Автомобильные бензины: марки, характеристика свойств и проблем их использования

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Федеральное агентство по рыболовству

Федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего образования

«Астраханский государственный технический университет»

Система менеджмента качества в области образования, воспитания, науки и инноваций сертифицирована DQS

по международному стандарту ISO 9001:2015

КУРСОВАЯ РАБОТА

Автомобильные бензины, марки, характеристика свойств и проблем их использования

Астрахань 2019

Введение

В конце XIX века бензин не находил лучшего применения, чем антисептическое средство (продавался в аптеках) и топлива для примусов. Зачастую из нефти отгоняли только керосин, а все остальное, включая бензин, либо сжигали, либо просто выбрасывали. Однако с появлением двигателя внутреннего сгорания, бензин стал одним из главных продуктов нефтепереработки.

Бензин (от франц. benzine) - смесь углеводородов (соединений углерода и водорода), имеющих температуру кипения 30 - 200°С, и присадок, предназначенных для улучшения эксплуатационных свойств топлива.

Бензины предназначены для применения в поршневых двигателях внутреннего сгорания с принудительным воспламенением (от искры).

Несмотря на различия в условиях применения автомобильные бензины характеризуются в основном общими показателями качества, определяющими их физико-химические и эксплуатационные свойства.

Современные автомобильные бензины должны удовлетворять ряду требований, обеспечивающих экономичную и надежную работу двигателя, и требованиям эксплуатации: иметь хорошую испаряемость, позволяющую получить однородную топливовоздушную смесь оптимального состава при любых температурах; иметь групповой углеводородный состав, обеспечивающий устойчивый, бездетонационный процесс сгорания на всех режимах работы двигателя; не изменять своего состава и свойств при длительном хранении и не оказывать вредного влияния на детали топливной системы, резервуары, резинотехнические изделия и др. В последние годы экологические свойства топлива выдвигаются на первый план.

1. Производство автомобильного бензина

Автомобильные бензины получают путем переработки нефти, газового конденсата, природного газа, угля, торфа и горючих сланцев, а также синтезом из окиси углерода и водорода.

Основным сырьем для производства автомобильных бензинов является нефть: около 25% нефти, добываемой в мире, перерабатывают в бензин.

В России все товарные бензины получают из нефти и газоконденсатов. На газоперерабатывающих заводах путем выделения из газов жидких углеводородов получают газовый бензин. Газовые бензины обладают хорошими пусковыми свойствами и при добавлении в небольших количествах в товарные бензины способны улучшать их эксплуатационные свойства.

Современные автобензины готовят смешением компонентов, получаемых путем прямой перегонки, каталитического риформинга и каталитического крекинга, изомеризации, алкилирования, полимеризации и других процессов переработки нефти и газа.

Качество компонентов, используемых для приготовления тех или иных марок товарных автомобильных бензинов, существенно различается и зависит от технологических возможностей предприятия. Товарные бензины одной и той же марки, но выработанные на различных нефтеперерабатывающих заводах (НПЗ), имеют неодинаковый компонентный и фракционный составы, что связано с различием технологических процессов и перерабатываемого на них сырья на каждом конкретном нефтеперерабатывающем предприятии. Даже бензины одной марки, выработанные конкретным заводом в разное время, могут отличаться по компонентному составу в связи с проведением регламентных работ на отдельных технологических установках, изменением состава сырья и программы завода по выпуску продукции.

Однако во всех случаях должна соблюдаться технология получения товарных бензинов на данном предприятии, что является обязательным требованием стандартов и технических условий на автомобильные бензины.

На рис.1 представлена схема переработки нефти с целью получения автомобильных бензинов.

Рис. Схема переработки нефти для получения автомобильных бензинов

Основными технологическими процессами производства бензинов является каталитический риформинг и каталитический крекинг. Несмотря на ограничения по содержанию ароматических углеводородов, процесс каталитического риформинга по-прежнему остается определяющим процессом производства бензинов, так как он является основным источником высокооктановых компонентов, а также водорода для установок гидроочистки.

