На большинстве легковых и грузовых автомобилей, а также на некоторых самолетах установлены поршневые двигатели внутреннего сгорания с принудительным зажиганием. По роду топлива эти двигатели разделяют на двигатели жидкого топлива и газовые, по способу заполнения цилиндра свежим зарядом — на четырехтактные и двухтактные.
Для превращения жидкого топлива в пары и смешения его с воздухом в двигателях внутреннего сгорания с принудительным зажиганием от искры, как правило, используют процесс карбюрации, который заключается в раздроблении жидкого топлива на мелкие капли, интенсивном перемешивании с воздухом и испарении. Прибор, в котором совершается этот процесс, называют карбюратором. В авиационных поршневых двигателях процесс приготовления топливной смеси производят как с применением карбюраторов, так и при непосредственном впрыске.
Основным (базовым) компонентом топлив для автомобиль ных двигателей с зажиганием от искры долгое время был бензин прямой перегонки нефти. Этот продукт ввиду его низких эксплуатационных качеств повсеместно заменяется бензинами каталитического риформинга и крекинга. Кроме них в состав автомобильных бензинов включают алкилаты, продукты изомеризации легких бензиновых фракций, бензиновые фракции висбрекинга, термического крекинга и коксования, рафинаты от экстракционного выделения бензола и толуола, гидрооблагороженные пиролизные бензины, бутан, бутан-бутиленовую фракцию. Для улучшения свойств и увеличения ресурсов в состав автомобильных бензинов во все возрастающих количествах вводят кислородсодержащие соединения — метиловый и втор-бутиловый спирты, метил-трет-бутиловый и метил-трет-амиловый эфиры (МТБЭ и МТАЭ).
В качестве топлива для автомобильных карбюраторных двигателей в последнее время применяют сжатый или сжиженныА природный газ, сжиженную пропан-бутановую смесь.
В СНГ выпускают автомобильные бензины А-76 (цифры — минимально допустимое октановое число по моторному методу), АИ-93, АИ-95, АИ-98 (цифры — октановое число по исследовательскому методу).
В качестве базовых компонентов авиационных бензинов используют бензины каталитического крекинга, в некоторых случаях—катализаты риформинга. Для улучшения эксплуатационных спойстн добавляют алкилат, толуол, антидетонационные и антиокислительные присадки. Выпускают авиационные бензины марок Б-95/130, Б-91/115, Б-70 (в числителе — октановое число, в знаменателе — сортность на богатой смеси).
Эксплуатационные характеристики бензинов должны обеспечивать нормальную работу двигателей в различных режимах. Основными показателями качества автомобильных топлив являются детонационная стойкость, фракционный состав, химическая и физическая стабильность, содержание серы. Авиационные бензины помимо этого характеризуются температурой кристаллизации, содержанием смолистых веществ, теплотой сгорания.
Детонационная стойкость. Детонацией называют особый режим сгорания топлива в двигателе. Она появляется в тех случаях, когда после воспламенения топливно-воздушной смеси сгорает только часть топлива. Остаток (до 20%) топливного заряда мгновенно самовоспламеняется; при этом скорость распространения пламени достигает 1500—2500 м/с вместо 20— 30 м/с, а давление нарастает скачками. Резкий перепад давления приводит к образованию детонационной волны, которая ударяется о стенки цилиндра двигателя. Характерные признаки детонации: металлический стук, вызываемый многократным отражением детонационных волн от стенок цилиндра, появление в выхлопных газах клубов черного дыма, резкое повышение температуры стенок цилиндра. Детонационное сгорание топлива принодит к повышению удельного расхода топлива, уменьшению мощности и перегреву двигателя, прогару поршней и выхлопных клапанов, а в конечном счете — к быстрому выводу двигателя из строя.
Явление детонации объясняется особенностями реакций сгорания и окисления углеводородов топлива. Во время всасывания и сжатия углеводороды топлива начинают вступать в реакцию окисления с кислородом воздуха, образуя пероксиды. Пероксиды распадаются с выделением свободных радикалов, которые реагируют с новыми молекулами углеводородов. Реакция приобретает цепной характер. После того как рабочая смесь воспламенится от искры, реакции окисления еще больше ускоряются, поскольку увеличиваются температура и давление. В несгоревшей части смеси возрастает концентрация пероксидов н других активных частиц. Если достигается некоторая предельная концентрация этих частиц, то они реагируют со скоростью взрыва, несгоревшая часть топлива мгновенно самовоспламеняется и происходит детонационное сгорание.
