Федеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение высшего
профессионального образования
ПЕТРОЗАВОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
С. В. Беляев, В. В. Беляев
ТОПЛИВА ДЛЯ СОВРЕМЕННЫХ
И ПЕРСПЕКТИВНЫХ АВТОМОБИЛЕЙ
Свойства — применение - экономия
Учебное пособие
г¥) Д НАУЧНАЯ [
| БИБЛИОТЕКА
j Брянского государственного ।
| технического университета j
Петрозаводск 2005
УДК 665.7
Б 447
Рецензенты:
доктор технических наук, профессор А. В. Питухин
доктор технических наук, профессор И. К. Савин
Печатается по решению редакционно-издательского совета Петрозаводского
государственного университета
Беляев С. В.
Топлива для современных и перспективных автомобилей: Учеб,
пособие / С. В. Беляев, В. В. Беляев; ПетрГУ. - Петрозаводск, 2005.
-236 с.
ISBN 5-8021-0450-3
В учебном пособии освещено современное состояние развития автомобильных
топлив, изложены краткие сведения по производству топлив. Рассмотрены ас-
сортимент и важнейшие эксплуатационные свойства топлив, влияющие на
экономичную и надежную работу двигателей. Приведены рекомендации по раци-
ональному применению топлив в двигателях внутреннего сгорания. Уделено
внимание альтернативным видам топлива. Даны общие сведения о перспективных
двигателях, гибридных автомобилях и водородных топливных элементах.
Предназначено для студентов, изучающих специальные дисциплины «Топливо
и смазочные материалы», «Эксплуатационные материалы». Также может быть
полезным для инженерно-технических работников и автолюбителей.
УДК 665.7
Б 447
ISBN 5-8021-0450-3	© С. В. Беляев, В. В. Беляев, 2005
© Петрозаводский государственный
университет, 2005
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ.............................................8
ГЛАВА 1
НЕФТЬ И МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ ТОПЛИВ.....................11
1.1.	Краткие сведения о нефти.......................11
1.2.	Переработка нефти и получение топлив.......... 11
1.3.	Сколько добывается нефти в современной России?.16
1.4.	Что определяет баррель нефти?..................17
1.5.	Кто в мире больше всех продает и покупает нефти
и нефтепродуктов?.................................19
1.6.	Цены на нефть..................................20
1.6.1.	Факторы, влияющие на цены на нефть........20
1.6.2.	Что влияет на розничные цены топлива?.....21
1.6.3.	Почему цены на бензин в некоторых регионах могут
отличаться от других?.........................23
ГЛАВА 2
АВТОМОБИЛЬНЫЕ БЕНЗИНЫ...............................27
2.1.	Эксплуатационные требования....................27
2.2.	Основные свойства бензинов.....................27
2.3.	Ассортимент автомобильных бензинов.............41
ГЛАВА 3
ХАРАКТЕРИСТИКИ ДВИГАТЕЛЯ И ДЕТОНАЦИОННОЕ
СГОРАНИЕ............................................52
3.1.	Основные параметры.............................52
3.2.	Аномальные процессы сгорания...................54
3.2.1.	Виды аномальных процессов сгорания, встречающихся
при работе двигателя..........................54
3.2.2.	Работа двигателя от самовоспламенения.....56
3.2.3.	Преждевременное и последующее калильное
зажигание.................................... 57
3.2.4.	Влияние характеристик эксплуатационных режимов
двигателя......................................58
3
3.2.5.	Практические методы снижения детонации
в двигателях..........................................59
3.2.6.	Связь между степенью сжатия двигателя и октановым
числом топлива........................................62
3.2.7.	Влияние электронной системы управления
двигателем............................................64
ГЛАВА 4
ПРАКТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПРИМЕНЕНИЯ БЕНЗИНОВ
В ДВИГАТЕЛЕ: ВОПРОСЫ И ОТВЕТЫ...........................67
4.1.	Кто предложил октановые числа и открыл
антидетонационные свойства свинца?.......................67
4.2.	Зачем нам нужно знать октановое число бензина?.....70
4.3.	Какое свойство топлива определяет октановое число?..71
4.4.	Какие существуют методы определения октановых чисел?....72
4.5.	Какие другие свойства бензинов влияют на октановое
число?...................................................79
4.6.	Что такое высокооборотная детонация?................79
4.7.	Как определяется стойкость к преждевременному калильному
зажиганию?...............................................80
4.8.	Можно ли увеличить мощность двигателя, используя бензин
с более высоким октановым числом?........................80
4.9.	Можно ли смешивать бензины с разными октановыми
числами? Например, АИ-92 с АИ-95?........................81
4.10.	Что случится с двигателем, если использовать бензин
с другим октановым числом?...............................82
4.11.	Можно ли отрегулировать работу двигателя на топливе
с другим октановым числом?..............................83
4.12.	Чем отличаются авиационные бензины
от автомобильных?.......................................83
4.13.	Может ли нафталин увеличить октановое число?......85
4.14.	Оказывают ли влияние на детонацию температура и
нагрузка?...............................................86
4.15.	Как влияет высота?................................86
4.16.	Возможно ли влияние влажности воздуха?............87
4.17.	Какой эффект достигается при впрыске воды в двигатель?.... 87
4.18.	Как определять и устранять другие проблемы,
связанные с топливом?...................................89
4.19.	Как исправить качество бензинов?..................91
4
4.20. Можно ли использовать неэтилированный бензин в старых
автомобилях?...................................91
4.21.	Каков состав продуктов сгорания бензина?......92
4.22.	Можно ли дополнительно применять присадки
для топлив?.........................................93
4.23.	О чем свидетельствуют свечи	зажигания?..........94
ГЛАВА 5
ДИЗЕЛЬНЫЕ ТОПЛИВА.....................................95
5.1.	Основные эксплуатационные показатели и свойства..95
5.2.	Котельные, тяжелые моторные, газотурбинные, судовые
и печное топлива...................................111
5.3.	Практические аспекты применения дизельного топлива.
Вопросы и ответы....................................115
ГЛАВА6
ТОПЛИВНАЯ ЭКОНОМИЧНОСТЬ АВТОМОБИЛЕЙ..................125
6.1.	Топливная экономичность автомобилей. Введение
и основные понятия.................................125
6.2.	Двигатель.......................................131
6.2.1.	CIDI - дизель будущего.....................134
6.2.2.	Современные бензиновые двигатели GDI......139
6.3.	Эксплуатационные факторы........................139
6.4.	Топливная экономичность и токсичность...........144
6.5.	Компьютерные системы экономии топлива...........146
6.6.	Практические рекомендации по экономии топлива...149
6.6.1.	Экономия топлива в зимний период...........149
6.6.2.	Как сэкономить топливо и деньги?
25 советов......................................151
ГЛАВА 7
АЛЬТЕРНАТИВНЫЕ ТОПЛИВА...............................154
7.1.	Энергетические показатели перспективных топлив..154
7.2.	Углеводородные газообразные топлива.............157
7.3.	Пожароопасность газовых видов моторного топлива.159
5
7.4.	Применение газового топлива в двигателях с искровым
зажиганием..........................................159
7.5.	Применение газового топлива	в дизельных двигателях.160
7.6.	Спиртовое топливо..................................162
7.6.1.	Использование спиртов в двигателях с искровым
зажиганием........................................163
7.6.2.	Использование спиртов в дизелях................166
7.6.3.	Способы использования спиртов в дизелях........169
7.6.4.	Взаимное влияние качества спиртового топлива и
моторного масла на работу ДВС.....................171
7.7.	Водород - топливо недалекого будущего?..........172
7.8.	Аммиак в качестве топлива для ДВС...............174
7.9.	Растительные масла в качестве топлива дизелей
(биодизель)..........................................175
7.10.	Использование угольных топлив для дизелей.........175
7.11.	Синтетические жидкие топлива из углей.............175
7.12.	Электроэнергия................................... 177
7.13.	Солнечная энергия.................................177
7.14.	Топлива P-series..................................178
7.15.	Вопросы и ответы..................................178
ГЛАВА 8
ГИБРИДНЫЕ АВТОМОБИЛИ....................................183
8.1.	Общие сведения о гибридных автомобилях.............183
8.2.	Структура гибридного автомобиля....................184
8.3.	Основные компоненты гибридного автомобиля..........186
8.4.	Развитие гибридных автомобилей.....................188
8.5.	Меньше двигатели - больше эффективности............189
8.6.	Современные гибридные автомобили...................191
8.7.	Перспективы применения бензинового двигателя
в гибридах..........................................194
8.8.	Батареи для «гибрида»..............................195
8.9.	Вопросы и ответы...................................196
ГЛАВА 9
ВОДОРОДНЫЕ ТОПЛИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ............................200
9.1.	Топливные элементы. Общие сведения. История развития.... 200
6
9.2.	Как работает топливный элемент................201
9.2.1.	Принцип работы топливных элементов.......202
9.2.2.	Что горит в топливном элементе?..........203
9.3.	Какие преимущества имеют топливные элементы...204
9.4.	Применение и типы ТЭ..........................207
9.5.	Способы получения водорода....................210
9.6.	Каковы способы хранения водорода?.............210
9.7.	Безопасен ли водород?.........................212
9.8.	Автомобили на топливных элементах.............213
9.9.	Поддерживает ли Правительство России развитие ТЭ?.216
9.10.	А что происходит в других странах?...............216
9.11.	Что делается в США по развитию ТЭ?...........217
ПРИЛОЖЕНИЕ
Краткий словарь технических терминов для изучающих
технический английский.............................219
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ......................................234
7
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время - время энергетических ограничений и энерго-
сберегающих технологий - приходится уделять особое внимание всем
основным потребителям топлива. Причем внимания заслуживают все
каналы расхода энергии и особенно на автомобильном транспорте.
В энергосберегающей политике вопросы потребления ресурсов, нор-
мирования и стимулирования рационального их использования при-
обретают все большее значение. Одним из основных потребителей
энергии является автомобильный транспорт, объемы производства ко-
торого с каждым годом возрастают. Вследствие этого знание основных
свойств топлив, применяемых в тепловых двигателях, практические
аспекты их использования и повышение экономичности автомобилей
приобретают особую значимость. Возрастает роль автомобиля как ос-
новного вида личного транспорта. Свобода, предоставляемая личным
автомобилем, будет, по-видимому, продолжать оставаться важным
элементом жизни общества. При оценке перспектив развития ав-
томобильной промышленности и совершенствования автомобилей
следует иметь в виду чувствительность рынка к цене на топливо. По
мере повышения топливной экономичности автомобилей экономия при
каждом очередном ее повышении будет уменьшаться. В любой об-
ласти, будь то совершенствование двигателя, трансмиссии или шин, по
мере достижения предельных характеристик, соответствующих уров-
ню современной технологии, скорость прогресса замедляется. По боль-
шинству параметров, от которых зависит топливная экономичность,
мы в настоящее время уже приближаемся к предельным значениям.
Транспортный комплекс развитых стран потребляет примерно по-
ловину нефти. Между двумя нефтяными кризисами (1974 и 1978 годов)
во многих странах была разработана энергетическая политика, преду-
сматривающая введение стандартов на топливную экономичность
и внедрение энергосберегающих технологий.
Основные мероприятия, которые, по мнению многих специалистов,
являются весьма актуальными и сегодня, включают:
8
> Создание современных автомобилей экономичных модификаций,
использующих традиционные виды топлива (мероприятия заклю-
чаются в основном в совершенствовании конструкции двигателей
и других агрегатов автомобиля);
> Повышение качества применяемых топливо-смазочных материалов
и вторичное использование масел и смазок;
> Совершенствование коммерческой (автопоезда, использование грузо-
подъемности, маршрутизация и т. п.) и технической (качество ТО и
ремонта, учет, бортовые компьютеры, квалификация персонала)
эксплуатации.
> Анализ условий применения топлив-заменителей (например, мета-
нол и его смеси, природный и биологические газы), которые могут
частично пополнить ресурсы нефтяных топлив, используемых тра-
диционными автомобилями, на ближайшую перспективу. В США
и многих странах Европы поиски в этом направлении от стадии на-
учно-исследовательских и опытно-конструкторских работ перешли
сегодня к активной фазе практической реализации. Более того, на
национальном уровне многих стран проводится активная политика
по применению альтернативных топлив, по развитию водородной
энергетики, целями которой являются: минимизация зависимости
от импортируемых энергоносителей, охрана окружающей среды и
стимулирование перспективных научно-исследовательских разра-
боток, доведение до рыночной зрелости передовых энергосбере-
гающих технологий.
> Поиски альтернативных видов топлив и конструкций автомобилей,
исключающих в более отдаленной перспективе применение топлив
ненефтяного происхождения. К этим мероприятиям относятся
применение электроэнергии (аккумуляторные электромобили),
гибридных автомобилей (в качестве источников энергии исполь-
зуются двигатели внутреннего сгорания и аккумуляторные бата-
реи, а в качестве накопителей энергии - аккумуляторные батареи и
маховиковые накопители), синтетических топлив и т. д. Характер-
ным для ведущих мировых компаний является опережающая на-
учно-исследовательская и конструкторско-экспериментальная ра-
бота по созданию автомобилей будущего. Так, например, в США в
рамках национальной программы PNGV (Partnership for New Gene-
ration of Vehicles) и Freedom Car с целью разработки перспективных
двигателей, новых топлив и автомобилей, обладающих высокой то-
пливной экономичностью и экологическими характеристиками,
9
объединили усилия всемирно известные фирмы DAIMLER-
CRAYSLER, FORD и GENERAL MOTORS. Более того, к ним при-
соединились исследователи из нефтяных компаний MOBIL,
AMOCO, EXXON при активном участии Департамента энергетики.
В учебном пособии кратко освещены современные теории, приве-
дены последние научно-технические разработки. Таким образом, мож-
но надеяться, что предлагаемое учебное пособие будет полезным спра-
вочным изданием не только для студентов, изучающих специальные
курсы, но и для инженеров-практиков, многочисленных автолюбите-
лей, проявляющих интерес к топливам, топливной экономичности
и перспективным разработкам в двигателестроении и автомобильной
промышленности.
Выражаем признательность рецензентам: доктору технических на-
ук профессору А. В. Питухину и доктору технических наук профес-
сору И. К. Савину за ценные замечания и предложения, а также всем,
кто оказывал помощь и содействие при подготовке данного пособия.
Особую благодарность выражаем Дмитрию Афанасьеву, усердная ра-
бота которого помогла подготовить к печати эту рукопись.
Мы также благодарны ООО «ВЕСТ-КОМ» и ООО «ЛЗП «ОНЕЕО»»
за помощь, оказанную при издании данного учебного пособия.
В заключение выражаем благодарность издательству Петрозавод-
ского государственного университета за советы и помощь по написа-
нию и оформлению учебного пособия.
Учитывая, что в первом издании книги могут иметь место неточно-
сти и недоработки, мы будем благодарны читателям за все замечания
и пожелания.
10
ГЛАВА 1
НЕФТЬ И МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ ТОПЛИВ
1.1. Краткие сведения о нефти
Нефть представляет собой природную густую маслянистую жид-
кость, от светло-коричневого до темно-бурого цвета, плотностью
650-1050 кг/м3.
Запасами нефти и газа мы обязаны микроскопическим морским
животным и водорослям, планктонным организмам, содержащим
природные масла; погибая, они оседали на дно, и их останки, под
давлением осадочных пород, морской воды и под действием тепла,
идущего из недр земли, превратились в нефть и газ.
Нефть плотностью ниже 830 кг/м3 называется легкой, 830-860 кг/м3
- средней и выше 860 кг/м3 - тяжелой. Начало кипения нефти около
28 °C, температура застывания от +26 до -60 °C, теплота сгорания
43,7-46,2 МДж/кг.
Средний элементный химический состав нефти: углерода -
82-87%, водорода - 11-14%. Кроме того, в состав нефти входят азот,
сера, кислород и другие элементы. В зависимости от содержания серы
нефть делят на малосернистую (до 0,5%), сернистую (0,5-2%) и
высокосернистую (свыше 2%). Залегает нефть обычно в породистых
и трещиноватых горных породах (песках, песчаниках, известняках) на
глубине 1,2-2 км и более.
Нефть добывают бурением скважин. Различают следующие спо-
собы бурения: роторный, турбинный и электробурение.
В последние годы расширяется добыча нефти из-под морского дна,
на так называемом шельфе.
1.2. Переработка нефти и получение топлив
Впервые в России переработку нефти на заводской установке,
представляющей собой перегонный куб периодического действия,
осуществили крестьяне - братья Дубинины в 1823 году.
Переработка сырой нефти в топливо, химикаты и другие полезные
продукты осуществляется нефтеперегонкой. Нефть, добытая из место-
рождения, представляет собой смесь сотен различных соединений,
называемых углеводородами.
Первая перегонка разделяет нефть на несколько фракций: сырую
нефть нагревают до кипения, и образующиеся пары направляют в
стальную ректификационную колонку, где различные фракции кон-
денсируются на разной высоте.
Основные фракции: бензин, дизельное топливо и мазут. Даль-
нейшая переработка фракций позволяет получить высококачественное
топливо, масла и химические вещества, применяемые для произ-
водства пластмасс и сотни других необходимых продуктов.
Прямая перегонка - это первичный этап переработки нефти.
Проходя через ряд теплообменников, нефть подогревается, очищается
и попадает в ректификационную колонку высотой 15—30 метров.
Продуктами прямой перегонки нефти являются дистилляты
(фракции), выкипающие в следующих интервалах температур:
-	бензиновый 35-200 °C,
120-140 °C
-	реактивное топливо 60-315 °C
-	керосиновый 140-300 °C
-	дизельное топливо 150-360 °C
-	газойлевый 230-360 °C
- соляровый 300-400 °C.
Из газойле-соляровых фракций получают дизельное топливо.
Вторичная переработка нефти
Основными методами деструктивной переработки нефти являются:
-термический крекинг предусматривает переработку сырья при тем-
пературе 450-500 °C и давлении 2-5 МПа.
-каталитический крекинг протекает при температуре 470-530 °C и дав-
лении 70-370 МПа в присутствии катализатора для получения жела-
тельных углеводородов;
-каталитический риформинг - это как бы процесс облагораживания
низкокачественного бензина путем его каталитической переработки
под давлением водорода в присутствии катализатора;
-гидрокрекинг - это каталитическая переработка нефтяных фракций и
остаточных продуктов дистилляции нефти (мазута, гудрона) под
давлением водорода для получения бензина, дизельного топлива и
топлива для реактивных двигателей. Гидрокрекинг протекает при тем-
пературе 260—450 °C и давлении 5-20 МПа на целиотсодержащих
катализаторах;
12
-гидроочистка проводится для повышения качества и стабильности
светлых дистиллятов при температуре 250—420 °C и давлении 2-5 МПа
в присутствии катализаторов.
Коксование - это утилизация тяжелых остатков крекинга с целью
получения дистиллята широкого фракционного состава и нефтяного
кокса из мазута и т. д. методом их нагревания без доступа воздуха при
температуре 505-515 °C под давлением 0,2-0,3 МПа.
Синтезирование применяют для получения индивидуальных угле-
водородов, обладающих высокими антидетонационными свойствами и
используемых в качестве добавок к бензинам. Процесс осущест-
вляется в присутствии катализаторов.
С момента появления первых двигателей внутреннего сгорания и
до настоящего времени основными видами топлива для автотран-
спорта остаются продукты переработки нефти - бензины и дизельные
топлива. Эти топлива представляют собой смеси углеводородов и при-
садок, предназначенных для улучшения их эксплуатационных свойств.
В состав бензинов входят углеводороды, выкипающие при темпе-
ратуре от 35 до 200 °C, а в состав дизельных топлив - углеводороды,
выкипающие в пределах 180-360 °C.
Бензины в силу своих физико-химических свойств применяются в
двигателях с принудительным зажиганием (от искры). Более тяжелые
дизельные топлива вследствие лучшей самовоспламеняемости приме-
няются в двигателях с воспламенением от сжатия, т. е. в дизелях.
Производство топлив включает следующий комплекс основных
технологических процессов переработки нефти и нефтепродуктов.
Первичная перегонка нефти производится в атмосферных или
атмосферно-вакуумных ректификационных колоннах с целью раз-
деления нефти на фракции. Бензиновая фракция, выкипающая в
пределах 95-180 °C, используется как компонент товарного бензина
для автомобилей и как сырье для получения высокооктановых ком-
понентов бензина.
Дизельная фракция, выкипающая в пределах 180-360 °C, исполь-
зуется в качестве товарного топлива для быстроходных дизелей, а
также как сырье для других процессов переработки нефтепродуктов.
Кроме названных фракций вырабатываются также углеводородные
газы, керосиновые фракции. Остаточными продуктами являются: при
атмосферной перегонке нефти - мазут, выкипающий при температуре
13
выше 350 °C, а при атмосферно-вакуумной перегонке - вакуумные
дистилляты, выкипающие в пределах 350-500 °C, и гудрон, выки-
пающий при температуре выше 500 °C.
Крекинг-процессы предназначены для получения дополнительных
количеств светлых нефтепродуктов термическим разложением
остатков перегонки • нефти. К их числу относятся термический,
каталитический и гидрокрекинг. При термическом крекинге тяжелые
углеводороды, входящие в состав остаточных продуктов перегонки
нефти (в основном, мазута и гудрона), при нагреве до температур
350-550 °C и выше расщепляются на более легкие углеводороды с
образованием бензиновых, керосиновых и дизельных фракций. Для
топлив термического крекинга характерна низкая химическая ста-
бильность, которую улучшают путем введения в топлива специальных
антиокислительных добавок.
При каталитическом крекинге используется катализатор, позво-
ляющий изменять химический состав сырья в желаемом направлении.
Сырьем являются вакуумные дистилляты, а также дизельные фракции
других процессов переработки нефтепродуктов. Бензиновые фракции,
получаемые при этом процессе, применяют в качестве компонента
автомобильного бензина, их выход составляет 40-45%. При гидро-
крекинге разложение тяжелого сырья происходит в присутствии
водорода.
Важное место в нефтеперерабатывающей отрасли занимает ката-
литический риформинг-процесс получения высокооктанового компо-
нента автомобильных бензинов в результате каталитических превра-
щений низкооктановых бензиновых фракций, вырабатываемых при
прямой перегонке и крекинге. Основная продукция этого процесса -
катализат, используемый в качестве высокооктанового компонента
автомобильного бензина. Его выход составляет до 85%.
Существуют и другие процессы получения высокооктановых
компонентов бензина (алкилирование, изомеризация).
Полученные при различных процессах топливные компоненты не
используются в качестве готовой товарной продукции. Завершающим
этапом приготовления товарных топлив является компаундирование
(смешение) различных компонентов и введение присадок, улучша-
ющих те или иные свойства топлив.
14
Комплексная установка переработки нефти показана на рис. 1.1,
а принципиальная схема переработки нефти на рис. 1.2.
Рис. 1.1. Комплексная атмосферно-вакуумная установка переработки нефти:
1 - трубчатая печь; 2, 5 - ректификационные колонны; 3 - холодильники;
4 - конденсатор-газоотделитель; 6 - теплообменник; 7 - насос; 8 - испа-
рительная колонна
Рис. 1.2. Принципиальная схема переработки нефти
15
1.3.	Сколько добывается нефти в современной России?
В последние годы (после 2001 года) добыча нефти в России
поступательно возрастает. Прогноз добычи и производства энерго-
ресурсов в России показан в таблице 1.1.
