Химмотология топлива для двигателей внутреннего сгорания

Основная задача двигателя, установленного в автомобиль или другую машину, состоит в том, чтобы преобразовать тепловую энергию, образующуюся при сгорании топлива, в полезную механическую работу.

Горение топлива в двигателе представляет собой сложный физико-химический процесс, в основе которого лежат химические реакции соединения водорода и углерода топлива с кислородом воздуха. Водород топлива, соединяясь с кислородом воздуха, образует пары воды H₂O, а углерод топлива, соединяясь с кислородом воздуха, образует при полном сгорании углекислый газ CO₂, а при неполном сгорании (при недостаточном количестве воздуха в топливо-воздушной смеси) - угарный газ СО.

Количество тепла, выделяемого при полном сгорании топлива, зависит от химического состава топлива (от количества содержащихся в нем углерода С и водорода Н), а также от структуры молекул углеводородов СН. Теплота сгорания каждого килограмма жидкого углеводородного топлива может быть в пределах 9600—10700 килокалорий (килокалорией называют количество тепла, необходимое для нагревания 1 кг воды на 1°C).

Чем больше теплота сгорания топлива, тем меньше его расходует двигатель для совершения той же работы. Однако это не значит, что в любом двигателе можно, меняя состав топлива, добиваться желаемых высоких показателей эффективности. Дело в том, что топливо, способное выделять при сгорании больше тепла, требует для своего горения больше воздуха, а каждый двигатель устроен таким образом, что может потреблять ровно столько воздуха, сколько предусматривает его конструкция. Поэтому воздуха чаще всего не хватает, и сгорание оказывается неполным. При этом в продуктах сгорания, кроме «положенных» углекислого газа и воды, появляются свободный водород, уже упоминавшаяся окись углерода СО, несгоревшие углеводороды СхНу, а иногда и частицы свободного углерода.



Каким же должно быть моторное топливо?

В принципе, это может быть любое легковоспламеняющееся вещество в жидкой или газообразной фазе, хорошо смешивающееся с воздухом и отвечающее следующим требованиям: по возможности полное сгорание с максимальным выделением тепла; минимальное образование токсичных и коррозийно-активных веществ; удобство хранения и транспортирования; применяемость в различных климатических условиях: нетоксичность; невысокая стоимость.

Веществ с подобными свойствами в практике известно немало. Однако даже лучшему из них в смысле экологии – водороду (выхлопной газ – водяной пар) присущи недостатки: неудобство транспортирования и хранения, взрывоопасность в смеси с воздухом и низкая антидетонационная стойкость. Хорошие смеси с воздухом образуют многие спирты и органические растворители, но они вызывают повышенную коррозию деталей двигателя. Сжиженный газ имеет невысокую стоимость, малотоксичен, удобен при транспортировании и хранении, однако требует переоборудования бензинового двигателя.

Поэтому пока лучшими видами топлива для обычных двигателей внутреннего сгорания остаются традиционные продукты: бензины и дизельное топливо. Эта тенденция, очевидно, сохранится и в первой трети нынешнего тысячелетия. Затем, по прогнозам ученых, запасы нефти на Земле истощатся. Ведь они не бесконечны, а сейчас за одни сутки сжигается столько, сколько природа с помощью солнечной энергии способна восстановить лишь за 1000 лет. Кроме того, огромное количество нефти и нефтепродуктов теряется во время транспортирования. Только в «благополучное» Средиземное море из аварийных танкеров ежегодно выливается около миллиона тонн нефти, каждая капля которой образует на поверхности воды пленку диаметром 30 см. Однако нефть будут добывать и сжигать до тех пор, пока она не исчезнет полностью.

Автомобильные бензины

Автомобильные бензины представляют собой наиболее многочисленную группу моторного топлива. Они отличаются друг от друга и маркируются по величинам октановых чисел.

Октановое число характеризует способность бензина сгорать в двигателе внутреннего сгорания без детонации, то есть его детонационную стойкость.

Не углубляясь в тонкости теории поршневых двигателей, напомним, что после подачи искры в камеру сгорания через 0,001 секунды возникает пламя, фронт которого распространяется со скоростью 20–40 м/с. Сзади фронта пламени остаются раскаленные продукты сгорания; расширяясь, они сжимают свежую топливо-воздушную смесь, еще находящуюся впереди этого фронта. Последние не сгоревшие участки смеси к моменту приближения к ним фронта пламени оказываются сжатыми до 30–80 кгс/см² и, вследствие сжатия, нагретыми до 300–700°C.

