Топливо для автомобилей

1. История развития автомобильных топлив

1.1 История развития бензина

Первые технологические манипуляции с нефтью проводили на Ухтинском (Россия) нефтяном промысле в 1745 г. Именно там был построен первый завод по очистке нефти. Он был очень прост: в печь ставили котел с трубкой, которая через бочку с водой вела в пустую бочку. Бочка с водой играла роль холодильника. Очищенную нефть использовали преимущественно в бытовых целях. В то время многие помещения освещались лампадами, в которые наливалась смесь очищенной нефти с растительным маслом.

А вот бензин официально первым получил английский физик Майкл Фарадей. Из всех соединений углерода и водорода в 1825 году он выделил одно, способное быстро загораться. А так как он синтезировал его из нефти, добытой где-то в Малой Азии, то и назвал его арабским словом. Бензин – благовонное вещество. Так переводится слово с арабского.

В 1891 году русский инженер Шухов изобрел крекинг (от англ. cracking – расщепление). Это процесс разложения углеводородов нефти на более летучие вещества. Благодаря крекингу значительно увеличивается выход бензина из нефти.

Бензин в качестве горючего был использован только в конце XIX века, когда господин Даймлер усовершенствовал двигатель внутреннего сгорания и сделал его движущей силой на автомобилях.

1.2 История развития дизельного топлива

Альтернативой и конкурентом бензину было дизельное топливо – в современном обиходе "дизель". Понятие "дизель" в наше время стало нарицательным, и у большинства людей вызывает ассоциации с топливом, а ведь понятие "дизельное топливо" произошло от названия двигателя, а двигатель этот назван по имени немецкого инженера Рудольфа Дизеля. Причем дизель по сути своей не имел никакого отношения к дизельному топливу. По замыслу изобретателя, конструкция должна была работать на дешевой угольной пыли. Однако эксперименты показали невозможность использования её в качестве горючего по причине проблемной подачи в цилиндры. Тогда было решено попробовать вместо неё тяжёлые фракции нефти типа керосина и мазута.

Принцип же работы дизельного двигателя был следующим: в цилиндры засасывалось топливо, и под давлением сжималось до такой степени, что происходило самовозгорание. Идея была поистине революционной, и была оформлена как патент в 1893 году, но ещё пять лет ушло на конструирование работоспособного мотора. Он был очень далек от современного дизельного мотора.

1.3 История развития газообразных топлив

В 30-е годы ХIX века был создан двигатель, работающий на газо-воздушной смеси. Однако с изобретением автомобиля предпочтение было отдано бензину. О газе вспомнили лишь в 30-е годы прошлого века. Сначала были газогенераторные двигатели, топливом для которых выступали древесные чурки.

Их сжигали в специальных емкостях, именуемых газогенераторами, при недостатке кислорода – в результате образовывалось большое количество недоокисленных продуктов, которые с успехом могли гореть в цилиндрах двигателя. Газогенераторные установки были довольно громоздкими и тяжелыми. Их масса колебалась от 400 до 600 кг. Розжиг газогенератора занимал 10-14 минут, расход древесных чурок равнялся около 53 кг/100 км пути, а запас хода – 60-70 км. Поэтому немедленно развернулись работы над газобаллонными автомобилями. Первым в этом деле выступил Советский Союз.

В конце 30-х годов с конвейеров советских автозаводов начали сходить газобаллонные грузовики ЗИС-30 и ГАЗ-44, в двигателях которых применялся газ, вырабатываемый не газогенераторами, а подаваемый из баллонов. А в западных странах об использовании газа всерьез задумались после нефтяного кризиса середины 70-ых годов.

2. Автомобильные топлива

2.1 Автомобильные бензины

В состав бензинов входят углеводороды, выкипающие при температуре 35-200 °С.

Бензины в силу своих физико-химических свойств применяются в двигателях с принудительным зажиганием (от искры). Более тяжелые дизельные топлива вследствие лучшей самовоспламеняемости применяются в двигателях с воспламенением от сжатия, т.е. дизелях.

К автомобильным бензинам предъявляются следующие требования:

•бесперебойная подача бензина в систему питания двигателя;

•образование топливовоздушной смеси требуемого состава;

•нормальное (без детонации) и полное сгорание смеси в двигателях;

•обеспечение быстрого и надежного пуска двигателя при различных температурах окружающего воздуха;

•отсутствие коррозии и коррозионных износов;

•минимальное образование отложений во впускном и выпускном трактах, камере сгорания;

•сохранение качества при хранении и транспортировке.

