Бездетонационная работа двигателя достигается применением бензина с высокой детонационной стойкостью. Углеводороды, входящие в состав бензинов, различаются по детонационной стойкости. Наименьшей детонационной стойкостью обладают нормальные парафиновые углеводороды, наибольшей — ароматические. Остальные углеводороды, входящие в состав бензинов, по детонационной стойкости занимают промежуточное положение. Варьируя углеводородным составом, получают бензины с различной детонационной стойкостью, которая характеризуется октановым числом (О. Ч.).

Для любого бензина октановое число определяют путем подбора такой смеси из двух эталонных углеводородов — нормального гептана С?Н16, для которого О. Ч. принимается равным 0, и изооктана С8Н|8 с О. Ч. равным 100,— которая по детонационным свойствам эквивалентна испытуемому бензину. Содержание (%) в этой смеси изооктана принимают за О. Ч. бензина. Определение О. Ч. производится на специальных моторных установках. Существуют два метода определения О. Ч.— исследовательский (О. Ч. И.— октановое число по исследовательскому методу) и моторный (О. Ч. М.— октановое число по моторному методу). Моторный метод лучше характеризует антидетонационные свойства бензина в условиях форсированной работы двигателя и его высокой теплонапряженности, а исследовательский — при эксплуатации в условиях города, когда работа двигателя связана с относительно невысокими скоростями, частыми остановками и меньшей теплонапряжен-ностью.

Наиболее важным конструктивным фактором, определяющим требования двигателя к октановому числу, является степень сжатия. Повышение степени сжатия двигателей автомобилей позволяет улучшить их технико-экономические и эксплуатационные показатели. При этом возрастает мощность и снижается удельный расход топлива. Однако с увеличением степени сжатия необходимо повышать октановое число бензина. Поэтому важнейшим условием бездетонационной работы двигателей является соответствие требований к детонационной стойкости двигателей октановому числу применяемых бензинов.

Степень сжатия наиболее распространенных отечественных легковых автомобилей ВАЗ, A3J1K-2140, ГАЗ-24Д «Волга» лежит в пределах 8,2—8,8. Эти автомобили рассчитаны на эксплуатацию на бензине АИ-93 с О.Ч.И. 93. Совершенствование рабочего процесса и конструкции двигателя ВАЗ-2108 позволило повысить его степень сжатия до 9,0, обеспечив тем самым лучшие экономические и мощностные показатели прИ использовании того же бензина АИ-93.

Эксплуатация автомобиля на бензине с более низким октановым числом, чем предусмотрено техническими условиями, вызывает детонацию, что нарушает нормальную работу двигателя, снижает ресурс и надежность. При длительной работе с детонацией повышается температура (рис. 1) и увеличивается износ деталей двигателей. Это приводит к разрушению перемычек между канавками поршневых колец, прогару прокладки головки цилиндра, оплавлению поверхности днища поршней. Поэтому работа двигателей должна осуществляться строго на бензине с октановым числом, рекомендуемым заводом-изготовителем.

При кратковременном использовании бензина с меньшим октановым числом, чем предусмотрено для данного автомобиля, следует установить более позднее зажигание.

При езде на таком бензине нельзя перегружать двигатель, не допускается резкая, динамичная езда, пользоваться следует в основном низкими передачами. При необходимости постоянной эксплуатации двигателей автомобилей ВАЗ и АЗЛК на бензине А-76 степень сжатия должна быть уменьшена до 7,0—7,2. Наиболее простой и распространенный способ снижения степени сжатия — установка под головку цилиндров между двумя штатными прокладками головки блока дополнительной прокладки из мягкого алюминия А5М толщиной 1 мм для двигателей автомобилей ВАЗ и 1,5 мм—для двигателей автомобилей АЗЛК Степень сжатия двигателей автомобилей АЗЛК можно снизить установкой поршней с уменьшенной выпуклостью днища. При этом никаких других переделок двигателя не требуется. Естественно, мощность двигателя при этом уменьшится на 5—7 л. с. (4—5 кВт), что влечет за собой некоторое ухудшение динамических и экономических показателей автомобилей.

Следует обратить внимание на то, что октановое число бензина АИ-93 по моторному методу составляет не менее 85, а бензина А-76 по исследовательскому методу 80—82. Основная масса бензинов в нашей стране выпускается с О. Ч. М. 76 — бензин А-76, который используется грузовыми автомобилями, старыми моделями легковых и частью легковых автомобилей, выпускаемых в настоящее время (АЗЛК-2140, ЗАЗ, «Волга»-такси).

