Бензин как горючая жидкость для двигателя внутреннего сгорания

Бензин представляет собой прозрачную горючую жидкость, которая преимущественно используется в двигателях внутреннего сгорания. Бензин состоит из органических соединений получаемых при фракционной перегонке нефти и усиленный присадками.

Качество бензина

Качество бензина является достаточно растяжимым понятием, так как оно зависит от огромного количества факторов. Необходимо начать с того, что для обычного водителя понятие «качество топлива» используется только для оценки работы двигателя внутреннего сгорания какой-либо техники. В нашем случае это легковые автомобили.

Сама оценка качества топлива регулируется стандартами, установленными различными государственными органами стран в которых производится топливо. Причем в разных регионах эти стандарты могут значительно отличаться. На территории Российской Федерации таким стандартом является ГОСТ 2084-77, но это не является важным. Многие водители оценивают качество топлива по работе и производительности двигателя легкового автомобиля. Стоит заметить тот факт, что при разработке двигателя внутреннего сгорания учитываются огромное количество факторов и характеристики топлива занимают там не последнюю, а одну из самых важных позиций.  Если двигатель произведен в Германии, то он рассчитан под топливо производимое по стандартам этой страны. В случае производства двигателя в РФ или для эксплуатации на ее территории, то и расчет двигателя будет соответствовать стандартам топлива для этой страны.

Плюс необходимо понимать, что качество топлива зависит от месторождения нефти и нефтеперерабатывающего завода на котором производится топливо. Из разных нефтяных скважин добывается нефть с разными примесями и органическими соединениями. Что касается нефтеперерабатывающих заводов, то на этом этапе все зависит от качества оборудования. Под качеством оборудования имеется ввиду способность очищать сырую нефть от примесей. Так же не стоит забывать и про присадки, которыми добиваются необходимых свойств бензина.

Состав и получение бензина

Производство бензина является промежуточным этапом между добычей сырой нефти и конечным пользователем в лице владельца транспортного средства. На данном этапе формируется состав и характеристики бензина как конечного продукта для пользователя.

Товарный бензин представляет собой смесь большого количества различных углеводородов. Он производится на нефтеперерабатывающих заводах с использованием специализированного оборудования. Его состав может меняться в зависимости от вышеперечисленных условий и сезона эксплуатации. В зимний период смесь делают более летучей за счет добавления бутана, чтобы двигатель лучше заводился при низкой температуре.

На нефтеперерабатывающих заводах бензин получают путем фракционной перегонки сырой нефти. В результате проводимых операций получается сырой, или как его еще называют прямогонный бензин. Он не пригоден для использования в современных двигателях внутреннего сгорания из-за низкого октанового числа, но является основной составляющей частью. Из одного барреля (около 160 л) сырой нефти получается около 72 литров прямогонного бензина. Основная часть типичного бензина состоит из гомогенной смеси небольших относительно легких углеводородов содержащих от 4 до 12 атомов углерода на молекулу. К таким углеводородам относятся алканы (парафины), алкены (олефины) и циклоалканы (нафтены). В конечном счете после всех проводимых операций бензин как горючая жидкость для двигателя внутреннего сгорания состоит из:

• прямогонного бензина;
• продуктов риформинга;
• нафты каталитического крекинга;
• гидрокракатов;
• алкилатов;
• изомеризата;
• бутана;

Прямогонный бензин является составной частью конечного продукта. В процентном соотношении на его долю приходится от 5% до 20%.  Из-за низкого октанового числа прямогонный бензин улучшают методами риформинга и изомерации.

Продукты риформинга, которые производятся в установке каталитического риформинга, имеют высокое октановое число с высоким содержанием ароматических соединений и относительно низким содержанием олефинов.

Нафта каталитического крекинга, производимая с помощью установки каталитического крекинга, имеет умеренное октановое число, высокое содержание олефинов и умеренное содержание ароматических соединений.

Гидрокракат в свою очередь производится с помощью установки гидрокрекинга и имеет октановое число от среднего до низкого значения и умеренные уровни ароматичных элементов.

Алкилаты получают в установке алкилирования с использованием изобутана и олефинов в качестве сырья. Готовый алкилат не содержит ароматических углеводородов и олефинов, но имеет высокое значение моторного октанового числа.

Изомеризаты получают путем изомеризации низкооктанового прямогонного бензина в изопарафины, которые представляют собой нецепочечные алканы, такие как изооктан. Изомеризат имеет средние показатели октанового числа, но не имеет ароматических углеводородов или олефинов.

Бутан обычно добавляется в бензиновый бассейн для увеличения летучести, но ограничен спецификацией стандартизации.

Бензин может содержать и другие органические соединения. В пример можно привести органические эфиры и небольшие количества сероорганических соединений, которые должны были быть удалены нефтеперерабатывающими заводами.

Характеристики бензина

К характеристикам бензина относится огромное количество параметров, но их можно объединить в 3 основных:

• Плотность;
• Стабильность;
• Количество энергии;

Плотность бензина варьируется в пределах от 0.71 г/см³ до 0.77 г/см³ в зависимости от содержания ароматических соединений и других примесей. Чем выше значение плотности, тем выше таких соединений содержит горючее топливо. За стандартное значение плотности бензина принято считать цифру 0.75 г/см³. От этого значения характеристики бензина фактически зависит его цена и качество.  Так как плотность бензина ниже плотности воды при их смешивании он будет плавать на его поверхности. Эта информация важна особенно при возникновении пожара, так как в таком случае тушение его водой будет неэффективным.