Для выполнения этих требований бензины должны обладать рядом свойств. Наиболее важные из них:

Карбюр-анионные . Бензин, подаваемый в систему питания смешивается с воздухом и образует топливовоздушную смесь. Для полного сгорания необходимо обеспечить однородность смеси с определенным соотношением паров бензина и воздуха.

На протекание процессов смесеобразования влияют следующие физико-химические свойства:

Плотность топлива - при +20°С должна составлять 690-750 кг/м3 . При низкой плотности поплавок карбюратора тонет и бензин свободно вытекает из распылителя, переобогащая смесь

Вязкость - с ее увеличением затрудняется протекание топлива через жиклеры, что ведет к обеднению смеси.

Испаряемость - способность переходить из жидкого состояния в газообразное. Автомобильные бензины должны обладать такой испаряемостью, чтобы обеспечивались легкий пуск двигателя (особенно зимой), его быстрый прогрев, полное сгорание топлива, а также исключалось образование паровых пробок в топливной системе.

Давление насыщенных паров - чем выше давление паров при испарении топлива в замкнутом пространстве, тем интенсивнее процесс их конденсации. Бензины с высоким давлением склонны к образованию паровых пробок, при их использовании снижается наполнение цилиндров и теряется мощность двигателя.

Коррозионные свойства. Бензины должны обладать минимальным коррозионным воздействием на металлы, которое зависит от содержания в топливе водорастворимых кислот и щелочей, органических кислот и сернистых соединений. Сильным коррозионным действием по отношению к черным и цветным металлам обладают минеральные кислоты. Их присутствие в бензинах, наряду со щелочами, активно коррозирующими цветные металлы, недопустимо.

Низкотемпературные свойства - характеризуют работоспособность топливоподающей системы зимой. При низких температурах происходит выпадение кристаллов льда в бензине и обледенение деталей карбюратора. В бензине в растворенном состоянии находится несколько сотых долей процента воды. С понижением температуры растворимость воды в бензине падает, и она образует кристаллы льда, которые нарушают подачу бензина в двигатель.

Склонность к отложениям. К отложениям относят липкие продукты, оседающие в деталях системы питания автомобилей, и нагары в камерах сгорания двигателей. Источниками образования липких отложений являются химически нестойкие углеводороды, смолистые вещества, тяжелые неиспарившиеся фракции бензина, а также продукты разложения углеводородов смазочного масла.

Наибольшие отложения вызывают смолистые вещества, образующиеся при окислении химически нестойких непредельных углеводородов и сернистых соединений, находящихся в бензинах.

Сгорание бензина. Под "сгоранием" применительно к автомобильным двигателям понимают быструю реакцию взаимодействия углеводородов топлива с кислородом воздуха с выделением значительного количества тепла. Температура паров при горении достигает 1500-2400 °С.

Теплота сгорания (теплотворная способность) - количество тепла, которое выделяется при полном сгорании 1 кг жидкого или твердого и м3 газообразного топлива.

Нормальное и детонационное сгорание. При нормальном сгорании процесс протекает плавно с почти полным окислением топлива и скоростью распространения пламени 10-40 м3 /с. Когда скорость распространения пламени возрастает, возникает детонационное сгорание, характеризующееся неравномерным протеканием процесса, скачкообразным изменением скорости движения пламени и возникновением ударной волны. Внешне детонация проявляется в появлении звонких металлических стуков - результата многократных отражений от стенок камеры сгорания образующихся ударных волн.

В топлива, детонационная стойкость которых не соответствуют требованиям, добавляют высокооктановые компоненты (бензол, этиловый спирт) или антидетонаторы.

Антидетонаторы. Несколько десятилетий применяют тетраэтилсвинец (ТЭС) в сочетании с веществами, обеспечивающими отсутствие отложений окислов свинца в камере сгорания, так называемыми выносителями. Например, в 1 кг бензина А-76 содержится 0,24 г ТЭС.