Таблица 1.1
Добыча и производство энергоресурсов в Российской Федерации (прогноз)
1 Добыча	Единица измерения	Год					
		2001	2002	2003	2004	2005	2010
нефти	млн. тонн	335	345	350	355	360	360-371
газа природного и попутного	—		600	605			
в том числе попутного	—	31	31	31	31	31	31
угля всего	млн. тонн	259	270	280	290	300	335
в том числе коксующегося	—	63,3	65.2	65,4	64,7	65,9	69
2 Производство электроэнергии, всего	млрд. кВт-ч	899,9	925,9	954,4	980,7	1008,8	1158,9
в том числе’ ТЭС	—	596,9	616,5	639	653,2	665.9	765,9
ГЭС	—	165	165,4	165,4	167,5	168,9	181
АЭС	—	138	144	150	160	174	212
3 Первичная нефтепереработка	млн. тонн	180	183	185	187	190-200	210
Глубина переработки	%	70,6	71	71,2	72	73	75
Выработка нефтепродуктов							
автобензинов	млн. тонн	28,3	29,6	30,9	32,5	34,5	40
дизельного топлива	—	50,9	52,3	53,5	55,3	57,7	65
топочного мазута	—	46,3	45,8	45,3	44,3	43,1	44,5
4 Производство возобновляемых:							
энергоресурсов	млн тонн усл топлива	1	1.1	1,4	1.7	2	3-5
электроэнергии	млрд. кВт-ч.	1,9	2,1	2,7	3,3	3,9	5,7
тепловой энергии	млн. Г кал	3	3,3	4,3	5,1	6,1	9,2
5 Производство первичных топливно- энергетических ресурсов	млн. тонн усл. топлива	1432	1447- 1466	1472- 1489	1522	1543,4	1602-1618
16
Однако темпы увеличения добычи нефти в Советском Союзе были
значительно выше, особенно с 1960 по 1980 год (рис. 1.3).
Рис. 1.3. Добыча нефти и газового конденсата в СССР, млн. т
1.4.	Что определяет баррель нефти?
Баррель - это мера измерения количества жидкости, принятая
в Англии и США.
В Англии один баррель содержит 36 имперских галлон. В США
один баррель также мера измерения объема жидкости, включает 31 А
галлона, однако один нефтяной баррель состоит из 42 галлон.
Нефтяной баррель использовался в качестве меры определения
объема с 1860 года, но величина его была «плавающей»: иногда
меньше, иногда больше 42 галлон. И только в 1870-х годах было
принято решение, что один нефтяной баррель содержит 42 галлона
и является единицей измерения объема.
В таблице 1.2 показано соотношение единиц измерения объема
в разных странах и системах измерения.
'U-Tuinit мтми - .-.лгя.штик-а !.- j	*“’
НАУЧНАЯ
БИБЛИОТЕКА
| Брянского государственного {
17
Таблица 1.2
	Галлон США	Галлон Англии	Баррель	Фут3	Литр	м3
Галлон США	1	0,8327	0,02381	0,1337	3,785	0,0038
Галлон Англии	1,201	1	0,02859	0,1605	4,546	0,0045
Баррель	42	34,97	1	5,615	159	0,159
Фут3	7,48	6,229	0,1781	1	28,3	0,0283
Литр	0,2642	0,22	0,0063	0,0353	1	0,001
м3	264,2	220	0,289	35,3147	1000	1
Что можно получить из одного барреля нефти?
При переработке одного барреля, используя современные тех-
нологии, в среднем можно получить следующие нефтепродукты:
Таблица 1.3
Нефтепродукты	Галлон
Бензин	19,5
Дизельное топливо (включая печное бытовое)	9,2
Реактивное топливо	4,1
Котельное топливо	1,3
Сжиженные газы	1,9
Попутные газы	1,9
Кокс	1,8
Смолисто-асфальтные вещества	1,3
Продукты для нефтехимии	1,2
Смазочные масла	0,5
Керосин	0,2
Другое	0,3
Используя глубокую переработку нефти, из одного барреля (42
галлона) можно получить полезных нефтепродуктов на 2,2 галлона
больше. Больше всего получается бензина (до 47%), дизельного
топлива (23%).
18
1.5.	Кто в мире больше всех продает и покупает нефти
и нефтепродуктов?
Среди лидеров по импорту нефти это безусловно промышленно
развитые страны. И в первую очередь США. Нефть обеспечивает до
40% от всей потребляемой энергии в этой стране. Более 60%
потребляемой сырой нефти и нефтепродуктов в США поступает из
других стран.
Являясь крупнейшим покупателем нефти на рынке, США, тем не
менее, обладает крупнейшими запасами собственных энергоресурсов.
Общие запасы нефти превышают 200 миллиардов тонн, а мировые
запасы могут составлять около 2 триллионов тонн.
В таблице 1.4 приведены данные за 2001-2002 годы.
Таблица 1.4
Крупнейшие производители, экспортеры и импортеры сырой нефти
Производители 2002 г.	Мт	% в мире
Саудовская Аравия	409	11,5
Россия	378	10,7
США	350	9,9
Мексика	178	5
Иран	176	5
Китай	169	4,8
Норвегия	156	4,4
Венесуэла	153	4,3
Канада	133	3,7
Англия	115	3,2
Остальные	1331	37,5
Итого в мире	3548	100
Экспортеры 2001 г.	Мт
Саудовская Аравия	303
Россия	162
Норвегия	151
Иран	119
Венесуэла	109
Мексика	93
Ирак	90
Англия	87
Эмираты	79
Остальные	663
Итого в мире	1961
Импортеры 2001 г.	Мт
США	526
Япония	209
Корея	119
Германия	105
Италия	91
Франция	86
Индия	79
Нидерланды	61
Китай	60
Испания	58
Остальные	663
Итого в мире	2057
19
Таблица 1.5
Объемы производства экспорта и импорта нефти и нефтепродуктов
Нефтепереработка 2001 г.	% В мире
США	20,6
СНГ	10,4-
Китай	5,6
Япония	5,4
Корея	3,2
Италия	2,8
Германия	2,8
Канада	2,4
Франция	2,4
Англия	2,2
Остальные	42,2
Экспортеры 2001 г.	Мт
Саудовская Аравия	357
Россия	213
Норвегия	15
Венесуэла	143
Иран	128
Ирак	93
Кувейт	90
Мексика	81
Остальные	544
Импортеры 2001 г.	Мт
США	553
Япония	251
Германия	129
Корея	103
Франция	94
Италия	85
Индия	76
Испания	73
Китай	69
Сингапур	44
Остальные	564
1.6.	Цены на нефть
1.6.1.	Факторы, влияющие на цены на нефть
Динамика изменения цен за период с 1947 по 2003 год приведена
на рисунке 1.4, а за период с 1861 по 1996 г. на рисунке 1.5.
Oil and war Crude oil ptice per barrel in 1996 dollars. Source: WTRG Economics
$55
Рис. 1.4. Динамика изменения цен на нефть с 1947 по 2003 г.
20
Crude oil prices since 1861
&wcm BP Statistical Ffewiwof Vforid Energy, 7996.
Рис. 1.5. Цены на сырую нефть с 1861 г.
Многие факторы влияют на колебание цены на нефть, в частности:
- уровень добычи нефти;
-	изменение спроса;
-	внедрение энергосберегающих технологий.
1.6.2. Что влияет на розничные цены топлива?
Бензин, один из основных нефтепродуктов, получаемых из сырой
нефти, находит широкое применение в автомобильных двигателях,
легких судовых двигателях, бензопилах и др. Бензины имеют разные
октановые числа, и цены на них соответственно тоже разные. Большая
стоимость характерна для высокооктанового, неэтилированного бензина.
Разность в цене между низкооктановым и высокооктановым бензином
примерно во всех странах и регионах России одинакова.
Цена любого бензина определяется затратами на его производство,
доставкой потребителям, которые учитывают, в свою очередь, стоимость
нефти для производителей бензинов, затраты, связанные с ее пере-
работкой, маркетингом и распределением и, наконец, с организацией
работы заправочных станций и различными налогами.
Таким образом, потребитель, покупая бензин по конкретной цене,
компенсирует все затраты, а также прибыль (иногда потери) всех, кто
добывает нефть, а также владельцев заправочных станций.
21
В Европе и США эта технология давно отработана и является
достаточно прозрачной.
Так, например, в США в 2002 году средняя цена барреля нефти
составляла 24,09 доллара, а цена галлона бензина включала 43%
стоимости сырой нефти. Сравнивая с 2001 годом, когда средняя цена
барреля была равна 22,95 доллара, можно заметить, что от стоимо-
сти галлона бензина часть затрат на нефть составляла уже 38%
(рис. 1.6).
2001 Average
Retail Price: $1.42,'gailon
2002 Average
Retail Price: $1.357gallon
Рис. 1.6. Структура средних розничных цен на бензин в 2001 и 2002 гг.
в США
Федеральные и местные налоги в США составляют большую часть
розничных цен на бензин. Налоги (за исключением местных) сос-
тавляли около 30% от стоимости галлона бензина. В среднем по стра-
не федеральный налог равнялся 18,4 цента за галлон, а в штатах -
около 20% за галлон.
Прибыль тех, кто занимался переработкой нефти, составила 13% от
розничной цены. Данный компонент может незначительно изменяться
для различных регионов США.
Стоимость бензина зависит также от условий и факторов местного
рынка, начиная от стратегии маркетинга и заканчивая личными качест-
вами владельцев заправочных станций.
22
1.6.3. Почему цены на бензин в некоторых регионах могут
отличаться от других?
Если в стране, городе, регионе проводится активная политика по
охране окружающей среды, то затраты на производство экологически
чистых топлив возрастают.
Безусловно, на повышение и изменение цен на бензин будут вли-
ять и удаленность региона от нефтеперерабатывающих заводов, время
года, уровень конкуренции на местах, форс-мажорные обстоятельства
(аварии, политическая ситуация и т. д.).
Оказывает влияние на цену бензина во всех странах и сезонная
потребность в бензинах. Когда стоимость нефти на рынке находится
примерно на одном уровне, цены изменяются незначительно. Рознич-
ные цены имеют тенденцию к плавному повышению летом, когда воз-
растает активность населения, и падению зимой. Уровень цен в неко-
торых странах мира в январе 2003 года приведен на рис. 1.7.
Selected
World Gasoline* Prices
AVERAGE PRICES for JANUARY 2003
Country
Price	Price
Per	Per
Liter	U.S.
In U.S. Gallon
$ In U.S.
$
Country
Price
Per
Liter
In U.S.
$
Japan
$0.885
$0.880
Spain
Рис. 1.7. Средняя цена на бензин в промышленно развитых странах мира
в 2003 г.
23
Средние цены на бензин и дизельное топливо в европейских стра-
нах в декабре 2003 года указаны в таблице 1.6.
Таблица 1.6
Средние цены на бензин и дизельное топливо в Европе
в декабре 2003 г.
Country	Currency Leaded	Unleaded	Diesel	Leaded	Unleaded	Diesel
' Austria	Furo	i	-	-	86	71
[ Belgium	Euro	-	-	-	1.03	80
i Finland	Euro		-	-	1.01	68
| Germany	Euro		-		1.08	88
i Greece	Euro			-	81	69
Netherlands	Euro		-	-	1.13	79
Italy	Euro		-		1.04	87
Luxembourg	Euro	-		-	76	62
! Spain	Euro	-	-		80	70
Pct lug a’	Euro	-			ss	70
i France	Euro	•	-	-	99	78
Ireland	E u ro	-	-		87	79
Sweden	Swedish Krona	9.13	7.81		106-1	90.8
Switzerland	Swiss Franc	1.30	1.37	-	87.6	92.4
GB	Sterling	/65	7S.2	-	109.3	111.7
i USA	US Dollars	0 39	0 4 1		0 33	f) 3 5
Northern i Ireland	Pound Sterling	783	80	-	111.8	114.3
I Norway	Norwegian Krone	8.80	9s W °	-	110.7	104.4
Poland	Zloty	3.35	2.80	-	79.5	66.4
Hungary	Forint	228.5	208.0	-	95.2	86.6
Czech Republic	Czech Koruna	24.13	21.14	-	80.3	70.3
Denmark	Dan-sh Krone	8.08	6.36		113 9	95.4
24
Экспертами во всем мире отмечено, что хорошая погода летом,
располагающая к активному отдыху и путешествиям, может привести
к увеличению цены на бензин до 6% по сравнению с другим временем
года.
В США самая высокая цена на бензин держится в штате Кали-
форния (рис. 1.9), в котором зарегистрировано более 20 млн. автомо-
билей, примерно столько же, как и во всей России.
Рис. 1.8. Средние розничные цены на бензин в Калифорнии (США)
в январе 2003 г.
По этой причине власти очень жестко подходят к решению
вопросов, касающихся охраны окружающей среды. Калифорния была
одним из первых штатов, запретивших применение присадки к бен-
зину МТБЭ (метилтретбутиловый эфир), которая была обнаружена
в подземных водах. Производство экологически чистого бензина без
присадок МТБЭ и приводит к увеличению розничной цены на бензин.
Можно отметить, что в России (в Москве) наблюдаются такие же
тенденции в ценовой политике на топлива (бензин, дизтоплива).
Факторы, влияющие на цену на нефть, могут иметь различную
природу. Среди них можно отметить и нестабильность политической
ситуации в мире, экономический рост многих стран (Китай, Индия,
25
страны Ближнего Востока и т. д.) и, наконец, то, что запасы нефти
ограничены.
Вероятно, с истощением добычи нефти и увеличением ее потре-
бления во всех регионах мира, цена ее будет повышаться, пик
повышения, по прогнозу экспертов, может произойти в 2010-2020
годах. На рисунке 1.10 показан график Хуберта, из которого видно, что
в недалеком будущем возможен рост цен (price leap), далее - некото-
рая стабилизация, а затем в 2010-2015 годах - постепенное сниже-
ние добычи нефти.
Рис. 1.9. График Хуберта - прогноз потребления и производства нефти
26
ГЛАВА 2
АВТОМОБИЛЬНЫЕ БЕНЗИНЫ
2Л. Эксплуатационные требования
Бензины предназначены для применения в поршневых двигателях
внутреннего сгорания с принудительным воспламенением (от искры).
В зависимости от назначения их разделяют на автомобильные и ави-
ационные.
Несмотря на различия в условиях применения, автомобильные
и авиационные бензины характеризуются в основном общими показа-
телями качества, определяющими их физико-химические и эксплуата-
ционные свойства.
Современные автомобильные и авиационные бензины должны
удовлетворять ряду требований, обеспечивающих экономичную и на-
дежную работу двигателя, и требованиям эксплуатации:
-	иметь хорошую испаряемость, позволяющую получить однород-
ную топливовоздушную смесь оптимального состава при любых тем-
пературах;
-	иметь групповой углеводородный состав, обеспечивающий ус-
тойчивый, бездетонационный процесс сгорания на всех режимах
работы двигателя;
-	не изменять своего состава и свойств при длительном хранении и
не оказывать вредного влияния на детали топливной системы, резер-
вуары, резинотехнические изделия и др.
В последние годы экологические свойства топлива выдвигаются на
первый план.
2.2.	Основные свойства бензинов
Испаряемость. Для обеспечения полного сгорания топлива в дви-
гателе необходимо перевести его в короткий промежуток времени из
жидкого состояния в парообразное и смешать с воздухом в опре-
деленном соотношении, т. е. создать рабочую смесь. В зависимости от
конструкции двигателя возможны два способа образования рабочей
смеси. При первом способе в карбюраторе происходит частичное
испарение бензина и образование горючей смеси, затем паровоздуш-
ный поток распределяется по цилиндрам. Вследствие неполного испа-
рения бензина часть капель из паровоздушного потока оседает в виде
жидкой пленки на стенках впускного трубопровода. Из-за разности
в скоростях движения паров и жидкой пленки в цилиндры поступает
горючая смесь, неоднородная по качеству и составу. При втором
27
способе бензин впрыскивается с помощью форсунок непосредственно
в камеру сгорания или во впускной трубопровод.
Система подготовки горючей смеси с помощью карбюратора
отличается относительной простотой и надежностью и используется
практически во всех отечественных автомобилях, однако в этом случае
предъявляются более жесткие требования к испаряемости бензина.
Непосредственный впрыск бензина с помощью форсунок используется
во всех современных автомобильных и авиационных двигателях, в том
числе и отечественных. В двигателях, оборудованных системой элек-
тронного впрыска топлива, обеспечивается более равномерное рас-
пределение топлива по цилиндрам, и вследствие этого они обладают
рядом преимуществ по сравнению с карбюраторными по топливной
экономичности, динамичности, токсичности отработавших газов.
К физико-химическим показателям, от которых зависит испа-
ряемость бензинов, относят давление насыщенных паров, фракцион-
ный состав, скрытую теплоту испарения, коэффициент диффузии
паров, вязкость, поверхностное натяжение, теплоемкость, плотность.
Из перечисленных показателей важнейшими, определяющими испаря-
емость бензинов, являются давление насыщенных паров и фракци-
онный состав. По вязкости, поверхностному натяжению, скрытой теп-
лоте испарения, коэффициенту диффузии паров, теплоемкости бензи-
ны разного состава сравнительно мало различаются между собой,
и эти различия нивелируются конструктивными особенностями дви-
гателей. Давление насыщенных паров и фракционный состав являются
функциями состава бензина и могут существенно различаться для
разных бензинов. Эти два параметра определяют пусковые свойства
бензинов, их склонность к образованию паровых пробок, физическую
стабильность. Давление насыщенных паров зависит от температуры и
от соотношения паровой и жидкой фаз и уменьшается с уменьшением
температуры и увеличением отношения паровой фазы к жидкой.
Фракционный состав бензинов определяют перегонкой на спе-
циальном приборе, при этом отмечают температуру начала перегонки,
температуру выпаривания (10, 50, 90%) и конца кипения (97.5% для
авиабензинов) или объем выпаривания при 70, 100 и 180 °C.
Требования к фракционному составу и давлению насыщенных
паров бензинов определяются конструкцией автомобильного
двигателя и климатическими условиями его эксплуатации. С одной
стороны, необходимо обеспечить запуск двигателя при низких темпе-
ратурах, с другой стороны - предотвратить нарушения в работе
двигателя, связанные с образованием паровых пробок при высоких
28
температурах. Пусковые свойства бензина зависят от содержания
в нем легких фракций, которое может быть определено по давлению
насыщенных паров и температуре перегонки 10% или объему легких
фракций, выкипающих при температуре до 70 °C. Чем ниже темпе-
ратура окружающего воздуха, тем больше легких фракций требуется
для запуска двигателя. По эмпирической формуле можно определить
предельную температуру запуска двигателя, зная температуру
выкипания 10% бензина: Тз = Тю/2 - 50,5, где Т3 - предельная тем-
пература запуска, °C; Тю - температура выкипания 10% бензина, °C.
Пусковые свойства бензинов ухудшаются с понижением давления
их насыщенных паров, причем при давлении 34 КПа концентрация
паров бензина в рабочей зоне настолько мала, что запуск двигателя
становится невозможным. Поэтому ГОСТ Р 51105-97 на автобензины
предусматривает ограничение не только верхнего, но и нижнего
уровня давления насыщенных паров. Присутствие бутанов в составе
бензинов положительно влияет на его пусковые свойства. Однако
чрезмерное содержание низкокипящих фракций в составе бензинов
может вызвать перебои в работе прогретого двигателя, связанные с
образованием паровых пробок в системе топливоподачи. Причиной
образования паровых пробок в автомобильном двигателе является
интенсивное испарение топлива вследствие его перегрева. При высо-
ких температурах это явление может иметь массовый характер. В ави-
ационных двигателях причиной образования паровой пробки служит
снижение атмосферного давления при подъеме самолета. Образование
паровых пробок зависит от испаряемости бензина, температуры и
конструкции двигателя. Чем выше давление насыщенных паров бен-
зина, ниже температуры начала кипения и перегонки 10% и больше,
объем фракции, выкипающей при температуре до 70 °C, тем больше
его склонность к образованию паровых пробок. Эта зависимость носит
линейный характер и определяется следующим образом: ИПП = 10
ДНП + 7V7o, где ИПП - индекс паровой пробки; ДНП - давление
насыщенных паров бензина, КПа; V7o - объем бензина, выкипающего
при температуре до 70 °C. Склонность бензина к образованию паровых
пробок можно оценить по предельной температуре его нагрева, при
которой соотношение паровой и жидкой фаз равно 20. Именно воз-
можность образования паровых пробок является причиной ограни-
чения верхнего уровня давления насыщенных паров (особенно для
авиационных бензинов), которое не должно превышать 48 КПа.
От содержания в бензине легкокипящих фракций зависит его
физическая стабильность, т. е. склонность к потерям от испарения.
29
Наибольшие потери от испарения имеют бензины, содержащие в своем
составе низкокипящие углеводороды: бутаны, изопентан.
Высокая испаряемость бензина может иногда стать причиной
обледенения карбюратора. Испарение бензина в карбюраторе сопро-
вождается понижением температуры его деталей. В условиях высокой
влажности при температуре воздуха около 4 °C происходит вымер-
зание влаги из окружающего воздуха, которое вызывает обледенение
карбюратора.
Снижая испаряемость бензина, можно предотвратить обледенение
карбюратора, однако это ухудшает пусковые свойства бензинов.
Поэтому в бензин вводят специальные антиобледенительные присадки
или осуществляют конструктивные меры.
От фракционного состава зависят такие показатели, как скорость
прогрева двигателя, его приемистость, износ цилиндро-поршневой
группы. Наиболее существенное влияние на скорость прогрева дви-
гателя, его приемистость оказывает температура перегонки 50%
бензина. Температура выкипания 90% бензина также влияет на эти
характеристики, но в меньшей степени. Скорость прогрева двигателя,
его приемистость зависят и от температуры окружающего воздуха.
Чем ниже температура воздуха, тем ниже должна быть температура
перегонки 50% бензина для обеспечения быстрого прогрева и хо-
рошей приемистости двигателя. При понижении температуры это
влияние усиливается. Поэтому нормы на данный показатель также
зависят от температурных условий эксплуатации и различаются по
сезону и климатическим зонам. Для нормальной работы двигателя
большое значение имеет полнота испарения топлива, которая характе-
ризуется температурой перегонки 90% бензина и температурой конца
кипения. При неполном испарении бензина во впускной системе часть
его может поступать в камеру сгорания в жидком виде, смывая масло
со стенок цилиндров. Жидкая пленка через зазоры поршневых колец
может проникать в картер, при этом происходит разжижение масла.
Это приводит к повышенным износам и отрицательно влияет на
мощность и экономичность работы двигателя. Снижение температуры
конца кипения бензинов может повысить их эксплуатационные свойс-
тва, улучшить экологические характеристики, однако при этом
повышается стоимость получения бензинов.
Применение в современных автомобилях систем непосредственного
впрыска бензина с электронным управлением позволяет достаточно
эффективно использовать бензины с повышенной температурой конца
кипения. С учетом широкого распространения таких автомобилей
30
ГОСТ Р 51105 97 установлена норма на температуру конца кипения
автомобильных бензинов - 215 °C.