Чем больше скорость образования пероксидов в данной топливно-воздушной смеси, тем скорее будет достигнута предельная концентрация и возникнет взрывное сгорание, тем раньше нормальное распространение пламени перейдет в детонационное. Склонность к окислению углеводородов различного строения неодинакова, поэтому самым важным фактором, влияющим на возникновение и интенсивность детонации, является химический состав топлива: чем больше, в топливе углеводородов, образующих в условиях предпламенного окисления значительное количество пероксидов, тем быстрее смесь насытится активными частицами, тем скорее появится детонация.
Помимо химического состава детонации способствуют некоторые особенности конструкции двигателя и условий его эксплуатации. Увеличение степени сжатия, т. е. отношения полного объема цилиндра двигателя к объему камеры сгорания, приводит к росту рабочих температур и давления в двигателе, а это в свою очередь способствует детонации.
Детонационная стойкость (ДС) углеводородов и топлив характеризуется октановым числом. Это условная единица измерения ДС, численно равная процентному (по объему) содержанию изооктана (2,2,4-триметилпентана) в его смеси с гептаном, эквивалентной по ДС испытуемому топливу в стандартных условиях испытания. Для изооктана ДС принята равной 100, а для гептана — 0. Если, например, испытуемый бензин по своей ДС оказался при испытаниях эквивалентным смеси из 80 % изооктана и 20 °/о гептана, то октановое число этого топлива равно 80.
Существует несколько методов определения октановых чисел, которые отличаются режимом испытания. Широкое распространение получили моторный и исследовательский методы. Разницу и октановых числах, определенных исследовательским и моторным методами, называют чувствительностью топлива.
Моторный метод лучше характеризует антидетонационные свойства бензинов при форсированном режиме работы двигателя. Исследовательский метод более точно описывает свойства топлива при его использовании в условиях города (движение с небольшими скоростями, частыми остановками).
ДС бензинов, октановое число которых превышает 100, ранее определялась температурным методом, основанным на измерении температуры стенки Цилиндра. Температура стенки повышается тем сильнее, чем больше детонация. В настоящее время ДС этих бензинов определяют исследовательским методом, но за эталон принимают изооктан, к которому добавлена антидетонационная присадка — тетраэтилсвинец (ТЭС).
Окончательную оценку ДС бензинов проводят посредством дорожных испытаний, при которых определяют так называемое дорожное октановое число.
В качестве дополнительной характеристики ДС авиационных бензинов служит показатель сортности. С о р тн о ст ь —это характеристика, показывающая величину мощности двигателя (в %) при работе на испытуемом топливе по сравнению с мощностью, полученной на эталонном изооктане, сортность которого принимается за 100.
Детонационная стойкость карбюраторных топлив повышается введением специальных антидетонационных присадок. Показатель эффективности введения ТЭС называют приемистостью. Она характеризует число единиц, на которое повышается октановое число топлива или углеводорода при добавлении определенного количества ТЭС.
ДС индивидуальных углеводородов зависит от их химического строения.
1. Алканы нормального строения с числом углеродных атомов до 4 имеют высокие октановые числа (от 80 до 100); пентан и высшие углеводороды этого класса характеризуются весьма низкой ДС. Чувствительность алканов нормального строения также невелика, однако они обладают высокой при емистостью к ТЭС. Низкая детонационная стойкость этих углеводородов объясняется тем, что они очень легко окисляются с образованием пероксидов в условиях предпламенного окисления.
2 Разветвленные алканы обладают более высокой ДС, чем углеводороды нормального строения. Наибольшие сжтаиоиые числа имеют изомеры с парными метальными группами у одного углеродного атома (неогексан, триптан, эталонный изооктан). Чувствительность разветвленных алканон невысока, приемистость к ТЭС хорошая.
