3.3 Теплота сгорания

Теплота́ сгорания — это количество выделившейся теплоты при полном сгорании массовой (для твердых и жидких веществ) или объёмной (для газообразных) единицы вещества. Измеряется в джоулях или калориях. Теплота сгорания, отнесённая к единице массы или объёма топлива, называется удельной теплотой сгорания (дж или кал на 1 кг, м³ или моль).

Этот показатель во многом определяет мощностные и экономические показатели работы двигателя. Чем выше теплота сгорания, тем меньше удельный расход топлива. Теплота сгорания зависит от углеводородного состава бензинов, а для различных углеводородов она, в свою очередь, определяется соотношением углерод : водород. Чем выше это соотношение, тем ниже теплота сгорания. Наибольшей теплотой сгорания обладают парафиновые углеводороды и, соответственно, бензины прямой перегонки и алкилбензин, наименьшей - ароматические углеводороды и содержащие их бензины каталитического риформинга.

Теплота сгорания экспериментально определяется калориметрически.

Теплота сгорания автомобильных бензинов колеблется в пределах 43500-44400 кДж/кг.

Вывод: ценность этого показателя качества очевидна, так как от него зависят экономичность и мощность двигателя.

3.4 Индукционный период

Во время хранения процесс окисления бензина происходит сначала медленно, затем резко ускоряется.

Период до резкого ускорения окисления называется индукционным. Этот показатель, определяемый в лабораторных условиях, характеризует химическую стабильность бензина.

Например, значение индукционного периода ≥ 900 мин гарантирует стабильность бензина в течение длительного времени (гарантийный срок хранения - 5 лет со дня изготовления). Определение длительности индукционного периода при хранении - слишком долгий процесс, поэтому применяются лабораторные методы определения индукционного периода в условиях ускоренного окисления. Ускорение окисления достигается за счет повышения температуры (обычно до 100 ° С) и подачи чистого кислорода. Чтобы избежать испарения бензина, процесс ведут под давлением ≥ 7 атм. в герметичном сосуде. О начале вступления топлива во взаимодействие с кислородом судят по падению давления в сосуде, что свидетельствует о переходе газообразного кислорода в химические соединения с углеводородами топлива.

Химически нестабильные бензины способствуют образованию на деталях двигателя отложений (осадков, лаков, нагаров), обусловленных содержанием в бензинах так называемых фактических смол, а это в свою очередь влияет на работу и межремонтный срок двигателя в худшую сторону.

Вывод: важность этого показателя качества не должна быть недооценена так как индукционный период это «срок годности» бензина, во время которого будет сохраняется нормированное количество смол и кислот в продукте (при надлежащем хранении), и после окончания этого срока количество последних начнет резко увеличиваться, и в связи с этим продукт не сможет называться кондиционным. 3.5 Содержание фактических смол

Смолы — это темно-коричневые жидкие или полужидкие вещества с плотностью около 1000 кг/м³, молекулярной массой 350...900, обладают сильной красящей способностью, легко растворимы во всех нефтепродуктах и органических растворителях (кроме ацетона и спирта). Смолистые и смолообразующие вещества всегда содержатся в бензине. Их количество зависит от технологии получения, способа очистки, длительности и условий хранения топлива. 

В действующей нормативно-технической документации (НТД) содержание смол в бензине оценивается по показателю – содержание фактических смол (часть смол, оставшихся после промывки гептаном сухого остатка выпаривания бензина).

Интенсивность смоло- и нагарообразования зависит от качества используемого топлива. Чем тяжелее фракционный состав бензина, выше его плотность, больше содержание непредельных углеводородов, тем выше склонность к смолообразованию.

Большое влияние н накопление смол оказывают условия хранения. Исследования показывают, что в автомобильном бензине с начальным содержанием смол 7,5 мг/100мл после месяца хранения при температуре 15^оС образуется 14игсмол на 100мл, а при 40^оС – 588мг/100мл. Кроме того, существунное влияние на интенсивность образования смол оказывает степень заполнения емкости. Так у автомобильного бензина хранившегося 6 месяцев в полной (заполнение 93%) бочке, содержание фактических смол возросло в 4 раза, а при заполнении на 50% - в 12 раз. Наличие в емкостях старых продуктов окисления, воды, механических примесей, окалины интенсифицирует процессы окисления и накопления смол.

