечивают минимальное время сгорания, низкие температуры и наилучшие условия гомогенизации рабочей смеси в камере сгорания. Из этого принципа следует, что при конструировании карбюраторных двигателей следует стремиться к уменьшению диаметра цилиндров, увеличению их числа и числа оборотов коленчатого вала, к обеспечению интенсивного теплообмена в системе охлаждения, использовать для изготовления блока цилиндров металлы с высокой теплопроводностью, например, алюминий; следует отдать предпочтение таким формам камеры сгорания, которые обеспечивают наилучшие условия для перемешивания и одновременно отвода тепла рабочей смеси и т.д. С повышением степени сжатия уменьшается время сгорания рабочей смеси и существенно улучшаются технико-экономические показатели двигателя, однако при этом в результате повышения температуры в камере сгорания возрастает вероятность возникновения детонации, а также неконтролируемого самовоспламенения топлива.

Вероятность возникновения детонации при работе на карбюраторном двигателе существенно зависит и от химического состава применяемого автобензина: наиболее стойки к детонации ароматические и изопарафиновые углеводороды и склонны к детонации нормальные парафиновые углеводороды бензина, которые легко окисляются кислородом воздуха.

В качестве эталонных углеводородов приняты изооктан (2,2,4-триметилпентан) и н-гептан, а за меру ДС принято октановое число (ОЧ). ОЧ изооктана принято равным 100, а гептана – нулю.

Октановое число бензинов – показатель ДС, численно равно процентному содержанию изооктана в смеси с н-гептаном, которая по детонационной стойкости эквивалентна испытуемому бензину в условиях стандартного одноцилиндрового двигателя.

Установлены следующие основные закономерности влияния химического строения на детонационные свойства углеводородов и компонентов бензинов:

1. Наименьшей детонационной стойкостью обладают алканы нормального строения, наивысшей – ароматические углеводороды. ДС цикланов выше, чем у алканов, но ниже, чем у аренов с тем же числом атомов углерода в молекуле.

2. ДС у алканов нормального строения резко снижается с увеличением их молекулярной массы.

3. ДС изопарафинов значительно выше, чем у алканов нормального строения. Увеличение степени разветвленности молекулы, компактное и симметричное расположение метильных групп и приближение их к центру молекулы способствует повышению ДС изопарафинов.

4. Олефиновые углеводороды обладают более высокой ДС по сравнению с алканами с тем же числом атомов углерода. Влияние строения алкенов на их ДС подчиняется тем же закономерностям, что и у алканов.

5. Наличие и удлинение боковых цепей нормального строения у цикланов приводит к снижению их ДС. Разветвление боковых цепей и увеличение их числа повышают ДС нафтенов.

6. ДС аренов, в отличие от других классов углеводородов, не понижается, а наоборот, несколько повышается с увеличением числа углеродных атомов. Их ДС улучшается при уменьшении степени разветвленности и симметричности ее расположения, а также при наличии двойных связей в алкильных группах.

Лучшими компонентами высокооктановых авиа- и автобензинов являются изопарафины и до определенного предела – ароматические углеводороды (чрезмерно высокое содержание аренов приводит к ухудшению других показателей качества бензинов, таких, как токсичность, нагарообразование и др.).

Испаряемость автобензинов. Она обусловливает многие важнейшие их эксплуатационные свойства при применении в ДВС с принудительным воспламенением. В наибольшей степени испаряемость зависит от фракционного состава и давления насыщенных паров бензинов.

С фракционным составом и давлением насыщенных паров бензинов связаны такие эксплуатационные характеристики двигателя, как возможность его пуска при низких температурах и склонность к образованию паровых пробок в системе питания, приемистость автомобиля, скорость прогрева двигателя, расход горючего и другие показатели. Пусковые свойства бензинов улучшаются по мере облегчения их фракционного состава

Применение очень легких бензинов вызывает другие эксплуатационные затруднения, как, например, образование паровых пробок в системе питания. Применение бензинов с высоким содержанием низкокипящих фракций, кроме образования паровых пробок, может сопровождаться обледенением карбюратора, а также увеличением потерь бензина при хранении и транспортировании. Таким образом, требования к содержанию низкокипящих фракций в бензине противоречивы. С позиции пусковых свойств бензинов желательно иметь большее содержание, а с точки зрения образования паровых пробок – предпочтительно меньшее содержание легкокипящих фракций. Оптимальное содержание их зависит от климатических условий эксплуатации автомобиля. Для территории России стандартом предусмотрена выработка автобензинов зимнего и летнего сортов (t_нк для летнего вида составляет 35 °С, a t_10% для летнего – 70 °С и для зимнего бензина – 55 °С). Температуру перегонки 50 % бензина лимитируют, исходя из требований к приемистости двигателя (т.е. способности обеспечить быстрый разгон до требуемой скорости автомобиля) и времени его прогрева. Оптимальной температурой перегонки 50 % считается для летнего вида бензина 115 °С, а для зимнего – 100 °С.

Экономичность работы двигателя и износ его деталей связывают с температурой перегонки 90 % бензина и температурой конца его кипения. При высоких значениях этих показателей тяжелые фракции бензина не испаряются и поступают в картер двигателя и разжижают смазку. Снижение температур 90 % отгона и конца кипения улучшает эксплуатационные свойства бензинов, но при этом сокращаются их ресурсы. Нормируется для летнего и зимнего видов автобензинов t_90%, равной 180 и 160 °С, a t_кк – 195 и 185 °С соответственно.

Химическая стабильность бензинов определяет способность противостоять химическим изменениям в процессах хранения, транспортирования и длительной их эксплуатации. Для оценки химической стабильности нормируют следующие показатели: содержание смол и индукционный период. О химической стабильности бензинов можно судить по содержанию в них реакционноспособных непредельных углеводородов или по йодному и бромному числам. Непредельные углеводороды, особенно диолефиновые, при хранении в присутствии кислорода воздуха окисляются с образованием высокомолекулярных смолоподобных веществ. Повышение химической стабильности бензиновых фракций достигается следующими способами:

• облагораживанием бензинов;

• введением специальных антиокислительных присадок (ФЧ-16, ионол и др.).

Коррозионная активность бензинов обусловливается наличием в них примесей, в первую очередь, сернистых, в частности, меркаптановых, и кислородных соединений и водорастворимых кислот и щелочей. Содержание так называемой "меркаптановой" серы в товарных бензинах не должно превышать 0,01 %.

В технических условиях на автомобильные бензины регламентируется только общее содержание серы.

В настоящее время в России производится 4 марки автобензина: А-72, А-76, АИ-93 и АИ-98 и одна марка "Экстра". В большинстве стран мира, как правило, выпускается два сорта автобензина: регулярный с ОЧИМ 85–86 и премиальный с ОЧИМ не ниже 97, а также в небольшом объеме наиболее высокооктановый SUPER с ОЧИМ > 100.

Авиационные бензины выпускаются трех марок: Б-91/115, Б-95/130 и Б-100/130. Они отличаются от автобензинов, главным образом, по содержанию тетраэтилсвинца, давлению насыщенных паров и дополнительными требованиями на некоторые другие показатели их качества.