Lektsia 15 Aviatsionnye benziny

11. Авиационные бензины.

План:
Поршневые двигатели. Нормальное и детонационное горение топлива
Октановое число и сортность бензинов
Влияние изомерии углеводородов на значение октанового числа
Способы повышения октанового числа
Марки авиационных бензинов

1. Поршневые двигатели. Нормальное и детонационное горение топлива
Все современные авиационные поршневые двигатели – четырехтактные с искровым зажиганием.
По способу смесеобразования они делятся на две группы:
двигатели с внешним смесеобразованием, в которых распыление топлива, перемешивание его с воздухом и испарение осуществляются вне цилиндра в специальном агрегате – карбюраторе (карбюраторные двигатели);
двигатели с внутренним смесеобразованием, в которых топливо в определенный регулируемый момент подается через форсунки непосредственно в цилиндры двигателя специальным насосом высокого давления (двигатели с непосредственным впрыском).
Сгорание распыленной смеси топлива с воздухом, происходящее в цилиндре может протекать двумя способами: нормальное горение и детонационное горение.
При нормальном сгорании топлива скорость распространения фронта пламени в цилиндре составляет примерно 20-40 м/с. Сгорание топлива в цилиндре – сложный физико-химический процесс, состоящий из ряда цепных реакций, направление которых практически не поддается контролю. Поэтому нарушения в эксплуатации двигателей и топлива могут привести к не нормальному – детонационному сгоранию топлива, когда скорость распространения фронта пламени достигает 1500 – 2000 м/с.

Важнейшее эксплуатационное свойство бензинов –– их детонационное свойство, т.е. способность нормально сгорать в двигателе при различных условиях. Детонация –– ненормальное взрывоподобное горение топлива.
Возникновение детонации связано с образованием в рабочей смеси особых нестойких соединений – органических перекисей RCOOR, постепенное накопление и последующее резкое разложение которых приводит к интенсивному выделению энергии – взрыву.
Детонационные сгорание сопровождается мгновенным выделением большого количества энергии и детонационная волна многократно отражается от стенок цилиндра, создавая неприятный звук, резко снижая мощность двигателя и ускоряя его износ.
Внешние признаки работы двигателя с детонацией следующие:
Появление характерного звонкого металлического стука
Дымный выпуск с отдельными искрящимися точками
Перегрев двигателя
Падение мощности
Неустойчивая работа двигателя

2. Октановое число и сортность бензинов
Во всем мире производится и потребляется огромное количество бензина – как автомобильное и авиационное топливо. Чтобы бензин сгорал в цилиндрах автомобиля «правильно», он должен обладать рядом свойств. Одно из важнейших – октановое число. Именно оно написано на всех бензозаправках, и от него зависит качество и цена бензина.

Склонность той и или иной марки бензина к детонации определяется октановым числом, а зависящие, в свою очередь, от этого мощностные характеристики определяются сортностью.
Эти показатели определяют экспериментально испытанием бензина в специальных установках - стандартных одноцилиндровых двигателях – и сравнением с эталонным топливом. Сортность определяется только для авиационных топлив.
Октановое число - условная количественная характеристика устойчивости к детонации топлив для поршневых двигателей, выраженная в процентах.

Чтобы определить антидетонационные свойства полученной смеси, в 1930-х была предложена специальная шкала, в соответствии с которой стойкость данного бензина к детонации сравнивается со стойкостью стандартных смесей.
В качестве стандартов были выбраны два вещества: гептан нормального строения (н-С7Н16) и один из изомеров октана – 2,2,4,-триметилпентан (его называют «изооктаном»).
Смесь паров гептана с воздухом при сильном сжатии легко детонирует, поэтому качество гептана как топлива считается нулевым – он служит первичным эталонном, для которого детонационная стойкость принята за 0%.
Изооктан, будучи разветвленным углеводородом, устойчив к детонации, и его качество принимают равным 100 – первичный эталон чистый изо-октан, высокая детонационная стойкость которого принята за 100%.
Октановое число определяют так. Готовят смесь из нормального гептана и изооктана - вторичное эталонное топливо, которая по своим характеристикам эквивалентна испытуемому бензину. Процентное содержание изооктана в этой смеси и есть октановое число бензина.