2. Автомобильные бензины

Автомобильные бензины являются топливом для карбюраторных двигателей и представляют собой фракции нефти, выкипающие при температурах от 35 до 205 С. Свойства и качество автомобильных бензинов определяются особенностями рабочего процесса карбюраторных двигателей, их конструкцией, а также природными и климатическими условиями эксплуатации машин.

В России автомобильные бензины выпускаются по ГОСТ 2084-77, ГОСТ Р 51105-97 и ГОСТ Р 51866-2002.

Основные марки автомобильных бензинов ГОСТ 2084-77:

А-72 - с октановым числом по моторному методу не менее 72;

А-76 - с октановым числом по моторному методу не менее 76 (позже был наименован АИ-80 в соответствии с исследовательским методом);

АИ-91 - с октановым числом по исследовательскому методу не менее 91;

АИ-92 - с октановым числом по исследовательскому методу не менее 92;

АИ-95 - с октановым числом по исследовательскому методу не менее 95;

АИ-98 - с октановым числом по исследовательскому методу не менее 98;

Требования ГОСТ 2084-77 к качеству автомобильных бензинов приведены в таблице.

Характеристики автомобильных бензинов (ГОСТ 2084-77)

Все бензины, вырабатываемые по ГОСТ 2084-77, в зависимости от показателей испаряемости делят на летние и зимние.

Зимние бензины предназначены для применения в северных и северо-восточных районах в течение всех сезонов и в остальных районах с 1 октября до 1 апреля. Летние бензины применяются во всех (кроме северных и северо-восточных) районах в период с 1 апреля по 1 октября. В южных районах допускается применять летний бензин в течение всех сезонов.

Параметры автомобильных бензинов, вырабатываемых по ГОСТ 2084-77, существенно отличаются от принятых международных норм, особенно в части экологических требований. 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. В соответствии с ГОСТ Р 51105-97 вырабатываются только неэтилированные бензины (максимальное содержание свинца не более 0,01 г/дм3).

3. Требования к качеству автомобильных бензинов

Автомобильные бензины должны отвечать следующим требования:

обладать испаряемостью, исключающей возникновение паровых пробок в системе подачи, но обеспечивающей в то же время образование однородной топливовоздушной смеси при любых температурных условиях окружающей среды;

иметь детонационную стойкость для обеспечения нормального развития процесса горения применительно к определённой конструкции двигателя на всех режимах его работы;

не давать отложений в камере сгорания и во впускной системе двигателя;

быть стабильными при хранении и транспортировании;

не вызывать коррозии деталей двигателя и топливной аппаратуры.

Ниже приведена таблица нормы и требования к качеству автомобильных бензинов по ГОСТ Р 52206-97

В последнее время ассортимент автобензинов значительно пополнился за счет новых марок, выпускаемых по техническим условиям. Это обусловлено резким ростом производства неэтилированного бензина и сокращением производства бензина этилированного.

При этом тетраэтилсвинец заменяется на различные нетрадиционные присадки и добавки, ранее выпускаемыми химической и микробиологической промышленности в иных целях.

К таким веществам относятся различные эфиры, спирты, металлоорганические соединения и т.д. Необходимость производства таких бензинов по техническим условиям диктуется тем, что все присадки и добавки могут вводиться в строго определенных концентрациях. Для контроля содержания этих компонентов в технических условиях предусматриваются специальные показатели и вводятся дополнительные методики контроля.

Все бензины, выпускаемые по техническим условиям, должны соответствовать требованиям ГОСТ Р 51313-99 "Бензины автомобильные. Общие технические требования".

Бензины автомобильные. Общие технические условия

Сегодня самыми востребованными марками автомобильных бензинов являются Аи-92 и Аи-95. Ниже приведены технические характеристики этих двух марок.

