Топливо: виды, марки, основные показатели качества

В настоящее время в России находится в эксплуатации более 40 млн единиц автомобильного транспорта. Большая часть парка машин оснащена бензиновыми (карбюраторными или инжекторными) двигателями внутреннего сгорания.

Современный автомобильный бензин должен удовлетворять требованиям, обеспечивающим экологичную и надежную работу двигателя:

• 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 вредного воздействия на детали топливной системы, резервуары, резинотехнические изделия и т.п.

Автомобильный бензин — это легковоспламеняющаяся горючая жидкость, в состав которой входят углеводороды, выкипающие при температуре от 35 до 200 °С. Важнейшим свойством бензина является его способность в состоянии газообразной смеси воспламеняться и сгорать со скоростью распространения фронта пламени 25 — 35 м/с. В некоторых случаях процесс горения может приобрести взрывной, детонационный характер. Мгновенное сгорание рабочей смеси нежелательно, так как вызывает вибрацию и перегрев деталей двигателя, преждевременный их износ, снижение мощности.

Способность бензина противостоять взрывообразному горению называется детонационной стойкостью. Она оценивается октановым числом. Для любого бензина октановое число определяют путем подбора смеси из двух эталонных углеводородов: изооктана — октановое число 100, и нормального гептана с октановым числом, равным 0, которая по детонационным свойствам эквивалентна испытуемому бензину. Процентное содержание в этой смеси изооктана принимают за октановое число.

Одним из принципов классификации различных марок бензина является октановое число. Существуют два метода его определения: исследовательский (ОЧИ — октановое число по исследовательскому методу) и моторный (ОЧМ — октановое число по моторному методу). Моторный метод лучше характеризует антидетонационные свойства бензина в условиях форсированной работы двигателя и его высокой теплонапряженности, исследовательский — при эксплуатации двигателя в городе, когда работа его связана с относительно невысокими скоростями, частыми остановками и меньшей теплонапряженностью.

В России производятся автомобильные бензины пяти марок (ГОСТ 2084-77): А-72, А-76, АИ-91, АИ-93 и АИ-95. Буква «И» в маркировке указывает на применение исследовательского метода при определении октанового числа, цифры — октановое число. Бензин А-72 практически не вырабатывается из-за отсутствия техники, которая бы его потребляла. Наиболее велика в производстве доля бензина марок А-76, А-92, который вырабатывается по ТУ 38.001 165 — 97. Кроме перечисленных в ГОСТ 2084—77 в России производятся также автомобильные бензины марок А-80, А-96, АИ-98.

Для повышения детонационной стойкости (повышения октанового числа) в процессе компаундирования можно увеличить в бензине долю высокооктановых компонентов. Однако это весьма дорогостоящий способ, поэтому используют более дешевый — введение в состав бензина специальных химических соединений — антидетонаторов. Наиболее эффективным антидетонатором является тетраэтилсвинец (ТЭС) — вещество крайне ядовитое. Чтобы предупредить образование в двигателе нагара, тетраэтилсвинец вводят вместе с выносителем. В результате образуются летучие вещества, которые удаляются из двигателя с отработавшими газами. При этом соединения свинца попадают в атмосферу, почву, воду, отравляя их.

Смесь тетраэтилсвинца с выносителем называется этиловой жидкостью. Бензин, содержащий этиловую жидкость, называется этилированным. Чтобы предупредить отравление им, этилированный бензин окрашивают в различные цвета.

Тетраэтилсвинец в качестве основного компонента антидетонатора (АД-ТЭС) используется уже 80 лет. Однако затраты на санитарно-гигиенические мероприятия, связанные с применением АД-ТЭС, более чем в 10 раз превышают экономический эффект от его применения. В США, ФРГ, Франции, Японии, Швеции и ряде других стран ТЭС запрещен. В России его перестали выпускать в 2001 г., и его применение тоже практически запрещено.

В настоящее время этилированный бензин заменяется неэтилированным. Это связано с использованием в автомобилях каталитических нейтрализаторов отработавших газов. Оксиды свинца разрушают нейтрализатор и выводят его из строя через несколько часов работы двигателя.