В чистом виде ТЭС не применяют, а используют этиловую жидкость (ЭЖ), состоящую из ТЭС, выносителей и красителей. ТЭС ядовит, поэтому искусственное окрашивание бензина, предупреждает об опасности. Добавлением ЭЖ увеличивают ОЧ на 8-12 единиц. Главный недостаток ТЭС - ядовитость.

Углеводороды, входящие в состав бензинов, различаются по детонационной стойкости. Наименее стойки к детонации нормальные парафиновые углеводороды, наиболее - ароматические. Остальные углеводороды, входящие в состав бензинов, по детонационной стойкости занимают промежуточное положение.

Варьируя углеводородным составом, получают бензины с различной детонационной стойкостью, которая характеризуется октановым числом (ОЧ).

ОЧ - это условный показатель детонационной стойкости бензина, численно равный процентному содержанию (по объему) изооктана в смеси с нормальным гептаном, равноценной по детонационной стойкости испытуемому топливу.

Для любого бензина октановое число определяют путем подбора смеси из двух эталонных углеводородов (нормального гептана с ОЧ=0 и изооктана с ОЧ=100), которая по детонационным свойствам эквивалентна испытуемому бензину. Процентное содержание в этой смеси изооктана принимают за ОЧ бензина.

Определение ОЧ производится на специальных моторных установках. Существуют два метода определения ОЧ - исследовательский (ОЧИ - октановое число по исследовательскому методу) и моторный (ОЧМ - октановое число по моторному методу).

Маркировка бензинов включает одну или две буквы и цифру: буква «А» - бензин автомобильный, «И» - исследовательский метод определения ОЧ (если нет «И» - то моторный), цифра указывает на октановое число.

Бензины, за исключением марки АИ-98, подразделяются на виды:

летний - для применения во всех районах, кроме северных и северо-восточных, в период с 1 апреля до 1 октября; в южных районах допускается применять летний вид бензина в течение всего года;

зимний - для применения в течение всех сезонов в северных и северо-восточных районах; в остальных районах - с 1 октября до 1 апреля.

2.2 Дизельные топлива

Дизельные двигатели в силу особенностей рабочего процесса на 25-30% экономичнее бензиновых двигателей, что и предопределило их широкое применение. В настоящее время они устанавливается на большинство грузовых автомобилей и автобусов, а также на часть легковых.

Эксплуатационные требования к дизельным топливам (ДТ):

•бесперебойная подача топлива в систему питания двигателя;

•обеспечение хорошего смесеобразования;

•отсутствие коррозии и коррозионных износов;

•минимальное образование отложений в выпускном тракте, камере сгорания, на игле и распылителе форсунки;

•сохранение качества при хранении и транспортировке. Наиболее важными эксплуатационными свойствами дизельного топлива являются его испаряемость, воспламеняемость и низкотемпературные свойства.

Испаряемость топлива определяется составом. При облегчении топлива ухудшается пуск дизелей, так как легкие фракции имеют худшую по сравнению с тяжелыми фракциями самовоспламеняемость. Поэтому пусковые свойства дизельных топлив для автомобилей в некоторой степени определяет температура выкипания 50% топлива. Температура выкипания 96% топлива регламентирует содержание в топливе наиболее тяжелых фракций, увеличение которых ухудшает смесеобразование, снижает экономичность, повышает нагарообразование и дымность отработавших газов.

Воспламеняемость ДТ характеризует его способность к самовоспламенению в камере сгорания. Это свойство в значительной мере определяет подготовительную фазу процесса сгорания - период задержки воспламенения, который в свою очередь складывается из времени, затрачиваемого на распад топливной струи на капли, частичное их испарение и смешение паров топлива с воздухом (физическая составляющая), а также времени, необходимого для завершения предпламенных реакций и формирование очагов самовоспламенения (химическая составляющая).

Склонность ДТ к самовоспламенению оценивают по цетановому числу (ЦЧ).

ЦЧ - это условный, показатель воспламеняемости дизельного топлива, численно равный объемному проценту цетана в эталонной смеси с альфаметилнафталином, которая равноценна, по воспламеняемости испытуемому топливу.

Для определения ЦЧ составляют эталонные смеси. В их состав входят цетан и а-метилнафталин. Склонность цетана к самовоспламенению принимают за 100 единиц, а альфаметилнафталина -за 0 единиц. Цетановое число смеси, составленной из них, численно равно процентному содержанию (по объему) цетана.