Например, бензин А-76 или АИ-98, цифры указывают на процентное содержание изооктана в эталонном топливе по своим характеристикам соответствующего данному типу бензина.
Октановое число определяют разными способами. Для автомобильных бензинов применяют два метода – моторный и исследовательский. В первом случае моделируют работу двигателя в условиях больших нагрузок (движение по шоссе с высокой скоростью), во втором – в городских условиях (скорость движения невелика и происходят частые остановки). Буква «И» в марке бензина АИ-93 как раз и означает, что октановое число этого бензина получено исследовательским методом. А если указано, что октановое число бензина равно просто 76, то это означает, что оно получено моторным методом.
Поршневые авиационные двигатели работают в эксплуатационных условиях в двух режимах: крейсерском, когда вцелях экономии горючего и увеличения дальности полета двигатель работает не на полной мощности и на бедных смесях (коэффициент избытка воздуха
· = 1), и взлетном, т.е. на максимальной мощности, и в это времянеобходимо свестистепень детонации кминимуму – двигатель работает на бедных смесях (
· =0,6 – 0,7).
Оценка детонационнойстойкости авиационных бензинов на богатых смесях топливо-воздушных смесях осуществляется на стандартнойустановке ИТ9-1.
Сортность бензинов, показатель детонационной стойкости бензинов для авиационных поршневых двигателей с искровым зажиганием. Сортность бензинов характеризует мощность, которую может развить двигатель на данном бензине по сравнению с мощностью на эталонном изооктане как в чистом виде (сортность 100), так и с различным содержанием антидетонатора - тетраэтилсвинца при одинаковых режиме и условиях работы двигателя. Деление бензинов на марки зависит от октанового числа, а для авиационных бензинов - и от сортности

Например, сортность топлива 130 означает, что на данном топливе в стандартных условиях работы можно получить прирост мощности на 30% больший, чем на эталонном изооктане.

Влияние изомерии углеводородов на значение октанового числа
Однако алканы, которым отвечает одна и та же молекулярная формула имеют различное строение углеводородной цепи, например:
Бутан - С4Н10, можно нарисовать двумя способами

Это углеводороды различного строения. А значит и свойства их различны. Для пентана - С5Н12 можно нарисовать уже три варианта цепочки углеродных атомов:

Два бутана, так же как и три пентана являются по отношению друг к другу изомерами. А само явление называется изомерией.
Изомерия бывает разных видов. В данном случае для алканов характерна структурная изомерия углеводородной цепи – обусловлена различной последовательностью атомов углерода в молекуле.
С увеличением числа углеродов в молекулярной формуле алкана – число его структурных изомеров резко возрастает. Например, для декана их уже 75, а для алкана с формулой С40Н82 – более 62 триллионов. Конечно, же не все изомеры существуют в действительности в природе, многие были получены синтетически, подавляющее большинство – только теоретически.
Роль строения углеводорода наглядно видна из таблицы, в которой приведены октановые числа некоторых чистых химических соединений, полученные моторным методом:
н-Бутан
91,0