В парке частных автомобилей сейчас существует еще значительная часть моделей, предназначенных для работы на бензине А-72 и даже на А-66. Бензин А-66 в настоящее время не выпускается, а объемы производства бензина А-72 из года в год снижаются, и к 1995 г. его выпуск должен прекратиться. При переводе автомобилей, предназначенных для работы на бензине А-66, на бензин А-76 необходимо увеличить степень сжатия двигателя (до 7,0—7,5) путем шлифовки головки блока цилиндров. При переводе автомобиля с бензина А-72 на бензин А-76 изменение степени сжатия не обязательно. При работе на бензине А-76 зажигание устанавливается точно по метке. Корректировать угол опережения зажигания на легкую детонацию в дорожных условиях не следует. Пользуясь октан-корректором прерывателя-распределителя, допустимо увеличить угол опережения зажигания на 2—3 деления.

Для повышения детонационной стойкости бензинов в их состав вводят антидетонаторы. Антидетонаторами называют такие вещества, которые при добавлении к бензину в относительно небольших количествах резко повышают его детонационную стойкость. К их числу относятся металлорганические соединения, т. е. соединения, в состав которых входит металл, связанный с органическим веществом. Наиболее эффективным антидетонатором, широко применяющимся при производстве бензинов, является тетраэтилсвинец (ТЭС).

Механизм действия антидетонаторов, и тетраэтилсвинца в частности, объясняется перекисной теорией детонации и цепных реакций. При высоких температурах в камере сгорания (500—600 °С) ТЭС полностью разлагается на свинец и эти’льные радикалы. Образующийся свинец окисляется с образованием диоксида свинца, который вступает в реакцию с пероксидами (перекисями) и разрушает их. При этом образуются малоактивные продукты окисления углеводородов и оксид свинца, который взаимодействует с кислородом воздуха, снова окисляется в диоксид свинца, способный реагировать с новой молегулой пероксида. Таким образом, один атом свинца, восстанавливаясь и окисляясь, способен разрушить большое количество пероксидных молекул. Каждая разрушенная пероксидная молекула могла быть началом самостоятельной цепи образования новых пероксидов. Этим объясняется высокая эффективность малых количеств антидетонаторов, вводящихся в бензин. В отечественных автомобильных бензинах максимальное содержание антидетонатора не превышает 0,52 г РЬ на 1 кг бензина.

В чистом виде антидетонационные присадки к бензинам использовать не удается, так как продукты сгорания в виде нагара откладываются и накапливаются в камере сгорания и двигатель через короткое время может перестать работать. В связи с этим ТЭС добавляют в бензин в смеси с веществами-выносителями, образующими со свинцом и его оксидами при сгорании летучие вещества, которые удаляются из двигателя с отработавшими газами. Температура плавления этих соединений ниже температуры стенок камеры сгорания, поэтому они не конденсируются и не отлагаются в двигателе или отлагаются в незначительных количествах.

В качестве выносителей применяют вещества, содержащие бром и, в меньшей степени, хлор. Смесь ТЭС и выносителя, которая применяется как антидетонатор, называется этиловой жидкостью. Автомобильные бензины, содержащие этиловую жидкость, называются этилированными. Этилированный бензин требует особых мер предосторожности, так как этиловая жидкость — высокотоксичное ядовитое соединение. В целях обеспечения безопасности в этиловую жидкость добавляют специальные красители. Этилированные бензины А-76 окрашены в желтый цвет, АИ-93 — в оранжево-красный, АИ-98 — в синий.

В настоящее время отечественная промышленность вырабатывает для использования в автомобильных бензинах этиловую жидкость двух марок Р-9 и П-2. Жидкость Р-9 представляет собой смесь тетраэтилсвинца с этилбромидом и хлорнафталином, П-2 — смесь тетраэтилсвинца с дибромпропаном и хлорнафталином. Имеются и другие антидетонаторы, основу которых составляют металлорганические соединения. Однако по разным причинам широкого применения они не нашли, за исключением тетраметилсвинца (за рубежом).

Владельцами легковых автомобилей практикуется добавление воды к бензину А-76 для снижения расхода бензина и повышения его антидетонационных свойств (до уровня бензина АИ-93). Установлено, что добавка каждых 10 % воды к бензину снижает требования двигателя к октановому числу на 2—3 ед., снижает выброс оксидов азота на 10—12 %, но увеличивает выброс углеводородов с отработавшими газами на 20—50 %. При этом мощность и экономичность двигателя не изменяются при добавлении до 15—20 % воды, дальнейшее увеличение ее количества приводит к падению мощности и ухудшению топливной экономичности двигателя.