Самовоспламеняемость ДТ влияет на их склонность к образованию отложений, легкость пуска и работу двигателя. Для современных быстроходных дизелей применяются топлива с ЦЧ=45-50.

ЦЧ влияет на пусковые качества ДТ. При высоких ЦЧ время пуска снижается, особенно при низких температурах.

ЦЧ может быть повышено двумя способами: регулированием углеводородного состава и введением специальных присадок.

1-й способ. В порядке убывания ЦЧ углеводороды располагаются следующим образом: нормальные парафины - изопарафины - нафтены -ароматические. ЦЧ можно существенно повысить, увеличивая концентрацию нормальных парафинов и снижая содержание ароматических.

2-й способ более эффективен. Вводят специальные кислородосодержащие присадки - органические перекиси, сложные эфиры азотной кислоты и др. Эти присадки являются сильными окислителями и способствуют зарождению и развитию процесса горения.

Низкотемпературные свойства. При низких температурах высокоплавкие углеводороды, прежде всего нормальные парафины, кристаллизуются. По мере понижения температуры дизельное топливо проходит через три стадии; вначале мутнеет, затем достигает так называемого предела фильтруемости и, наконец, застывает. Связано это с тем, что сначала в топливе появляются разрозненные кристаллы, которые оседают на фильтрах и ухудшают подачу топлива. Показатели, характеризующие начало кристаллизации углеводородов в топливе и потерю их подвижности стандартизованы.

Температурой помутнения называют температуру, при которой топливо теряет прозрачность в результате выпадения кристаллов углеводородов и льда.

Температурой застывания называют температуру, при которой ДТ теряет подвижность, что определяют в стандартном приборе, наклоненном

под углом 45°С к горизонтали, в течение 1 мин.

Ассортимент ДТ:

•ДЛ - дизельное летнее - для эксплуатации при температуре окружающего воздуха не ниже 0 °С;

•ДЗ - дизельное зимнее - для эксплуатации при температуре окружающего воздуха не ниже -30 °С;

•ДА - дизельное арктическое - для эксплуатации при температуре окружающего воздуха не ниже -50 °С.

2.3 Газообразные топлива

По физическому состоянию горючие газы делятся на две группы: сжатые и сжиженные.

Требования к газообразным топливам:

•обеспечение хорошего смесеобразования;

•отсутствие коррозии и коррозионных износов;

•минимальное образование отложений во впускном и выпускном трактах;

•сохранение качества при хранении и транспортировании;

•низкая стоимость производства и транспортирования.

Сжиженные газы . Основные компоненты - пропан С3Н8, бутан С4Н10. Получают из попутных нефтяных газов, из газообразных фракций при переработке нефтепродуктов и каменных углей. Поэтому они получили название сжиженных нефтяных газов. Для их обозначения часто используют аббревиатуру «СНГ».

СНГ хранят под давлением 1,6 МПа. Повышение температуры на 1°С влечет за собой рост давления в газовом баллоне на 0,6-0,7 МПа, что может привести к его разрушению. Поэтому в баллонах предусматривается паровая подушка объемом не менее 10% полезной емкости.

Промышленность выпускает СНГ для автомобилей двух марок:

•СПБТЗ - смесь пропана и бутана техническая зимняя;

•СПБТЛ - смесь пропана и бутана техническая летняя.

В состав СНГ добавляют специальные вещества (одоранты), имеющие сильный запах, т.к. СНГ не имеет ни цвета не запаха, и обнаружить их утечку сложно. Для этой цели используют этилмеркаптан C2H4SH, имеющий резкий неприятный запах.

Эксплуатационные свойства автомобилей с газовыми двигателями, работающими на СНГ, в сравнении с автомобилями, работающими на бензине, оцениваются следующим образом:

•пусковые качества до -5 "С равноценны; при более низких температурах запуск холодного двигателя затруднен;

•повышается мощность и улучшается топливная экономичность двигателей;

•снижается токсичность отработавших газов

•периодичность смены масла увеличивается в 2,0-2,5 раза;

•межремонтный ресурс двигателя увеличивается в 1,4-2,0 раза;

•трудоемкость ТО и ТР возрастает на 3-5%.