При таких температурах и давлениях в этих частях топливо-воздушной смеси энергично протекает процесс окисления углеводородов, в результате которого образуются легко взрывающиеся органические перекиси, при достаточно большом количестве которых горение топлива в камере имеет взрывной характер: у очага взрыва возникают ударные волны, которые с огромной скоростью, близкой к скорости звука, распространяются по камере сгорания. При этом происходит очень быстрое сгорание оставшейся свежей смеси, сопровождающееся многократными отражениями неуправляемых ударных волн от стенок цилиндра. Вот это явление и называется детонацией.

Для повышения детонационной стойкости в бензин вводят на предприятии-изготовителе различные вещества-антидетонаторы: метил-третбутиловый эфир, циклапентадиенилтри-карбонил марганца и др.

Каждая марка бензина выпускается как для летней, так и для зимней эксплуатации. Многие физико-химические показатели летних и зимних марок бензина одинаковы, разные у них только фракционные составы и давления насыщенных паров. Однако именно эти показатели являются определяющими при оценке возможности применения той или иной марки бензина в зависимости от температуры окружающей среды.

Так, например, легкость пуска двигателя зимой обеспечивается за счет наличия в бензине низкокипящих фракций, которые образуют с воздухом смесь, воспламеняющуюся от искры свечи зажигания при холодном двигателе. А вот в летнем бензине таких фракций должно быть меньше, чтобы в двигателе и топливной системе не образовывались паровые пробки, нарушающие нормальную подачу топлива в камеры сгорания.

Присутствие в бензине даже в небольших количествах воды или ее паров значительно сокращает сроки хранения и ухудшает качество топлива.

Изменение фракционного состава бензина - тонкое, требующее профессиональных знаний и соответствующего оборудования, а также систематического квалифицированного контроля качества готового продукта в лабораторных условиях.

Вместе с тем определенного повышения уровня и эксплуатационных свойств бензина можно добиться легированием базового топлива при помощи присадок, то есть специально для данного топлива подобранных и тщательно испытанных химических веществ, способных изменить физико-химические показатели топлива. Присадки добавляются в товарные нефтепродукты только в условиях нефтеперерабатывающих предприятий, поэтому их не следует путать с веществами, добавляемыми в условиях эксплуатации - это что угодно, только не присадки.

Что же побудило изготовителей топлива заниматься столь хлопотным и тонким делом, как создание и применение присадок? Прежде всего, их подталкивает к этому постоянный прогресс в технологии моторостроения и последовательное стремление конструкторов к оптимизации показателей мощности, энергетики и функциональности двигателей.

Кроме того только наличие высокоэффективных топливных присадок дает возможность нефтяным компаниям производить различные виды моторного топлива, отвечающие требованиям современных двигателей - мощных, быстроходных и экологически «чистых».

Специалистам хорошо известно, что в нефтяном топливе всегда присутствуют так называемые фактические смолы - темно-коричневые растворенные или полужидкие вещества с плотностью около 1 г/л. Смолы - высокомолекулярные продукты, поэтому они не испаряются, а накапливаются на горячих стенках трубопроводов и забивают жиклеры, форсунки и другие калиброванные тонкие отверстия в деталях топливной аппаратуры, препятствуя их нормальной работе.

Еще хуже то, что при попадании смол вместе с бензином в камеры сгорания в критических высокотемпературных зонах (клапаны, днище поршня, стенки камеры сгорания и т.п.) эти смолы уплотняются и частично выгорают, образуя хрупкие и твердые углеродистые отложения - нагары.

При эксплуатации двигателя, «зараженного» нагаром, могут возникать различные сопутствующие «заболевания», например: снижение ходовых качеств, особенно при подаче «газа»; повышенный расход топлива; увеличение токсичности выхлопных газов и т.п.

В экстремальных случаях нагар на клапанах может помешать их закрытию, что, в свою очередь, может привести к прогоранию клапанов и очень серьезным повреждениям двигателя.

Специалисты не без оснований утверждают, что серьезное заболевание лучше постараться предупредить, чем рассчитывать на эффективные лекарства при лечении этого заболевания в последующем. Так и с нагаром. Не следует ждать вскрытия двигателя, чтобы избавиться от нагара. Лучше попытаться обеспечить двигателю более благоприятный режим эксплуатации, позаботиться о хорошем топливе, в том числе путем стабилизации его при помощи определенных химических веществ.

