Реферат
Содержание
- Получение базовых бензинов
- Запрещенные способы повышения октанового числа бензина
- Методы измерения октанового числа
- Моторный метод определения октанового числа
- Исследовательский метод определения октанового числа
- Экспресс метод
- Вывод
- Список источников
1. Получение базовых бензинов
Бензины – легковоспламеняющиеся бесцветные или слегка желтые (при отсутствии специальных добавок) жидкости, имеющие плотность (700-780) кг/м. Бензины имеют высокую летучесть, и температуру вспышки в пределах (20-40) градусов по Цельсию. Температура кипения бензинов находится в интервале от 30 до 200 C. Температура застывания – ниже -60 градусов. При сгорании бензинов образуется вода и углекислый газ. При концентрациях паров в воздухе (70-120) г/м3 образуются взрывчатые смеси.
Долгое время бензин получали путём ректификации (перегонки) и отбора фракций нефти, выкипающих в определённых температурных пределах (до 100 C – бензин I сорта, до 110 C – бензин специальный, до 130C – бензин II сорта). Однако общим свойством этих бензинов является низкое октановое число. Вообще получение прямогонных бензина с октановым числом выше 65 по моторному методу редко и возможно лишь из нефти Азербайджана, Средней Азии, Краснодарского края и Сахалина. Однако даже для дистиллятов из этих нефтей характерно резкое понижение октанового числа с ростом температуры конца отбора. Поэтому всю бензиновую фракцию (кк. 180°C) используют редко. Для нефтей. Урало-Волжского бассейна, Казахстана, а также месторождений Западной Сибири характерно преобладание нормальных парафиновых углеводородов, поэтому прямогонные бензины из них характеризуются низкими октановыми числами. Это побудило нефтепереработчиков еще в 1930-е годы отбирать фракцию до (90-95) °C, чтобы в неё не попадал н-гептан, либо включать в отбор более тяжёлые фракции с их последующей чёткой ректификацией для удаления нормальных парафинов. Подобная денормализация
прямогонных бензинов позволяет довести октановое число до (74-76) пунктов с существенным, однако, снижением выхода целевого продукта. В настоящее время из нефтей отгоняют фракцию НК-180°C, которую потом вторично делят на фракции НК-62°C или НК-85°C. Эти последние дистилляты используют как компоненты товарных бензинов, либо направляют на облагораживание (изомеризация).
Рисунок 1.(5 кадров, 1200мс, повторов – неограничено)
Автомобильные бензины в силу своих физико-химических характеристик должны обладать следующими свойствами:
- однородность смеси;
- плотность топлива – при +20 °С должна составлять (690–750) кг/м2;
- небольшую вязкость – с ее увеличением затрудняется протекание топлива через жиклеры, что ведет к обеднению смеси. Вязкость в значительной степени зависит от температуры. При изменении температуры от +40 до -40 °С расход бензина через жиклер меняется на (20-30) %;
- испаряемость – способность переходить из жидкого состояния в газообразное. Автомобильные бензины должны обладать такой испаряемостью, чтобы обеспечивались легкий пуск двигателя (особенно зимой), его быстрый прогрев, полное сгорание топлива, а также исключалось образование паровых пробок в топливной системе;
- давление насыщенных паров – чем выше давление паров при испарении топлива в замкнутом пространстве, тем интенсивнее процесс их конденсации. Стандартом ограничивается верхний предел давления паров летом - до 670 ГПа и зимой – от 670 до 930 ГПа. Бензины с более высоким давлением склонны к образованию паровых пробок, при их использовании снижается наполнение цилиндров и теряется мощность двигателя, увеличиваются потери от испарения при хранении в баках автомобилей и на складах;
- низкотемпературные свойства – способность бензина выдерживать низкие температуры;
- сгорание бензина – под
сгоранием
применительно к автомобильным двигателям понимают быструю реакцию взаимодействия углеводородов топлива с кислородом воздуха с выделением значительного количества тепла. Температура паров при горении достигает от 1500 до 2400 °С.