Сейчас выпускаются газобаллонные автомобили 2-х типов: с двигателями предназначенными для работы на СНГ и имеющими систему питания для кратковременной работы на бензине; с универсальными двигателями, работающими как на СНГ, так и на бензине (мощность снижается примерно на 10%).

Сжатые газы. Основные компоненты - метан СН4, окись углерода СО2 и водород Н2. Получают из горючих газов -природных, попутных нефтяных, коксовых и др. Их называют сжатыми природными газами или СПГ. Содержание метана в СПГ составляет 40- 82%.

Газобаллонные установки для СПГ рассчитаны на работу при давлении 19,6 МПА. Баллоны для СПГ изготавливаются толстостенными и имеют большую массу. Так, батарея из 8 50-литровых баллонов весит более 0,5 т. Следовательно, существенно снижается грузоподъемность автомобиля. Кроме того пробег автомобиля на одной заправке при работе на СПГ в 2 раза меньше, чем на бензине.

Преимущества СПГ перед бензинами:

•повышается срок службы моторного масла в 2,0-3,0 раза;

•увеличивается ресурс двигателя на 35-40% вследствие отсутствия нагара на деталях цилиндро-поршневой группы;

•увеличивается на 40% срок службы свечей зажигания;

•на 90% снижается выброс вредных веществ, особенно СО2.

Недостатки СПГ:

•цена автомобиля возрастает примерно на 27%;

•трудоемкость ТО и ТР возрастает на 7-8;

•мощность двигателя снижается на 18-20%, время разгона увеличивается на 24-30%, максимальная скорость уменьшается на 5-6%, максимальные углы преодолеваемых подъемов уменьшаются на 30-40%,

•дальность поездки на одной заправке не превышает 200-250 км;

•грузоподъемность автомобиля снижается 9-14%.

С учетом + и - автомобилей на СПГ, определена область их рационального использования - перевозки в крупных городах и прилегающих к ним районах.

3. Перспективы развития

Происходившее в последние годы удорожание нефти и природного газа на мировых рынках, а также усилия США и Евросоюза, направленные на ослабление зависимости от нефти и ее поставок из политически нестабильных регионов, ускоряли производство заменителей автомобильного топлива: биодизельного горючего, биогаза и биоэтанола. Благодаря использованию горючего, получаемого из сельхозсырья и органических отходов, доля минерального топлива в топливном балансе в предстоящие годы должна была существенно снизиться. Тем более, что в большинстве развитых стран уже действуют программы, предусматривающие серьезную государственную поддержку продуцентам этанола и биодизельного топлива.

И хотя спад производства и последовавшее за этим резкое падение цен на нефть должны повлиять на производство и потребление новых видов топлива, тем не менее дальнейшее развитие этой сферы энергетики неизбежно, в том числе и в России.

Дизельное топливо

Во-первых, коэффициент полезного действия стандартного дизельного двигателя заметно выше, чем, например, КПД типичного бензинового мотора (30-40% против 20-30%, а у дизеля с турбонаддувом и промежуточным охлаждением он вообще достигает 50%).

Во-вторых, данный тип горючего достаточно недорог в производстве, из-за чего продажа дизтоплива производится по демократичной, доступной цене. Естественно, это значительно повышает его привлекательность в глазах потребителей.

В-третьих, дизельное топливо отличается потрясающей универсальностью. Это его качество не понаслышке знакомо работникам сельского хозяйства и военным. И те, и другие эксплуатируют целый ряд самых разных специальных машин, совершенно спокойно заливая в их баки одно и то же горючее. С тем же успехом дизтопливо используется и в жилищно-коммунальной сфере (на нём работают генераторы и котлы), и во многих других отраслях.

Всё в порядке у этого горючего и с безопасностью в эксплуатации. Дизельное топливо нелетучее, поэтому риск его возгорания по сравнению всё с тем же бензином намного меньше (к тому же, в дизель-моторах, как известно, не используется система зажигания, что ещё больше снижает риск воспламенения). До сих пор этим несомненным преимуществом пользовались, в основном, военные - танки и многие другие наземные боевые машины работают на дизтопливе. Теперь же высокая безопасность данного вида горючего начинает понемногу привлекать и производителей легковых автомобилей. В последнее время они заметно увеличили количество выпускаемых машин на дизельном двигателе. В настоящее время практически все крупнейшие мировые автоконцерны предлагают минимум одну модель такого типа.