Изобутан
99,0

н-Пентан
61,7

2-Метилбутан
90,3

2,2,3-Триметилбутан
101,0

1-Пентен
77,1

2-Метил-1-бутен
81,9

2-Метил-2-бутен
84,7

Бензол
111,6

Видно, что повышению октанового числа способствуют разветвление цепи, введение двойной связи и появление ароматического кольца. Например, если в результате изомеризации нормального гексана (процесс идет в присутствии катализатора) получить смесь разветвленных изомеров этого углеводорода:
н-C6H14 (CH3)2CHCH(CH3)2 + (CH3)2CHCH2CH2CH3 + CH3CH(C2H5)2, то октановое число смеси повысится сразу на 20 единиц.
Бензин, получаемый из нефти простой перегонкой (такой бензин называется прямогонным), имеет низкое октановое число – в пределах 41–56, поэтому сейчас такой бензин не используется. Для повышения октанового числа используют более современные методы переработки нефти (термический и каталитический крекинг, риформинг).
Антидетонаторы и высокооктановые компоненты
Одним из способов повышения октанового числа бензинов, а следовательно и экономичности двигателя, является добавление к нему специальных веществ присадок - антидетонаторы. Эти вещества добавляют в очень малом количестве; химический состав топлива при этом не изменяется.
Одним из распространенных антидетонаторов является тетраэтилсвинец (ТЭС): Pb(Et)4, открытый еще в 1921 г.
ТЭС получают по реакции:
13 EMBED ISISServer 1415
ТЭС очень ядовит и может вызвать тяжелые отравления, даже со смертельным исходом при попадании его на кожу, при вдыхании паров и т.д. Более того, ТЭС вреден и тем, что при его разложении в камере сгорания выбрасывается свинец – тяжелый метал, пагубно влияющий на окружающую среду и от которого погиб Рим.
Существуют горючие жидкости с более высокими антидетонационными характеристиками, чем изооктан. Добавки таких жидкостей позволяют получить бензин с октановым числом более 100. Для оценки октанового числа выше 100 создана условная шкала, в которой используют изооктан с добавлением различных количеств тетраэтилсвинца Pb(C2H5)4. Известно, что это вещество уже в очень малых концентрациях значительно повышает октановое число бензина. Зная, сколько тетраэтилсвинца надо добавить в бензин, чтобы повысить его октановое число на одну единицу, несложно приготовить из изооктана стандартные смеси с октановым числом 101, 102 и т.д.
Механизм антидетонационного действия ТЭС заключается в следующем:
1. При 200°С ТЭС разлагается на металлический свинец и этильный радикал:
13 EMBED ISISServer 1415
2. Образующийся свинец окисляется кислородом воздуха с образованием двуокиси свинца:
13 EMBED ISISServer 1415
3. Двуокись свинца реагирует перекисями, не давая им накапливаться до критических концентраций, разрушая их :
13 EMBED ISISServer 1415
4. Оксид свинца (II) вновь окисляется до оксида свинца (IV), который продолжает далее разрушение перекиси:
13 EMBED ISISServer 1415
Помимо ТЭС найдены и другие менее токсичные антидетонаторы антидетонаторы на основе марганца: Mn(CO)5, C2H5Mn(CO)3, 13 EMBED ISISServer 1415 и карбонил(232-циклопентадиенил)никеля [Ni(CO)(C5H5)]2др.
К сожалению, эти антидетонаторы слишком дороги, а кроме того образуют твердый нагар на стенках цилиндров в значительно бульших количествах, чем тетраэтилсвинец, так что работа в этой области продолжается.
В отличие от антидетонаторов высокооктановые компоненты добавляют в большом количестве, до 40%. В качестве высокооктановых компонентов авиатоплива применяются алканы изо-строения и ароматические углеводороды с короткой разветвленной боковой цепью, например, кумол С6Н5СН(СН3)2.
Изоалканы: изооктан, изопентан (2-метилбутан), триптан (2,2,3-триметилбутан), неогексан (2,2-диметилбутан) и др., смеси изоалканов.
Ароматические углеводороды: толуол, кумол (изопропилбензол) и др. алктилбензолы, смеси ароматических углеводородов.
3. Марки авиационных бензинов
Наименования всех марок авиационных бензинов состоит из буквы «Б» и цифры, соответствующей октановому числу бензина, или дроби, в числителе которой указано октановое число, а в знаменателе – сортность бензина.
Например, в ГА на различных типах поршневых самолетов и вертолетов сегодня применяют такие марки авиационных бензинов, как Б-95/130, Б-91/115, Б-70 и Б-100/130.
Авиационные бензины Б-95/130 и Б-91/115 готовят на базе бензинов каталитического крекинга, риформинга и прямогонных бензиновых фракций с добавлением высокооктановых компонентов.
компонентов.
Характеристики авиационных бензинов

Показатели
Б-95/130 ГОСТ 1012-72
Б-91/115 ГОСТ 1012-72
Б-92 ТУ 38.401-58-47-92
Б-70 ТУ 38. 101913-82

Содержание тетраэтилсвинца, г/1 кг бензина, не более
3,1
2,5
2,0
-

Детонационная стойкость:

   октановое число по моторному методу, не менее
95
91
91,5
70

   сортность на богатой смеси, не менее
130
115
-
-

Удельная теплота сгорания низшая, Дж/кг (ккал/кг), не менее
42947·103 (10250)
42947·103 (10250)
42737·103 (10200)
-

Фракционный состав:

   температура начала перегонки, °С, не ниже
40
40
40
40

   перегоняется при температуре, °С, не выше:

      10 %
82
82
82
88

      50 %
105
105
105
105

      90 %
145
145
145
145

      97,5 %
180
180
180
180

   остаток, %, не более
1,5
1,5
1,5
1,5

Давление насыщенных паров, Па
33325-45422
29326-47988
29326-47988
47988

Кислотность, мг КОН/100 см3, не более
0,3
0,3
1,0
1,0

Температура начала кристаллизации, °С, не выше
-60
-60
-60
-60

Йодное число, г йода/100 г бензина, не более
6,0
2,0
2,0
2,0

Массовая доля ароматических углеводородов, %, не более
35
35
Не нормируется. Определение обязательно.
12-20