Нейтрализаторы обеспечивают соблюдение экологических требований к автотранспортным средствам, которые регламентируются правилами Европейской экономической комиссии ООН (табл.).

Требования Европейской экономической комиссии ООН к автомобильному бензину

Параметры	Euro-2	Euro-3	Euro-4
Максимальное содержание, %:
бензола	5,0	1,0	1,0
серы (для Euro -3, -4 в промилле, %о)	0,05	150	30
ароматических углеводородов	—	42	30
олефиновых углеводородов	—	18	14
кислорода	—	2,3	2,7
Фракционный состав:
до 100°С перегоняется, %, не менее	—	46	46
до 150°С перегоняется, %, не менее	—	75	75
Давление насыщенных паров, кПа, не более	—	60	60
Наличие моющих присадок	—	Обязательно	Обязательно

Эти правила периодически пересматриваются в сторону ужесточения. Каждая новая модификация правил получает условное обозначение: Euro-1 (1993 г.), Euro-2 (1996 г.), Euro-3 (2000 г.), Euro-4 (предполагается принять в 2005 г.).

После того как правительство России подписало соглашения Euro-1 и Euro-2, был разработан ГОСТ Р 51105 — 97 на автомобильные бензины, требования которого соответствуют требованиям европейского стандарта EN 228. Единственное отличие в том, что в ГОСТ введен низкооктановый бензин АИ-80 (А-76), необходимость производства которого вызвана наличием в стране большого парка устаревших автомобилей. ГОСТ Р 51105 —97 вступил в силу с 1 января 1999 г. Он устанавливает следующие марки неэтилированных бензинов: «Нормаль-80», «Регуляр-91», «Премиум-95», «Супер-98». Разработан ГОСТ 51313 — 99 «Бензины автомобильные. Общие технические требования» — введен в действие с 1 июля 2000 г.

Октановое число бензина можно повысить, вводя либо антидетонаторы, либо присадки (добавки).

Антидетонаторы увеличивают октановое число, действуя как катализаторы на процесс сгорания топлива, поэтому их применяют в очень малых количествах по отношению к единице топлива. В этом качестве используются производные ферроцена (торговое название ФК-4, в 1994 г. разрешен Госстандартом РФ). Около 10 % валового производства бензина составляет бензин, содержащий ФК-4. Однако повышение нормативного содержания этого антидетонатора в бензине приводит к отложению абразивных частиц оксида железа на деталях камеры сгорания двигателя, в том числе на свечах зажигания, что вызывает различные неполадки.

Очень эффективен антидетонатор на основе циклопентадиенилтрикарбонила марганца — АД-ЦТМ. При его использовании износ двигателей в 1,5 раза меньше, чем при применении АД-ТЭС. Недавно Госстандарт РФ разрешил использование АД-ЦТМ. Наиболее перспективными можно считать антидетонаторы на основе карбонилов металлов.

В отличие от антидетонаторов присадки увеличивают октановое число бензина за счет своего количества. Присадки, как правило, имеют собственное октановое число выше 100.

В качестве октаноповышающих добавок в настоящее время используются метил-трет-бутиловый эфир (МТБЭ), этанол, метил-циклопентадиэтилтрикарбонил марганца (МЦТМ) и этил-трет-бутиловый эфир (ЭТБЭ). МТБЭ, например, повышает октановое число, а также снижает уровень СО в отработавших газах и способствует более полному сгоранию углеводородов.

Большие мощности по производству МТБЭ имеются в США, Индии, Тринидаде, Великобритании, во Франции, в последние годы в Китае. У нас в стране производство МТБЭ организовано на предприятии «Нижнекамскнефтехим». Недостатком МТБЭ является гигроскопичность, усиленный износ двигателя вследствие образования нагара, плохая совместимость с резинами и другими эластомерами. Кроме того, его высокая концентрация в бензине приводит к увеличению в выбросах концентрации формальдегида, оксида азота, ацетальдегида. Поэтому в Японии установлен норматив введения МТБЭ — не более 7 %. Аналогичные ограничения существуют и в странах Западной Европы.