Как было указано выше, требования к испаряемости автомобиль-
ных бензинов в значительной мере зависят от температурных условий
их применения. С учетом климатических особенностей нашей страны
автомобильные бензины по фракционному составу и давлению
насыщенных паров подразделяют на два вида: зимний и летний. По
показателям испаряемости ГОСТ Р 51105-97 предусматривает 5
классов бензинов. Требования к фракционному составу и давлению
насыщенных паров определены в зависимости от сезона и клима-
тического района применения. Такая классификация в большей
степени удовлетворяет требованиям эксплуатации двигателей в разных
климатических условиях и будет способствовать более экономичному
и рациональному использованию топлив. Новый ГОСТ Р 51866-2002
на неэтилированные бензины уже предусматривает производство 10
классов бензинов по испаряемости. Летние классы: А, В; зимние
классы: С, D, Е, F и переходные классы: C1,D1,E1,F1.
Детонационная стойкость. Этот показатель характеризует
способность автомобильных и авиационных бензинов противостоять
самовоспламенению при сжатии. Высокая детонационная стойкость
топлив обеспечивает их нормальное сгорание на всех режимах
эксплуатации двигателя. Процесс горения топлива в двигателе носит
радикальный характер. При сжатии рабочей смеси температура и
давление повышаются и начинается окисление углеводородов, которое
интенсифицируется после воспламенения смеси. Если углеводороды
несгоревшей части топлива обладают недостаточной стойкостью к
окислению, начинается интенсивное накапливание перекисных соеди-
нений, а затем их взрывной распад. При высокой концентрации
перекисных соединений происходит тепловой взрыв, который вызы-
вает самовоспламенение топлива. Самовоспламенение части рабочей
смеси перед фронтом пламени приводит к взрывному горению остав-
шейся части топлива, к так называемому детонационному сгоранию.
Детонация вызывает перегрев, повышенный износ или даже местные
разрушения двигателя и сопровождается резким характерным звуком,
падением мощности, увеличением дымности выхлопа. На возник-
новение детонации оказывает влияние состав применяемого бензина
и конструктивные особенности двигатели.
Оценочным показателем детонационной стойкости автомобильных
и авиационных бензинов является октановое число, определяющее
содержание изооктана (в % объемных) в смеси с н-гептаном, которая
31
по детонационной стойкости эквивалентна топливу, испытуемому в
стандартных условиях. В лабораторных условиях октановое число
автомобильных и авиационных бензинов и их компонентов опреде-
ляют на одноцилиндровых моторных установках УИТ-85 или УИТ-65.
Склонность исследуемого топлива к детонации оценивается срав-
нением его с эталонным топливом, детонационная стойкость которого
известна. Октановое число на установках определяется двумя мето-
дами: моторным (по ГОСТ 511-82) и исследовательским (по ГОСТ
8226-82).
Методы отличаются условиями проведения испытаний. Испытания
по моторному методу проводят при более напряженном режиме
работы одноцилиндровой установки, чем по исследовательскому.
Поэтому октановое число, определенное моторным методом, обычно
ниже октанового числа, определенного исследовательским методом.
Октановое число, полученное моторным методом, в большей степени
характеризует детонационную стойкость топлива при эксплуатации
автомобиля в условиях повышенного теплового форсированного
режима. Октановое число, полученное исследовательским методом,
больше характеризует бензин при работе на частичных нагрузках в
условиях городской езды. Разницу между октановыми числами
бензина, определенными двумя методами, называют чувствитель-
ностью бензина. Наибольшей чувствительностью (9-12 ед.) отлича-
ются бензины каталитического крекинга и каталитического рифор-
минга, содержащие непредельные и ароматические углеводороды.
Менее чувствительны (1-2 ед.) к режиму работы двигателя
алкилбензин и прямогонные бензины, состоящие из парафиновых и
изопарафиновых углеводородов. Для авиационных бензинов норми-
руется октановое число, определенное только моторным методом.
Для автомобильных бензинов, за исключением А-76, определяются и
нормируются октановые числа по двум методам.
Важным показателем детонационной стойкости авиационных
бензинов является сортность на богатой смеси, которую определяют
при испытании на стандартной одноцилиндровой моторной установке
ИТ9-1 (ГОСТ 3338-68). Сортность топлива численно равна сортности
такого эталонного топлива, которое при испытании на одноци-
линдровом двигателе в стандартных условиях на режиме начальной
детонации имеет одинаковое с испытуемым топливом значение
среднего индикаторного давления. Чем выше сортность топлива, тем
выше его детонационная стойкость на богатой смеси в условиях
работы авиационного двигателя. При маркировке авиационных бен-
32
зинов в числителе дроби указывается октановое число по моторному
методу, а в знаменателе - сортность на богатой смеси.
Требования к детонационной стойкости бензинов зависят от
конструктивных особенностей двигателя, определяющими среди кото-
рых являются степень сжатия и диаметр цилиндра.
Детонационная стойкость автомобильных и авиационных бензинов
определяется их углеводородным составом. Наибольшей детонаци-
онной стойкостью обладают ароматические углеводороды. Самая низ-
кая детонационная стойкость у парафиновых углеводородов нормаль-
ного строения, причем она уменьшается с увеличением их молеку-
лярной массы. Изопарафины и олефиновые углеводороды обладают
более высокими антидетонационными свойствами по сравнению с
нормальными парафинами. Увеличение степени разветвленности
и снижение молекулярной массы повышает их детонационную стой-
кость. По детонационной стойкости нафтены превосходят парафи-
новые углеводороды, но уступают ароматическим углеводородам.
Наибольшую чувствительность - разность между октановыми числами
по исследовательскому и моторному методам - имеют олефиновые
углеводороды. Чувствительность ароматических углеводородов нес-
колько ниже. Для парафиновых углеводородов эта разница очень
мала, а высокомолекулярные низкооктановые парафиновые углево-
дороды имеют отрицательную чувствительность.
Антидетонационные свойства бензинов, получаемых различными
технологическими процессами, определяются входящими в их состав
углеводородами. Самую низкую детонационную стойкость имеют
бензины прямой перегонки, состоящие, в основном, из парафиновых
углеводородов нормального строения, причем она снижается с
повышением температуры конца кипения. Октановые числа, опреде-
ляемые по моторному методу прямогонных фракций, выкипающих до
180 °C, обычно составляют 40-50 ед. Детонационная стойкость
фракций с температурой начала кипения 85 °C несколько выше - 65-70
ед. Исключение составляют прямогонные бензины, получаемые из
нефтей нафтенового основания (сахалинские, азербайджанские и др.),
их октановые числа достигают 71-73 ед. Однако ресурсы этих нефтей
весьма ограничены.
Для повышения октановых чисел прямогонных бензинов их под-
вергают каталитическому риформингу.
33
Для повышения октановых чисел товарных бензинов используют
также специальные антидетонационные присадки и высокооктановые
компоненты.
Самым дешевым и до недавнего времени наиболее эффективным
способом повышения детонационной стойкости товарных бензинов
было добавление к ним алкилсвинцовых антидетонаторов, в частности
тетраэтил- или тетраметилсвинца в виде этиловой жидкости. Бензины,
в которые добавлена этиловая жидкость, называются этилированными.
Во все авиационные бензины для достижения требуемого уровня
детонационной стойкости добавляется этиловая жидкость. При высо-
ких температурах в камере сгорания тетраалкилсвинец разлагается с
образованием алкильных радикалов и свинца, который далее оки-
сляется с образованием диоксида свинца. Последний вступает в реак-
цию с гидроперекисями, разрушая их, с образованием малоактивных
продуктов окисления и оксида свинца:
КСН2ООН + РЬО2 КСОН + РЬО + Н2О + 0,5О2.
Оксид свинца подвергается окислению с образованием активного
диоксида свинца, который вновь вступает в реакцию с гидро-
перекисями, прерывая радикальный процесс окисления и тем самым
предотвращая детонацию.
Тетраэтилсвинец (ТЭС) более распространен, чем тетраметил-
свинец. Последний более эффективен при применении в высоко-
ароматизированных, высокооктановых бензинах, но не может исполь-
зоваться при производстве авиационных бензинов, так как не обес-
печивает необходимый уровень сортности на богатой смеси. В России
производится только тетраэтилсвинец.
При работе двигателя на этилированном бензине в камере сгорания
образуется оксид свинца, имеющий высокую температуру плавления
(880 °C). Накопление оксида свинца на электродах свечей зажигания,
днищах поршней и стенках камеры сгорания отрицательно влияет на
работу двигателя, значительно сокращая его ресурс. В ряде стран
применение этилированных бензинов запрещено законом. Помимо
высокой токсичности применение этилированных бензинов препят-
ствует широкому использованию на автомобилях катализаторов
дожита отработавших газов, так как продукты сгорания свинца
отравляют катализатор.
В качестве альтернативы алкилсвинцовым антидетонаторам для
повышения детонационной стойкости автомобильных бензинов в
России допущены и используются при производстве бензинов
34
органические соединения марганца, железа, ароматические амины.
Широкое распространение в России и за рубежом при производ-
стве высокооктановых бензинов получил метилтретбутиловый эфир
(МТБЭ). МТБЭ имеет октановые числа смешения: 115-135 по иссле-
довательскому методу и 98-110 по моторному.
Теплота сгорания. Этот показатель во многом определяет
мощностные и экономические показатели работы двигателя. Он осо-
бенно важен для авиационных бензинов, так как оказывает влияние на
> дельный расход топлива и на дальность полета самолета. Чем выше
теплота сгорания, тем меньше удельный расход топлива и больше
дальность полета самолета при одном и том же объеме топливных
баков.
Для авиационных бензинов регламентируется низшая теплота
сгорания.
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 пере-
гонки и алкилбензин, наименьшей - ароматические углеводороды
и содержащие их бензины каталитического риформинга.
Химическая стабильность. Этот показатель характеризует спо-
собность бензина сохранять свои свойства и состав при длительном
хранении, перекачках, транспортировании или при нагревании впус-
кной системы двигателя. Химические изменения в бензине, проис-
ходящие в условиях транспортирования или хранения, связаны с окис-
лением входящих в его состав углеводородов. Следовательно, хими-
ческая стабильность бензинов определяется скоростью реакций
окисления, которая зависит от условий процесса и строения окис-
ляемых углеводородов.
При окислении бензинов происходит накопление в них смолистых
веществ, образующихся в результате окислительной полимеризации и
конденсации продуктов окисления. На начальных стадиях окисления
содержание в бензине смолистых веществ невелико и они полностью
растворимы в нем. По мере углубления процесса окисления количество
смолистых веществ увеличивается и снижается их растворимость в
бензине. Накопление в бензинах продуктов окисления резко ухудшает
их эксплуатационные свойства. Смолистые вещества могут выпадать
из топлива, образуя отложения в резервуарах, трубопроводах и др.
35
Окисление нестабильных бензинов при нагревании во впускной
системе двигателя приводит к образованию отложений на ее
элементах, а также увеличивает склонность к нагарообразованию на
клапанах, в камере сгорания и на свечах зажигания.
Окисление топлив представляет собой сложный, многостадийный
свободнорадикальный процесс, происходящий в присутствии кис-
лорода воздуха. Скорость реакции окисления углеводородов резко
возрастает с повышением температуры. Контакт с металлом оказывает
каталитическое воздействие на процесс окисления. Низкую хими-
ческую стабильность имеют олефиновые углеводороды, особенно
диолефины с сопряженными двойными связями. Высокой реакционной
способностью обладают также ароматические углеводороды с двойной
связью в боковой цепи. Наиболее устойчивы к окислению пара-
финовые углеводороды нормального строения и ароматические углево-
дороды. Причем реакционноспособные олефиновые или алкенаро-
матические углеводороды могут инициировать процесс окисления
химически стабильных углеводородов. Химическая стабильность
автомобильных бензинов определяется в основном их углеводородным
составом.
Содержащиеся в бензинах неуглеводородные компоненты также
влияют на их химическую стабильность. Наибольшей склонностью к
окислению обладают бензины термического крекинга, коксования,
пиролиза, каталитического крекинга, которые в значительных коли-
чествах содержат олефиновые и диолефиновые углеводороды. Бензины
каталитического риформинга, прямогонные бензины, алкилбензин
химически стабильны.
Химическую стабильность товарных бензинов и их компонентов
оцениваю! стандартными методами путем ускоренного окисления при
температуре 100 °C и давлении кислорода по ГОСТ 4039-88. Этим
методом определяют индукционный период, т. е. время от начала
испытания до начала процесса окисления бензина. Чем выше индук-
ционный период, тем выше стойкость бензина к окислению при
длительном хранении. По индукционным периодам бензины раз-
личных технологических процессов существенно различаются. Индук-
ционные периоды бензинов термического крекинга составляют 50-250
мин; каталитического крекинга - 240-1000 мин; прямой перегонки -
более 1200 мин; каталитического риформинга - более 1500 мин.
Установлено, что бензины, характеризующиеся индукционным
периодом не менее 900 мин, могут сохранять свои свойства в течение
36
гарантийного срока хранения (5 лет). Так как не все бензины
предназначены для длительного хранения, в нормативно-технической
документации нормы на индукционный период установлены от 360 до
1200 мин.
Склонность бензинов к окислению в двигателе в большей степени
характеризует показатель «сумма продуктов окисления», определя-
емый окислением бензина в герметичной бомбе при 110 °C в течение
6 ч (ГОСТ 22054-76). Этот метод используется в основном для иссле-
довательских целей и при квалификационных испытаниях.
Химическая стабильность бензинов в определенной степени может
быть охарактеризована йодным числом, которое является показателем
наличия в бензине непредельных углеводородов. Йодное число нор-
мируется для авиационных бензинов, так как вовлечение в их состав
нестабильных бензинов недопустимо.
Химическая стабильность этилированных бензинов зависит также
от содержания в них этиловой жидкости, так как тетраэтилсвинец при
хранении подвергается окислению с образованием нерастворимого
осадка. Авиационные бензины практически не содержат непредельных
\ глеводородов, но содержание в них тетраэтилсвинца значительно
выше, чем в автомобильных бензинах. Поэтому их химическая
стабильность характеризуется периодом стабильности (ГОСТ 6667-75)
и определяется в основном наличием тетраэтилсвинца.
Для обеспечения требуемого уровня химической стабильности в
автомобильные бензины, содержащие нестабильные компоненты,
разрешается добавлять антиокислительные присадки Агидол-1 или
Агидол-12. В авиационные бензины введение антиокислителя обяза-
тельно для стабилизации ТЭС.
Склонность к образованию отложений и нагарообразованию.
Применение автомобильных бензинов, особенно этилированных,
сопровождается образованием отложений во впускной системе
двигателя, в топливном баке, на впускных клапанах и поршневых
кольцах, а также нагара в камере сгорания. Наиболее интенсивное
образование отложений происходит на деталях карбюратора: на дрос-
сельной заслонке и вблизи нее, в воздушном жиклере и жиклере
холостого хода. Образование отложений на указанных деталях при-
водит к нарушению регулировки карбюратора, уменьшению мощности
и ухудшению экономичности работы двигателя, увеличению токсич-
ности отработавших газов. Образование отложений в топливной сис-
теме частично зависит от содержания в бензинах смолистых веществ,
37
нестабильных углеводородов, неуглеводородных примесей, от фрак-
ционного и группового состава, которые определяют «моющие
свойства» бензина. Однако в большей степени этот процесс опре-
деляется конструктивными особенностями двигателя. Так, введение
принудительной системы вентиляции картера резко увеличило
образование отложений в карбюраторе, в основном вследствие со-
держания в картерных газах капель масла, продуктов неполного
сгорания бензина и др. Использование двигателей с непосредственным
впрыском бензина привело к повышенному образованию отложений на
впускных клапанах (в местах расположения форсунок). На образование
нагара в камере сгорания также оказывают влияние конструкция
двигателя и состав бензина. Установлено, что повышенному нагаро-
образованию способствует высокое содержание в бензинах олефино-
вых и ароматических углеводородов, особенно высококипящих. Содер-
жание ароматических и олефиновых углеводородов в товарных
бензинах ограничивается соответственно 55 и 25% (об.).
Склонность бензинов к образованию отложений во впускной
системе определяется только при проведении квалификационных
испытаний междуведомственным лабораторно-моторным методом.
Наиболее эффективным способом борьбы с образованием
отложений во впускной системе двигателя является применение
специальных моющих или многофункциональных присадок. Такие
присадки широко используются за рубежом. В России также раз-
работаны и допущены к применению присадки аналогичного наз-
начения.
Эксплуатационные требования. Автомобильные и авиационные
бензины должны быть химически нейтральными и не вызывать
коррозию металлов и емкостей, а продукты их сгорания - коррозию
деталей двигателя. Коррозионная активность бензинов и продуктов их
сгорания зависит от содержания общей и меркаптановой серы,
кислотности, содержания водорастворимых кислот и щелочей,
присутствия воды. Эти показатели нормируются в нормативно-
технической документации на бензины. Бензин должен выдерживать
испытание на медной пластинке. При квалификационных испытаниях
автомобильных и авиационных бензинов определяется также их
коррозионная активность в условиях конденсации воды по ГОСТ
18597-73.
Эффективным средством защиты от коррозии топливной аппара-
туры является добавление в бензины специальных антикоррозионных
или многофункциональных присадок.
38
Независимо от компонентного состава, бензины, не содержащие
спиртов и эфиров, имеют высокие низкотемпературные свойства.
Введение в состав бензинов спиртов и эфиров снижает их температуру
помутнения. В нормативно-технической документации на авиаци-
онные бензины нормируется температура начала кристаллизации.
Топливо не должно образовывать кристаллов льда, которые забивают
топливный фильтр при полетах в условиях низких температур,
поэтому температура начала кристаллизации авиабензинов должна
быть ниже -60 °C.
Экологические требования. Непрерывный рост автомобильного
транспорта в развитых странах, где плотность автомобилей достигла
10-20 ед. на 1 кв. км, а в США их количество превысило 200 млн.,
привел к сильному загрязнению окружающей среды, и в первую
очередь воздушного бассейна, вредными выбросами отработавших
газов. По этой причине среди всех требований, предъявляемых к
бензинам, на первое место выдвигаются экологические.
Загрязнение окружающей среды, связанное с применением бен-
зинов, может происходить на этапах транспортирования, заправки,
испарения, утечки и пр. Однако основным источником загрязнения
являются отработавшие газы. В их составе содержится более 300
соединений, наносящих вред окружающей среде и здоровью человека.
Среди экологических показателей бензинов важнейшим является
содержание в них соединений свинца. Это связано не только с высокой
токсичностью этилированных бензинов и продуктов их сгорания, но и
с возможностью применения каталитических систем нейтрализации
отработавших газов, так как продукты сгорания свинца отравляют
катализатор. Поэтому одной из первоочередных экологических задач в
области производства бензинов является сокращение или полный отказ
от применения этиловой жидкости. В США и ряде европейских стран
применение этилированных бензинов запрещено законом. Переход на
производство и применение неэтилированных бензинов позволит не
только снизить выбросы в атмосферу высокотоксичных соединений
свинца, но и даст возможность оборудовать автомобили ката-
литическими системами нейтрализации отработавших газов и до
минимума сократить токсичность последних. В России также приняты
и осуществляются программы, направленные на решение экологи-
ческих проблем. По относительному объему производства и потреб-
ления неэтилированных автобензинов Россия в настоящее время
находится на уровне развитых европейских стран. За последние пять
39
лет их выработка увеличилась втрое и в 1997 году составила 70%
общего объема.
Среди продуктов сгорания неэтилированных бензинов наиболь-
шую опасность представляют оксид и диоксид углерода, оксиды азота,
оксиды серы, углеводороды и твердые частицы.
Токсичность неэтилированных бензинов и продуктов их сгорания в
основном определяется содержанием в них ароматических углеводо-
родов, особенно бензола, олефиновых углеводородов и серы. Аромати-
ческие углеводороды более токсичны по сравнению с парафиновыми
углеводородами. Если парафины в соответствии с ГОСТ 12.1.005 88
относятся к 4-му классу опасности, то бензол относится ко 2-му классу,
а толуол - к 3-му. При их сгорании образуются полициклические
ароматические углеводороды (бенз-а-пирены), обладающие канцеро-
генными свойствами. Чем выше содержание ароматических угле-
водородов в бензине, тем выше температура его сгорания и содер-
жание оксидов азота в отработавших газах. Несгоревшие углево-
дороды, содержащиеся в отработавших газах, в воздушной среде под
воздействием различных факторов (повышенная влажность, солнечный
свет и пр.) способствуют образованию стойких аэрозолей, получивших
название «смог». Наибольшей фотохимической активностью обладают
продукты сгорания олефиновых и ароматических углеводородов.
Высокое содержание серы в бензине увеличивает выбросы оксидов
серы, которые губительно действуют на здоровье человека, животный
и растительный мир, конструкционные материалы. При использовании
бензинов с кислородсодержащими добавками содержание токсичных
продуктов в отработавших газах несколько снижается.
Запрет на применение свинцовых антидетонаторов в бензинах
можно считать первым шагом в изменении экологических свойств
бензинов, вторым шагом является переход к использованию так
называемых реформулированных бензинов, связанный с принятием в
США в 1990 году поправок к закону о чистом воздухе. Для
реформулированного бензина предусматривается введение ограни-
чений и ужесточение требований по целому ряду показателей:
давление насыщенных паров, фракционный состав, содержание
ароматических углеводородов, бензола, олефинов, серы, предусма-
тривается обязательное добавление кислородсодержащих соединений
(не менее 1,8% по кислороду) и моющих присадок. С 1 января 1995
года в девяти городах США (Нью-Йорк, Чикаго, Хьюстон и др.)
потребляется только реформулированный бензин.
40
В России также приняты и осуществляются программы, направ-
ленные на решение экологических проблем. ГОСТ Р 51105-97
Бензины для автомобильного транспорта» предусматривает дове-
дение требований к отечественным автобензинам до уровня евро-
пейских норм (EN 228). Ужесточена норма на содержание в бензинах
обшей серы - до 0,05%, введена норма на содержание бензола - не
более 5%, а по ГОСТ Р 51866-2002 - не более 1%. Еще более строгие
требования установлены на автомобильные бензины, предназначенные
хгя применения в Москве.
2.3.	Ассортимент автомобильных бензинов
В зависимости от октанового числа ГОСТ 2084-77 предусма-
тривает пять марок автобензинов: А-72, А-76, АИ-91, АИ-93 и АИ-95.
В связи с увеличением доли легкового транспорта в общем объеме
автомобильного парка наблюдается заметная тенденция снижения
потребности в низкооктановых бензинах и увеличения потребления
высокооктановых. Бензин А-72 практически не вырабатывается ввиду
отсутствия техники, эксплуатируемой на нем. Наибольшая потреб-
ность существует в бензине А-92, который вырабатывается по ТУ
38.001165-97. хотя доля бензина А-76 в общем объеме производства
остается очень высокой. Указанные ТУ предусматривают также марки
бензинов А-80 и А-96 с октановыми числами по исследовательскому
методу соответственно 80 и 96. Эти бензины предназначены в
основном для поставки на экспорт. Бензин АИ-98 с октановым числом
98 по исследовательскому методу производится по ТУ 38.401-58-122-
95 и ТУ 38.401-58-127-95. Бензины А-76, А-80, АИ-91, А-92 и А-96
допускается вырабатывать с использованием этиловой жидкости.
Малоэтилированный бензин АИ-91 с содержанием свинца 0,15 г/дм3
выпускается по отдельным техническим условиям (ТУ 38.401-58-86-
94). При производстве бензинов АИ-95 и АИ-98 использование
алкилсвинцовых антидетонаторов не допускается. Требования ГОСТ
2084-77 к качеству автомобильных бензинов приведены в табл. 2.1.