Содержание фактических смол, мг/100 см3 бензина, не более
4,0
3,0
3,0
2,0

Массовая доля серы, %, не более
0,03
0,03
0,05
0,05

Цвет
Желтый
Зеленый
Зеленый
Бесцветный

Массовая доля параоксидифениламина, %
0,002-0,005
0,002-0,005
-
-

Период стабильности, ч, не менее
12
12
8
-

Примечания. 1. Для бензинов всех марок: испытание на медной пластинке - выдерживает;содержание водорастворимых кислот и щелочей, механических примесей и воды - отсутствие; прозрачность - прозрачный; плотность при 20 °С, кг/м3 - не нормируется, определение обязательно. 2. Для авиационного бензина марки Б-91/115, получаемого на основе компонента каталитического крекинга, устанавливаются: а) йодное число - 10 г йода/100 г бензина. б) содержание фактических смол не более 4 мг/100 см3 бензина. 3. Для авиационных бензинов марок Б-95/130 и Б-91/115, выработанных из бакинских нефтей, допускается содержание параоксидифениламина 0,004-0,010 %, а на базе бензинов каталитического крекинга не менее 0,004 %. 4. С 1 мая по 1 октября нижний предел давления насыщенных паров авиационных бензинов не служит браковочным признаком, за исключением отгружаемых на длительное хранение. 5. Для авиационных бензинов, сдаваемых после длительного хранения (более 2 лет), допускаются отклонения при определении фракционного состава по ГОСТ 2177-82 для температуры перегонки 10 и 50 % на 2 °С и 90 % на 1 °С. Этилированные авиационные бензины после длительного хранения допускается сдавать с периодом стабильности не менее 2 ч. 6. Норма по показателю пункта 3 для бензинов с добавлением базового компонента крекинга должна быть не менее 43157·103 (10300) Дж/кг (ккал/кг). 7. По согласованию с потребителями допускается изготовлять авиационные бензины по показателю "период стабильности" с нормой не менее 8 ч.


Таблица – применение бензинов на различных типах самолетов и вертолетов
Самолет
Топливо
Вертолет
Топливо

Ил-14
Б-95/130
Ми-1
Б-91/115

Ан-2
Б-91/115
Ми-4
Б-95/130

Як-18
Б-70
Ка-15, 18, 26
СБ-78


Автомобильные бензины маркируют буквой «А» и цифрой, показывающей октановое число (А-66, А-72, А-76, АИ-93, АИ-98).

Производство отечественных марок авиабензина экономически стало не выгодно, и страны СНГ просто перестали его поставлять в необходимых объемах. Тогда возникает проблема: а где сегодня искать топливо необходимого качества для конкретных целей?
В прошлом было множество различных марок авиационного бензина в широком употреблении, например 80/87, 91/96, 100/130, 108/135 и 115/145. Однако с понижением спроса они были разумно сведены к одной основной марке - Avgas 100/130 или просто Avgas 100. Например, вертолет Ми-4 летал на бензине Б-95/130, Ан-2 - на Б-91/115. Ми-4 закончил свое существование - его списали с полетов, Ан-2 до сих пор летает. Но 91 бензин практически не производится и зачастую заменяется автомобильным, что приводит к увеличению отказов двигателя.
Авиационный бензин (Avgas) применяется на сравнительно небольших самолетах с поршневыми авиационными двигателями (ПАД) в авиации общего назначения (АОН), например, частными пилотами, во время лётной подготовки, в аэроклубах и для выполнения сельскохозяйственных работ. Поршневые двигатели работают с использованием тех же основных принципов, что и двигатели с искровым зажиганием на автомобилях, однако к рабочим характеристикам ПАД применяются более высокие требования.
Avgas 100 (окрашен в зеленый цвет) - стандартное высокооктановое топливо для авиационных поршневых двигателей с высоким содержанием свинца. Существует два основных стандарта для Avgas 100. ASTM D 910 и UK DEF STAN 91-90. Эти два стандарта по существу одинаковы, однако отличаются по содержанию антиокислительной присадки, по требованиям к устойчивости к окислению и максимальному содержанию свинца.
Avgas 100LL (окрашен в синий цвет) - данная марка является версией Avgas 100 с низким содержанием свинца. Низкое содержание свинца является условным. В Avgas I OOLL присутствует до 0,56 г/литр свинца. Данная марка перечислена в тех же ТУ, что и Avgas 100, а именно ASTM D 910 и UK DEF STAN 91-90.
Avgas 82 UL (окрашен в пурпурный цвет) - относительно новая марка, целью разработки которой являются двигатели с низкой степенью сжатия, которые не требуют высокооктановой марки Avgas 100 и могут быть рассчитаны на работу с неэтилированным топливом. Данная марка предусмотрена техническими условиями ASTM D 6227.
Поэтому в настоящее время в АОН имеются лишь две основные марки авиабензина (100 и 100LL), которые производятся в достаточных объемах и целиком удовлетворяют международным стандартам и требованиям


Рисунок 10

Приложенные файлы

  • doc 18814297
    Размер файла: 124 kB Загрузок: 0

Добавить комментарий