1.1 Разновидность бензина
Автомобильные бензины подразделяются на летние и зимние (в зимних бензинах содержится больше низкокипящих углеводородов).
Основные марки автомобильных бензинов:
- нормаль-80 – с октановым числом по исследовательскому методу не менее 80;
- регуляр-92 – с октановым числом по исследовательскому методу не менее 92;
- премиум-95 – с октановым числом по исследовательскому методу не менее 95;
- супер-98 – с октановым числом по исследовательскому методу не менее 98.
Нормы и требования к качеству автомобильных бензинов представлены в таблице 1.
| Показатели | Нормаль-80 | Регуляр-91 | Премиум-95 | Супер-98 |
|---|---|---|---|---|
| Октановое число, не менее: моторный метод | 76,0 | 82,5 | 85,0 | 88,0 |
| Октановое число , не менее: исследовательский метод | 80,0 | 91,0 | 95,0 | 98,0 |
| Содержание свинца, г/дм3, не более | 0,010 | 0,010 | 0,010 | 0,010 |
| Содержание марганца, мг/дм3, не более | 50 | 18 | – | – |
| Содержание фактических смол, мг/100 см3, не более | 5,0 | 5,0 | 5,0 | 5,0 |
| Массовая доля серы, %, не более | 0,05 | 0,05 | 0,05 | 0,05 |
| Объемная доля бензола, %, не более | 5 | 5 | 5 | 5 |
| Внешний вид | Чистый, прозрачный | Чистый, прозрачный | Чистый, прозрачный | Чистый, прозрачный |
| Плотность при 15°С, кг/м3 | 700-750 | 725-780 | 725-780 | 725-780 |
1.2 Маркировка автомобильных бензинов
В соответствии с ГОСТ Р54283-2010, автомобильные бензины маркируются тремя группами знаков, разделёнными дефисом (например, АИ-92-4
):
- буквы
АИ
(бензин автомобильный с октановым число измеренным исследовательским методом ГОСТ 8226-82); - октановое число, измеренное исследовательским методом (например, 80, 92, 95 или 98);
- – число 2, 3, 4 или 5 – класс бензина по число совпадает с номером экологического стандарта серии
Евро
, которому должен соответствовать бензин (2 для Евро-2, 3 для Евро-3 и т. д.).
Так же существуют еще другие виды бензинов:
- авиационные бензины;
- бензины-растворители;
- экстракционные бензины;
- бензины для нефтехимии.
2. Запрещенные способы повышения октанового числа бензина
Октановое число – это фактически уровень детонации, при котором бензин воспламеняется и взрывается в камере сгорания автомобиля.
Если бензин воспламенится ранее чем надо, в то время когда еще не закрыты полностью впускные клапана и цилиндр не находится в верхней точке то естественно двигатель, не то что не будет работать на полную мощность, а будет работать некорректно, что еще хуже, фактически мы получим детонацию но об этом далее. При таком низком октановом числе мы получим при длительной эксплуатации кучу проблем с частями двигателя – износ клапанов, седел под них и дополнительный нагар и т.д. Кроме того несоответствие октанового числа для двигателя влечет за собой и ту самую дополнительную детонацию, которую часто путают с стуком клапанов.
Октановое число получается путем смещения составляющих бензина. Изооктан – вещество которое почти не взрывоопасно при повышении давления, и его детонационная стойкость была принята за 100 единиц. В то же время н-гептана совершенно не стоек к детонации при повышении давления (можно сказать самодетонирующий), поэтому его детонационная стойкость принята за 0. Именно смесь данных вещест и позволяет регулировать октановое число в бензине. Кроме того в бензин добавлен триметилпентан, от которого октановое число мало зависит. Бывают бензины и с октановым числом более 100 едениц для них используют изооктан с добавлением различных объемов присадок Здесь в ход идет все, что горит: сырье для нефтепереработки, стабильный бензин, газовый конденсат с добавлением продуктов коксохимических производств для повышения октанового числа.