Стабильность бензина является очень важной характеристикой. Так как бензин представляет собой смесь, а не единое соединение, с течением времени он начинает разрушаться на химическом уровне. То есть более летучие элементы бензина начинают отделяться от общей смеси и в конечном итоге он теряет свои свойства. Качественный бензин должен сохранять стабильность в течение минимум 6 месяцев.

Бензин, хранившийся в течение года, скорее всего, должен сгореть в двигателе внутреннего сгорания без особых проблем, но последствия длительного хранения будут становиться все более заметными с каждым месяцем, пока не наступит время, когда бензин будет необходимо разбавить свежим топливом, чтобы не возникло проблем. Если бензин оставить неразбавленным, произойдет нарушение работы в числе которых может быть даже повреждение двигателя из-за пропусков зажигания или недостаточной воспламеняемости топлива при впрыске. Особенно это касается автомобилей с доворотом зажигания с помощью бортового компьютера, пытающегося компенсировать пропуски.

Бензин в идеале следует хранить в герметичном контейнере (для предотвращения окисления или смешивания с водяными парами), который может выдерживать давление паров бензина без вентиляции (для предотвращения потери более летучих фракций) при низких температурах. При неправильном хранении бензина так же могут образоваться смолы и твердые частицы, которые могут вызывать коррозию компонентов системы и накапливаться на влажных поверхностях. Бензин, содержащий этанол, особенно подвержен поглощению атмосферной влаги с последующим образованием смол, твердых веществ или двух фаз (углеводородная фаза, плавающая поверх водно-спиртовой фазы).

Количество энергии является так же очень важной характеристикой бензина. Двигатель внутреннего сгорания, работающий на бензине, получает энергию от сгорания различных углеводородов бензина с кислородом из окружающего воздуха поступающего через воздухозаборник, выделяя углекислый газ и воду в качестве выхлопных газов. При сгорании бензина, представительного вида, происходит следующая химическая реакция:

2 C₈H₁₈ + 25 O₂ → 16 CO₂ + 18 H₂O

По объему качественный бензин содержит около 33,6 мегаджоулей на литр, что указывает на нижнюю теплотворную способность. Смеси бензина различаются, поэтому фактическое энергосодержание варьируется в зависимости от сезона и производителя на 1,75% больше или меньше среднего.

Октановое число бензина

Октановое число бензина является свойством топлива, показывающим на сколько бензин способен сопротивляться самовоспламенению. Двигатели с искровым зажиганием предназначены для сжигания бензина в контролируемом процессе, называемом дефлаграцией. Однако несгоревшая смесь может самовоспламеняться только под действием давления и тепла, а не воспламеняться от свечи зажигания точно в нужное время, вызывая быстрое повышение давления, которое может повредить двигатель. Это часто называют детонацией двигателя или детонацией выхлопных газов. Детонацию можно уменьшить, увеличив сопротивление бензина самовоспламенению, которое выражается его октановым числом.

Октановое число измеряется по отношению к смеси триметилпентана и n-гептана. Существуют разные соглашения для расчета октанового числа, поэтому одно и то же физическое топливо может иметь несколько различных октановых чисел в зависимости от используемой системы расчета. Одним из наиболее известных систем расчета является расчет октанового числа по исследовательскому методу (RON).

Так же существуют методы повышения октанового числа, главным из которых является добавление присадок. В число таких присадок в 1920-х годов входил тетраэтилсвинец. Затем из-за значительных показаний загрязнения окружающей среды свинцом эту добавку запретили в конце 1990-х. Ему на смену пришел дибромэтан.

Токсичность бензина

Бензин сам по себе является достаточно токсичным веществом, который входит в список опасных веществ. В его составе могут находиться такие элементы как бензол, толуол, нафталин, триметилбензол, метил-трет-бутиловый эфир и еще множество других. Углеводороды в бензине обычно обладают низкой острой токсичностью, но антидетонационные присадки в большинстве случаев являются канцерогенными ядами. Физический контакт, проглатывание или вдыхание могут вызвать проблемы со здоровьем в виде аллергических реакций и даже повреждений органов.

Вопреки распространенному заблуждению, проглатывание бензина обычно не требует особой неотложной помощи, а вызывание рвоты не помогает, а может усугубить ситуацию. Лучше всего позвонить в скорую и следовать инструкциям врача. Что касается воспламеняемости, то как и другие углеводороды, бензин горит в ограниченном диапазоне паровой фазы, что в сочетании с его летучестью делает утечки очень опасными при наличии источников возгорания. Бензин имеет нижний предел взрываемости 1,4% по объему и верхний предел взрываемости 7,6%. Если концентрация ниже 1,4%, смесь воздух-бензин слишком бедная и не воспламеняется. Если концентрация выше 7,6%, смесь слишком богатая и также не воспламеняется. Однако пары бензина быстро смешиваются и распространяются с воздухом, в результате чего неограниченный бензин быстро воспламеняется.

Не следует так же забывать и про выхлопные газы. Выхлопные газы, выделяемые при сжигании бензина, наносят серьезный вред не только окружающей среде, но и здоровью людей. После попадания углекислого газа в организм человека он очень легко соединяется с гемоглобином в крови, а его сродство в 300 раз больше, чем сродство кислорода. Следовательно гемоглобин в легких соединяется не с кислородом, а с CO, вызывая гипоксию человеческого тела, головные боли, головокружение, рвоту и другие симптомы отравления. В тяжелых случаях это может привести даже к летальному исходу.