4. Сгорание бензина в двигателе

В процессе сгорания происходят несколько химических реакций. Одни соединения разрушаются, а новые соединения образуются. Управление процессом сгорания - это ключ к управлению всей работой и токсичностью выхлопа двигателя внутреннего сгорания

Для процесса сгорания требуются три элемента:

1. Воздух

2. Топливо

3. Искра зажигания

Эти три элемента иногда упоминаются как "триада сгорания". Если один элемент триады отсутствует, сгорание невозможно. Двигатель внутреннего сгорания рассчитывается на объединение этих трех элементов, поддерживая полный контроль над процессом.

Воздух

Воздух состоит из атомов азота (N), кислорода (О ) и других газов. Большую часть воздуха составляет азот, являющийся инертным, негорючим газом. Воздух не горит, но в нем содержится достаточное количество кислорода, что позволяет поддерживать сгорание.

Топливо

Бензин состоит из углеводородов, которые образуются в результате переработки сырой нефти. Углеводороды состоят из атомов водорода (Н) и углерода (С). В бензин добавляются различные химикаты, типа ингибиторов коррозии, красителей и очищающих средств. Эти химикаты называются присадками.

Тепло и давление, присутствующие в двигателе внутреннего сгорания, могут заставить бензин, находящийся в камере сгорания, воспламениться раньше, чем генерируется искра зажигания. Это называется преждевременным воспламенением и более подробно описывается дальше. Октановое число бензина указывает на то, насколько хорошо он противостоит преждевременному воспламенению. Дополнительная очистка может способствовать увеличению октанового числа.

В настоящее время в регионах с чрезвычайно высоким уровнем загрязнения воздуха используется тип топлива, называемый улучшенным бензином (подвергнутым реформингу) (RFG). Такой бензин имеет специальные присадки, называемые окислителями, которые улучшают сгорание, увеличивают октановое число и уменьшают токсичность выхлопа.

Искра зажигания

В двигателе внутреннего сгорания воздух и топливо поступают в камеру сгорания, и затем генерируется искра зажигания, вызывающая сгорание. Перед зажиганием воздушно-топливной смеси двигатель нагревается и сжимает смесь. Нагревание помогает процессу смесеобразования, а сжатие увеличивает энергию, генерируемую при сгорании.

Процесс сгорания.

В двигателе внутреннего сгорания сгорание происходит в течение доли секунды (приблизительно в течение 2 миллисекунд). В этот момент разрушаются связи между атомами водорода и углерода. Разрушение связей приводит к высвобождению энергии в камере сгорания, толканию поршня вниз и инициированию вращения коленчатого вала.

После разделения атомов водорода и углерода они соединяются с атомами кислорода, содержащимися в воздухе. Атомы водорода объединяются с кислородом, образуя воду. Атомы углерода объединяются с кислородом, образуя двуокись углерода (углекислый газ).

Говоря языком химии, полное сгорание в двигателе внутреннего сгорания выражается формулой:

НС + О2 = Н2 О + СО2

Другими словами:

топливо + кислород = вода и двуокись углерода

Цикл сгорания топлива

Абсолютно эффективный двигатель внутреннего сгорания на выпуске имел бы только воду (Н О) и двуокись углерода (СО ), что соответствует Данной выше химической формуле. Это означало бы, что все углеводороды в процессе сгорания разложились. К сожалению, дело обстоит не так.

Неэффективное сгорание -это главная причина наличия вредных веществ в выхлопе автомобиля. Эффективное сгорание ведет к наименьшей токсичности выхлопа. Эффективность сгорания увеличивается посредством корректировки соотношения "воздух/топливо".

Инженеры-автомобилестроители определили, что токсичность выхлопа автомобиля можно уменьшить, если бензиновый двигатель работает с соотношением "воздух/топливо", равным 14.7:1. Технический термин известен как "стехиометрическое соотношение". Стехиометрическое соотношение означает химически правильную воздушно-топливную смесь, которая производит желаемую химическую реакцию, входе которой происходит полное сгорание топлива с желаемой токсичностью выхлопа.