В базовое сырье
(для того, чтобы придать топливу нормальный вид) чаще всего добавляют следующие ингредиенты
:
- тетраэтилсвинец. – добавление раствора тетраэтилсвинца (ТЭС) позволяет увеличить октановое число на 5-10 единиц. Например, этилированный бензин АИ-98 долгое время создавался добавлением ТЭС к бензину АИ-93. До сих пор, по оценкам экспертов, Украина остается крупнейшим в Европе потребителем ТЭС, который присутствует в пятой части продаваемого бензина. Повышает токсичность, меняет температуру сгорания топлива, что приводит к закоксовыванию поршневых колец, клапанов и отложениям на стенках цилиндров;
- нафталин – это средство от моли повышает октановое число на 5–6 единиц. Образует значительное количество нагара в топливной системе и кристаллизуется, забивая шланги, бензонасос и форсунки инжектора;
- железосодержащие присадки – способны увеличить октановое число на 3–6 единиц. Превышение концентрации приводит к образованию
ржавого
нагара в цилиндрах, выходу из строя свечей и уменьшению срока службы двигателя; - соединения бензола – часто для придания бензину
марки
используют бензол, толуол и другие ароматические углеводороды. Эти соединения, с октановым числом выше 100, намного дешевле ТЭС, да и приобрести их проще, чем тот же нафталин. Бензолосодержащие вещества являются сильными растворителями, которые уничтожают практически все эластичные детали мотора и приводят к активной коррозии; - метил-трет-бутиловый эфир – добавление (7–11) % метил-трет-бутилового эфира (МТБЭ) в бензины делает из 92 бензина А95. Атомы кислорода в МТБЭ и в его смеси с трет-бутиловым спиртом (фэтерол) улучшают процесс сгорания топлива, повышая экономичность двигателя. Без дорогостоящих присадок-удержателей за несколько часов МТБЭ испаряется, а октановое число бензина падает – возникает детонация;
- этиловый спирт – при добавлении 5–20% спирта в бензин, октановое число растет на 3–8 единиц (из 76 можно получить 92, а из 92 – А95 уровня
супер-пупер-премиум
), при этом улучшается процесс сгорания, возрастают мощность и КПД двигателя. В бензин можно добавлять только обезвоженный спирт, а он стоит дорого. Иначе смесь быстро распадается и октановое число падает: возникает детонация, стук клапанов; - ацетон – совсем нехитрый способ поднять октановое число до требуемого стандартом уровня. Смесь ацетона с бензином вызывает коррозию металла, разъедает сальники и прокладки.
Повысить качество автомобильных бензинов можно за счёт следующих мероприятий:
- неприменения свинцовых соединений, вредных и для двигателя, и для обслуживающего персонала;
- снижения содержания в бензине серы до 0,05%, а в перспективе до 0,003%;
- снижения содержания в бензине ароматических углеводородов до 45%, а в перспективе – до 35%;
- нормирования концентрации фактических смол в бензинах на месте применения на уровне не более 5мг на 100 см3;
- деления бензинов по фракционному составу и давлению насыщенных паров на 8 классов с учётом сезона эксплуатации автомобилей и температуры окружающей среды, характерной для конкретной климатической зоны. Наличие классов позволяет выпускать бензин со свойствами, оптимальными для реальных температур окружающего воздуха, что обеспечивает работу двигателей без образования паровых пробок при температурах воздуха до +60 °С, а также гарантирует высокую испаряемость бензинов и лёгкий пуск двигателя при температурах ниже -35 °С;
- введения моющих присадок, не допускающих загрязнения и осмоления деталей топливной аппаратуры.
Наиболее массовые отечественные бензины А-76, АИ-93 (ГОСТ 2084-77) и АИ-92 (ТУ 38.001165-97) не отвечают указанным требованиям по содержанию свинца (для этилированных бензинов), массовой доли серы, отсутствию регламентации содержания бензола и моющих присадок.
3. Методы измерения октанового числа
На сегодняшний день рассчитывается только два официальных метода определения октанового числа бензина:
- исследовательский метод определения октанового числа;
- моторный метод определения октанового числа.
