Бензин представляет собой смесь углеводородов, имеющих температуру кипения от 30 до 205 °С. Помимо углеводородов в составе бензина могут содержаться примеси, такие как азот, сера и кислород.
В конце XIX века единственным способом применения бензина было использование его в качестве антисептического средства и топлива для примусов (использование керосина в качестве топлива для примусов было запрещено ввиду пожарной опасности, с этой целью ограничивалась снизу температура кипения керосина). В основном из нефти отгоняли только керосин, а все остальное утилизировали. После появления двигателя внутреннего сгорания бензин стал одним из главных продуктов нефтепереработки. Бензин получают из сырой нефти. По своему составу бензины являются смесями различных органических веществ, состоящих в основном из молекул с пятью, шестью, семью и восемью атомами углерода, которые химически соединены, или, как говорят, насыщены атомами водорода. Каждое из этих соединений обладает индивидуальными свойствами, определяющими качество топлива. Эти свойства зависят от числа и структуры атомов, входящих в образование молекул углеводородов.
Самая простая молекула углеводорода — это метан с одним атомом углерода и четырьмя водорода. Как только к молекуле добавляется один атом углерода, молекулярная цепочка становится более длинной, вместе с этим изменяются ее свойства, а значит и применение.
Короткие молекулярные цепочки имеют газы, жидкое топливо, как правило, это от семи до одиннадцати атомов углерода; если же молекулярная цепочка еще длиннее, то в этом случае топливо практически невозможно использовать в ДВС с традиционной системой зажигания.
Рафинация использует дистилляцию и другие химические методы. Эти процессы превращают углеводороды в газы (метан, пропан, бутан) и жидкости (бензин, дизель, масла).
Короткие молекулярные цепочки выпариваются на верхних уровнях ректификационной установки, а длинные, более тяжелые (бензин, дизель, смазывающие масла, гудрон, битум) — на нижних. Технология ректификации в своем развитии дошла до момента, когда стало возможным получить на выходе один или два определенных продукта. Появилась возможность выбирать, какой именно целевой продукт получать — это может быть только сырьевое масло, или только бензин, или другие продукты нефтехимии. Требования рынка диктуют, какие конечные продукты должны быть получены.
Бензин должен 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 разрушительного воздействия на детали топливной системы и емкости для его хранения и т. д. В последние годы важным требованием к топливам стала их экологическая безопасность.
Автомобильные бензины одной марки, изготовленные на разных предприятиях, имеют несколько различающийся состав, что связано с различным набором технологического оборудования. Однако они должны соответствовать нормативной документации (ГОСТам, ТУ). Усредненный компонентный состав бензинов разных марок приведен в таблице.
Усредненный компонентный состав бензинов разных марок
Базовым компонентом для выработки автомобильных бензинов обычно являются бензины каталитического риформинга или каталитического крекинга. Бензины каталитического риформинга характеризуются низким содержанием серы, в их составе практически отсутствуют олефины, поэтому они высокостабильны при хранении. Однако повышенное содержание в них ароматических углеводородов с экологической точки зрения является лимитирующим фактором. К их недостаткам также относится неравномерность распределения детонационной стойкости по фракциям. В составе бензинового фонда России доля компонента каталитического риформинга превышает 50 %.
Бензины каталитического крекинга характеризуются низкой массовой долей серы, октановыми числами по исследовательскому методу 90—93 единицы. Содержание в них ароматических углеводородов составляет 30—40 %, олефиновых — 25—35 %. Они обладают относительно высокой химической стабильностью (индукционный период 800—900 мин). По сравнению с бензинами каталитического риформинга, для бензинов каталитического крекинга характерно более равномерное распределение детонационной стойкости по фракциям. Поэтому в качестве базы для производства автомобильных бензинов используется смесь компонентов каталитического риформинга и каталитического крекинга. Для достижения большей эффективности работы двигателя в бензин добавляют различные присадки.