Все бензины, вырабатываемые по ГОСТ 2084-77, в зависимости от
показателей испаряемости делят на летние и зимние. Зимние бензины
предназначены для применения в северных и северо-восточных рай-
онах в течение всех сезонов и в остальных районах с 1 октября до 1 ап-
реля. Летние - для применения во всех районах, кроме северных и се-
веро-восточных, в период с 1 апреля по 1 октября; в южных районах до-
пускается применять летний бензин в течение всех сезонов. Бензины для
экспорта (ТУ 38.001165-97) и бензин АИ-98 - всесезонные (табл. 2.2).
41
Параметры автомобильных бензинов, вырабатываемых по ГОСТ
2084-77, существенно отличаются от принятых международных норм,
особенно в части экологических требований. В целях повышения
конкурентоспособности российских бензинов и доведения их качества
до уровня европейских стандартов разработан ГОСТ Р 51105-97
«Топлива для двигателей внутреннего сгорания. Неэтилированный
бензин. Технические условия», который был введен в действие с
01.01.99 г. Этот стандарт не заменяет ГОСТ 2084-77, которым преду-
Таблица 2.1
Характеристики автомобильных бензинов (ГОСТ 2084—77)
Показатели	А-72 неэтилиро- ванный	А-76		АИ-91	АИ-93 неэтилиро- ванный	АИ-95 неэтилиро- ванный
		неэтилиро- ванный	этилиро- ванный	неэтилиро- ванный		
1	2	3	4	5	6	7
Детонационная стойкость октановое число, не менее: моторный метод	72	76	76	82,5	85	85
исследовательский метод	Не нормируется			91	93	95
Массовое содержа- ние свинца, г/дм3, не более	0,013	0,013	0,17	0.013	0.013	0,013
Фракционный состав: температура нача- ла перегонки бен- зина, °C, не ниже: летнего	35	35	35	35	35	30
зимнего	Не нормируется					
10% бензина пере- гоняется при тем- пературе, °C, не выше: летнего	70	70	70	70	70	75
зимнего	55	55	55	55	55	55
50% бензина пере- гоняется при темпе- ратуре, °C, не выше летнего	115	115	115	115	115	120
зимнего	100	100	100	100	100	105
90% бензина пере- гоняется при темпе- ратуре, °C, не выше летнего	180	180	180	180	180	180
зимнего	160	160	160	160	160	160
42
Окончание таблица 2.1
1	2	3	4	5	6	7
4 гнец кипения бен- лна, °C, не выше: летнего	195	195	195	205	205	205
зимнего	185	185	185	195	195	195
Остаток в колбе, % не более	1,5	1,5	1,5	1,5	1,5	1,5
Остаток и потери, %,	4,0	4,0	4,0	4,0	4,0	4,0
Давление насыщен- ных паров бензина, КПа: летнего, не более	66.7	66,7	66,7	66,7	66,7	66,7
имнего	66,7-93,3	66,7-93,3	66,7-93,3	66,7-93,3	66,7-93,3	66,7-93,3
Кислотность, мг КОН/ 100 см3, не более	3,0	1,0	3.0	3.0	0.8	2.0
г— Содержание факти- ческих смол, мг cmj, не более: на месте произ- водства	5,0	5,0	5.0	5,0	5.0	5,0
на месте потреб- ления	10,0	10.0	10.0	10,0	10.0	10.0
Индукционный период на месте производ- _тва бензина, мин, не менее	600	1200	900	900	1200	900
\,ассовая доля серы, %, не более	0,10	0.10	0,10	0,10	0,10	0,10
Цвет	—	—	Желтый	—	-—	—
смотрен выпуск как этилированных, так и неэтилированных бензинов.
В соответствии с ГОСТ Р 51105-97 будут вырабатываться только
неэтилированные бензины (максимальное содержание свинца не более
0.01 г/дм3).
В зависимости от октанового числа по исследовательскому методу
установлено четыре марки бензинов: «Нормаль-80», «Регуляр-91»,
«Премиум-95», «Супер-98». Бензин «Нормаль-80» предназначен для
использования на грузовых автомобилях наряду с бензином А-76.
Неэтилированный бензин «Регуляр-91» предназначен для эксплу-
атации автомобилей взамен этилированного А-93. Автомобильные
бензины «Премиум-95» и «Супер-98» полностью отвечают евро-
пейским требованиям, конкурентоспособны на нефтяном рынке и
предназначены в основном для зарубежных автомобилей, ввозимых
в Россию.
43
Таблица 2.2
Характеристики автомобильных экспортных бензинов и АИ-98
Показатели	А-80	А-92	А-96	АИ-98
Плотность, кг/м3, при температуре: 20 °C, не более	755	770	770	Не норми- руется. Определе- ние обяза- тельно
15 °C	Не нормируется			—
Детонационная стойкость, октановое число, не менее: исследовательский метод	80	92	96	98
моторный метод	76	83	85	88
Массовое содержание свинца, г/дм3, не более: бензин этилированный	0,15	0,15	0,15	—
бензин неэтилнрованный	0,013	0,013	0,013	0,013
Фракционный состав: температура начала перегонки бензина, “С, не ниже	35	35	35	—
перегоняется при температуре, “С, не выше: 10%	70	75	75	75
50%	120	120	120	120
90%	190	190	190	190
температура конца кипения , °C, не выше	215	215	215	215
остаток в колбе, %, не более	1,5	1,5	1,5	1,5
остаток н потери, %, не более	4,0	4,0	4,0	4,0
Давление насыщенных паров бензина, КПа (мм рт. ст.), не более	79,9(600)	79,9(600)	79,9 (600)	79,9(600)
Кислотность, мг КОН/см3, не более	3,0	3,0	3,0	3,0
Содержание фактических смол, мг/см3, не более	5,0	5,0	5,0	5,0
Индукционный период на месте производства бензина, мин, не менее	600	600	600	600
Массовая доля серы, %, не более	0,05	0,05	0,05	0,1
Цвет	Бесцветный или бледно-желтый			—
Докторская проба	Отрицательная			—
Массовая доля меркаптановой серы, %, не более	0,001	0,001	0,001	—
Содержание бензола, % (об.), не более	—		—	5,0
Массовая доля МТБЭ, %, не более	—		—	12
С целью ускорения перехода на производство неэтилированных
бензинов взамен этиловой жидкости допускалось использование
марганцевого антидетонатора в концентрации не более 50 мг Мп/дм3
для марки «Нормаль-80» и не более 18 мг Мп/дм3 - для марки
«Регуляр-91». В соответствии с европейскими требованиями по
44
ограничению содержания бензола введен показатель «объемная доля
бензола» - не более 5%. Установлена норма по показателю «плотность
при 15 °C». Ужесточена норма на массовую долю серы - до 0,05%. Для
обеспечения нормальной эксплуатации автомобилей и рационального
использования бензинов введено пять классов испаряемости для
применения в различных климатических районах по ГОСТ 16350 80.
Наряду с определением температуры перегонки бензина при заданном
объеме предусмотрено определение объема испарившегося бензина
при заданной температуре 70, 100 и 180 °C. Введен показатель «индекс
испаряемости». В ГОСТ Р 51105-97 наряду с отечественными вклю-
чены международные стандарты на методы испытаний (ISO, EN,
S.STM). Нормы и требования к качеству автомобильных бензинов и
характеристики испаряемости по ГОСТ Р 51105-97 приведены в табл.
2.3 и 2.4.
Таблица 2.3
Нормы и требования к качеству автомобильных бензинов
по ГОСТ 105-97
Показатели	«Нормаль-80»	«Регуляр-91»	«Премиум-95»	«Супер-98»
Октановое число, не менее: моторный метод	76,0	82,5	85,0	88,0
исследовательский метод	80,0	91,0	95,0	98,0
Содержание свинца, г/дм3, не более	0,010			
Содержание марганца, мг/дм3, не более	50	18	—	—
Содержание фактических смол, мг/см3, не более	5,0			
Индукционный период бензина, мин, не менее	360			
Массовая доля серы, %, не более	005			
Объемная доля бензола, %, не более	5			
Испытание на медной пластине	Выдерживает, класс 1			
Внешний вид	Чистый, прозрачный			
Плотность при 15 °C, кг/м3	700-750	725-780	725-780	725-780
45
Таблица 2.4
Характеристики испаряемости бензинов всех марок
Показатели	Класс				
	1	2	3	4	5
Давление насыщенных па- ров бензина, КПа	35-70	45-80	55-90	60-95	80-100
Фракционный состав: температура начала перегонки, °C, не ниже	35	35	Не нормируется		
пределы перегонки, °C, не выше: 10%	75	70	65	60	55
50%	120	115	ПО	105	100
90%	190	185	180	170	160
конец кипения, °C, не выше	215				
объемная доля остатка в колбе, %	2				
остаток и потери, %	4				
или объем испарившегося бензина, %, при темпера- туре: 70 °C	10-45	15—45	15—47	15-50	15-50
100 °C	35-65	40-70	40-70	40-70	40-70
180°С, не менее	85	85	85	85	85
Индекс испаряемости, не более	900	1000	1100	1200	1300
С целью обеспечения Москвы и других регионов с высокой плот-
ностью автомобильного транспорта экологически чистыми топливами
разработан ряд технических условий на бензины автомобильные
неэтилированные с улучшенными экологическими показателями:
«Городские» (ТУ 38.401-58-171-96), «ЯрМарка» (ТУ 38.301-25-41-97)
и др. ТУ 38.401-58-171-96 распространяются на автомобильные бен-
зины, вырабатываемые ОАО «Московский НПЗ», ТУ 38.301-25-41-97
- на бензины, вырабатываемые ОАО «Славнефть-Ярославнефтеорг-
синтез». По сравнению с ГОСТ Р 51105-97 в этих технических
условиях установлены более жесткие нормы по содержанию бензола,
предусмотрено нормирование ароматических углеводородов и добав-
ление моюших присадок. Требования ТУ на бензины с улучшен-
ными экологическими свойствами приведены в табл. 2.5.
По составу автомобильные бензины представляют собой смесь
компонентов, получаемых в результате различных технологических
процессов: прямой перегонки нефти, каталитического риформинга,
каталитического крекинга и гидрокрекинга вакуумного газойля,
46
изомеризации прямогонных фракций, алкилирования, ароматизации
термического крекинга, висбрекинга, замедленного коксования. Ком-
понентный состав бензина зависит, в основном, от его марки и
определяется набором технологических установок на нефтеперера-
батывающем заводе.
Таблица 2.5
Характеристики бейзинов с улучшенными экологическими
показателями
Показатели	АИ-80ЭК	АИ-92ЭК	АИ-95ЭК	АИ-98ЭК	«ЯрМарка 92 Е»	«ЯрМарка 95 Е»
	ТУ 38.401-58-171-96				ТУ 38.301-25-41-97	
1	2	3	4	5	6	7
Октановое число, не менее, по методу: моторному	76,0	83,0	85,0	88,0	83,0	85,0
исследовательскому	80,0	92,0	95,0	98,0	92,0	95,0
Содержание свинца, г/дм3, не более	0,010	0,010	0,010	0,010	0,010	0,010
Фракционный состав: объем испаривше- гося бензина, %, при температуре: 70 °C	10-50	15-50	15-50	15-50	15-50	15-50
100 °C	35-70	40-70	40-70	40-70	40-70	40-70
180 °C	>85	>85	>85	>85	>85	>85
Конец кипения бен- зина, °C, не выше	215	215	215	215	215	215
Остаток в колбе, % (об.), не более	2,0	2,0	2,0	2,0	2,0	2,0
Давление насыщен- ных паров бензина, КПа: летний период с 1 апреля по 1 октября	35-70	35-70	35-70	35-70	35-70	35-70
зимний период с 1 октября по 1 апреля	—	—	—	—	60-100	60-100
Индекс паровой пробки, не более: летний период	950	950	950	950	950	950
зимний период	1250	1250	1250	1250	1250	1250
Содержание фактичес- ких смол, мг/100 см3, на месте производ- ства, не более	5,0	5,0	5,0	5,0	5,0	5,0
Объемная доля, %, не более: ароматических углеводородов	—	—	—	—	45	45
47
Окончание таблицы 2.5
1	2	3	4	5	6	7
в том числе бензола	3	3	5	5	3	3
Индукционный пери- од бензина на месте производства, мин, не менее	360	360	360	360	360	360
Массовая доля серы, %, не более	0.05	0.05	0,05	0,05	0,05	0,05
Плотность при 20 “С, kt/mj, не более	780	780	780	780	780	780
Базовым компонентом для выработки автомобильных бензинов
являются обычно бензины каталитического риформинга или каталити-
ческого крекинга. Бензины каталитического риформинга характеризу-
ются низким содержанием серы, в их составе практически отсутствуют
олефины, поэтому они высоко стабильны при хранении. Однако
повышенное содержание в них ароматических углеводородов с
экологической точки зрения является лимитирующим фактором.
К их недостаткам также относится неравномерность распределения
детонационной стойкости по фракциям. В составе бензинового фонда
России (табл. 2.6) доля компонента каталитического риформинга
превышает 50%.
Таблица 2.6
Компонентный состав бензинового фонда, % (об.)
Компонент	США	Западная Европа	Россия
Бутаны	5,5	5,7	5,7
Бензин каталитического риформинга	34,6	46,9	52,8
Бензин каталитического крекинга	36,1	27,1	9,6
Изомеризат	4,7	5	1.5
Алкилат	13,0	5,9	0,3
Прямогонный бензин	40	7,6	25,2
Бензины каталитического крекинга характеризуются низкой мас-
совой долей серы, октановыми числами по исследовательскому методу
90 93 единицы. Содержание в них ароматических углеводородов сос-
тавляет 30—40%, олефиновых — 25-35%. В их составе практически
отсутствуют диеновые углеводороды, поэтому они обладают относи-
тельно высокой химической стабильностью (индукционный период
48
800-900 мин.). По сравнению с бензинами каталитического рифор-
минга для бензинов каталитического крекинга характерно более
равномерное распределение детонационной стойкости по фракциям.
Поэтому в качестве базы для производства автомобильных бензинов
целесообразно использовать смесь компонентов каталитического
риформинга и каталитического крекинга.
Бензины таких термических процессов, как крекинг, замедленное
коксование, имеют низкую детонационную стойкость и химическую
стабильность, высокое содержание серы и используются только для
получения низкооктановых бензинов в ограниченных количествах.
При производстве высокооктановых бензинов используются
алкилбензин, изооктан, изопентан и толуол. Бензины АИ-95 и АИ-98
обычно получают с добавлением кислородсодержащих компонентов:
метилтретбутилового эфира или его смеси с третбутанолом, получив-
шей название фэтерол. Введение МТБЭ в бензин позволяет повысить
полноту его сгорания и равномерность распределения детонационной
стойкости по фракциям. Максимально допустимая концентрация
МТБЭ в бензинах составляет 15% из-за его относительно низкой
теплоты сгорания и высокой агрессивности по отношению к резинам.
Физико-химические свойства компонентов, используемых для
приготовления товарных автобензинов, приведены в табл. 2.7.
Таблица 2.7
Характеристики компонентов товарных автомобильных бензинов
Показатели	Бензин катали- тического риформинга жесткого режима	Бензин ката- литического крекинга Г-43-107	Алкил- бензин	Ксилольная фракция
Детонационная стойкость октановое число по методу: исследовательскому	91-99	91-93	91-94	100-108
моторному	82-90	80-82	90-93	90-99
Фракционный состав: температура начала перегонки бензина, °C	35-50	30-45	30-45	100-110
пределы перегонки, “С: 10%	60-70	52-75	66-75	120-126
50%	110-120	97-120	105-110	130-140
90%	160-180	165-185	115-130	150-160
конец кипения бензина, °C	195-215	205-215	170-190	175-205
Массовая доля серы, %	0,01-0,02	0,03-0,08	0,0050,02	
Испытание на медной пластинке	Выдерживает			
Плотность при 20 °C, кг/м3	770-780	725-750	690-700	835-850
Для достижения требуемого уровня детонационных свойств
этилированных бензинов к ним добавляют этиловую жидкость (до 0,15 г
свинца/дм3 бензина). К бензинам вторичных процессов, содержащим
49
непредельные углеводороды, для их стабилизации и обеспечения
требований по индукционному периоду разрешается добавлять
антиокислители Агидол-1 или Агидол-12. В целях обеспечения
безопасности в обращении и маркировки этилированные бензины
должны быть окрашены. Бензин А-76 окрашивается в желтый цвет
жирорастворимым желтым красителем К, бензин АИ-91 - в оранжево-
красный цвет жирорастворимым темно-красным красителем Ж.
Этилированные бензины, предназначенные для экспорта, не окра-
шиваются.
ГОСТ Р 51866-2002, введенный в 2002 году, распространяется на
неэтилированные бензины «Премиум Евро-95» и «Супер Евро-98»,
которые полностью отвечают европейским стандартам.
Технические требования к ним приведены в табл. 2.8.
Таблица 2.8
Требования к бензинам высшего качества марок «Премиум Евро-95»
и «Супер Евро-98»
Показатель	Значение
1. Октановое число, не менее по исследовательскому метод)	95
по моторному методу	85
2. Концентрация свинца, мг/дм3, не более	0,01
3. Плотность при 15 “С, кг/м3	720-775
4. Концентрация серы, мг/кг, не более	150
5. Устойчивость к окислению, мин, не менее	360
6. Концентрация смол, промытых растворителем, мг на 100 см3 бензина, не более	5
7. Коррозия медной пластинки (3 ч при 50 °C), единицы по шкале	класс 1
8. Внешний вид	прозрачный и чистый
9. Объемная доля углеводородов, %, не более олефиновых	18
ароматических	42
10. Объемная доля бензола, %, не более	1
11. Массовая доля кислорода, %, не более	2,7
12. Объемная доля оксигенатов. %, не более метанола	3
этанола	5
изопропилового спирта	10
изобутилового спирта	10
третбутилового спирта	7
эфиров	15
других оксигенатов	10
50
Для сравнения в табл. 2.9 показаны основные физико-химические
и эксплуатационные показатели бензинов, выпускаемых в Советском
Союзе 50 лет назад.
Таблица 2.9
Технические требования, предъявляемые к бензинам
Показатели качества	Автомобильные бензины (поГОСТ 2084 51)			Бензин Б-70 (по ГОС! 1012-51)
	А-66	А-70	А-74	
Октановое число, не менее	66	70	74	70
Содержание этиловой жидкости на 1 кг бензина, мл, не более	1,5	1,5	Отсутствует	
Начало разгонки, “С, не ниже	—	—	35	40
10% отгоняется при температуре, "С. не выше	79	79	70	88
50% отгоняется при температуре, “С, не выше	145	145	105	105
90% отгоняется при температуре, “С, не выше	195	195	165	145
97,5% отгоняется при температуре, 1 °C, не выше	—	—	—	180
Конец разгонки при температуре. °C, не выше	205	205	180	—
Остаток в колбе, %, не более	1,5	1,5	1,5	1,5
Остаток и потери в сумме, %, не более	4,5	4,5	2,5	2,5
Давление насыщенных паров (при 38°), мм рт. ст., не более	500	500	500	360
Содержание фактических смол в мг , на 100 мл бензина, не более	10	10	2	2
Индукционный период в мин. 1 не менее	240	240	800	—
Содержание серы (суммарное), %, не более	0,15	0,15	0,1	0,05
Проба на медную пластинку	Выдерживает			
Кислотность, мг КОН на 100 мл, не более	3	3	2	I
Содержание водорастворимых кислот и щелочей	Отсутствует			
Содержание механических примесей и воды	Отсутствует			
Иодное число, г йода на 100 мл бензина, не более	—	—	10	10
Температура замерзания, °C, не выше	—	—	—	-60
51
ГЛАВА 3
ХАРАКТЕРИСТИКИ ДВИГАТЕЛЯ И ДЕТОНАЦИОННОЕ
СГОРАНИЕ
ЗЛ. Основные параметры
Работа двигателей с искровым зажиганием, особенно предназна-
ченных для эксплуатации на пределе детонации, зависит от большого
количества взаимосвязанных факторов, так что его характеристики
практически невозможно оценить без использования накопленного
опыта. Наиболее важными являются следующие параметры.
1.	Степень сжатия.
2.	Положение дроссельной заслонки. Плотность заряда топливной
смеси.
3.	Коэффициент наполнения.
4.	Угол опережения и характеристики зажигания.
5.	Частота вращения вала двигателя.
6.	Расстояние, проходимое фронтом пламени.
7.	Качество смеси и концентрация топлива в ней.
8.	Температурный режим работы двигателя.
9.	Остаточные газы.
Для полного учета их сложного взаимодействия следует обратиться
к соответствующим руководствам. В этой главе возможно лишь кратко
рассмотреть некоторые основные моменты.
Плотность заряда топливной смеси. Обычно при рассмотрении
детонационного сгорания анализируются степень сжатия и нагрузки,
но, конечно, основными параметрами, определяющими возможность
детонационного сгорания, являются плотность заряда топливной
смеси, температура последней части заряда и время. Плотность заряда
зависит от величины давления во впускном трубопроводе (степени
открытия дроссельной заслонки), степени сжатия и коэффициента
наполнения. Температура зависит от адиабатического сжатия, потерь
теплоты при сгорании, температуры поступающего заряда топливной
смеси, температуры стенки камеры в зоне последней части заряда и
52
предпламенных реакций окисления в остаточных газах последней
части заряда. Время для развития процесса детонационного сгорания
зависит от частоты вращения вала двигателя, скорости распро-
странения пламени, угла опережения зажигания и турбулентности, т. е.
от существенно взаимосвязанных факторов.
Регулировка момента зажигания. Регулировка момента зажигания
является самым доступным средством влияния на процесс детона-
ционного сгорания. Задержка зажигания уменьшает температуру и
давление последней части заряда и, таким образом, задерживает начало
детонационного сгорания. Факторы, влияющие на нагрев свечи зажи-
гания, влияют и на детонационное сгорание, поскольку при горячей
свече воспламенение ядра происходит быстрее, что равносильно опере-
жению зажигания. Холодная свеча может стать причиной гашения
ядра, при холодной свече формирование фронта пламени замедляется
и процесс сгорания задерживается. При применении свечи с нагаром в
> глублениях и в местах эрозии эффект уменьшения уровня детонации
таков же, как и при применении холодной свечи.
Многие фирмы уменьшают примерно на 5° оптимальный угол
опережения зажигания, соответствующий достижению максимального
крутящего момента, что повышает антидетонационные характеристики
двигателя ценой некоторого ухудшения экономичности. При больших
частотах вращения двигателя задержка воспламенения может соста-
вить значительную часть времени распространения пламени и его
неравномерность от цикла к циклу может существенно сказаться на
неравномерности работы двигателя в целом. При малых частотах
вращения (—1000 об./мин) этот эффект менее заметен.
Частота вращения вала двигателя. Наиболее существенный
эффект увеличения частоты вращения вала двигателя заключается в
том, что при этом почти так же увеличивается скорость распро-
странения пламени. При очень больших частотах вращения вала
двигателя влияние турбулентности на процесс воспламенения и
уменьшение коэффициента наполнения приводят к кажущемуся
снижению скорости распространения пламени по сравнению с ожида-
емой при соответствующем увеличении угла опережения зажигания.
Увеличение частоты вращения вала двигателя снижает интен-
сивность детонации при применении парафиновых топлив в большей
степени, чем при применении олефиновых или ароматических топлив.