Например, при замене бензина АИ-93 на бензин А-76 на двигателях автомобилей «Москвич» и «Жигули» требуется на отдельных режимах подавать для подавления детонации до 40 % воды, что приводит к снижению мощности и топливной экономичности до 7 %. Вода обычно вводится в двигатель путем ее впрыска в топливовоздушную смесь (в карбюратор или впускной коллектор). Для этого двигатель должен оснащаться дополнительным баком для хранения запаса воды и сложной системой, обеспечивающей дозирование и подачу воды. Кроме того, добавки воды способствуют отложениям накипи в камере сгорания, усиленному коррозионному износу цилиндропоршневой группы и образованию низкотемпературных отложений. Попадание воды в масло вызывает ухудшение его свойств и интенсивное пенообразование в картере двигателя;. Все это делает применение воды нецелесообразным.

Существует ошибочное мнение о возможности использования вместо бензина АИ-93 бензина А-76 с добавкой нафталина. Специально проведенные исследования показали, что добавка в бензин А-76 нафталина в количестве от 5 до 50 г на 10 л не вызывает повышения О. Ч. Й только добавление 500 г нафталина на 10 л бензина приводит к увеличению октанового числа бензина на 3—4 ед. Однако введение такого количества нафталина вызывает интенсивное нагарообразование в камере сгорания, причем при отрицательных температурах нафталин в баке автомобиля может выпадать в осадок. Таким образом, введение нафталина в бензин А-76 практически не дает положительного результата и поэтому не может быть рекомендовано.

Основная масса отечественных бензинов — этилированные. При работе двигателей на этих бензинах в отработавших газах, выбрасываемых в атмосферу, содержатся соединения свинца, являющиеся вредными токсичными веществами. Поэтому содержание свинца в бензинах ограничивается следующими нормами: для А-76 — не более 0,17 г/л, АИ-93 и АИ-98 — не более 0,37 г/л. В ряде случаев при замене неэтилированного бензина этилированным в условиях резко переменных режимов отмечается работа двигателя с некоторой детонацией. Объясняется это следующим. Вследствие высокой температуры кипения тетраэтилсвинца (200 °С) при резком нажатии на дроссель в цилиндры двигателя в первую очередь попадают низкооктановые быстроиспаряющиеся легкие фракции, что вызывает в начальный момент разгона автомобиля детонацию. При поступлении в цилиндры двигателя более тяжелых высокооктановых фракций с ТЭС детонация прекращается. Очевидно, при работе на этилированном бензине разгон должен быть более плавным, исключающим появление детонации в двигателе.

Ведется работа по постепенной замене этилированных бензинов неэтилированными, что связано с ужесточением норм на выбросы вредных веществ с отработавшими газами и необходимостью использования для этого специальных каталитических нейтрализаторов отработавших газов, работоспособных в условиях использования на автомобилях только неэтилированных бензинов. Поэтому при наличии на автомобиле каталитического нейтрализатора (применяются в настоящее время на ряде зарубежных моделей) использование этилированных бензинов категорически запрещено, так как оксиды свинца разрушают катализатор и выводят его из строя уже через несколько часов работы двигателя.

Переход на неэтилированные бензины осуществляется путем изменения технологии производства бензинов и применения нетоксичных антидетонационных добавок. Наиболее перспективной является высокооктановая добавка — метил-грег-бутиловый эфир (МТБЭ). Физико-химические свойства МТБЭ близки к свойствам бензина. Добавка 10 % МТБЭ в бензин повышает О. Ч. И. на 5—6 ед. Хорошая совместимость МТБЭ с бензином позволяет получать неэтилированные бензины типа А-76 и АИ-93.

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

Пусковые свойства бензина улучшаются по мере увеличения содержания низкокипящих фракций. Однако при этом увеличивается склонность бензинов к образованию паровых пробок. Возникновение паровых пробок в системе питания двигателя — наиболее часто встречающаяся неполадка в работе двигателя в жаркую погоду, особенно при использовании бензина зимнего вида в летний период. При нагревании бензина в системе питания двигателя (в основном, в зоне расположения бензонасоса) его низкокипящие углеводороды испаряются, образуя пары, объем которых примерно в 150—200 раз больше объема жидкого бензина. Подача бензина в цилиндры двигателя из-за снижения массовой производительности бензонасоса уменьшается, горючая смесь обедняется, что приводит к потере мощности или, в случае сильного обеднения, к прекращению работы двигателя. Внешние проявления возникновения паровых пробок такие же, как и при засорении топливопроводов. С целью устранения этих явлений для выпускаемых бензинов установлены ограничения на содержание в них низкокипящих фракций. Регламентированы температура начала кипения бензинов (для летних сортов) и температура перегонки 10 % бензина. Кроме того, регламентируется значение давления насыщенных паров.