3. Октановое число алкенов выше, чем соответствующих алканов. Приближение двойной связи к центру молекулы способствует увеличению октанового числа, а алкены с разветвленной цепью обладают более высоким октановым числом, чем алкены нормального строения. Приемистость к ТЭС мала. По-видимому, пероксиды алкенов неустойчивы и легко распадаются даже в отсутствие антидетонационной присадки.
4. Арены бензольного ряда характеризуются высокими октановыми числами («100) и сортностью (выше 200). При
емистость к ТЭС мала, что объясняется незначительным образованием пероксидов в период предпламенного окисления.
Чувствительность этих углеводородов весьма высока.
5. Низшие представители ряда циклоалканов (циклопентан, циклогексан) обладают неплохой ДС и высокой приемистостью к ТЭС. Циклоалканы с боковыми цепями нормального строения имеют низкие октановые числа, причем с удлинением
цепи ДС значительно снижается. Разветвление боковых цепей и увеличение их числа способствует повышению октанового
числа.
Октановое число метил-трет-бутилового эфира составляет: по моторному методу—101, по исследовательскому—117.
Октановые числа, сортность, чувствительность, приемистость к ТЭС товарных бензинов определяются химическим строением компонентов, из которых они состоят.
Фракционный состав. От фракционного состава карбюраторных топлив зависят условия пуска, длительность прогрева, износостойкость двигателя; полнота сгорания топлива. Основными показателями фракционного состава являются температуры перегонки 10, 50 и 90 % бензина, а также конца кипения бензина.
Температура перегонки 10 % бензина характеризует пусковые свойства топлива. Температура перегонки 50 % бензина влияет на скорость прогрева двигателя, качество образования воздушно-топливной смеси в нагретом двигателе, быстроту перехода двигателя с одного режима работы на другой, равномерность распределения топлива по цилиндрам многоцилиндрового двигателя. Полнота сгорания топлива определяется температурой перегонки 90 % бензина и концом .его кипения.
Условия эксплуатации автомобильных двигателей в осенне-зимний и летний периоды различны, и поэтому современными нормами установлены сезонные требования по фракционному составу. Бензины, предназначенные для применения в летних условиях, имеют более низкое давление паров. Чтобы обеспечить необходимые пусковые свойства товарного бензина, в его состав включают до 30 % легких компонентов (прямогонной фракции и. к. — 62 °С или н. к. — 70 °С, изомеризата, алкилата, МТБЭ). Требуемое давление насыщенных паров обеспечивается добавлением бутана. В летних бензинах обычно содержится 2—3 % бутана, в зимних — до 5—8 %.
Химическая стабильность. В процессе хранения, транспортирования и применения карбюраторных топлив возможны изменения в их химическом составе, вызываемые в первую очередь реакциями окисления и полимеризации. Химическую стабильность автомобильных бензинов характеризуют длительностью индукционного периода, определяемой в стандартных условиях,, и содержанием смол. Для оценки химической стабильности авиационных бензинов используют показатели содержания смол и периода стабильности.
Высокой химической стабильностью обладают компоненты,, не содержащие алкенов — прямогонные бензины, бензины каталитического риформинга, алкилаты и изомеризаты. В бензинах коксования, термического и каталитического крекинга, напротив, в заметных количествах содержатся алкены; при хранении и транспортировании эти компоненты товарного бензина легко окисляются с образованием смол. Для повышения химической стабильности к топливам, содержащим компоненты вторичного происхождения, добавляют антиокислительные присадки: n-оксидифениламин, ионол (2,6-ди-трет-бутил-п-крезол), антиокислитель ФЧ-16, древесно-смоляной антиокислитель.
Содержание серы. Активные сернистые соединения (сероводород, низшие меркаптаны) вызывают сильную коррозию топливной системы и транспортных емкостей; бензин должен быть полностью очищен от этих веществ. Полнота очистки контролируется анализом на медной пластинке. Неактивные сернистые соединения (тиофены, тетрагидротиофены, сульфиды, дисульфиды, высшие меркаптаны) коррозии не вызывают; однако при их сгорании образуются оксиды серы (SO2, SO3), под действием которых происходит быстрый коррозионный износ деталей двигателя, снижаются мощностные показатели. Для снижения содержания серы в карбюраторных топливах применяют различные методы очистки.