Соотношение "воздух/топливо" 14.7:1 обеспечивает наилучшее управление всеми тремя компонентами (углеводороды, одноокись углерода и оксиды азота) при выпуске почти во всех условиях. Соотношение "воздух/топливо" также увеличивает эффективность каталитического нейтрализатора, который является частью системы выпуска автомобиля.

5. Детонация в двигателе

Детонация- это режим горения, в котором по веществу распространяется ударная волна, инициирующая химические реакции горения, в свою очередь, поддерживающие движение ударной волны за счёт выделяющегося в экзотермических реакциях тепла. Комплекс, состоящий из ударной волны и зоны экзотермических химических реакций за ней, распространяется по веществу со сверхзвуковой скоростью и называется детонационной волной.

Это процесс взрывного воспламенения рабочей смеси в цилиндрах двигателя. В то время как нормальная скорость распространения фронта пламени составляет около 30 м/с, при детонации огонь распространяется в десятки раз быстрее - до 2000 м/с.

В нормальных условиях смесь начинает воспламеняться, когда поршень немного не доходит до верхней мертвой точки, угол опережения зажигания составляет обычно 2-3 градуса. Завершается вспышка после того, как поршень минует ВМТ. В случае детонации смесь воспламеняется еще в середине такта сжатия. Поршень испытывает сильное противодействие, в итоге пропадает мощность двигателя и значительно повышается расход топлива.

Данное явление никогда не идет на пользу мотору, однако детонацию можно разделить на допустимую и недопустимую. В первом случае ее даже не всегда удается заметить. Обычно она возникает на низких оборотах и продолжается недолго. Чаще всего подобное происходит в двигателях небольшого объема с относительно большой мощностью и крутящим моментом (например, 107 л.с. и 135 Нм при объеме 1,4 л). Недопустимая детонация, как правило, возникает в форсированных ДВС при повышенных нагрузках на высоких оборотах. Всего после нескольких секунд работы в таких условиях, мотор может получить критические повреждения.

Чем опасна детонация? Весь кривошипно-шатунный механизм и головка блока цилиндров испытывают разрушающие нагрузки, способные при длительном воздействии привести к поломке ДВС. Кроме того, температура в цилиндрах также поднимается до недопустимых значений (до +3700 градусов), что грозит прогаром прокладки ГБЦ, а также коррозией днища поршня и зеркала цилиндров.

Рис. Цилиндр после детонации

6. Свойства автомобильных бензинов

Испаряемость

Испаряемость влияет на пуск двигателя, время, затрачиваемое на его прогрев, на приёмистость двигателя, расход топлива, снимаемую мощность, на расход масла, образование углеродистых отложений и износ трущихся деталей.

Фракционный состав выражает зависимость между температурой и количеством бензина, выкипающего при его нагревании. Определяется в специальном приборе разгонкой 100 мл бензина.

Температура начала кипения характеризует наличие в горючем легкоиспаряющихся фракций, во избежании излишних потерь при хранении стандартом устанавливается не ниже 350 С.

Температура перегонки 10% характеризует пусковые качества: чем ниже эта температура, тем легче пускается двигатель, тем при более низкой температуре можно пустить холодный двигатель без предварительного подогрева.

В стандартных бензинах температура перегонки 10% бензина допускается не выше температурного предела от 55 до 700 С.

Температура перегонки 50 % характеризует способность обеспечить быстрый прогрев двигателя после пуска, приёмистость двигателя, а также устойчивость работы на холостом ходу и рабочих режимах. Чем ниже эта температура, тем лучше эксплуатационные качества бензина.

Увеличение времени прогрева двигателя, связанное с повышенной температурой перегонки 50% определяет дополнительный расход горючего, износ двигателя и разжижение масла.

В стандартных бензинах температура перегонки 50% допускается не выше температурного интервала от 110 до 1150 С.

Температура перегонки 90% бензина и температура конца кипения характеризуют наличие в бензинах тяжёлых трудноиспаримых фракций.