Запаздывание с увеличением частоты вращения двигателя не
уменьшается, и поэтому детонация менее интенсивна. С увеличением
частоты вращения уменьшается также и слышимость детонационного
53
стука, но повреждающее действие детонационного сгорания на конст-
рукцию увеличивается до тех пор, пока при частоте, соответствующей
максимальной мощности, не начнется преждевременное калильное
зажигание. Наибольшие повреждения вследствие высокооборотной
детонации могут быть при значениях частоты вращения коленчатого
вала в диапазоне между максимальным крутящим моментом и макси-
мальной мощностью (т. е. 4500 мин'1).
Однородность топливного заряда. Топливовоздушная смесь
должна быть настолько однородной, насколько это возможно для
многоцилиндровых двигателей, поскольку при случайном обогащении
смеси в некоторых цилиндрах может наблюдаться детонационное
сгорание, при этом они будут воспринимать значительные нагрузки.
Однородность смеси может достигаться с помощью значительного
подогрева воздуха на входе, если он не ухудшает антидетонационных
показателей. Справедливость этого утверждения подтверждается появ-
лением детонации в двигателях многих автомобилей США при испы-
таниях на токсичность, в процессе которых топливная смесь подог-
ревается.
Температурные режимы двигателя. Основным правилом,
которого придерживаются двигателестроители, является создание
условий для начала процесса сгорания как можно ближе к выпускному
клапану с тем, чтобы ограничить область последней части заряда
холодной частью камеры сгорания, куда охладитель поступает с
наиболее низкой температурой. Нагрев воздуха на входе при
постоянной степени сжатия способствует уменьшению предельного
антидетонационного значения плотности воздуха, в то время как
повышение температуры последней части заряда вследствие увели-
чения степени сжатия почти не влияет на эту величину, поскольку для
обеспечения максимального крутящего момента требуется позднее
зажигание. Более позднее зажигание влечет за собой уменьшение
времени задержки воспламенения последней части заряда, компен-
сируя таким образом повышение температуры.
3.2.	Аномальные процессы сгорания
3.2.1.	Виды аномальных процессов сгорания, встречающихся при
работе двигателя
1.	Нормальное сгорание является процессом, развивающимся от
искры зажигания, подаваемой в определенный момент времени, и этот
процесс представляет собой прогрессирующее по скорости распростра-
нение фронта пламени в камере сгорания до полного сгорания
54
топливовоздушной смеси. При нормальном сгорании возможно воз-
никновение шума, издаваемого элементами конструкции двигателя,
причиной чего являются высокие скорости нарастания давления
в цилиндрах.
2.	Процессами аномального сгорания являются процессы сгорания,
начинающиеся до или после подачи искры у накаленных участков
поверхностей или частиц нагара • и приводящие к нерасчетным
режимам роста давления, или процессы сгорания, начинающиеся перед
фронтом пламени и развивающиеся с очень высокими скоростями.
К ним относятся все разновидности калильного зажигания и детона-
ционного сгорания.
3.	Детонационное сгорание сопровождается стуком, представля-
ющим собой шум, который издают детали двигателя, причиной его
служит самопроизвольное воспламенение (самовоспламенение) после-
дней части заряда горючей смеси, находящейся перед фронтом
пламени. Фронт пламени при этом может образовываться от искры или
в результате калильного зажигания. В первом случае возможность
возникновения детонационного стука зависит от величины угла опе-
режения зажигания, а во втором его возникновение менее чувстви-
тельно к величине этого параметра.
4.	Калильное зажигание происходит в результате воспламенения
смеси от накаленных участков стенок камеры сгорания, головок
выпускных клапанов, электродов, изоляторов свечи зажигания или
частиц раскаленного нагара. При этом пламя воспламенения распро-
страняется с нормальной скоростью. Воспламенение может проис-
ходить до подачи искры, в этом случае процесс называется прежде-
временным калильным зажиганием, или после подачи искры, тогда
процесс называют последующим калильным зажиганием.
5.	Воспламенение при выключенном зажигании представляет собой
обычно нерегулируемый процесс самовоспламенения смеси от сжатия
в прогретом двигателе с прикрытой дроссельной заслонкой в течение,
как правило, непродолжительного времени. В зависимости от конс-
трукции двигателя, условий его работы, количества и состава нагара
при сгорании топливовоздушной смеси могут одновременно проис-
ходить различные аномальные процессы. Некоторые из таких процес-
сов сгорания получили отдельные названия. Название резкого метал-
тческого стука получили четко прослушиваемые резкие стуки в дви-
гателях с высокой степенью сжатия с неустойчивым образованием
нагара. Это разновидность детонационного сгорания при калильном
зажигании от накаленных участков поверхности.
55
Термин грохот применяется для обозначения явления довольно
устойчивого воспламенения от накаленных участков поверхностей
части заряда в процессе сгорания. Следствием такого аномального
процесса сгорания может быть слишком быстрый рост давления на
начальном этапе цикла.
Последним в этом перечне можно отметить высокооборотное
детонационное сгорание. • Термин детонационный стук не характе-
ризует это явление, поскольку оно происходит при высокой частоте
вращения коленчатого вала и большой нагрузке и часто на фоне
общего шума незаметно для водителя. Результатом может быть прогар
или оплавление поршней.
При работе двигателя на топливе с недостаточным октановым
числом, определенным моторным методом, возможно быстро про-
грессирующее преждевременное самовоспламенение.
3.2.2.	Работа двигателя от самовоспламенения
Работа двигателя от самовоспламенения представляет собой нерит-
мичную, с перебоями, работу после выключения зажигания и закрытия
дроссельной заслонки. Это явление наблюдается во многих испыты-
ваемых на токсичность двигателях при интенсивном подогреве под-
водимого воздуха и большой частоте вращения коленчатого вала на
холостом ходу. Работа двигателя от самовоспламенения (термин, часто
употребляемый в Европе) исследовалась на примере одноцилиндрового
двигателя, при этом было показано, что процесс сгорания происходит
примерно лишь в одним из пяти циклов и что давление нарастает очень
быстро, по-видимому, до ВМТ. Это объясняет значительную нерит-
мичность работы двигателя и наблюдаемое иногда вращение
коленчатого вала в противоположном направлении, в двигателях
старых конструкций это могло приводить к разрушению коленчатых
валов.
С целью разграничения явлений работы двигателя от самовоспла-
менения и преждевременного калильного зажигания были проведены
испытания топливных смесей, которые показали отсутствие корреля-
ции результатов оценки склонности топлив к самовоспламенению при
выключенном зажигании и к калильному зажиганию, но обнаружили
достаточно хорошую корреляцию с величиной октанового числа,
определенного моторным методом.
Метанол, бензол (склонные к воспламенению вследствие преждевре-
менного калильного зажигания топлива) и тетраэтиловый свинец пре-
56
пятствуют самовоспламенению при выключенном зажигании, а ди-
этиловый эфир и перекись дитретбутила способствуют ему.
Высокая частота вращения коленчатого вала двигателя на режиме
холостого хода, обеднение смеси и задержка зажигания благоприят-
ствуют самовоспламенению при выключенном зажигании. Опытный
водитель, очевидно, также замечал, что увеличение частоты вращения
вала двигателя на холостых оборотах всегда приводит к калильному
зажиганию, особенно в летнее время эксплуатации.
Наилучшей предохранительной мерой является уменьшение час-
тоты вращения коленчатого вала двигателя на режиме холостого хода
при выключении зажигания путем закрытия дроссельной заслонки с
помощью электромагнитного клапана или прекращения подачи воздуха
на режиме холостого хода. Проблема самовоспламенения при выклю-
ченном зажигании сходна с проблемой самовоспламенения при пуске
прогретого двигателя на начальном этапе процесса сжатия, в резуль-
тате которого двигатель может заглохнуть и повредить стартер.
Известны некоторые факты, указывающие на то, что раскаленные
места могут быть причиной воспламенения смеси при выключенном
зажигании в двигателях с малой степенью сжатия, но, с другой
стороны, показано, что удаление нагара из камеры сгорания не исклю-
чает самовоспламенения при выключенном зажигании.
3.2.3.	Преждевременное и последующее калильное зажигание
Любой процесс, при котором сгорание происходит раньше, чем это
соответствует максимальному крутящему моменту, будет сопрово-
ждаться большим отводом тепла из-за совершаемой при этом отрица-
тельной работы. Большой отвод тепла приводит к перегреву деталей
двигателя, что еще более увеличивает опережение сгорания, и так
вплоть до оплавления некоторых деталей. Двигатели малой тепло-
емкости, такие как авиационные поршневые двигатели, могут
полностью выходить из строя в течение нескольких даже не минут, а
секунд. Детонационное сгорание в таких двигателях сопровождается
гораздо меньшим повышением температуры, что подтверждается от-
сутствием следов теплового воздействия на металл при повреждениях
деталей двигателя в результате детонационного сгорания, которые наб-
людаются при повреждениях в результате преждевременного калиль-
ного зажигания.
Местами, где происходит преждевременное калильное зажигание,
являются наименее эффективно охлаждаемые детали и места: свечи
зажигания, выпускные клапаны, неровности металлических поверх-
57
ностей (кромки полостей в головках цилиндров или камер сгорания в
головке поршня), дополнительный эффект на повышение теплового
состояния этих участков поверхностей оказывает изолирующее дейст-
вие нагара. В малолитражных двигателях европейских автомобилей
часто причиной преждевременного калильного зажигания являются
головки выпускных клапанов, особенно при отложениях на них мас-
ляного нагара со следами присадок, содержащих соединения кальция и
бария. Наилучшими средствами предотвращения преждевременного
калильного зажигания по этой причине являются более интенсивное
охлаждение выпускных клапанов и недопущение излишнего расхода
масла. Расположение выпускного клапана в промежуточном поло-
жении между искрой зажигания и зоной последней части заряда
позволяет избежать как совпадения места достижения максимальной
температуры пламенем с местоположением свечи зажигания, так и
влияния раскаленной головки клапана на последнюю часть заряда.
Минимизировать возможность преждевременного калильного зажи-
гания в двигателях можно такими конструктивными мерами, как
правильный выбор тепловой характеристики свечи зажигания, скруг-
ление острых кромок металлических поверхностей, удаление выступов
и шероховатостей и интенсивное охлаждение выпускных клапанов,
клапанных седел и направляющих клапанов, очень эффективно нат-
риевое охлаждение клапанов.
3.2.4.	Влияние характеристик эксплуатационных режимов
двигателя
Процесс достижения некоторыми участками поверхности элемен-
тов двигателя температуры, достаточной для преждевременного кали-
льного зажигания, определяется множеством взаимно влияющих друг
на друга факторов.
Частота вращения коленчатого вала двигателя благодаря своему
влиянию на турбулентность, скорость распространения пламени и
коэффициент наполнения сложным образом влияет на преждевре-
менное калильное зажигание, тем не менее можно сказать, что для
многих двигателей без наддува склонность к преждевременному
калильному зажиганию увеличивается при возрастании частоты
вращения вала двигателя вплоть до величины, соответствующей
максимальной мощности. Однако, если узел двигателя, являющийся
причиной преждевременного калильного зажигания, обладает большой
теплоемкостью (например, выпускной клапан), то внезапное умень-
58
шение частоты вращения коленчатого вала двигателя, допустим, на
1 000 мин’1 может вызвать преждевременное калильное зажигание
вследствие увеличения задержки зажигания при сохранении высокой
температуры узла двигателя благодаря тепловой инерции.
Увеличение степени сжатия вследствие увеличения теплоотдачи к
накаленному участку может повысить опасность преждевременного
калильного зажигания, однако, если местом калильного зажигания
является выпускной клапан, то уменьшение температуры отрабо-
тавших газов может привести к уменьшению температуры клапана.
Опасность преждевременного калильного зажигания, вызываемого
раскаленными частицами нагара, при увеличении степени сжатия, как
правило, возрастает.
Увеличение угла опережения зажигания за пределы значения,
соответствующего максимальному крутящему моменту, значительно
влияет на температуру горячих участков, но одновременно приводит
к повышению температуры нормальной работы двигателя.
Преждевременное калильное зажигание от нагара, образующегося
при использовании во время движения в городских условиях этили-
рованных топлив, было одной из основных проблем в послевоенные
годы (после Второй мировой войны). Нагар состоит из солей свинца и
\ глеродистого материала, он мог вследствие тряски отрываться от
поверхности, накаляться и тлеть при температуре 350 °C. Средством
против этого было добавление в топливо органического фосфата.
Фосфат свинца в отличие от бромида свинца не способствовал
сгоранию углерода.
В Европе проблема преждевременного калильного зажигания
связана с отложением масляного нагара на головках выпускных
клапанов. Большую роль играют при этом соли кальция и бария, вли-
яние соединений свинца менее значительно.
Одним из путей решения этой проблемы является регулирование
расхода масла, но в перспективе может возникнуть необходимость
пересмотра применяемых металлических присадок.
3.2.5.	Практические методы снижения детонации в двигателях
До введения жестких требований к выделениям NOX наиболее
распространенным методом снижения токсичности было применение
бедных смесей. Этот подход, в частности, реализован в системе,
обеспечивающей качественное приготовление смеси и электронное
управление опережением зажигания.
59
На этом этапе был накоплен большой опыт работы на бедных сме-
сях, направленный на снижение токсичности. Применение бедных
смесей позволяло значительно уменьшить выделения СО и NOX, но
выделение СП при этом оставалось серьезной проблемой. В США
от этой системы отказались, но в последнее время ей стало уделяться
значительное внимание в Европе, частично с целью снижения токсич-
ности и частично с целью повышения экономичности малолитражных
двигателей с высокой степенью сжатия.
Требования уменьшения опасности возникновения детонационного
сгорания в двигателях с высокой степенью сжатия могут проти-
воречить требованиям снижения токсичности, и если раньше в
основном использовались высокосортные топлива, то в настоящее
время любые мероприятия по достижению оптимальной степени
сжатия в двигателях должны осуществляться с учетом доступности
требуемых топлив. Действительно, если бы топливо с определенным
исследовательским методом октановым числом 105 было эконо-
мически доступно, то многие проблемы исчезли бы, а объемный
и массовый расход топлива были бы минимальными. Однако немало-
важной характеристикой топлива является его стоимость, которая
зависит от эффективности использования сырой нефти.
Приготовление топливовоздушной смеси. Для работы двигателя
в условиях, близких к условиям начала детонационного сгорания,
важно, чтобы коэффициент избытка воздуха во всех цилиндрах был
одинаковым. В карбюраторных двигателях и в двигателях, у которых
смесь образуется во впускном трубопроводе, практически невозможно
добиться равномерного распределения жидкого топлива и его паров.
Неравномерное распределение смеси может стать причиной детона-
ционного сгорания при работе двигателя на бедной смеси, поскольку в
одном или нескольких цилиндрах отношение количества воздуха к
количеству топлива может достичь значения, соответствующего
максимальной для детонационного сгорания концентрации топлива в
смеси. Кроме того, тетраэтиловый свинец (с точкой кипения 200 °C)
и стойкие к детонационному сгоранию фракции топлива (кипящие
при 100—200 °C) частично отделяются от более легких углеводородов
(кипящих при 30-100 °C), у которых октановое число, определенное
исследовательским методом, меньше; оно называется октановым
числом при 100 °C, или октановым числом «первой части» смеси. При
разгоне в цилиндры может поступать в основном «первая часть»
бензина и возникнуть сильная детонация. Значительно облегчить
ситуацию может применение тетраметилсвинца, кипящего при 110 °C.
60
Зажигание. С появлением электронных систем зажигания, бескон-
тактного пуска и регулирования момента подачи искры многие
проблемы, связанные с нарушениями процесса сгорания на начальном
этапе, отпали. Появились оптимальные по конструкции свечи зажи-
гания с увеличенными искровыми промежутками для работы на
бедных смесях. Применение нескольких свечей зажигания увеличивает
скорость сгорания и уменьшает путь движения пламени, улучшая
таким образом топливную экономичность и препятствуя детона-
ционному сгоранию. В испытаниях по исследованию количества и
состава отработавших газов применялись до пяти свечей зажигания, но
обычно лишь в авиационных двигателях используются две свечи
зажигания. В двигателях с послойным распределением топливного
заряда применяется только многократная подача искры.
Проявление наружных «болтовых» детонационных датчиков типа
датчиков ускорений позволило разработать системы, осуществляющие
задержку зажигания при появлении признаков детонационного сго-
рания. Благодаря применению этих систем можно на одну единицу по-
высить степень сжатия, понизить требования к определяемому иссле-
довательским методом октановому числу на 10 единиц и за счет этого
на 6% сократить расход топлива при условии, однако, допущения
водителем некоторых признаков детонационного сгорания.
Возрастание требований к октановому числу топлива. При
эксплуатации двигателей в обычных условиях требования к окта-
новому числу по мере увеличения пробега, как правило, возрастают.
Так, после 16 тыс. км пробега в смешанных городских и загородных
условиях требования к октановому числу могут возрасти на 3-4
единицы. Обычно стремятся к тому, чтобы для нового двигателя
требовалось топливо с октановым числом на 3-5 единиц меньшим, чем
у штатного топлива, это позволяет скомпенсировать последующее
возрастание требований, ведущее в масштабах всей страны к боль-
шому перерасходу бензина. Возрастание требований к октановому
числу объясняется многими причинами: частично изменениями массы
и состава нагара, частично изменениями условий теплоотдачи и рядом
других неизвестных причин. Важную роль играет также влияние на
количество и состав нагара повышенного расхода масла.
Требования к октановому числу топлива для двигателей, рабо-
тающих на топливах с высокими октановыми числами, возрастают
меньше, чем для двигателей, работающих на топливах с более низкими
октановыми числами. Такая обратная зависимость наблюдается и в
США, и в Европе. С этим связано то обстоятельство, что возрастание
61
требований к октановому числу для двигателей с высокой степенью
сжатия, работающих при больших нагрузках, невелико.
В двигателях, работающих при нормальной эксплуатации в близких
к детонации условиях, откладывается мало нагара и возрастание
требований к октановому числу при этом незначительно. Для
двигателей с безвихревыми камерами сгорания, турбулентность дви-
жения смеси в которых мала, возрастание требований к октановому
числу может быть большим. Допустимые при производстве откло-
нения размеров камеры сгорания являются причиной довольно боль-
ших разбросов величины степени сжатия и, следовательно, требований
к октановому числу топлива. Проходные сечения трубопроводов сис-
темы охлаждения также могут меняться в пределах допусков, резуль-
татом чего может быть увеличение в некоторых случаях температуры
последней части заряда.
3.2.6.	Связь между степенью сжатия двигателя и октановым
числом топлива
Факт, что экономичность двигателя с искровым зажиганием зави-
сит от степени сжатия, хорошо известен.
Преимущества применения двигателей с высокой степенью сжатия
для типичного современного двигателя с верхним расположением
клапанов, запускаемого без предварительного подогрева, показаны на
рис. 3.1. При этом также достигается увеличение эффективной мощ-
ности, что в свое время при низкой стоимости топлива стимулировало
увеличение степени сжатия. Однако с наступлением энергетического
кризиса ситуация изменилась.
Рис. 3.1. Влияние степени сжатия е на удельный расход топлива Q и
требования к октановому числу, определенному исследовательским методом.
О.Ч.И. (1 г/(л.с-ч)) = 1/36 г/(кВт-ч)
62
При высокой степени сжатия в двигателях с искровым зажиганием
возникают проблемы, связанные с чрезмерным увеличением макси-
мального давления в цилиндрах, вызывающим необходимость
утяжеления конструкции, которые приводят к увеличению потерь на
трение. За все это приходится расплачиваться дополнительным рас-
ходом топлива.
При современном техническом уровне оптимальное значение сте-
пени сжатия для двигателей с искровым зажиганием, предназначенных
для использования в легковых автомобилях малой массы, находится в
диапазоне от 11 : 1 до 14 : 1. Однако большинство доступных топлив в
условиях высокого давления в цилиндрах и при сопутствующих
высоких температурах проявляют склонность к аномальному сгора-
нию. Вследствие этого на практике в двигателях, за исключением
высокооборотных двигателей гоночных автомобилей, степень сжатия
редко превышает 10 : 1, а чаще близка к 9 : 1. Несмотря на все сказан-
ное. увеличение степени сжатия с 9 : 1 до 14 : 1 сулит значительное
повышение экономичности, поэтому изучение факторов, приводящих к
аномальному сгоранию, которое не позволяет реализовать это повы-
шение, несомненно имеет смысл.
Влияние степени сжатия на термический КПД и октановое число
применяемого топлива для типичного карбюраторного двигателя без
электронной системы управления
Степень сжатия	Октановое число	Термический КПД, %
5	72	—
6	81	25
7	87	28
8	92	30
9	96	32
10	102	33
11	104	34
12	108	35
63
3.2.7.	Влияние электронной системы управления двигателем
Система управления двигателем у современных автомобилей
является важным элементом стратегии оптимизации практически всех
основных характеристик.
Существенным новшеством в автомобильной промышленности
стало использование электронно-цифровых устройств на микропро-
цессорах в качестве оборудования и средств управления. Это явилось
следствием относительно малой их стоимости, а также их способ-
ности к одновременному регулированию нескольких параметров.
Применение микропроцессоров для управления в автомобилях
началось с середины 1970-х годов и с тех пор постоянно и быстро рас-
ширяется. К 1980 году выпускаемые промышленностью автомобили
стали оснащаться двигателями, управляемыми с помощью микропро-
цессоров. Кроме того, значительно расширилось применение микро-
процессоров в контрольно-измерительных приборах. Ясно, что их
применение и в будущем будет активно развиваться, охватывая
управление всей силовой передачей. Более того, есть основания
полагать, что будет развиваться и электронное управление динамикой
автомобиля в виде «управления вождением».
Вероятно, наиболее важной областью применения микропро-
цессоров как средства управления автомобилем является система
электронного управления двигателем. Эта система дает возможность
гораздо более точно регулировать состав топливной смеси и угол
опережения зажигания, чем при обычной системе пневмомеха-
нического управления. Кроме того, появляется возможность
оптимизации топливной экономичности двигателя на любом этапе его
работы при соблюдении установленных правительством требований по
токсичности отработавших газов. Электронная система управления
обеспечивает оптимальную работу средств регулирования уровней
токсичности отработавших газов.
Со времени введения законов, ограничивающих токсичность газов,
появился еще один элемент управления двигателем - система
циркуляции отработавших газов, или EGR (exhaust gas recirculation).
Эта система, разработанная для уменьшения окислов азота, позволяет
часть отработавших газов направлять во впускную систему после
смешивания их со свежим воздухом и топливом. Количество использу-
64
емых для этой цели отработавших газов регулируется различными
способами, при этом обычно требуется, чтобы оно равнялось нулю при
работе двигателя на холостом ходу или при работе с полностью
открытой дроссельной заслонкой.
Обычно при проектировании автомобильного двигателя решаются
три основные задачи: обеспечение соответствия крутящего момента
показателям автомобиля, достижение хорошей топливной эконо-
мичности, определяемой по результатам оценки эффективного КПД, и
минимума детонации. Отчасти необходимостью достижения этих целей
определяются некоторые характеристики двигателя, среди которых:
объем, число цилиндров, форма камеры сгорания, отношение длины
шатуна к радиусу кривошипа, тип клапанов, толкателей клапанов,
чстановка фаз газораспределения и др. Появление законов, регули-
рующих состав отработавших газов, привело к возникновению допол-
нительных требований к этим характеристикам.