Чтобы при этом не навредить, нужно хоть немного ориентироваться, какие присадки уже введены в топливо на заводе и какую роль каждая из них выполняет.

Применение присадок улучшает свойства топлива, уменьшает токсичность выхлопных газов. Экономятся также значительные средства на ремонтах двигателей. Однако резервы промышленных присадок не безграничны - ведь при концентрации от 0,03 до 0,3 % (а именно таковы концентрации промышленных присадок в топливе) чуда ожидать не приходится. Увеличение концентрации нецелесообразно ни экономически, ни технически.

Поэтому рано или поздно перед владельцем автомобиля неминуемо встанет вопрос: как помочь двигателю, который работает в трудных условиях эксплуатации, послужить подольше?

Сам по себе этот вопрос содержит тайную надежду на то, что кто-то очень умный, вопреки всем законам физики и химии, придумал-таки для двигателя «эликсир вечной молодости», который можно добавить в моторное топливо один раз и после этого быть уверенным, что внутри двигателя все сверкает чистотой, а выхлоп пахнет фиалками. Возможно, такая надежда - это результат чтения сказок, в которых все хорошо кончается, даже если главный герой - дурак.

В реальной жизни все намного сложнее, чем в сказках. Ни вечного двигателя, ни эликсира вечной молодости нет и не может быть. Тем не менее во всех развитых странах растут производство и потребление композиционных топлив, содержащих промышленные присадки, а наш рынок буквально завален многочисленными средствами «подкапотной химии», зачастую сомнительного происхождения и качества, при помощи которых отечественные энтузиасты, не надеясь более на решительные меры со стороны государства, направленные на улучшение качества моторного топлива, рассчитывают кто повысить октановое число бензина, кто освободить дизтопливо от парафинов, кто уменьшить «жесткость» работы двигателя.

В данном случае следует иметь в виду, что получить бензин высокого качества из ранее испорченного продукта практически невозможно. Можно лишь немного скорректировать его отдельные показатели, а затем быстро избавиться от такого топлива.

Дизельное топливо

Дизельное топливо, как и бензины, должно выпускаться зимних и летних марок, отличающихся друг от друга фракционным составом. Раньше так и было, но в последние годы деление дизтоплива на летние и зимние сохранилось в нашем государстве только в старых справочниках. Вместе с тем холодное и теплое время года исправно сменяют друг друга, а автомобилисты все также мучаются с двигателями, упорно не желающими нормально работать на ненормальном топливе. Особенно тяжело приходится зимой, когда в топливе происходит выпадение парафинов, закупоривающих топливные фильтры и топливопроводы.

Для того чтобы четко представлять, какие методы и средства следует избрать для борьбы с этим злом, нужно иметь в виду, что само по себе присутствие парафинов в дизельном топливе очень желательно, так как именно они повышают воспламеняемость дизтоплива, то есть цетановое число.

Вместе с тем даже малого (0,5–2 %) количества воскообразных парафинов достаточно, чтобы топливо застыло в холодную погоду.

Для многих владельцев дизельных двигателей цетановое число – понятие абстрактное и гораздо менее известное, чем октановое число для бензинов. Между тем этот показатель для дизельного двигателя имеет весьма важное значение, поскольку именно цетановое число влияет на КПД двигателя, а также на токсичность выбросов.

Поэтому нефтехимикам все время приходится балансировать между цетановым числом и содержанием парафинов в топливе. При этом в международной практике контролируются три состояния топлива: точка помутнения, точка застывания и точка холодной закупорки фильтра.

Во избежание неприятностей зимой в Германии, например, норма для зимнего дизельного топлива установлена при температуре холодной закупорки фильтра —22°C. У нас же различными способами пытаются из летнего топлива получить зимнее: добавляют в дизтопливо низкооктановый бензин или керосин, в результате чего снижается не только цетановое число, но и вязкость смеси, что приводит к повышенному износу прецизионных пар топливной аппаратуры, более жесткой работе двигателя и понижению класса пожароопасности топлива.

В лучшем случае в топливо добавляют химические вещества-депрессоры, при помощи которых частично решается проблема улучшения низкотемпературных свойств топлива. Даже не анализируя все аспекты топливной проблемы, можно с полной уверенностью утверждать, что невозможно добиться эффективной работы двигателя, воздействуя лишь на топливо или лишь на двигатель. На самом деле двигатель, топливо и смазывающие материалы представляют собой единый динамичный конгломерат, от сбалансированности которого зависит нормальная работа машины.