На практике, чтобы избежать образования паровых пробок, необходимо использовать марку бензина, соответствующую сезону. Если по какой-либо причине паровые пробки все же образуются, следует выключить двигатель и охладить бензонасос и трубопроводы в подкапотном пространстве.

Для бензинов с повышенным содержанием низкокипящих фракций характерны большие потери при хранении и транспортировке. Такие бензины могут приводить также к обледенению карбюратора. Быстро испаряющиеся низкокипящие фракции бензина отнимают тепло от воздуха, в котором происходит испарение, и от металлических деталей впускной системы и карбюратора. Чем больше низкокипящих фракций в бензине, тем ниже температура топливовоздушной смеси. Влага, содержащаяся в этой смеси, под действием низких температур может вымерзать и откладываться на холодных деталях в виде льда, нарушая работу деталей карбюратора (примораживание дроссельной заслонки к диффузору).

Учитывая противоречивые требования к фракционному составу бензина в части содержания низкокипящих фракций с позиций обеспечения пуска двигателя, с одной стороны, и образования паровых пробок, обледенения карбюратора и потерь на испарение — с другой, у нас в стране вырабатываются два вида бензинов — зимний и летний. Эти бензины имеют оптимальный фракционный состав для определенных температурных условий и позволяют без осложнений эксплуатировать автомобили в различное время года.

Такие характеристики двигателя, как время его прогрева и приемистость, связаны со значением температуры перегонки 50 % бензина. Прогрев двигателя определяется временем от начала его пуска до достижения нормального температурного режима двигателя (температура воды в пределах 80—100 °С). Приемистостью двигателя называют его способность обеспечивать быстрый разгон автомобиля. Чем меньше время прогрева двигателя, тем ниже расход бензина, непроизводительные затраты времени, а также меньше износ деталей двигателей. С понижением температуры окружающего воздуха требуются бензины с более низкой температурой перегонки 50 % бензина. Применение бензинов с указанным показателем для летнего сорта не выше 115 °С и зимнего — не выше 100 °С обеспечивает быстрый прогрев двигателя и его хорошую приемистость.

Износ двигателя и его экономичностьв значительной мере зависят от наличия в бензинах тяжелых фракций углеводородов. Их количество характеризуется температурами конца кипения и перегонки 90 % бензина. Если эти температуры высокие, то тяжелые фракции не успевают испариться во впускной системе и поступают в цилиндры двигателя в жидком виде. В результате часть их не успевает сгорать и экономичность двигателя ухудшается. Тяжелые фракции бензина, осевшие на стенках цилиндра, смывают масло с трущихся поверхностей и ухудшают условия их смазки. Следствие этого — повышенный износ деталей цилиндро-поршневой группы двигателя. Тяжелые фракции топлива попадают в картер двигателя и снижают вязкость масла, что также увеличивает изно.с двигателя. Несгоревшее в цилиндре топливо откладывается на поверхности камеры сгорания и поршней в виде нагара, который инициирует детонацию, калильное зажигание и вызывает другие нарушения в работе двигателя. Поэтому, чем меньше температура конца кипения бензина и перегонки его 90 %, тем лучше бензин с точки зрения его влияния на износ двигателя и экономичность. Для бензинов установлены нормы на температуры перегонки 90 % и конца кипения бензина: для летнего бензина соответственно не выше 180 и 195 °С и для зимнего — не выше 160 и 185 °С.

При частой езде на непрогретом двигателе в условиях постоянной эксплуатации автомобиля в городе, особенно в зимний период, н а-гарообразование может происходить и при использовании качественного бензина. В этом случае полезны периодические прогоны автомобиля на форсированном режиме за городом, способствующие выжиганию этого нагара. При разборке двигателя камеру сгорания и поршни следует тщательно очистить от нагара и других отложений.

В процессе хранения бензины подвергаются различным химическим превращениям, ведущим к ухудшению их эксплуатационных свойств. Способность бензина противостоять этим химическим превращениям называют химической стабильностью. Химическая стабильность бензинов определяется главным образом содержанием в них непредельных углеводородов, которые в силу их химической структуры легко взаимодействуют с кислородом воздуха с образованием высокомолекулярных смолистых веществ. На процесс окисления влияют также содержащиеся в бензине неуглеводородные соединения.