ЭТБЭ — наиболее устойчивая присадка, она может быть использована даже как альтернативное топливо, однако ее промышленное производство пока не налажено.

За рубежом для улучшения эксплуатационных свойств автомобильного бензина широко используют многофункциональные присадки, уделяя особое внимание моющим. Применение моющих присадок обеспечивает нормальную работу двигателя при его эксплуатации. Впервые бензин с моющими присадками был разработан фирмой SHEVRON в 1954 г., но широкое распространение они получили лишь с введением принудительной системы вентиляции картера.

В России промышленное производство моющих и многофункциональных присадок к автомобильному бензину до 90-х годов отсутствовало. В середине 90-х годов ВНИИ НП разработал бензольную многофункциональную присадку «Афен» — композицию аминоамидов с добавлением поверхностно-активного вещества и бинарного растворителя. «Афен» предотвращает образование льда и коррозию топливной системы, смывает смолистые отложения в карбюраторе автомобиля и предотвращает их образование, что обеспечивает экономию бензина до 5 % и в 1,5 раза снижает концентрацию оксида углерода в отработавших газах. По моющим свойствам «Афен» не уступает зарубежным аналогам. Позже тем же институтом была разработана модификация «Афена» — многофункциональная присадка «Автомат» на базе более доступного сырья. По результатам испытаний она допущена к применению. На бензин с этой присадкой получен гигиенический сертификат.

Ассортимент присадок (добавок) и антиокислителей, используемых в России

Антидетонационные присадки (добавки)

Хайтек-3000 (фирма Ethyl).........................До 50 мг/л Мп

АвтоВЭМ (ТУ 38.401-58-185-97)..............До 1,3%

Феррада (ТУ 38.401-58-186-97).................До 1,3 % (37 мг/л Fe)

АПК (ТУ 38.401-58-189-97)......................До 0,3% (37 мг/л Fe)

ФероЗ (ТУ 38.401-58-83-94)......................До 0,02% (37 мг/л Fe)

АДА (ТУ 38.401-58-61-93).........................До 1,3%

БВД (ТУ 38.401-58-228-99).......................До 1,9%

БОКЭ (ТУ 38.401-58-244-99).....................До 5 %

МАФ (ТУ 38.401-1045-96).........................До 3,5 % (37 мг/л Fe)

Фэтерол ТУ 2421-009-04749189-95).........До 15%

МТБЭ (ТУ 103704-90)................................До 15%

ДАКС (ТУ 0251-003-02066612-96).............До 3,5 %

Октан-Максимум (ТУ 38.401-144-97)......3-7 мг/л Fe

Моющие и многофункциональные присадки

Хайтек 4449 (фирма Ethyl).........................0,035-0,06%

Керопур 3222 (фирма BASF)......................0,035-0,06%

SAP 9500 (фирма Shell)..............................0,035 %

Автомат (ТУ 38.401-58-171-96).................0,05%

Афен (ТУ 38.401743-89)............................0,05%

Антиокислители

Агидол-1 (ТУ 38.5901237-90)....................До 0,1 %

Агидол-12 (ТУ 38.30216371-88).................До 0,3%

Наряду с октановым числом качество бензина формирует его фракционный состав, то есть преобладание той или иной группы углеводородов в природной нефти или в нефтепродуктах, а также присутствие в них серу-, азот- и кислородсодержащих соединений.

Если, к примеру, в бензине есть примесь серы, при его сгорании образуются сернистые соединения, которые загрязняют окружающую среду, вызывая появление «кислотных дождей». Водорастворимые кислоты и щелочи недопустимы, так как они вызывают коррозию двигателя.

Жидкие парафиновые углеводороды (от С₅ до С₁₅) почти все при перегонке нефти попадают в бензиновый дистиллят. Если в бензине присутствует значительное количество парафиновых углеводородов так называемого нормального строения, то есть таких, в которых атомы углерода соединены в виде прямой цепочки, качество бензина низкое. И наоборот, парафиновые углеводороды изомерного строения, с разветвленной цепочкой углеводородных атомов, имеют высокое октановое число, а бензин, содержащий такие углеводороды, отличается хорошей октановой характеристикой.