3.1 Моторный метод
Моторный метод характеризует детонационную стойкость бензина в условиях работы двигателя на максимальных мощностях и при увеличенном тепловом режиме (движение за городом). Испытание бензина проводят при 900 об/мин, температура всасываемой смеси 149 °С, переменный угол опережения зажигания. При проверке топлива данным методом предоставленный бензин сравнивают со смесями эталонных топлив, попеременно переключая питание двигателя с одного топлива на другое. В ходе исследования определяют такую смесь эталонного бензина, детонация которой полностью совпадает с детонацией предоставленного образца.
3.2 Исследовательский метод
Исследовательский метод характеризует детонационную стойкость бензина в условиях работы двигателя на частичной нагрузке (движение в городе). Определение октанового числа бензина по исследовательскому методу проводится точно так же, как и по моторному, то есть предоставленный бензин сравнивают со смесями эталонных топлив. Однако есть и некоторые отличия. В частности, испытание проходит при 600 об/мин. Кроме того, угол опережения зажигания постоянный (13° до ВМТ – высшей точки в расстоянии, которое проходит поршень при вращении коленчатого вала), а температура всасываемого воздуха составляет 52°С.
Представленные методы достаточно трудоемки, осуществляются в специальных помещениях хорошо обученным персоналом на громоздких установках, а также их длительность составляет (6-8) часов.
3.3 Экспресс метод
Также существует экспресс метод определения октанового числа бензина. Для экспресс-анализа состава топлива и его октанового числа некоторые производители используют специальные измерительные приборы цифровые октанометры (см. рис 1.2).
Рисунок 1.2 – Цифровой октанометр
Принцип работы октанометра основан на измерении диэлектрической проницаемости автомобильных бензинов. Изначально в памяти этого устройства сохраняются параметры основных марок топлива. При исследовании образца бензина его сравнивают с этими марками, а результаты выводятся на экран. Этими приборами достаточно просто пользоваться, однако в виду того, что такой способ не относится к официальным, полностью учитывать результаты данного исследования не рекомендуется.
В экспресс методе для определения октанового числа бензина измеряют температуру бензина и его диэлектрическую проницаемость при этой температуре, из литературных источников установлено, что зависимость диэлектрической проницаемости от октанового числа описывается выражением [1]:
- где А – октановое число бензина;
- Х – коэффициент пропорциональности, определяемый экспериментально;
- ε – диэлектрическая проницаемость бензина;
- a – температурный коэффициент, равный 2,5∙10-2 1/˚С;
- T – температура бензина.
Используя формулу (1), определим пределы изменения диэлектрической проницаемости бензина при изменении октанового числа в диапазоне от 80 до 100 и температуры от -10˚С до +35 ˚С. Полученные результаты представлены на рисунке 1.3.
Рисунок 1 – Зависимость диэлектрической проницаемости от октанового числа и температуры
Из рисунка 1 следует, что диэлектрическая проницаемость бензина в рабочих условиях эксплуатации изменяется в диапазоне от 0.5 до 3.43.
Для измерения диэлектрической проницаемости бензина предлагается использовать емкостной датчик цилиндрической формы, габаритные размеры которого представлены на рисунке 2.
Рисунок 2 – Внешний вид и габаритные размеры емкостного датчика
Высота внутреннего цилиндра делается меньше наружного для предупреждения переливания бензина через край датчика и повышения его чувствительности. В этом случае рабочая высота емкостного датчика будет равна h = 100 мм.
Определим пределы изменения емкости датчика при изменении диэлектрической проницаемости от 0.5 до 3.43. Для этого воспользуемся зависимостью вида:
- где ε – диэлектрическая проницаемость;
- ε_0 –электрическая постоянная,равная 8,854185∙10-12 Ф/м;
- r1, r2 – радиус наружного и внутреннего электродов;
- h – рабочая высота емкостного датчика.
Графическое представление зависимости емкости от диэлектрической проницаемости бензина представлена на рисунке 3.