Разные присадки используют в зависимости от времени года, чтобы скорректировать испаряемость.
Другие присадки оказывают влияние на октановое число. Наиболее часто октановое число повышают, вводя в бензин антидетонаторы — вещества, добавляемые в топливо в небольшом количестве для повышения детонационной стойкости. Действие антидетонационной присадки основано на замедлении процесса образования гидроперекисей и перекисей и/или их расщепления.
Различные нефтяные компании используют свои присадки для чистящего эффекта, а также придания топливу дополнительных свойств для конкурентных преимуществ.
Воздух состоит в основном из азота — приблизительно 78 %, следующая доля за кислородом — -21 %, остальную часть (1,25 %) образуют инертные газы: аргон, гелий, неон и др.
Двигателю для процесса горения требуется только кислород. Желательно добиться, чтобы молекулы углеводорода реагировали при сгорании только с кислородом. На практике этого достигнуть невозможно, так как часть азота из воздуха реагирует с кислородом: на это тратится полезная энергия, и азотные окислы являются загрязнителями окружающей среды.
Если бы удалось создать ДВС с КПД 100 %, это означало бы получение огромной мощности на выходе, так как вся тепловая энергия, освобождаемая в процессе сгорания, преобразовывалась бы в полезную мощность, и не требовалось бы охлаждение двигателя. При реакции бензина с кислородом в идеальных условиях получаются только углекислый газ и вода, что является по сути лишь другой комбинацией атомов. При этом выделяется большое количество тепловой энергии. Единственная возможность осуществления этого на практике — смешивать топливо в карбюраторе с чистым кислородом.
Один галлон (примерно 4,55 л) бензина эквивалентен ~125 000 БТЕ, или 36,5 кВт энергии. Это примерно столько же, сколько выделяет 1,5 кВт обогреватель, работая на полную мощность в течение целого дня.
Октановое число — показатель сопротивляемости топлива самовоспламенению под давлением. Топливо с более высоким октановым числом не дает больше энергии и больше мощности, но будет препятствовать детонации в двигателе с высокой степенью сжатия или при работе двигателя в режиме динамического опережения зажигания для увеличения мощности. В частности, турбированные двигатели могут быть очень чувствительны к октановому числу топлива.
Более сложные и разветвленные молекулы помогают поднять октановое число, так как они труднее расщепляются в процессе горения. Очень долго тетраэтилсвинец был основным химическим соединением, использующимся для повышения октанового числа в бензине. Так как соединения свинца несут повышенный риск для здоровья и наносят вред окружающей среде, со временем и с ужесточением экологических норм формула бензина претерпела изменения.
Бензины марок АИ-95 и АИ-98 чаще всего получают с добавлением кислородсодержащих компонентов: метил-трет-бутилового эфира (МТБЭ) или его смеси с трет-бутиловым спиртом (ТБС), получившей название фэтерол — торговое название «Октан-115». Недостаток всех этих компонентов заключается в том, что при повышенной температуре эфир из бензина улетучивается, что вызывает уменьшение октанового числа бензина.
Наиболее часто октановое число повышают, вводя в бензин антидетонаторы. Действие антидетонационной присадки основано на замедлении процесса образования гидроперекисей и перекисей и/или их расщепления.