К физико-химическим относятся свойства, определяющие состояние топлива и их состав. Это – плотность, вязкость, теплоемкость, теплопроводность, поверхностное натяжение, электрическая проводимость, диэлектрическая проницаемость, элементный, фракционный и химический составы и др.

В группе эксплуатационных свойств сосредоточены те свойства, которые обеспечивают надежность и экономичность эксплуатации двигателей, машин и механизмов. Сюда же включают свойства, которые проявляются в процессах хранения и транспортирования, а также свойства, обусловливающие экологические особенности применения нефтепродуктов.

Рассмотрим более подробно понятие «уровень качества топлива», которое имеет особое значение. Многие требования к качеству топлива и смазочных материалов тесно связаны между собой. Поэтому количественное выражение этих требований имеет определенный оптимум. Под уровнем качества топлива и смазочных материалов следует понимать количественную оценку степени удовлетворения требований потребителя. Под оптимальным уровнем качества продукции следует иметь в виду такой уровень, при котором максимально удовлетворяются требования потребителя при минимальных затратах на их производство и потребление.

Оптимальный уровень находят не только для совокупности всех свойств, входящих в понятие «качество топлива», но и для каждого свойства в отдельности. При этом уровень качества продукта будет зависеть от уровня каждого свойства и значимости последнего в общем понятии качества.

Необходимо отметить, что не все свойства равноценны при оценке уровня качества нефтепродукта. Наиболее важный показатель часто используют при маркировке. Например, основное эксплуатационное свойство бензинов – детонационная стойкость, и оно нашло отражение в марках бензинов в виде цифр, характеризующих октановое число. Для дизельного же топлива более важны низкотемпературные свойства, поэтому в зависимости от температуры застывания его называют летним, зимним или арктическим. Уровень основных свойств топлив является сложной функцией и формируется с учетом следующих четырех факторов:

• 1) требований потребителей;
• 2) технических возможностей и затрат в нефтеперерабатывающей промышленности;
• 3) экономического эффекта от использования топлива;
• 4) взаимного влияния отдельных свойств, входящих в понятие качество топлива.

Первые два фактора просты в оценке, их давно используют в практике. Во многих случаях они определяют качество топлива, вырабатываемых в настоящее время. Наибольшего внимания и развития в ближайшее время требуют исследования и расчеты по третьему и четвертому факторам.

(Исходник текста доступен на портале: VWmanual)

Для повышения уровня качества топлива, как правило, необходимо затратить какие-то средства. Эти средства вкладываются в новую технологию, в разработку и введение в эксплуатацию новых присадок, или в другие мероприятия. Но, естественно, что все эти затраты должны окупиться в дальнейшем при эксплуатации техники, использующей топливо или смазочные материалы с более высоким уровнем качества, т. е. должны увеличиваться сроки службы техники до капитального ремонта, либо уменьшаться расход запасных частей или расход новых видов топлива и смазочных материалов, либо улучшаться другие показатели. Народное хозяйство в целом должно иметь экономический эффект от перехода на производство и применение нефтепродуктов с более высоким уровнем качества.

Правильное и своевременное определение оптимального уровня качества продуктов нефтепереработки на фоне непрерывного роста их потребления приобретает важное экономическое значение. Использование нефтепродуктов с большим запасом качества, чем это требуется для данного двигателя, приводит к нерациональным их расходам. В то же время, применение топлива и смазочных материалов, не отвечающих требованиям эксплуатации, снижает надежность техники. Даже незначительные неточности в определении оптимальных значений показателей качества могут повлечь за собой огромные убытки.

Каждое свойство топлива и смазочных материалов можно охарактеризовать количественно каким-либо абсолютным либо относительным показателем. Многие физические параметры определяются в абсолютных показателях. При относительной оценке сопоставляют значение данного показателя качества нефтепродукта с показателем эталона. Так, октановое число бензина – это относительная оценка его детонационной стойкости, а за эталоны приняты изооктан и гептан.

Для оценки качества продукции стандартом определены три группы количественных показателей: единичные, комплексные и интегральные. По единичному показателю оценивают одно свойство изделия, а комплексные характеризуют изделие с разных, но взаимосвязанных сторон и включают несколько единичных показателей. Интегральный показатель качества отражает соотношение суммарного полезного эффекта от эксплуатации или потребления продукции и суммарных затрат на ее создание и эксплуатацию или потребление. Интегральный показатель по существу характеризует оптимальный уровень качества нефтепродукта.