В разработке электронных систем управления двигателем в насто-
ящее время наметилась тенденция к созданию всеобъемлющих систем,
оснащенных цифровыми устройствами. Фактически оснащенная циф-
ровым устройством (т. е. микроЭВМ) система электронного управ-
ления, основным назначением которой является обеспечение стехио-
метрического состава топливной смеси при использовании ката-
литического нейтрализатора тройного действия, осуществляет ряд
дополнительных функций, среди которых: управление системой по-
дачи воздуха, электронное управление опережением зажигания, управ-
ление числом оборотов холостого хода, управление продувкой,
управление сцеплением гидротрансформатора и самодиагностика.
Исполнение этих функций рассматривается отдельно, поскольку оно
осуществляется почти независимо. Для понимания принципа работы
системы электронного управления при использовании каталитического
нейтрализатора тройного действия полезно обратиться к рис. 3.2, на
котором приведена блок-схема типичной оснащенной микроЭВМ
системы управления. Основным назначением этой системы управления
является обеспечение стехиометрического состава топливной смеси.
Современная система управления двигателем может также
компенсировать влияние высоты, температуры воздуха и октано-
вого числа. Кроме того, система управляет холодным пуском двига-
теля.
65
Ox
О
Датчики
Приводы управления
д'
о
7
X
§
д
И
а
<т>
а
s
ы
ю
S
S
о
2
ГЛАВА 4
ПРАКТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПРИМЕНЕНИЯ БЕНЗИНОВ
В ДВИГАТЕЛЕ: ВОПРОСЫ И ОТВЕТЫ
4.1.	Кто предложил октановые числа и открыл
антидетонационные свойства свинца?
Еще в 1912 году работа двигателя с искровым зажиганием сопро-
вождалась нежелательным стуком, который мог достаточно быстро
разрушить двигатель. Стук (грохот) прослушивался при работе двига-
теля на топливе с низким октановым числом (ОЧ), что приводило
к нарушению нормального процесса сгорания.
Двумя основными видами аномального сгорания являются детона-
ционное сгорание и калильное зажигание, которые известны со време-
ни появления самих двигателей с искровым зажиганием. Хотя Д. Клерк
сообщил о первом наблюдении им детонационного сгорания еще в
|s>S2 году, результаты его наблюдения с научной точки зрения были
описаны недостаточно полно. Для лучшего понимания существа воп-
роса полезно начать с краткого исторического обзора.
Для первых двигателей с примитивными способами образования
топливной смеси, например, в результате поверхностного испарения
или с помощью фитилей требовался легкий бензин с низкой (100 °C)
точкой кипения. Таким топливом был продукт прямой перегонки
сырой нефти. В настоящее время известно, что такое топливо самое
худшее с точки зрения возможности его аномального сгорания, и, дей-
ствительно, многие из подобных двигателей теряли мощность в про-
цессе работы и в конце концов останавливались, хотя сгорание топлива
все еще происходило. В других же двигателях процесс сгорания
сопровождался сильным шумом, но они продолжали работать.
Английский исследователь профессор Кембриджского универ-
ситета Б. Хопкинсон показал, что причиной этому были два совер-
шенно разных явления: преждевременное калильное зажигание,
которое приводило к остановке двигателя, и детонационное сгорание,
которое вызывало шум.
Вводя раскаленный докрасна стержень в работающий двигатель,
он заставлял горючую смесь воспламеняться до подачи искры.
С помощью примитивных приборов он наблюдал преждевременное
калильное воспламенение, и ему удалось выяснить, что причиной
бесшумной остановки двигателя является отрицательная работа, совер-
шаемая поршнем. Когда, однако, Хопкинсон заставлял двигатель
67
«детонировать», приборы показывали очень большие пики давления на
нормальных в остальном диаграммах, в результате датчики давления
со временем выходили из строя. Он считал, что при этом наблюдалось
явление, сходное с явлением детонации в длинных трубах.
Несомненно, что к таким же выводам в то же самое время (1904
год) пришли и некоторые другие исследователи из других стран, но
именно Б. Хопкинсон вдохновил своего ученика Г. Р. Рикардо на
создание экспериментального двигателя, на котором он показал, как
повышение температуры головки цилиндра при детонации приводит к
началу преждевременного калильного воспламенения. Это важный
результат, характеризующий последовательность процессов. Кроме
того, Рикардо обнаружил «антидетонационное» свойство чистого
бензина. Следующий двигатель, созданный им в 1913 году, позволял
изменять давление сжатия с помошью наддува. Это дало ему возмож-
ность оценить различные топлива по степени стойкости к «детонации».
Он установил, что толуол был лучшим из доступных топлив и что
тяжелые бензины лучше легких. В результате проведенных испытаний
Рикардо пришел к твердому убеждению, что обусловленная этими
явлениями ограниченность возможного увеличения степени сжатия
двигателей была основным препятствием на пути повышения их
топливной экономичности.
После Первой мировой войны, во время которой развитие
двигателестроения и совершенствование конструкционных материалов
ограничивалось в основном авиационной и танковой промышленностью,
создание новых автомобильных двигателей потребовало проведения
интенсивных исследований процессов сгорания. Эти исследования,
приведшие к значительным успехам, были проведены в США, в
частности в исследовательских лабораториях фирмы «GENERAL
MOTORS» под руководством Кеттеринга. Именно там Томас Мидли
открыл антидетонационные свойства тетраэтилсвинца, что позволило
значительно расширить возможности увеличения степени сжатия, по
крайней мере для топлив нефтяного происхождения.
За решение поистине колоссальной задачи оценки склонности к
детонации всех известных чистых углеводородов взялся Объединен-
ный комитет по исследованию топлив нефтяной и автомобильной
промышленности США, в результате чего к концу двадцатых годов
была создана октан-гептановая шкала. В то же самое время в Англии в
фирме «SHELL» были завершены исследования, проводившиеся
Рикардо, Тизардом и Пайем на, по-видимому, первом двигателе
действительно с переменным сжатием - сконструированном Рикардо
68
одноцилиндровом четырехклапанном двигателе Е35 с верхним рас-
положением распределительного вала объемом 2 л. Они исследовали
термический КПД двигателя и его зависимость от состава топлива,
степени сжатия и термодинамических свойств топливной смеси.
Испытания двигателя Е35 показали хорошее соответствие теорети-
ческих и экспериментальных результатов и способствовали, таким
©разом, созданию основ термодинамики двигателей.
Они вновь показали, что толуол обладал наилучшими антидетона-
ционными свойствами, и предложили шкалу, нулевая точка на которой
соответствовала свойствам одного из свободных от ароматических
соединений бензина, а точка 100 — свойствам толуола. Эта шкала
появилась раньше шкалы, предложенной в США Объединенным
комитетом по исследованию топлив, хотя, очевидно, и уступает ей.
Хорошим топливом зарекомендовал себя этиловый спирт, что
сделало Рикардо пожизненным энтузиастом его распространения. Ему
принадлежат слова, сказанные в 1920 году: «Благодаря применению
топлива растительного происхождения (этиловый спирт) человечество
потучает возможность превращать в энергию движения ежедневно
поступающую энергию Солнца, в то время как, используя минеральное
топливо, оно вынуждено расходовать свои запасы, которые весьма
ограничены».
К 1927 году, который Агнью определил как год начала серьезных
исследований в фирме «GENERAL MOTORS», уже выяснилось, что
преждевременного калильного зажигания можно избежать путем со-
вершенствования конструкции двигателя, но детонационное сгорание,
которое в то время чаще называлось по признаку его проявления в
двигателе «детонационным стуком», еще представляло собой фунда-
ментальную проблему, решенную лишь частично.
В 1927 году было предложено использовать два углеводорода для
определения октанового числа - изооктан (CgHjg), детонационная
стойкость которого принята за 100 единиц, и нормальный гептан
(С-Ню), детонационная стойкость которого принята за 0 единиц, и их
смеси.
Таблица 4.1
Физико-химические характеристики углеводородов
Наименование	Температура плавления, °C	Температура кипения, °C	Плотность, кг/м3	Теплота испарения, МДж/кг
Нормальный гептан	-90,7	98,4	684	0,365
Изооктан	-107,45	99,3	691	0,308
69
Одной из причин использования этих двух углеводородов было то,
что температура кипения и испаряемость их были примерно одина-
ковыми. Поэтому при испытаниях смесей изооктана и гептана в соот-
ношениях от 0:100 до 100:0 не наблюдается существенной разницы на
результатах испытаний.
После открытия причин детонации и методов повышения и оценки
детонационной стойкости бензинов появился целый ряд двигателей и
условий испытаний. Однако наиболее известными методами оценки
октановых чисел топлив считаются два. Это исследовательский метод
(RON) и моторный метод определения (MON).
4,2.	Зачем нам нужно знать октановое число бензина?
Эффективная работа двигателя (максимальная мощность, мини-
мальный расход топлива) наблюдается при полном сгорании бензина.
Однако в реальных условиях не всегда удается поддерживать этот
режим. При некоторых условиях в рабочей смеси еще до воспла-
менения в течение ходов наполнения и сжатия развиваются предпла-
менные химические реакции. Наиболее благоприятные условия раз-
вития реакций создаются уже в процессе горения в той части рабочей
смеси, которая должна сгореть в последнюю очередь. Именно здесь
развитие предпламенных химических превращений может завершиться
самовоспламенением в одном или нескольких очагах вследствие
неоднородности реагирующей смеси по составу и температуре. От
очагов самовоспламенения по химически активной смеси зона горения
распространяется со скоростью звука и выше. Это приводит к
образованию ударных волн, и вследствие отражения их от стенок и
наложения возможно возникновение детонационной волны. По свежей
смеси такая волна может иметь скорость распространения 2000-2400
м/с, а по частично прореагировавшей смеси - 1500-1800 м/с.
Стук в двигателе, работающем с детонацией, представляет собой
колебание стенок цилиндров, которые вызываются прямыми и
отраженными ударными волнами. Массовый поток газов усиливает
теплоотдачу от газов к стенкам.
Большой отвод теплоты через стенки цилиндра вызывает их
перегрев, понижение температуры выпускных газов и увеличение
расхода топлива.
Сильная детонация двигателя приводит к перегреву головки
двигателя, падению мощности, прогоранию поршней и клапанов,
нарушению работы свечей зажигания и т. д.
На рис. 4.1 показаны поршень и свечи, разрушенные детонацией.
70
Рис. 4.1. Свечи зажигания и поршни, поврежденные детонацией
4.3.	Какое свойство топлива определяет октановое число?
Октановое число характеризует способность топлива противо-
стоять детонационному сгоранию и является основным показателем
качества бензинов.
Октановое число определяет способность несгоревшей последней
части рабочей смеси к самовоспламенению до появления фронта
пламени. В рамках химической структуры топлива их молекулы
должны обладать достаточной термоокислительной стабильностью при
нормальном сгорании.
Высокая детонационная стойкость топлив обеспечивает их нор-
мальное сгорание на всех режимах эксплуатации двигателя. Процесс
горения топлива носит радикально-цепной характер.
При сжатии рабочей смеси температура и давление повышаются и
начинается окисление углеводородов, которое ускоряется после
воспламенения смеси. Если углеводороды несгоревшей части топлива
71
обладают недостаточной стойкостью к окислению, начинается
активное образование перекисных соединений, а затем их взрывной
распад. При высокой концентрации перекисных соединений проис-
ходит тепловой взрыв, который вызывает самовоспламенение топлива.
Самовоспламенение части рабочей смеси перед фронтом пламени
приводит к взрывному горению оставшейся части топлива, к так
называемому детонационному сгоранию.
Детонационная стойкость бензинов определяется их углево-
дородным составом. Наибольшей детонационной стойкостью обла-
дают ароматические углеводороды. Самая низкая - у парафиновых
углеводородов нормального строения, причем она уменьшается с
увеличением их молекулярной массы. Изопарафины и олефиновые
углеводороды обладают более высокими антидетонационными свойст-
вами по сравнению с парафинами.
Увеличение степени разветвленности и снижение молекулярной
массы повышают их детонационную стойкость. По детонационной
стойкости нафтены превосходят парафиновые углеводороды, но
уступают ароматическим углеводородам.
Для повышения октановых чисел товарных бензинов используют
также специальные антидетонационные присадки и высокооктановые
компоненты.
Способность топлива противостоять детонационному сгоранию
определяется температурой «самовоспламенения» углеводородов.
Однако связь между детонационной стойкостью и скоростью сгорания
рабочей смеси, теплотой сгорания не столь существенна. Так,
например, у некоторых антидетонационных присадок теплота сгорания
может быть меньше, чем у молекул топлива, но выше — октановое
число. На скорость сгорания большее влияние оказывают такие фак-
торы, как: степень сжатия, состав рабочей смеси, химическая струк-
тура топлива, количество и местоположение свечи зажигания, турбу-
лентность и т. д.
Скорость сгорания рабочей смеси не коррелируется с октановым
числом.
4.4.	Какие существуют методы определения октановых чисел?
До 1928 года существовало несколько методов определения дето-
национной стойкости топлив. В 1928 году Объединенный комитет по
исследованию топлив (США) предложил унифицировать методы
определения октановых чисел топлив на базе одноцилиндрового
двигателя с переменной степенью сжатия. Были также определены и
72
условия проведения испытаний. Так, был создан метод оценки окта-
новых чисел, максимально приближенный к современному исследо-
вательскому методу. В 1950-60-е годы были также предприняты
попытки для создания международных стандартов по исследованию
детонационных свойств топлив.
В течение 1940-х и до середины 1960-х годов исследовательский
метод определения октановых чисел был одним из основных при
испытаниях, так как наиболее полно отвечал требованиям эксплу-
атации.
Однако к концу 1960-х годов в Германии обнаружили, что
двигатели автомобилей в условиях длительной езды на автобанах
подвергались разрушению. Хотя октановые числа топлива соответ-
ствовали всем требованиям.
Проведенные исследования показали, что при эксплуатации
автомобилей в условиях повышенного теплового режима требуется
более высокое октановое число. Так появился моторный метод опре-
деления октанового числа. Октановое число, полученное исследо-
вательским методом, больше характеризует бензин при работе на
частичных нагрузках в условиях городской езды. Разницу между
октановыми числами бензина, определенными двумя методами, назы-
вают чувствительностью бензина.
Оценка детонационной стойкости бензинов в России
Для оценки детонационных свойств бензинов служат специальные
одноцилиндровые двигатели, степень сжатия которых можно изменять.
Оценка детонационной стойкости бензинов производится в срав-
нении с детонационной стойкостью эталонных топлив. В качестве
эталонных топлив используют индивидуальные углеводороды -
изооктан (С8Н]8), детонационная стойкость которого принята за 100
единиц, и нормальный гептан (С7Н16), детонационная стойкость
которого принята за 0 единиц, а также их смеси.
Октановое число определяется как объемная доля (%) изооктана в
смеси с нормальным гептаном, равноценной по своей детонационной
стойкости испытуемому топливу при стандартных условиях испы-
тания. Октановое число автомобильных бензинов определяют двумя
методами - моторным (на установке ИТ9-2) и исследовательским (на
установке ИТ9-6). Установка УИТ-65 позволяет определять октановые
числа по обоим методам. Она оборудована электронным прибором для
измерения интенсивности детонации и автоматическими устройствами
для поддержания требуемого режима испытаний.
73
В марке бензина с 04 по исследовательскому методу добавляется
буква И. Например, АИ-92 - автомобильный бензин с октановым
числом по исследовательскому методу не менее 92. При определении
04 бензина по моторному методу буква не ставится, например, А-76.
Эти методы (исследовательский и моторный) отличаются режимом
работы одноцилиндровой установки, на которой определяется
детонационная стойкость бензинов. Режим установки, при котором
определяется октановое число, по моторному методу более напря-
женный (близкий к работе грузовых автомобилей), чем по исследо-
вательскому методу (близкий к работе легковых автомобилей).
Октановое число бензина, установленное по моторному методу, ниже
октанового числа, определенного исследовательским методом, на 7-8
единиц.
Условия сгорания топливной смеси в работающих двигателях
существенно отличаются от режима оценки октановых чисел бензинов
на установке УИТ-65. Поэтому считают, что наиболее объективно
детонационную стойкость характеризует дорожное октановое число
(Д04), определяемое в дорожных условиях. Оно в ряде случаев
существенно отличается от 04, определяемых лабораторными мето-
дами: - моторным (04М) и исследовательскими (04И). Это обуслов-
лено конструктивными особенностями двигателей (автомобильного и
одноцилиндрового лабораторного), разными режимами их работы.
Разница Д04, О4М и 04И (дорожная чувствительность) может
колебаться в широких пределах и в зависимости от компонентного и
углеводородного состава бензина.
Д04 бензинов определяют на специально подготовленном авто-
мобиле. Организация таких испытаний сложна (ГОСТ 10373-75 жестко
регламентирует дорожные и метеорологические условия испытания),
проведение их длительно и возможно только в летний период. Все это
требует больших материальных и трудовых затрат. Поэтому такие
испытания обычно проводят только при отработке конструкции
автомобильных двигателей новых моделей и подборе компонентного
состава бензинов новых марок.
Детонационная стойкость бензинов зависит от того, на какой смеси
работает двигатель. Наибольшей детонационной стойкостью при
работе на бедных смесях отличаются изомеры парафиновых
углеводородов, а на богатых - ароматические углеводороды.
Наименьшая детонационная стойкость характерна для нормальных
парафиновых углеводородов. Среднее положение между ними зани-
мают нафтеновые и непредельные углеводороды.
74
Каковы особенности определения октанового числа
по моторному методу?
Условия испытания по моторному методу более жесткие как в
России, так и за рубежом: большая частота вращения двигателя;
подогрев смеси воздуха с бензином на входе до 149-150 °C; более
ранний угол опережения зажигания.
Октановые числа топлив по моторному методу всегда меньше
октановых чисел, определенных по исследовательскому методу.
Таблица 4.2
Моторные методы определения октановых чисел бензинов
Особенности конструкции и единицы измерения	Моторный метод	
	Россия ГОСТ 51182	США
Метод и установка для испытаний	УИТ-65, ИТ9-2М	ASTM D2700-92
Двигатель	Одноцилиндровый с переменной степенью сжатия	CFR (Cooperative Fuels Research)
Частота вращения вала, об./мин	900	900
Температура, °C: в системе охлаждения воздуха смеси масла в картере	100 40-50 149 57	100 38 149 57
Угол опережения зажигания, ПВК до ВМТ	от 26 (0-5) до 19 (0-7)	от 26 до 14
Состав смеси	Соответствует максимуму детонации	—
Карбюратор Вентури	—	14,3 мм
Как определяется октановое число по исследовательскому
методу?
Октановые числа бензинов, определяемые по исследовательскому
методу, отвечают требованиям умеренного движения автомобиля, без
постоянной тяжелой нагрузки на двигатель.
75
Таблица 4.3
Исследовательские методы определения октановых чисел бензинов
Особенности конструкции и единицы измерения	Исследовательский метод	
Метод и установка для испытаний	УИТ-65, ИТ9-6	AS ГМ D2699-92
Двигатель	Одноцилиндровый с переменной степенью сжатия	CFR
Частота вращения вала, об./мин	600	600
Температура, °C: в системе охлаждения воздуха смеси масла в картере	100 52 не подогревается 50-75	100 19,4-52,2 (Рбар) не подогревается 57
Угол опережения зажигания. ПВК до вмт	13	13
Состав смеси	Соответствует максимуму детонации	—
Карбюратор Вентури	—	14,3-15,1 мм
Что определяет чувствительность топлива?
Детонационные свойства исследуемого топлива моделируются
эталонной смесью, процентное содержание в которой изооктана в
стандартных условиях называется октановым числом, определенным
исследовательским методом, а в более тяжелых температурных усло-
виях - октановым числом, определенным моторным методом.
Чувствительностью топлива (к температурным условиям) называется
разность октановых чисел, определенных исследовательским и
моторным методами. За рубежом октановые числа, соответствующие
дорожным условиям, могут быть определены путем регистрации
частоты вращения вала двигателя на пределе детонации при разгоне
автомобиля на высшей передаче для фиксированного значения угла
опережения зажигания из некоторого диапазона. Строится также набор
кривых, характеризующих зависимость частоты вращения вала
двигателя от угла опережения зажигания, для различных эталонных
смесей. Испытываемое топливо после этого может быть оценено
простым сопоставлением полученных для него результатов с этими
кривыми.
В случае отсутствия двигателей CFR за рубежом для сравнения
топлив на слух может быть использован любой двигатель с пере-
менной степенью сжатия. Это наиболее часто применяемый метод.
76
Конечно, только с помощью двигателя CFR можно получить
истинные значения октановых чисел. Приближенные значения окта-
новых чисел, определяемых исследовательским и моторным методами,
могут быть получены в результате исследования содержания угле-
водородов в испытываемом топливе методом ядерного магнитного
резонанса, а также в результате исследования содержания свинца и
серы.
Современные топлива обычно имеют чувствительность около 10
единиц. В зависимости от углеводородного состава бензинов их
чувствительность колеблется в широких пределах. Наиболее чувст-
вительны к режиму работы двигателя непредельные и ароматические
углеводороды. Поэтому наибольшую чувствительность (10-12 единиц)
имеют бензины каталитического риформинга жесткого режима.
Средней чувствительностью обладают бензины термического крекинга
н коксования. Их чувствительность - 4-7 единиц.
Наименьшую чувствительность (±1-2 единицы) имеют бензины,
состоящие в основном из парафиновых углеводородов: бензины пря-
мой перегонки и газовый бензин.
Какой тип двигателя используется за рубежом для оценки
октановых чисел топлив?
Для определения октанового числа за рубежом применяется
специальный одноцилиндровый двигатель с переменной степенью
сжатия (степень сжатия е изменяется от 4 до 18). Этот двигатель
известен специалистам как Cooperative Fuels Research (CFR) engine.
Диаметр цилиндра - 82,5 мм, ход поршня - 114,3 мм. Поршень имеет
4 компрессионных кольца и одно - маслосъемное.
Двигатель имеет специальный карбюратор с 4 поплавковыми
камерами для регулирования топливо-воздушной смеси. Датчик
детонации позволяет определять изменение давления в камере
сгорания, а амплитуда сигнала измеряется на детонометре
(«knockmeter»). Полностью оснащенный двигатель с установкой и
сервисом стоит около 200 тысяч долларов.
Как определяется октановое число?
При испытании неизвестного бензина на одноцилиндровом
двигателе повышают степень сжатия до появления детонации. Затем на
этом же двигателе подбирают такое эталонное топливо, которое начи-
нает детонировать при той же степени сжатия, при которой начал
детонировать испытуемый бензин. Допустим, эталонное топливо ока-
77
залось состоящим из 75% изооктана и 25% гептана. В этом случае при-
нимается, что неизвестный бензин имеет октановое число, равное 75.
На что влияет распределение детонационной стойкости
бензинов по фракциям?
Некоторые комбинации двигателя и автомобиля могут привести к
особым требованиям к октановому числу, которое зависит от топлива.
Автомобильный бензин одной марки, выпускаемый разными предпри-
ятиями, может иметь различный компонентный состав, который
существенно влияет на равномерность распределения детонационной
стойкости по их фракционному составу. При этом создается большое
различие в детонационной стойкости рабочей смеси, поступающей в
разные цилиндры.
Равномерность распределения детонационной стойкости по всем
фракциям бензина особенно важна при внезапных изменениях наг-
рузки на двигатель: высокая нагрузка, ускорение, полностью открыта
дроссельная заслонка.
11ри этих условиях первыми в цилиндр двигателя поступают более
легкие фракции бензина; если они не обладают достаточной детона-
ционной стойкостью, то двигатель сл учит до тех пор, пока не поступят
более тяжелые фракции с более высоким октановым числом.