Содержание в бензине цикланов весьма желательно, так как они имеют более высокие октановые числа, чем парафиновые углеводороды нормального строения.

Ароматические углеводороды — бензол, толуол, ксилол, этил-бензол и другие — являются ценным сырьем для производства высокооктанового бензина, они обладают высокими октановыми числами.

Однако усиленное применение ароматических компонентов вместо этиловой жидкости для повышения октановой характеристики бензина может привести к увеличению выбросов ароматических углеводородов, в частности бензола, с отработавшими газами. Поэтому применение неэтилированного бензина на автомобилях без каталитических нейтрализаторов недопустимо.

С фракционным составом бензина связаны такие характеристики двигателя, как его пуск, образование паровых пробок в системе питания, прогрев и приемистость, экономичность и долговечность работы.

Пусковые характеристики двигателя улучшаются по мере увеличения содержания в бензине низкокипящих фракций. Однако при этом увеличивается вероятность образования паровых пробок. При нагревании бензина в системе питания двигателя его низкокипящие углеводороды испаряются, образуя пары, объем которых примерно в 150—200 раз больше объема жидкого бензина. Подача бензина в цилиндры из-за снижения массовой производительности уменьшается, горючая смесь обедняется, что приводит к потере мощности двигателя или даже к прекращению его работы.

Как устранить эти явления? Для бензина установлены ограничения на содержание низкокипящих фракций, регламентированы температура начала кипения бензина (для летних сортов), температура перегонки его 10 %, а также давление насыщенных паров. Кроме того, чтобы избежать образование паровых пробок, следует использовать марку бензина, соответствующую сезону.

Для бензина с высоким содержанием низкокипящих фракций характерны большие потери при хранении и транспортировании. Такой бензин может приводить к обледенению карбюратора, так как быстро испаряющиеся низкокипящие фракции отнимают теплоту из воздуха, в котором происходит испарение, и от металлических деталей впускной системы карбюратора. Чем больше низкокипящих фракций в бензине, тем ниже температура топливо-воздушной смеси.

С учетом противоречивых требований к фракционному составу бензина у нас в стране вырабатывают два вида бензина — зимний и летний. Автомобильный бензин, за исключением марки АИ-98, подразделяется на летний — для применения во всех районах, кроме северных и северо-восточных, в период с 1 апреля по 30 сентября (в южных районах допускается применять летний вид бензина в течение всего года), и зимний — для применения в течение всех сезонов в северо-восточных районах, а в остальных районах с 1 октября по 31 марта. Эти виды бензина имеют оптимальный фракционный состав для определенных температурных условий и позволяют без осложнений эксплуатировать автомобили в различное время года в различных географических районах и климатических условиях.

От наличия в бензине тяжелых фракций углеводородов в значительной мере зависят долговечность двигателя и его экономичность. Количество тяжелых фракций углеводородов обусловливает температуры конца кипения и перегонки 90 % бензина. Если эти температуры достаточно высоки, то тяжелые фракции не успевают испаряться во впускной системе и поступают в цилиндры двигателя в жидком виде. В результате часть их не успевает сгорать — экономичность двигателя снижается.

Тяжелые фракции бензина, осевшие на стенках цилиндра, смывают масло с трущихся поверхностей и ухудшают условия их смазки, они попадают в картер двигателя и снижают вязкость масла, что также увеличивает износ двигателя. Несгоревшее в цилиндре топливо откладывается на поверхности камеры сгорания и поршней в виде нагара, который инициирует детонацию, калильное зажигание и другие нарушения в работе двигателя.

Поэтому, чем ниже температура конца кипения бензина и перегонки его 90 %, тем лучше бензин, двигатель долговечнее и экономичнее. Для бензина установлены нормы температуры перегонки его 90 % и конца его кипения: для летнего — соответственно не выше 180 и 195 °С, для зимнего — соответственно не выше 160 и 185 °С.