Процесс окисления бензина происходит сначала медленно, затем резко ускоряется. Период до резкого ускорения окисления называется индукционным периодом. Этот показатель, определяемый в лабораторных условиях, косвенно регламентирует химическую стабильность бензина. Например, значение индукционного периода, установленное для бензинов А-76 и АИ-93,— 900 мин гарантирует их стабильность в течение длительного времени. Гарантийный срок хранения автомобильного бензина всех марок установлен 5 лет со дня изготовления.

Образующиеся в результате окисления углеводородов топлива и последующей полимеризации смолистые вещества откладываются во впускной системе двигателя, вызывая нарушения регулировок. Откладываясь на штоках и тарелках клапанов, в камере сгорания при высокой температуре эти вещества превращаются в твердые отложения — нагары. Все это приводит к нарушениям в работе двигателя и, как следствие,— к снижению его мощности и экономичности. Поэтому введены ограничения на содержание в бензине фактических смол.

Нагарообразование в двигателе возрастает также с увеличением содержания в бензине тетраэтилсвинца, серы и ароматических углеводородов. Содержание свинца и серы в бензинах строго регламентируется. Ароматические углеводороды вследствие своей высокой детонационной стойкости являются желательной составляющей бензинов, но из-за повышенного нагарообразования их количество в бензине АИ-93 ограничено 45—50 %.

Серусодержащие соединения, так же как и различные кислородсодержащие соединения, водорастворимые кислоты и щелочи, которые в незначительных количествах присутствуют в бензинах, оказывают коррозионное воздействие на детали двигателя. Поэтому в технических требованиях стандарта на бензины предусмотрена оценка коррозионной агрессивности бензина (по сере) пробой на медную пластину. Бензин, выдержавший эту пробу, имеет низкую коррозионную агрессивность и не вызывает интенсивной коррозии металлов в условиях применения и хранения. Присутствие коррозионно-активных водорастворимых кислот и щелочей в бензинах не допускается.

Марки и виды бензинов.

В зависимости от октанового числа ГОСТ 2084—77 устанавливает следующие марки автомобильных бензинов:
А-72 — с октановым числом по моторному методу не менее 72;
А-76 — с октановым числом по моторному методу не менее 76;
АИ-93 — с октановым числом по исследовательскому методу не менее 93;
АИ-98 — с октановым числом по исследовательскому методу не менее 98.

Автомобильные бензины, за исключением марки АИ-98, подразделяются на виды:
летний — для применения во всех районах, кроме северных и северовосточных, в период с 1 апреля до 1 октября; в южных районах допускается применять летний вид бензина в течение всего года;
зимний — для применения в течение всех сезонов в северных и северо-восточных районах и остальных районах с 1 октября до 1 апреля.

По физико-химическим и эксплуатационным показателям бензины должны соответствовать нормам и требованиям, указанным ниже:

По отдельным техническим условиям выпускается неэтилированный бензин АИ-95 «Экстра» (ОСТ 38-019—75) для применения в автомобилях высшего класса. Объемы его производства незначительны.

В промышленно развитых странах применяется в основном два вида бензинов — «Премиум» с О. Ч. И. 97-—98 и «Регуляр» с О. Ч. И. 90—94. В странах Европейского экономического сообщества (ЕЭС) доля бензинов «Премиум» составляет 78 , а бензинов «Регуляр» — 22, причем в Европе в настоящее время практически все бензины этилированные с содержанием свинца от 0,15 до 0,4 г/л.

В Японии используется практически только неэтилированный бензин «Регуляр» с О. Ч. И. 91 (97%), бензина «Премиум» выпускается около 2 %, а этилированных бензинов — 0,5 %.

В США доля бензинов, имеющих О. Ч. И. 96, составляет 15 %, бензинов с О. Ч. И. 93—40 %, а О. Ч. И. 92—45 %, причем уже в 1985 г. доля этилированных бензинов составляла 35 %, при среднем содержании свинца 0,29 г/л. В США принято решение о полном переходе на неэтилированные бензины. Планируется выпускать неэтилированные бензины двух марок: «Регуляр» с О. Ч. И. 92 (85 % от общего выпуска) и «Премиум» с О. Ч. И. 96.

Решением Совета стран ЕЭС от 20.03.85 г. № 85/210ЕЭС на перспективу утвержден единый неэтилированный бензин «Премиум» с О. Ч. И. 95 (О. Ч. М. 85). Октановое число бензинов «Регуляр» может колебаться от 91 до 92. В настоящее время все новые модели автомобилей переводятся на использование только неэтилированного бензина, а с 1991 г.— и выпущенные ранее.