Чем выше температура перегонки 90% бензина, тем больше в нём тяжёлых фракций. Тяжёлые фракции плохо испаряются, не полностью сгорают, стекая по стенкам цилиндров смывают масляную плёнку, а попадая в картер, разжижают масло. Всё это приводит к повышению износа двигателя, снижению его мощности и увеличению расхода топлива.

Температура конца кипения указывает на присутствие в бензине смолистых веществ, вызывающих смоло и нагарообразование в двигателе.

В стандартных бензинах температура перегонки 90% допускается не выше 1800 С, конца кипения - не выше 1950 С.

Давление насыщенных паров бензина определяют при температуре 380 С прибором Рейда. Чем выше давление насыщенных паров, тем выше пусковые свойства бензина при низких температурах, однако при этом растёт возможность образования паровых пробок в системе питания, больше потери при заправке и хранении.

Детонационная стойкость бензинов характеризует их способность противостоять детонационному сгоранию в цилиндрах 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 носит радикальный характер. 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. Октановое число двумя методами: моторным и исследовательским. 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.

Химическая стабильность

Этот показатель характеризует способность бензина сохранять свои свойства и состав при длительном хранении, перекачках, транспортировании или при нагревании впускной системы двигателя. Химические изменения в бензине, происходящие в условиях транспортирования или хранения, связаны с окислением входящих в его состав углеводородов. Следовательно, химическая стабильность бензинов определяется скоростью реакций окисления, которая зависит от условий процесса и строения окисляемых углеводородов. бензин двигатель детонационный

Физическая стабильность

Способность бензинов противостоять испарению лёгких фракций и выносителя этилированных бензинов, а следовательно ухудшению пусковых качеств и снижению октанового числа.

Относительной характеристикой недостаточной физической стабильности является повышение температуры начала кипения и перегонки 10%, а также снижение давления насыщенных паров бензина.

Токсичность

Эксплуатационное свойство, характеризующее особенности и результаты воздействия топлива и продуктов его сгорания на человека и окружающую среду.

Наиболее токсичны этилированные бензины. Входящий в их состав тетраэтилсвинец является сильнодействующим ядом. Отравление бензином может произойти через дыхательные пути, кожу и при попадании в желудок. Весьма токсичными являются продукты сгорания бензинов. Всё это вызывает необходимость строгого соблюдения требований безопасности при работе с бензинами.

Заключение

Автомобильные бензины должны быть химически нейтральными и не вызывать коррозию металлов и емкостей, а продукты их сгорания - коррозию деталей двигателя. Коррозионная активность бензинов и продуктов их сгорания зависит от содержания общей и меркаптановой серы, кислотности, содержания водорастворимых кислот и щелочей, присутствия воды. Эти показатели нормируются в нормативно-технической документации на бензины. Бензин должен выдерживать испытание на медной пластинке. Эффективным средством защиты от коррозии топливной аппаратуры является добавление в бензины специальных антикоррозионных или многофункциональных присадок.

Автомобильные бензины являются основным материалом, который расходуется при использовании различных транспортных средств. От качества бензина зависит надежность работы двигателя и, следовательно, расходы на его обслуживание и ремонт. Знание свойств бензина и умение правильно его применять является одним из звеньев, определяющих эффективность использования автомобилей.

Список литературы

1. Кириченко Н.Б. Автомобильные эксплуатационные материалы: Учеб. пособие для студ. учреждений сред. проф. образования / Нина Борисовна Кириченко. - 2-е изд., стер. - М.: Издательский центр "Академия", 2005.

2. Школьников В.М. Топлива, смазочные материалы, технические жидкости. Ассортимент и применение: Справочник. Изд. 2-е перераб. и доп. - М.: Издательский центр "Техинформ", 1999.

3. Суханов В.П. Переработка нефти: Учебник для средних проф. - техн. учеб. заведений.2-е изд., перераб. и доп. - М.: Высш. школа, 1979.

4. Проскуряков В.А., Драбкина А.Е. Химия нефти и газа: Учебное пособие для вузов - 2-е изд., перераб. - Л.: Химия, 1989.

Размещено на Allbest.ru