За рубежом некоторые спецификации на бензины включают такой
показатель, как дельта RON, который информирует потребителя о
степени равномерности распределения детонационной стойкости по
фракциям.
В России данный показатель называют коэффициентом распре-
деления детонационной стойкости. Он определяется отношением
октановых чисел, найденных по исследовательскому методу двух
фракций, выкипающих до 100 °C и выше; при использовании этили-
рованных бензинов довольно редко фракционный состав влияет на
появление детонации. Однако при применении современных, экологи-
ческих бензинов эта проблема может быть актуальной. Некоторые
водители сталкиваются с ней при эксплуатации своих автомобилей и,
прежде всего, тогда, когда сочетание этих факторов (стиль вождения,
конструкция двигателя, масса автомобиля, равномерность распре-
деления детонационной стойкости по фракциям, испаряемость топ-
лива) создает благоприятные условия для детонации.
Для двигателей с инжекторной системой впрыска вышерас-
смотренный вопрос не столь существенен.
78
4.5.	Какие другие свойства бензинов влияют
на октановое число?
Химический состав топлива, структура углеводородов и их взаимо-
действие с антидетонаторами весьма существенно оказывают влияние
на детонационную стойкость бензинов.
К другим факторам следует отнести:
а)	Испаряемость головной части концевой фракции углеводородов.
Парафины являются одним из главных компонентов в бензине, окта-
новое число уменьшается с увеличением «длины» или размеров кольца
молекулы, но увеличивается с повышением степени разветвленности и
снижения молекулярной массы. В общем, можно отметить, что сущест-
венное уменьшение октанового числа возможно в связи с потерей
легких фракций при неправильном хранении бензинов.
Во время коротких поездок можно повысить топливную эконо-
мичность двигателя, используя бензины с более легким фракционным
составом. Однако при этом появляется риск обледенения карбюратора
и повышения содержания вредных паров бензина.
б)	Температура конца кипения. С уменьшением температуры конца
кипения возможно увеличение детонационной стойкости. Авиаци-
онные бензины имеют значительно меньшую температуру конца кипе-
ния. чем автомобильные. Следует также заметить, что более тяжелые
фракции бензина, с большей температурой конца кипения, приводят
к повышению концентрации токсичных веществ в выхлопных газах.
в)	Склонность к преждевременному воспламенению - детонацион-
ное сгорание и преждевременное воспламенение могут влиять друг
на друга.
4.6.	Что такое высокооборотная детонация?
В настоящее время не существует общепринятого метода оценки
склонности моторных топлив к высокооборотной детонации, посколь-
к) само это явление трудно наблюдать и еще более трудно увязать его
с повреждениями двигателей.
Известны факты, свидетельствующие о том, что определяемое
моторным методом октановое число имеет большее значение, чем
определяемое исследовательским методом, и что при сильной высоко-
оборотной детонации появляются характерные признаки преждевре-
менного калильного зажигания. Указанная проблема наиболее акту-
альна для Европы, где и проводятся основные ее исследования.
Существенные успехи в выявлении связи повреждений двигателя с
интенсивностью детонации, рассчитываемой различными методами,
достигнуты в Италии. Сам подход к классификации топлив по стой-
79
кости к высокооборотной детонации вызывает некоторые сомнения,
поскольку эталонные топлива очень чувствительны к изменениям
условий работы двигателя и ведут себя не так, как бензины высших
сортов, содержащие ароматические соединения и олефины.
Это свидетельствует о необходимости подбора эталонных топлив с
такой же химической кинетикой, как и у обычных бензинов.
4.7.	Как определяется стойкость к преждевременному
калильному зажиганию?
Вследствие сильного каталитического действия поверхностей и
неизбежности наличия различного рода отложений в отдельных местах
камеры сгорания очень трудно классифицировать топлива по их склон-
ности к преждевременному калильному воспламенению.
При калильном зажигании перегретыми деталями (центральные
электроды, «юбочки» изоляторов свечей, реже выпускные клапаны)
воспламенение не прекращается по мере выгорания топлива, а прог-
рессивно самоусиливается.
Для оценки склонности свечи к перегреву пользуются показателем,
называемым калильным числом (КЧ). Его величину для данного
двигателя подбирают так, чтобы, с одной стороны, исключить
возможность калильного зажигания на теплонапряженных режимах (в
этом случае необходимо низкое КЧ), а с другой стороны, обеспечить
на минимальных режимах температуру края «юбочки» и центрального
изолятора не ниже 397 °C во избежание их закоксовывания (для этого
необходимо достаточно высокое КЧ). Активность нагара с точки
зрения калильного зажигания зависит от содержания в бензинах
ароматических углеводородов и зольных присадок. Так как высоко-
молекулярные ароматические углеводороды образуют активный нагар,
склонный к саморазогреванию (присутствие в нагаре продуктов
сгорания тетраэтилсвинца (ТЭС) снижает температуру воспламенения
нагаров с 550-600 до 200-300 °C), особенно трудно удовлетворить
этим требованиям в теплонапряженных двигателях, работающих на
топливах с высокими детонационными свойствами.
С калильным зажиганием борются, улучшая конструкцию камер
сгорания и изменяя свойства образующегося нагара путем введения
в топливо специальных присадок.
4.8.	Можно ли увеличить мощность двигателя, используя бензин
с более высоким октановым числом?
Современные двигатели, оснащенные электронной системой
управления, могут достаточно эффективно работать на бензинах с
80
широким уровнем детонационной стойкости, но следует помнить, что
для разных условий эксплуатации требуется оптимальное октановое
число.
Автомобильные двигатели, не имеющие такой системы управ-
ления, больше ограничены в выборе бензина, т. к. двигатель не может
автоматически настроиться на применение бензина с более низким
октановым числом. Поэтому избежать детонационного стука крайне
сложно, владельцы старых автомобилей должны использовать такой
сорт бензина, который обеспечивает нормальный процесс сгорания на
всех режимах работы двигателя.
Если вы уже используете бензин с определенным октановым
числом, вы, скорее всего, не получите большей мощности двигателя,
переходя на высокооктановое топливо, двигатель будет работать в
режиме установленных оптимальных характеристик. Бензин с боль-
шим октановым числом не будет существенно влиять на систему
> правления двигателем. Приемистость, динамика автомобиля и топ-
ливная экономичность останутся прежними. Бензин с более высоким
октановым числом стоит дороже, поэтому расходы на топливо будут
напрасными.
В то же самое время, если вы использовали бензин с октановым
числом, немного меньшим оптимального значения, применение
топлива с более высоким октановым числом позволит системе
управления двигателем выйти на оптимальный режим работы. И в этом
случае возможно увеличение мощности двигателя и улучшение
топливной экономичности.
В зимнее время года (при небольших расстояниях пробега) можно
попробовать перейти на бензин с меньшим октановым числом. В этом
случае возможно получить некоторую экономию для семейного
бюджета без ухудшения основных характеристик автомобиля.
Однако, если вы чувствуете, что ваш двигатель отлично работает
на рекомендуемом бензине в оптимальном режиме, нет смысла про-
водить эксперименты с топливом.
Следуя рекомендациям завода-изготовителя, вы избежите дополни-
тельных затрат, связанных с ремонтом двигателя.
4.9.	Можно ли смешивать бензины с разными октановыми
числами? Например, АИ-92 с АИ-95?
Да, однако это мероприятие следует тщательно планировать.
В этом случае надо стремиться, чтобы бак автомобиля был не пустым.
При смешивании бензина двух топлив следует помнить, что два вида
81
топлива не могут достаточно быстро смешиваться друг с другом,
особенно если у них разные плотности, и возможно появление
детонации.
Желательно проводить данные опыты при полупустом баке.
В общем же, октановые числа имеют линейную зависимость для
большинства углеводородов и антидетонационных присадок.
Если смешать 50% бензина АИ-92 с 50% АИ-95, то получим бен-
зин с октановым числом около 93,5%.
Попытки смешивать высокооктановые бензины с неэтилирован-
ными с целью повышения октанового числа в большинстве случаев не
приводят к желаемому результату.
4.10.	Что случится с двигателем, если использовать бензин
с другим октановым числом?
Если вы используете бензин с меньшим октановым числом, чем
требуется для вашего двигателя, электронная система управления
двигателем переведет его характеристики в зону меньшей эффек-
тивности. При этом мощность двигателя уменьшится, а расход топлива
увеличится. Вы теряете деньги, а ваш автомобиль - «резвость»,
динамику и приемистость.
Применяя бензин с большим октановым числом, чем требуется для
вашего двигателя, возрастают расходы на бензин - вы дополнительно
переплачиваете за 2—4 единицы октанового числа.
Как правило, высококачественные бензины имеют в своем составе
пакет присадок различного действия, улучшающих работу элементов
топливной аппаратуры, клапанов и т. д.
Если на вашем двигателе отсутствует датчик детонации, применяя
бензин с меньшим октановым числом, вы позволите «маленькому
человечку с молотками с энтузиазмом разносить двигатель на
кусочки».
Следует строго придерживаться рекомендаций завода-изготовителя
и использовать топливо с соответствующим октановым числом. Хотя
можно немного поэкспериментировать, учитывая, что двигатели даже
одной партии автомобилей могут иметь разную степень «чувстви-
тельности» к октановым числам бензинов. Требования к детона-
ционной стойкости бензинов повышаются, если двигатель часто
работает в режиме перегрузок, особенно в жаркое время года. Однако
зимой можно уменьшить октановое число на несколько единиц,
потому что в двигатель поступает и холодный воздух, и холодный
бензин, меняется также влажность воздуха.
82
Но всегда нужно помнить, что только бензин с оптимальным
октановым числом для конкретного двигателя обеспечивает эконо-
мичную и надежную эксплуатацию автомобиля.
4.11.	Можно ли отрегулировать работу двигателя на топливе
с другим октановым числом?
В принципе, современная система управления двигателем позволит
двигателю адаптироваться при использовании бензина с другим окта-
новым числом. Регулировки двигателя с целью получения большей
мощности будут приводить к неблагоприятному результату - уве-
личится расход топлива и ухудшится качество выхлопных газов.
Только применяя хорошее диагностическое оборудование, можно,
вероятно, конкретный двигатель отрегулировать качественно, с мини-
мальными потерями.
4.12.	Чем отличаются авиационные бензины
от автомобильных?
Авиационные бензины предназначены для применения в порш-
невых авиационных двигателях. В отличие от автомобильных двига-
телей, в авиационных используется в большинстве случаев принуди-
тельный впрыск топлива во впускную систему, что определяет
некоторые особенности авиационных бензинов по сравнению с автомо-
бильными.
Более высокие требования к качеству авиационных бензинов
определяются также жесткими условиями их применения. ГОСТ 1012—
72 предусматривает две марки авиационных бензинов: Б-91/115 и Б-
95/130. Марка авиабензина означает его октановое число по моторному
методу, указываемое в числителе, и сортность на богатой смеси - в
знаменателе дроби. В течение 1988-1992 годов проведен большой
комплекс исследований и испытаний, в результате чего разработан
единый бензин Б-92 без нормирования показателя «сортность на
богатой смеси», вырабатываемый по ТУ 38.401-58-47-92. Как показали
испытания, бензин Б-92 может применяться взамен бензина Б-91/115 в
двигателях всех типов. Использование авиабензина Б-92 без норми-
рования показателя сортности позволяет наряду с обеспечением
нормальной работы двигателей на всех режимах значительно рас-
ширить ресурсы авиабензинов и снизить содержание в них токсичного
тетраэтилсвинца.
В России вырабатывают две марки авиабензинов: Б-91/115 и Б-92.
Требования к качеству бензинов Б-92, Б-91/115 и Б-95/130 приведены
в таблице 4.4.
83
Таблица 4.4
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	—
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, °C, не ниже	40	40	40	40
перегоняется при температуре °C, не выше’ 10%	82	82	82	88
50%	105	105	105	105
90%	145	145	145	145
97,50%	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	1
Температура начала кристаллизации, °C, не выше	-60	-60	-60	-60
Иодное число, г йода/100 г бензина, не более	6	2	2	2
Массовая доля ароматических углеводородов, % не более	35	35	Не нормируется. Определение обязательно	12-20
Содержание фактических смол, мг/100 см3 бензина, не более	4	3	3	2
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	—
Разработаны технические условия на авиационные бензины марок
Б-100/130 и Б-100/130 малоэтилированный - ТУ 38.401-58-197-97.
Установленные нормы к качеству указанных бензинов соответствуют
требованиям ASTM D 910 и европейским спецификациям на бензины
марок 100 и 100LL.
84
В связи с тем что к авиационным бензинам предъявляются более
жесткие требования, чем к автомобильным, в их состав входят
вк'мпоненты ограниченного числа технологических процессов: прямой
юсрегонки нефти, каталитического риформинга, алкилирования, арома-
Ьпации. В состав авиационных бензинов могут также входить про-
дукты изомеризации прямогонных фракций. Продукты вторичных
процессов, содержащие олефиновые углеводороды, для получения
авиационных бензинов не используются.
Компонентный состав авиационных бензинов зависит в основном
их марки и в меньшей степени, чем для автомобильных бензинов,
определяется набором технологических установок на нефтепере-
- Заз ывающем заводе.
Базовым компонентом для выработки авиационных бензинов
марок Б-92 и Б-91/115 обычно являются бензины каталитического
риформинга. В качестве высокооктановых компонентов могут быть
использованы алкилбензин, изооктан, изопентан и толуол.
Бензины каталитического риформинга обладают высокой дето-
национной стойкостью на богатых и бедных смесях. Чем больше
суммарное содержание в бензине ароматических углеводородов, тем
выше его сортность на богатой смеси.
Для обеспечения требований ГОСТ и ТУ по детонационной
стойкости, теплоте сгорания, содержанию ароматических углево-
дородов к базовым бензинам добавляют изопарафиновые и аромати-
ческие компоненты - алкилбензин, изомеризат и толуол.
В целях обеспечения требуемого уровня детонационных свойств к
авиационным бензинам добавляют антидетонатор тетраэтилсвинец (от
1.0 до 3,1 г на 1 литр бензина) в виде этиловой жидкости. Для
стабилизации этиловой жидкости при хранении авиабензинов добав-
ляется антиокислитель 4-оксидифениламин или Агидол-1.
Как и все этилированные топлива, для безопасности в обращении и
маркировки авиационные бензины должны быть окрашены. Бензины
Б-91/115 и Б-92 окрашиваются в зеленый цвет; Б-95/130 - в желтый
цвет; Б-100/130 - в голубой цвет.
Кроме описанных выше марок авиационных бензинов, которые
применяются непосредственно для эксплуатации поршневых двига-
телей, вырабатывается неэтилированный бензин марки Б-70 (ТК
38.101913-82).
4.13.	Может ли нафталин увеличить октановое число?
Легенда о нафталине существует с довоенных времен, когда он
применялся достаточно активно в качестве присадки к бензину.
85
В 1920-е годы обычный бензин имел октановое число 40-60, позже в
30-е и 40-е годы октановое число поднялось еще на 20 единиц
благодаря активному применению тетраэтилсвинца и совершенство-
ванию технологии переработки нефти.
Нафталин имеет достаточно высокое октановое число, так что
добавка его к бензину могла бы существенно увеличить дето-
национную стойкость бензина. Однако при использовании нафталина
были обнаружены нежелательные последствия для двигателя. Прежде
всего это отражалось на элементах топливной аппаратуры - образо-
вались отложения, осадки.
Применение нафталина в современных топливах, обладающих
высокой детонационной активностью, уже неоправданно.
Для бензинов с низким октановым числом использование
нафталина будет создавать дополнительные проблемы, связанные с
надежной работой элементов топливной системы и ухудшением
качества выхлопных газов.
4.14.	Оказывают ли влияние на детонацию температура
и нагрузка?
Да. Увеличение температуры двигателя, особенно температуры то-
пливовоздушной смеси, поступающей в цилиндры двигателя, повы-
шает вероятность возникновения детонации. Чувствительность бензина
будет также определять склонность к детонации при изменении темпе-
ратуры.
Увеличение нагрузки на двигатель будет приводить к повышению
температуры двигателя и давления сгорания. Все это, безусловно, бу-
дет создавать благоприятные условия для возникновения детонации.
Так, например, увеличение температуры в системе охлаждения с 71
до 82 °C повышает требования двигателя к октановому числу на 2
единицы.
В связи с вышеизложенным особое внимание к детонационной
стойкости бензина (октановому числу) следует проявлять летом при
высоких температурах воздуха (более 20 °C).
Повышение температуры воздуха, например, на 6 °C увеличивает
требования к октановому числу от 0,44 до 0,54 единиц (MON).
4.15.	Как влияез высота?
Влияние высоты на октановое число бензина носит нелинейный
характер. Некоторые исследования показывают, что с увеличением
высоты требования к октановому числу уменьшаются от 1-2 RON на
86
важные 300 м. При использовании современных электронных систем
правления двигателем эта величина может быть уменьшена до
,2-0,5(R+M)/2 на 300 м высоты.
Большие значения уменьшения октанового числа характерны для
старых двигателей и вызваны следующими факторами:
-	с повышением высоты уменьшается плотность воздуха, что
приводит к более низким температурам сгорания и давлению в цилин-
д редвигателя;
-	возможно обогащение рабочей смеси, что также уменьшает
требования к детонационной стойкости бензина.
4.16.	Возможно ли влияние влажности воздуха?
Да. С увеличением влажности воздуха требования к октановому
числу уменьшаются. Так, например, повышение абсолютной влаж-
ности на 1,0 грамм воды/кг сухого воздуха понижает требования на
.25-0,32 MON.
Влажный воздух, поступающий в двигатель, несколько ослабевает
детонацию, а если она была не сильной, полностью ее устраняет.
Это объясняется тем, что влага, находящаяся в воздухе, способ-
ствует снижению теплового напряжения двигателя.
4.17.	Какой эффект достигается при впрыске воды
в двигатель?
Подача воды вместе с горючей смесью в камеру сгорания
двигателя известна давно. В Советском Союзе ее применяли сначала
на тракторах для устранения перегрева двигателей при работе на
низкооктановых топливах. Позже впрыск воды приобрел особенное
значение как средство подавления детонации в авиационных и авто-
мобильных двигателях.
Впрыск воды в двигатель изучен достаточно широко в разных
странах мира. Способы подачи воды в двигатель могут быть сле-
дующими:
-	постоянная подача воды независимо от режима работы двига-
теля;
-	регулируемая подача воды относительно расхода топлива в дви-
гателе;
-	регулируемая подача в соответствии с режимом работы дви-
гателя;
-	подача в виде водотопливной эмульсии;
87
-	подача воды в виде топливной суспензии и водотопливной сус-
пензии.
В каждом случае необходимо создавать специфические условия
для подачи, самовоспламенения и процесса горения.
Существуют две теории о влиянии воды на процесс сгорания
в двигателе: теория микровзрыва и каталитической роли воды в меха-
низме воспламенения и горения углеводородов топлива.
Основные физико-химические свойства современных водотоп-
ливных эмульсий приближаются к свойствам базового бензина.
По антидетонационным свойствам отмечается даже некоторое их
преимущество вне зависимости от способа добавления воды к топливу:
впрыск в цилиндры или впускную систему, применение в виде водо-
бензиновой эмульсии. В настоящее время механизм действия воды на
процесс сгорания в двигателе не полностью изучен.
Антидетонационный эффект впрыска воды в двигатель может
проявляться в следующем:
-	охлаждение заряда рабочей смеси;
-	охлаждение деталей камеры сгорания;
-	действие водяного пара как инертной среды, влияющей на
процесс сгорания.
Одним из способов эффективного применения в современных
двигателях бензинов с более низким октановым числом является
впрыск воды во впускной коллектор или непосредственно в цилиндры
двигателя. Данный способ имеет свои преимущества по сравнению
с применением водобензиновых эмульсий.
С помощью несложного приспособления можно регулировать
подачу воды только на средних или тяжелых режимах работы
двигателя, когда требования к детонационной стойкости возрастают.
Некоторые исследования показывают, что впрыск воды в двигатель
позволяет применять бензины с меньшим октановым числом на нес-
колько единиц.
За рубежом впрыск воды в двигатели также хорошо исследован.
Некоторые двигатели имеют специальные устройства для подачи воды.
Во всех случаях отмечается небольшое увеличение концентрации
углеводородов в выхлопных газах, уменьшение окислов азота (NOX),
изменение количества списков углерода (СО) незначительно.
Впрыск воды активно использовался в авиационных двигателях
в 30-40-е годы для увеличения мощности двигателя в течение
короткого периода времени.
88
Данный метод был рекомендован для двигателей, склонных к
детонационному сгоранию и другим аномальным процессам.
Для нормально работающих двигателей впрыск воды уменьшает
температуру рабочего процесса, что приводит к понижению
эффективности их работы.
На некоторых авиационных двигателях до сих пор используются
жидкости, улучшающие их характеристики на некоторых режимах
работы. Так, например, подача смеси воды и метанола позволяет
увеличить мощность на короткий период времени. Присутствие
метанола, к тому же, значительно понижает температуру замерзания
смеси.
4.18.	Как определять и устранять другие проблемы,
связанные с топливом?
Почему топливный бак автомобиля оказался пустым?
- Вы забыли залить бензин.
- Ваш «дружески» настроенный сосед одолжил бензин, а «не дру-
жески» - угнал автомобиль.
- Топливный бак протекает.
- Ваши домочадцы (дети, жена, муж, мать, отец и т. д) пользо-
вались автомобилем.
- Применение некачественного бензина, на который отреагировала
электронная система управления двигателем, что привело к повышен-
ному расходу бензина.
Как можно предотвратить обледенение карбюратора?
Обледенение карбюратора возможно, если вы применяете бензин с
дегким фракционным составом (высокой испаряемостью в условиях
низких температур и высокой влажности воздуха).
Испарение бензина в карбюраторе сопровождается понижением
температуры его деталей.
В условиях высокой влажности при температуре воздуха около 4 °C
происходит образование кристаллов льда и ледяных отложений.
Снижая испаряемость бензина, можно предотвратить обледенение
карбюратора, однако это ухудшает пусковые свойства бензинов,
поэтому в бензин вводят специальные антиобледенительные присадки.
Если вы имеете проблемы с обледенением, можно на полный бак
бензина добавить 100-200 мл спирта. Если вы убеждены, что неболь-
шое количество воды все-таки имеется в топливном баке, можно
89
добавить неразбавленного изопропилового спирта в качестве первого
средства «лечения».
Данный спирт более предпочтителен и для суровых условий
эксплуатации.
Установлено, что с понижением температуры растворимость воды
в бензинах уменьшается.
При быстром охлаждении бензина влага, не успевшая перейти в
воздух, выделяется в виде мелких капель, которые при отрицательных
температурах превращаются в кристаллы льда. При этом забивается
фильтр и нарушается подача бензина в двигатель.
Может ли бензин быть «несвежим», можно ли его
использовать?
«Несвежий» бензин появляется в результате неправильного
хранения и имеет специфический запах. Если бензин хранился в
теплом помещении, в негерметичных бачках, то в результате хими-
ческих реакций в нем активно образуются непредельные углеводороды
(олефины). Возможно, что при таком хранении более легкие фракции
углеводородов улетучились. При использовании такого бензина в
двигателе более активно образуются отложения и, обычно, его окта-
новое число меньше на несколько единиц.
Но, тем не менее, этот бензин можно использовать, если в
небольших количествах добавлять к новому бензину. Следует заме-
тить, что такую смесь желательно использовать как можно быстрее.