Содержащиеся в бензине тяжелые молекулы углеводородов, входящие в состав смол, не могут испариться, они накапливаются на горячих стенках трубопроводов, забивают жиклеры. Значительное накопление смолистых веществ приводит к уменьшению проходных сечений различных участков топливоподающей аппаратуры, всасывающего коллектора. Все это снижает мощность и ухудшает экономичность двигателя.  В зоне высокой температуры (клапаны, днище поршня, камера сгорания, поршневые канавки) смолистые отложения постепенно уплотняются, частично выгорают, образуют хрупкие и твердые нагары, которые в основном состоят из углерода. При большом накоплении нагаров в двигателе повышается износ, ухудшается процесс сгорания, увеличивается расход топлива. 

Стандартом нормируют количество фактических смол, т.е. соединений, которые находятся в бензине в момент определения. Сущность определения (ГОСТ 1567-83) заключается в испарении горячим воздухом 25 мл топлива при температуре 150 °С. Остаток после испарения в миллиграммах на 100 мл топлива показывает количество фактических смол. Для бензина различных марок их содержание не должно превышать 7...15 мг/100 мл.  Если содержание фактических смол отвечает требованиям стандарта, то двигатели длительное время работают без повышенного смоло- и нагарообразования. Нередко же при эксплуатации техники содержание смол в топливе значительно выше. На рисунке 6 показано влияние содержания фактических смол на интенсивность накопления отложений во впускном трубопроводе. Аналогична закономерность для всасывающего клапана. Если содержание фактических смол в 2...3 раза больше нормы, то моторесурс двигателя снижается на 20...25 %. Кроме этого, при эксплуатации возникают различные неполадки: закоксовываются кольца и форсунки.  Процесс смолообразования зависит также от технического состояния и условий эксплуатации двигателей. Все примеси, которые попадают в двигатель с поступающим для сгорания воздухом, находятся в масле и топливе, а кроме того, продукты износа деталей могут участвовать в образовании отложений.

  Рис. 6. Влияние содержания смол на интенсивность накопления отложений: 

1-во впускном трубопроводе; 2 - во всасывающем клапане.

Наиболее эффективным способом борьбы с образованием отложений во двигателе является применение специальных присадок. [4]

Вывод: влияние, приведенного выше показателя качества, на работу двигателя , очень весомо, так как смолы выводят из строя топливоподающую аппаратуру, увеличивают лакообразование и нагарообразование, что в свою очередь увеличивает расход топлива, снижает долговечность и экономичность.

3.6 Массовая доля серы

Массовая доля серы и общее содержание серы характеризует суммарное количество всех сернистых соединений в топливе, которые при сгорании образуют кислородные соединения серы, вызывающие коррозию и способствующие процессам образования отложений и износу двигателя. Экспериментальными работами установлено, что при увеличении серы с 0,05 до 0,10% износ деталей двигателя возрастает в 1,5-2 раза, а при повышении количества серы до 0,20% - еще вдвое. Основная масса сернистых соединений, содержащихся в нефти, при получении топлива перегоняется с углеводородами, выкипающими при температуре выше 200°С.

Но с другой стороны органические дисульфиды, попадающие в бензин с МТБЭ такие как – полимердистиллят, коррозионно не активны. Они могут замедлять окисление бензина при хранении на воздухе путем безрадикального разрушения образующихся перекисных соединений, являясь природными антиоксидантами. В отличие от меркаптанов, дисульфиды улучшают и противоизносные свойства топлив .

На данный момент принят постановление правительства о выработке бензина Евро 5 с содержанием серы 10рpm (не более 0,015% масс). [5]

Вывод: содержание серы в бензине имеет двусмысленный характер и зависит от типа сернистого соединения.