Рисунок 3 – Зависимость емкости датчика от диэлектрической проницаемости
Из рисунка 3 следует, что при изменении диэлектрической проницаемости от 0.5 до 3.43, емкость датчика изменяется в диапазоне от 15.3 пФ до 104.9 пФ.
Включаем емкостной датчик в состав генератора синусоидального сигнала, собранный по схеме Клаппа (см. рис. 4) [2]. При изменении диэлектрической проницаемости бензина изменяется емкость датчика и, соответственно, изменяется частота выходного сигнала генератора, которая является информационным параметром.
Рисунок 4 – Принципиальная схема автогенератора
В отличие от классической схемы генератора с емкостной трехточкой
в данной схеме последовательно с индуктивностью контура включается дополнительный конденсатор С3. Общая емкость контура Ск при этом становится меньше, чем при двух конденсаторах. Для сохранения той же частоты колебаний необходимо увеличить индуктивность контура Lк.
В результате получается контур с большим характеристическим сопротивлением. Данный контур, при сохранении тех же потерь, обладает большой добротностью, а, следовательно, и лучшими эталонными свойствами. Это способствует повышению стабильности частот генерируемых колебаний. Кроме того, включение конденсатора С3 уменьшает коэффициент подключения транзистора к контуру. Этим снижается дестабилизирующее влияния параметров контура на частоту генератора [2].
Для уменьшения массо-габаритных показателей генератора и повышения его чувствительности к изменению диэлектрической проницаемости бензина, а, соответственно, и октанового числа бензина, номинальное значение частоты выбираем в районе 5 МГц.
Емкостной датчик подключается параллельно конденсатору С3, в этом случае общая емкость контура будет равна:
Зависимость частоты выходного сигнала генератора от диэлектрической проницаемости описывается выражением:
Графическое представление зависимости частоты выходного сигнала генератора от диэлектрической проницаемости представлено на рисунке 5.
Рисунок 5 – Зависимость частоты выходного сигнала генератора от диэлектрической проницаемости
Из рисунка 5 следует, что при изменении диэлектрической проницаемости в диапазоне от 0.5 до 3.43 частота выходного сигнала генератора синусоидального сигнала изменяется от 4.82 МГц до 4.06 МГц по нелинейному закону.
Для дальнейшей обработки сигнала в цифровой части электронного устройства необходимо преобразовать синусоидальный сигнал в прямоугольные импульсы с помощью компаратора. При значении амплитуды выходного сигнала генератора меньше уровня логической единицы, необходимо предварительно усилить синусоидальный сигнал перед подачей на компаратор.
Используя выражения (1) и (4) получим математическую модель электронного устройства определения октанового числа бензина, созданного на базе емкостного датчика цилиндрической формы и включенного в колебательный контур генератора синусоидального сигнала, собранного по схеме Клаппа:
4. Вывод
Таким образом, величина и точность определения октанового числа будет зависеть от величины и точности измерения частоты выходного сигнала генератора и температуры образца бензина.
Однако недостатком данного метода измерения является недостаточная точность определения качества бензина, так как в нем не измеряется процентное содержание воды. По этому для повышения точности измерения необходимо выполнить следующие задачи.
- Проанализировать влияние содержания воды в бензине на его качество.
- Изучить методы определения процентного содержания воды в бензине.
- Доработать структурную схему устройства с учетом анализа содержания воды в бензине.
- Разработать схему электронного устройства с учетом анализа содержания воды в бензине, исследовать его основные характеристики.
Список источников
- Пат. 2231780 РФ, МПК G 01 N 27 / 22, G 01 N 33 / 22. Способ определения октанового числа бензина / А.И. Кавтарадзе; Кавтарадзе Альберт Иванович (Ru). – заявл. 22.11.2002; опубл. 27.06.2004.
- Модифицированный генератор Клаппа с низкими искажениями [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://promplace.ru/article_single.php?arc=25 – Дата доступа: май 2016. – Загл. с экрана.