В процессе хранения бензин подвергается различным химическим превращениям, ведущим к ухудшению его эксплуатационных свойств. Способность бензина противостоять этим химическим превращениям называют химической стабильностью. Химическая стабильность бензина определяется главным образом содержанием в нем непредельных углеводородов, которые в силу их химической структуры легко взаимодействуют с кислородом воздуха, образуя высокомолекулярные смолистые вещества. На процесс окисления влияют также содержащиеся в бензине неуглеводородные соединения.

Оседая на штоках и тарелках клапанов, в камере сгорания при высокой температуре смолистые вещества превращаются в твердые отложения — нагары. Это приводит к нарушениям в работе двигателя и, как следствие, к снижению его мощности и экономичности. Поэтому необходимы ограничения на содержание в бензине высокомолекулярных смол.

Нагарообразование в двигателе возрастает также с увеличением содержания в бензине тетраэтилсвинца, серы и ароматических углеводородов. Содержание свинца и серы в бензине строго регламентируется. Ароматические углеводороды вследствие своей высокой детонационной стойкости являются желательной составляющей бензина, но из-за повышенного нагарообразования их количество в бензине следует ограничить.

Новыми нормативными документами предусмотрено ужесточение требований к показателям качества. Бензин с улучшенными экологическими свойствами должен содержать: бензола 1 — 3%, серы не более 0,03 %, ароматических углеводородов не более 45 %, олефиновых углеводородов не более 20 % и применяться только с моющими присадками. Кроме того, принято решение, что автомобильный бензин, выпускаемый не по ГОСТ, а по ТУ, проходит обязательную сертификацию на соответствие ГОСТ 51313—99.

В России эксплуатируется значительное число импортного дизельного автотранспорта. Предполагается, что дизели будут устанавливаться и на отечественных автомобилях УАЗ и «Газель». В Европе доля продаж машин, оснащенных дизелями, в среднем достигла почти 30 % (в Германии она составляет 85 %).

Дизельное топливо используется как на передвижных, так и на стационарных установках с дизелем, характеризующимся большими экономичностью, приемистостью, надежностью, долговечностью, меньшей пожароопасностью.

Работа дизеля существенно отличается от работы двигателя карбюраторного. Топливо подается в камеру сгорания через форсунки в капельно-жидком состоянии, смешивается с воздухом и воспламеняется от сжатия.

В качестве дизельного топлива используется нефтяная фракция, основу которой составляют углеводороды с температурой кипения 170 — 360 °С (против 35 — 200 °С для бензинов). В ней содержится по массе 87 % углерода, 13 % водорода, до 0,5 % серы, незначительное количество кислорода и азота. По внешнему виду дизельное топливо — это жидкость от желтого до темно-коричневого цвета с высокой удельной теплотой сгорания (примерно 43 МДж/кг), что позволяет автомобилям с дизельными двигателями иметь большой запас хода. По объемам производства дизельное топливо находится на втором месте, несколько уступая топочному мазуту и в 1,8 раза превосходя автомобильный бензин.

Дизельное топливо должно удовлетворять следующим требованиям:

• для обеспечения хорошего смесеобразования в цилиндрах двигателя иметь определенный фракционный состав. Так, 50 % зимнего дизельного топлива должны выкипать при температуре до 250 °С, летнего — до 280 °С. Чем больше в топливе легкокипящих фракций, тем быстрее оно испаряется после впрыска, обеспечивая лучшую полноту сгорания, малую дымность и более легкий пуск двигателя;

• хорошо течь, что необходимо для бесперебойной подачи в камеру сгорания, облегчения фильтрации и хорошего смесеобразования. Текучесть топлива характеризуется вязкостью при температуре 20 °С;

• температура застывания должна обеспечивать надежность работы двигателя зимой. При температуре ниже установленного значения нарушается прокачиваемость дизельного топлива и невозможна его подача в цилиндры двигателя. Температура застывания летнего топлива должна быть не выше минус 10 °С, зимнего — не выше минус 35 °С, арктического — не выше минус 55 °С;