В качестве антадетонатора до недавнего времени в основном использовался тетраэтилсвинец (ТЭС) — густая бесцветная ядовитая жидкость; плотность — 1659 кг/м3; температура кипения — 200 °С; легко растворяется в нефтепродуктах и не растворяется в воде. ТЭС тормозит образование перекисных соединений в топливе, что уменьшает возможность возникновения детонации. Применять тетраэтилсвинец в чистом виде нельзя, так как образующийся металлический свинец осаждается в виде нагара на стенках цилиндра, поршня и вызывает отказ двигателя. Поэтому ТЭС добавляют в бензин в смеси с выносителями свинца, образующими с ним при сгорании летучие вещества, которые удаляются из двигателя вместе с отработавшими газами. В качестве выносителей применяют вещества, содержащие бром или хлор. Смесь ТЭС и выносителя, которая применяется как антидетонатор, называется этиловой жидкостью, а бензины — этилированными. Этилированный бензин очень ядовит и требует повышенных мер безопасности. Этилирование позволяет поднять октановое число на 5—10 пунктов. Наиболее эффективно добавление ТЭС до 0,5—0,8 г на 1 кг бензина. При более высокой концентрации повышается токсичность, а детонационная стойкость возрастает незначительно. ТЭС очень ядовит, может проникать в кровь человека через поры кожи и постепенно накапливаться, а также попадать в организм через дыхательные пути, вызывая тяжелые заболевания. Даже небольшие дозы ТЭС в пище вызывают смертельные отравления. Свинцовые соединения, удаляющиеся из двигателя с выхлопными газами, оседают на почве и придорожной растительности. Если в топливе содержится сера, то эффективность ТЭС резко снижается, поскольку образуется сернистый свинец, препятствующий разложению перекисей. Антидетонаторы на основе ТЭС в Российской Федерации запрещены, так как ГОСТ Р 51105-97 предусматривает выпуск только неэтилированных бензинов.
Наиболее эффективны из неядовитых марганцевые антидетонаторы.
В качестве присадок к топливу широко используют спирты.
В недалеком прошлом в этих целях в виде присадки применяли метиловый спирт, он же метанол, самый простой вид спирта: он легкий, легковоспламеняемый. Его можно производить из сырой нефти, но метанол — яд для живого организма.
Этиловый спирт, или этанол, производится брожением крахмала, сахара и других растительных углеводов. Это тип спирта, который применяют для производства алкогольных напитков. Он также повышает октановое число и поглощает влагу из воздуха или непосредственно при вступлении в контакт с водой. К тому же он экологически безвреден.
Изопропиловый спирт не пригоден для употребления. Он также используется как антифриз. Другое его применение — в качестве промышленного растворителя, добавок для косметических средств и чаще всего в качестве медицинского дезинфицирующего средства.
Все эти соединения содержат водород и углерод и становятся спиртом благодаря добавлению атома кислорода. Именно по этой причине спирт может быть использован как средство для добавления кислорода к бензину химическим способом, а также в качестве чистого топлива без бензина.
Когда в камеру сгорания поступает меньшее количество топлива, обороты двигателя увеличиваются, а охлаждающий эффект горячих внутренних поверхностей двигателя от испарения топлива снижается. Это может вызвать задиры поршня, несмотря на то, что двигатель герметичен и крыльчатка маховика в порядке. Такие последствия может вызвать и этанол, если его концентрация в бензине более 10 %, или если двигатель настроен на максимально возможные параметры при использовании обычного бензина, или если сепарация фаз привела к прохождению через карбюратор воды/этанола.
Этанол может и косвенно привести к обеднению режима работы, если растворенные примеси будут приводить к засорению каналов карбюратора. Таким образом, этанол в топливе может быть либо прямой, либо косвенной причиной поломки двигателя.
Как только катализатор разогревается, это вызывает химическую реакцию кислорода с углеводородом: происходит его догорание.
Катализатор способствует реакции окисления благодаря нагреву и присутствию кислорода — реакция обычно начинается при температуре -150 °С.
Катализатор можно упрощенно понимать как «дожигатель». Катализатор не влияет на экономию топлива или производительность двигателя. Он оказывает воздействие на тот углеводород, который не сгорел и покинул камеру сгорания, а затем оказался в глушителе. Важно, чтобы рабочая смесь не была переобогащенной, иначе возможен перегрев катализатора.
Если двигатель правильно настроен и рабочая смесь не слишком богатая, с помощью катализатора можно сократить эмиссию максимум до 70 %. У двигателя с катализатором меньше вредная эмиссия, но топлива расходуется не меньше.
Но катализатор увеличивает и вес, и стоимость агрегата.