• быстро воспламеняться и плавно сгорать. Воспламенение топлива, поданного в камеру сгорания, происходит не сразу. Между моментом впрыскивания и воспламенением происходит распыление топлива, перемешивание его с воздухом, нагревание, испарение и окисление. В результате накапливается тепло, повышается температура — топливо воспламеняется. Температуру, до которой нужно нагреть топливо в смеси с кислородом воздуха, чтобы началось его горение, называют температурой самовоспламенения. Чем ниже температура самовоспламенения, тем легче запускается холодный двигатель;

• иметь диапазон цетанового числа (ЦЧ) 45 — 50 единиц. Чем короче период задержки самовоспламенения, тем плавнее и эффективнее сгорает топливо. Этот период оценивается цетановым числом, т.е. процентным содержанием (по объему) цетана (ЦЧ-100) в искусственно приготовленной смеси с α-метилнафталином (ЦЧ-0). Для повышения ЦЧ, особенно для топлива, используемого при низких температурах, к нему добавляют специальные присадки — изопропилнитраты.

Кроме того, дизельное топливо должно обладать способностью обеспечивать чистоту топливоподающей системы, деталей двигателя, не вызывать их коррозии, полностью сгорать, не образуя дыма, быть стабильным при хранении. Эти свойства в стандартах нормируются такими показателями качества, как коксовое число, температура вспышки, фильтруемость, наличие механических примесей и воды, содержание серы, кислотность.

Коксовое число характеризует способность топлива при температуре 800 — 900 °С без доступа воздуха образовывать твердый остаток — кокс. Коксуемость зависит от наличия в топливе смолистых соединений, его вязкости и фракционного состава.

Температура вспышки определяет степень пожароопасности топлива при транспортировании, хранении и применении. Желательно, чтобы она была как можно более высокой.

Фильтруемость дизельного топлива показывает его способность предотвращать засорение фильтров и характеризуется специальным коэффициентом. Чем ближе коэффициент фильтруемости к единице, тем выше качество дизельного топлива.

Содержание механических примесей и воды в дизельном топливе приводит к износу деталей и образованию ледяных пробок в зимнее время года.

Отечественная нефтеперерабатывающая промышленность в соответствии с ГОСТ 305 — 82 вырабатывает дизельное топливо трех марок:

Л — летнее, применяется при температуре окружающего воздуха выше 0 °С;

3 — зимнее, применяется при температуре до минус 30 °С;

А — арктическое, применяется при температуре до минус 50 °С.

Содержание серы в дизельном топливе марок J1 и 3 не должно превышать 0,2 %, марки А — 0,4 %. Для экспорта в соответствии с ТУ 38.401-58-110—94 производится дизельное топливо с содержанием серы 0,2 %.

Коррозионные свойства (кислотность) топлива зависят от содержания в нем органических кислот и серы, содержание их строго ограничивается.

Дизельные топлива, как и бензины, имеют условные обозначения. Например, Л-0,2-40: летнее, содержание серы 0,2%, температура вспышки 40 °С; 3-0,4-35: зимнее, содержание серы 0,4 %, температура застывания минус 35 °С. В обозначение арктического топлива входит только содержание серы.

В последние годы получило распространение наиболее эффективное в условиях России дизельное топливо. Зимнее дизельное топливо с депрессорными присадками (ТУ 38.101889—81) марки ДЗп получают на базе летнего дизельного топлива путем добавления присадки на основе сополимеров этилена с винилацетатом. Присадка обеспечивает снижение температуры застывания до минус 30 °С. В районах с холодным климатом (температура до минус 45 °С) используется топливо, вырабатываемое по ТУ 38.401-58-6— 92. Экологически чистое дизельное топливо (ТУ 38.1011348—89) имеет показатель содержания серы 0,05 и 0,1 %. Такое топливо получают гидроочисткой дизельного топлива. Городское дизельное топливо (ТУ 38.401-58-170—96) предназначено для использования в Москве. Оно отличается от экологически чистого пониженными дымностью и токсичностью отработанных газов на 30 — 50%. Низкотемпературные свойства этого топлива также улучшены.