Чтобы «ложка дегтя» не испортила «бочку с медом». В противном
случае старый бензин будет инициировать реакции окисления,
а следовательно, и процессы старения нового бензина.
Некоторые старые бензины могут терять октановое число на
несколько единиц, так что смешивание со свежим бензином будет
крайне полезным для повышения детонационной стойкости.
Как удалить воду из топливного бака?
Если количество воды в баке незначительно, добавка чистого
изопропанола (500 мл) на полный бак позволит нейтрализовать воду.
Это существенно не скажется на процессе сгорания.
Кроме того, небольшие регулярные добавки любого чистого спирта
помогут вам поддерживать топливный бак «сухим».
Эта методика может и не работать, если концентрация воды в баке
очень велика, и применение большой дозы спиртов скажется на
90
эффективности работы двигателя и скоростных характеристиках
автомобиля.
Образование воды в баке можно минимизировать, если топливный
бак всегда держать почти полным и стараться не заправлять его
бензином сразу же после слива бензина из бензовоза в цистерну
на заправочной станции.
4.19.	Как исправить качество бензинов?
В условиях эксплуатации возможны случаи, когда характеристики
бензинов меняются.
Наиболее часто встречаются:
-	обводнение топлив;
-	загрязнение механическими примесями.
Обезвоживание бензинов осуществляется отстаиванием в резер-
вуарах. Вода, имея большую плотность, очень быстро собирается на
дне сосуда. И ее легко удалить через специальный кран. Механи-
ческие примеси удаляют также отстаиванием с обязательным после-
дующим фильтрованием.
При исправлении горючего по таким показателям, как плотность,
кислотность, содержание серы, октановое число и т. д„ необходимо
смешать его с продуктом той же марки, но имеющим запас качества по
исправляемому показателю.
Однородность смеси проверяют после отстоя (3—4 часа) по окон-
чании смешения, выполняя соответствующий лабораторный анализ.
4.20.	Можно ли использовать неэтилированный бензин
в старых автомобилях?
Да, но при этом следует применять бензин с соответствующим
октановым числом. Однако следует помнить, что отсутствие свинца в
бензине может привести к повышенному износу седел выпускных
клапанов.
Свинец является неплохим «смазывающим» материалом для пары
«клапан - седло», повышает их ресурс работы.
В новых двигателях, предназначенных для работы на экологически
чистых топливах, использованы и новые методы упрочнения поверх-
ностен клапана и седла.
В этой связи при эксплуатации старых двигателей на неэтили-
рованном бензине следует более внимательно относиться к этому
вопросу. Применение специальных присадок (например, таких как
Valvemacter) вполне оправданно.
91
Кроме этого на некоторых автомобилях возможно небольшое
уменьшение требований к детонационной стойкости бензина, т. к.
количество отложений в камере сгорания при использовании качест-
венных неэтилированных бензинов уменьшится.
Насколько опасен износ седла клапана на старых
автомобилях?
Степень износа седла клапана очень сильно зависит от нагрузки на
двигатель.
Ряд исследований показывает, что наибольшие повреждения наб-
людаются на форсированных режимах работы двигателя: при высокой
частоте вращения вала и мощности двигателя.
При жестких условиях работы повреждения седла клапана могут
наступать достаточно быстро, однако по цилиндрам одного и того же
двигателя они распределяются неравномерно. Испытания двигателя
автомобиля 1970 года выпуска показали, что при средней скорости
около 90 км/час износ седла клапана был 1,5 мм через 12 000 км
пробега.
4.21.	Каков состав продуктов сгорания бензина?
Обеспечить полное сгорание топлива необходимо не только с
точки зрения повышения экономичности двигателя. Не меньшее зна-
чение имеет проблема снижения токсичности выхлопных газов
автомобиля, поскольку продукты неполного сгорания топлива загря-
зняют окружающую атмосферу, вредно действуют на живые органи-
змы и растительный мир.
Состав и пределы концентраций выпускных газов с бензиновых
двигателей приведены в таблице 4.5.
Токсичные компоненты выпускных газов по-разному действуют на
организм человека. Оксид углерода вызывает кислородное голодание
организма и поражает центральную нервную систему. Оксиды азота,
попадая в организм человека, соединяются с водой и образуют
азотсодержащие кислоты. Максимальное количество оксидов азота
образуется при а = 1,05-1,10.
Альдегиды (формальдегид, уксусный альдегид, акролеин и др.)
раздражающе действуют на слизистые оболочки и поражают нервную
систему. К числу канцерогенных веществ относятся бенз-а-пирен,
полициклические ароматические углеводороды, антрацены. Соеди-
нения свинца, брома, хлора (этилированные бензины) являются силь-
ными ядами, вызывают пищевые отравления, разрушают органы дыха-
92
ния и нервную систему. Образование токсичных продуктов зависит от
многих факторов: конструкционных особенностей двигателя, органи-
зации процесса сгорания, режимов работы, качества и соответствия
бензина данной марке двигателя, коэффициента избытка воздуха и др.
Для того чтобы лучше осуществить процесс горения, снизить
токсичность выпускных газов, необходимо для каждого двигателя
правильно подобрать марку бензина и сорт в соответствии с климати-
ческими условиями. Кроме того, необходимы оптимальная регули-
ровка системы зажигания, повседневный контроль за техническим
состоянием двигателя.
Таблица 4.5
Средний состав выпускных газов, % по объему
Наименование компонента	Химическая формула	Предел концентраций, % по объему
Нетоксичные:		
азот	N,	74-76
кислород	О2	0,1-7,0
пары воды	Н2О	4,0-13,0
диоксид углерода	со2	5,0-12
Токсичные:		
оксид углерода	со	1,0-10,0
оксиды азота (суммарно)	NOX(NO, NO2, N2O5)	0,004-1,0
оксиды серы	SO2, SO3	0-0,15
альдегиды (суммарно)	CH2O (формальдегид) CH2 - CH - CHO (акролеин)	0-0,2
сажа (суммарно)	C	0-100 мг/м3
углеводороды простого строения (суммарно)	CH, CH4, и др.	0,15-3,0
Бенз-а-пирен	C2oP12	0-25 мг/м3
Оксиды свинца (при сгорании этилированного бензина)	Продукт разложения Pb(C2H5)4	0,8-0,2
4.22.	Можно ли дополнительно применять присадки
для топлив?
В современные топлива (бензины, дизельные и другие топлива)
уже на стадии их получения вводят пакет разных присадок.
Ресурс работы современных двигателей при грамотной эксплу-
атации, применении высококачественных топливосмазочных мате-
риалов достаточно высокий. Применение дополнительных присадок
может быть оправдано только тогда, когда есть серьезные причины
93
сомневаться в качестве топлива. При этом следует также быть уве-
ренным в том, что применяемые присадки не подделка, а качественный
продукт.
Накопленный опыт применения дополнительных присадок пока-
зывает, что в большинстве случаев их использование не оправдано
с финансовой точки зрения.
Некоторые из присадок (таблетки, порошки, пилюли и т. д.), как
утверждается в проспектах, позволяют улучшить и топливную эконо-
мичность, и эксплуатационные характеристики двигателя.
В рекламных изданиях очень подробно, с научной точки зрения
описывается механизм их действия. Иногда можно и согласиться с
положительным влиянием присадок на работу двигателя. Но, как
правило, цена большинства присадок достаточно велика и регулярное
их применение приводит к увеличению стоимости топлива.
Однако в некоторых случаях может быть оправдано применение
моющих присадок и присадок, улучшающих прокачиваемость топлива
в системе питания в условиях низких температур.
Следует также иметь в виду, что комплексное исследование меха-
низма действия присадок в конкретном двигателе - достаточно до-
рогое удовольствие. Это могут позволить себе только крупные компа-
нии. Правда, большинство из них довольно скептически отно-
сятся к применению дополнительных присадок в свою продукцию.
А использование присадок без рекомендации фирм может иногда
привести к отмене гарантийного, бесплатного обслуживания и ремонта
двигателей.
Тем не менее, если очень хочется и позволяют финансы, то можно,
только это должны быть качественные фирменные присадки. Это,
с другой стороны, позволит вам почувствовать вкус к исследовательской
работе и приобрести собственный опыт экспериментатора.
4.23.	О чем свидетельствуют свечи зажигания?
Прежде чем избавиться от старых свечей зажигания при очере-
дной их замене, внимательно изучите их состояние.
Свечи могут рассказать о многом, и, в определенной степени, они
являются индикаторами работы двигателя и качества применяемого
топлива.
О работе свечи можно судить по внешнему виду ее элементов
и теплового конуса изолятора.
Фотографии свечей зажигания, работающих в разных условиях,
могут помочь провести диагностику двигателя.
94
I.	Детонация.
Причины: низкое октановое число бензина или раннее
мжигание.
2.	Калильное зажигание (неуправляемое зажигание).
Причины: неисправности в системе охлаждения, чрез-
мерно обедненная топливная смесь, неправильный
выбор свечей зажигания, низкое октановое число
бензина.
3.	Перегрев свечи.
Причины: раннее зажигание, низкое октановое число,
неправильный выбор свечей зажигания, неплотное за-
крепление свечи в отверстии.
4.	Неплотное закрепление свечи может привести к
перегреву свечи и вызвать ее повреждение, показанное
на рисунке.
5.	Нормальная работа свечи.
Двигатель - в хорошем состоянии. Применяемое топ-
ливо - высокого качества. Небольшие коричневые или
серые отложения с легким износом указывают на
нормальную работу свечи зажигания.
6.	Отложения вида «А» содержат продукты неполного
сгорания топлива, моторного масла и присадок, содер-
жащихся в них.
7.	Отложения вида «В» указывают на неисправность
впускного клапана. Вместе с топливом в камеру сго-
рания поступает и моторное масло.
8.	Отложения вида «С» указывают на увеличенный
искровой зазор между электродами свечи зажигания,
что может привести к утечке тока, вследствие за-
мыкания электродов свечи нагаром. Данные отло-
жения могут появиться, когда отложения вида «А»
твердеют и покрываются блестящим слоем, явля-
ющимся хорошим проводником тока.
9.	Повышенный расход масла на угар.
Причины: большой износ цилиндро-поршневой группы.
Можно встретить в новых двигателях или после
капитального ремонта до полной приработки пор-
шневых колец; высокий уровень масла в картере или
износ маслосъемных колпачков.
10.	Повышенное образование сажи.
Причины: подтекание форсунки, высокое давление
насоса, неисправность дроссельной заслонки, богатая
рабочая смесь, длительная работа на холостых обо-
ротах, низкий скоростной режим и легкие условия
эксплуатации.
ГЛАВА 5
ДИЗЕЛЬНЫЕ ТОПЛИВА
5.1.	Основные эксплуатационные показатели и свойства
Основные эксплуатационные показатели дизельного топлива:
-	цетановое число, определяющее высокие мощностные и эконо-
мические показатели работы двигателя;
-	фракционный состав, определяющий полноту сгорания, дым-
ность и токсичность отработавших газов двигателя;
-	вязкость и плотность, обеспечивающие нормальную подачу
топлива, распыливание в камере сгорания и работоспособность
системы фильтрования;
низкотемпературные свойства, определяющие функционирование
системы питания при отрицательных температурах окружающей среды
и условия хранения топлива;
-	степень чистоты, характеризующая надежность работы фильтров
грубой и тонкой очистки и цилиндро-поршневой группы двигателя;
-	температура вспышки, определяющая условия безопасности при-
менения топлива в дизелях;
-	наличие сернистых соединений, непредельных углеводородов
и металлов, характеризующее нагарообразование, коррозию и износ.
Рис. 5.1. Зависимость скорости нарастания давления (Др) в цилиндре
двигателя от цетанового числа (ЦЧ) дизельного топлива
95
Свойства. Цетановое число - основной показатель воспламеняе-
мости дизельного топлива. Оно определяет запуск двигателя, жест-
кость рабочего процесса (скорость нарастания давления), расход топ-
лива и дымность отработавших газов. Чем выше цетановое число
топлива, тем ниже скорость нарастания давления (рис. 5.1) и тем менее
жестко работает двигатель. Однако с повышением цетанового числа
топлива сверх оптимального, обеспечивающего работу двигателя с
допустимой жесткостью (менее 0,5 МПа/ПВК), ухудшается его эконо-
мичность в среднем на 0,2-0,3% и дымность отработавших газов на
единицу цетанового числа повышается на 1-1,5 единицы Хартриджа.
МПа/ПВК - скорость нарастания давления в цилиндре двигателя
на поворот коленчатого вала.
Чем выше цетановое число топлива, тем быстрее произойдут
процессы предварительного окисления его в камере сгорания, тем
скорее воспламенится смесь и запустится двигатель. Ниже приведены
данные по влиянию цетанового числа на время запуска двигателя
(табл. 5.1).
Таблица 5.1
Влияние цетанового числа на время запуска двигателя
Цетановое число	53	38
Время запуска, с	3	45-50
Цетановые числа дизельных топлив различных марок, выраба-
тываемых отечественной промышленностью, характеризуются следу-
ющими значениями (табл. 5.2).
Таблица 5.2
Цетановые числа дизельных топлив
Марка дизельного топлива	Л	3 (-35 °C)	3 (-45 °C)	А
Цетановое число	47-51	45-49	40-42	38-40
Применение топлив с цетановым числом менее 40 приводит к
жесткой работе двигателя, а более 50 - к увеличению удельного
расхода топлива вследствие уменьшения полноты сгорания. Летом
можно применять топлива с цетановым числом, равным 40, а зимой
для обеспечения холодного пуска двигателя - с цетановым числом не
менее 45. Цетановое число и низкотемпературные свойства топлива
- это взаимосвязанные величины: чем лучше низкотемпературные
свойства топлива, тем ниже его цетановое число. Так, топлива с
температурой застывания ниже -45 °C характеризуются цетановым
числом около 40.
Хорошие низкотемпературные свойства достигаются нескольки-
ми способами: существенным облегчением фракционного состава,
96
проведением депарафинизации топлива (извлечение н-парафиновых
углеводородов), переработкой нафтено-ароматических нефтей с малым
содержанием н-парафиновых углеводородов. При этом во всех случаях
снижается цетановое число.
Известны присадки для повышения цетанового числа дизельных
топлив - изопропил- или циклогексилнитраты. Они допущены к
применению, но их вводят в крайне ограниченных количествах для
повышения цетанового числа с 38 до 40, так как при этом понижается
температура вспышки и повышается коксуемость топлива.
Установление оптимальных цетановых чисел имеет большое
практическое значение, поскольку с углублением переработки нефти
в состав дизельного топлива будут вовлекаться легкие газойли
каталитического крекинга, коксования и фракции, обладающие от-
носительно низкими цетановыми числами. Бензиновые фракции также
имеют низкие цетановые числа, и добавление их в дизельное топливо
всегда заметно снижает цетановое число последнего. Европейским
стандартом на дизельное топливо установлен нижний предел цета-
нового числа - 48 единиц.
Цетановое число определяют по ГОСТ 3122-67, сравнивая воспла-
меняемость испытуемого топлива с эталонным (смеси цетана с
-метилнафталином в разных соотношениях). Имеется множество рас-
четных формул для определения цетанового числа топлив, например,
20
по их плотности d4 и кинематической вязкости v2o:
20
ЦЧ = (v20 + 17,8) 1,5879/d4 ,
или. исходя из углеводородного состава,
ЦЧ = 0.85П + 0,1Н - 0,2А,
где П, Н, А - содержание соответственно парафиновых, нафтеновых
и ароматических углеводородов.
По этим формулам можно лишь приблизительно рассчитать
цетановое число. Они не применимы для топлив с присадками,
которые повышают цетановое число, а также для топлив, в состав
которых входят бензиновые фракции. Наиболее точным является
расчетный метод определения цетанового числа (цетанового индекса)
по ГОСТ 27768-88. исходя из плотности и 50%-й точки перегонки:
ЦП = 454,74 - 1641,41d + 774,74d2 - 0,554t + 97,803(lgt)2,
где d - плотность при 15 °C, определенная по ГОСТ 3900-85, г/см3;
-	температура кипения 50%-й (по объему) фракции с учетом
97
поправки на нормальное барометрическое давление 101,3 КПа, опре-
деляемая по ГОСТ 2177-82, °C; 1g - десятичный логарифм.
Использовать эту формулу можно только для продуктов прямой
переработки нефти. Определение цетанового индекса дизельных
топлив по ГОСТ 27768-88 внесено в ряд нормативных документов на
дизельные топлива.
Цетановый индекс дистиллятных дизельных топлив может быть
определен по номограмме (рис. 5.2).

220 §;
G
в
1
210
200
120
Рис. 5.2. Номограмма для определения цетанового индекса
98
За рубежом для характеристики воспламеняемости топлива наряду
с цетановым числом используют дизельный индекс. Этот показатель
нормируется и в отечественной технической документации на
дизельное топливо, поставляемое на экспорт, - ТУ 38.401-58-110-94.
Дизельный индекс (ДИ) вычисляют по формуле:
ДИ = taHd/100,
где taH - анилиновая точка (определяют в °C и пересчитывают в °F:
1 °F = 9,5 °C + 32); d - плотность, градусы АПИ.
Между дизельным индексом и цетановым числом топлива сущес-
твует такая зависимость (табл. 5.3).
Таблица 5.3
Зависимость между дизельным индексом и цетановым числом
Дизельный индекс	20	30	40	50	62	70	80
Цетановое число	30	35	40	45	55	60	80
Фракционный состав. Характер процесса горения топлива в
двигателе определяется двумя основными показателями - фракци-
онным составом и цетановым числом. На сгорание топлива более
легкого фракционного состава расходуется меньше воздуха, при этом
благодаря уменьшению времени, необходимого для образования топ-
ливовоздушной смеси, процессы смесеобразования протекают более
полно.
Облегчение фракционного состава топлива, например, при добавке
к нему бензиновой фракции, может привести к жесткой работе
двигателя, определяемой скоростью нарастания давления на 1 °
поворота коленчатого вала. Это объясняется тем, что к моменту
самовоспламенения рабочей смеси в цилиндре двигателя накап-
ливается большое количество паров топлива и горение сопровождается
чрезмерным повышением давления и стуками в двигателе.
Влияние фракционного состава топлива для двигателей различных
типов неодинаково. Двигатели с предкамерным и вихрекамерным
смесеобразованием вследствие наличия разогретых до высокой
температуры стенок предкамеры и более благоприятных условий
сгорания менее чувствительны к фракционному составу топлива, чем
двигатели с непосредственным впрыском. Наддув двигателя, созда-
ющий повышенный термический режим камеры сгорания, обеспе-
чивает возможность нормальной работы на топливах утяжеленного
фракционного состава.
99
Время прокручивания двигателя при запуске его на топливе со
средней температурой кипения 200-225 °C в 9 раз меньше, чем на
топливе со средней температурой кипения, равной 285 °C (рис. 5.3).
При испытаниях дизельного топлива утяжеленного фракционного
состава с температурой конца кипения на 30 °C выше, чем у стан-
дартного летнего топлива, отмечен повышенный расход топлива в
среднем на 3% и увеличение дымности отработавших газов в среднем
на 10%. Одной из основных причин повышения расхода топлива
является более высокая вязкость топлива утяжеленного фракционного
состава.
Рис. 5.3. Зависимость времени прокручивания двигателя при пуске тпр
от температуры t50 выкипания 50% (об.)
Расход топлива зависит не только от температуры конца его
кипения, но и от 50%-й точки перегонки (рис. 5.4).
Рис. 5.4. Зависимость удельного расхода топлива gi от средней температуры
разгонки (дизель; п = 1750 мин1; р = 0,85 МПа)
100
Для летних дизельных топлив, полученных перегонкой нефти,
'0°с-я точка выкипания находится в пределах 260-280 °C (наиболее
типичные значения 270-280 °C), для зимних марок дизельных топлив
она составляет 240-260 °C.
Вязкость и плотность определяют процессы испарения и смесе-
образования в дизеле, так как от них зависит форма и строение
топ ливного факела, размеры образующихся капель, дальность топлива,
достаточно увеличить ход рейки топливного насоса высокого дав-
ления.
От вязкости зависит износ плунжерных пар. Нижний предел
вязкости топлива, при котором обеспечивается его высокая смазы-
вающая способность, зависит от конструктивных особенностей топ-
ливной аппаратуры и условий ее эксплуатации. Вязкость топлива
в пределах 1,8-7,0 мм2/с практически не влияет на износ плунжеров
топливной аппаратуры современных быстроходных дизелей.
Вязкость топлива зависит от его углеводородного состава. Летнее
дизельное топливо, получаемое из западносибирской нефти, в котором
преобладают парафино-нафтеновые углеводороды, имеет вязкость при
20 =С 3.5-4,0 мм2/с; такое же по фракционному составу топливо из
сахалинских нефтей, в котором преобладают нафтено-ароматические
углеводороды, - 5,5-6,0 мм2/с. Стандартом на дизельное топливо
вязкость нормируется в достаточно широких пределах, что обуслов-
лено различием углеводородного состава перерабатываемых нефтей.
В зарубежных стандартах кинематическая вязкость нормируется
обычно при 40 °C, в то время как отечественные ГОСТ и ТУ
регламентируют вязкость при 20 °C.
Ниже приведена кинематическая вязкость V, мм2/с, среднедистил-
лятных топлив при 20 и 40 °C (табл. 5.4).
Таблица 5.4
Кинематическая вязкость среднедистиллятных топлив
При 20 °C	При 40°С
2,8	2,0
3,7	2,5
4,6	3,0
5,5	3,5
6,4	4,0
7,3	4,5
8,2	5,0
При 20 °C	При 40 °C
9,2	5,5
10,5	6,0
11,6	6,5
12,4	7,0
13,4	7,5
14,4	8,0
101
В таблице 5.5 показано влияние температуры на вязкость летнего
дизельного топлива.
Цвет является показателем, позволяющим достаточно быстро
определить наличие в топливе более тяжелых фракций или присут-
ствие негидроочищенных дистиллятных фракций вторичных процес-
сов, которые оказывают отрицательное влияние на стабильность
нефтепродуктов. Цвет дизельного топлива определяют по ГОСТ
20284-74, ASTM D 1500, ISO 2049, DIN 51411. Существуют номо-
граммы перевода цвета единиц ЦНТ в NPA.
Таблица 5.5
Влияние температуры на вязкость летнего дизельного топлива
Дизельное топливо	Кинематическая вязкость, мм2/с, при температуре					
	20 °C	0°С	-5 °C	-10 °C	-15 °C	-20 °C
Образец 1	2,30	3,63	4,17	4,82	—	7,28
Образец 2	4,04	7,05	8,40	14,30	24,50	28,90
Образец 3	5,13	9,51	11,56	15,52	26,40	30,60
Плотность относят к числу наиболее распространенных показа-
телей, которые применяют для характеристики нефтепродуктов, она
является исходной величиной для выполнения большинства инженер-
ных расчетов. В отечественных стандартах плотность нормируется при
20 °C: для летнего дизельного топлива - не более 860 кг/м3, зимнего -
не более 840 кг/м3, арктического - не более 830 кг/м3.
В зарубежных стандартах пределы плотности устанавливают в
основном при 15 °C. Так, европейский стандарт EN 590 предусматри-
вает следующие плотности: для летних топлив 820-860, для зимних
топлив 800-840 (845) кг/м3.
Плотность отечественных дизельных топлив находится в довольно
широких пределах, так как зависит не только от качества перерабаты-
ваемой нефти, но и от технологии получения топлива.
Низкотемпературные свойства характеризуются гакими показате-
лями, как температура помутнения tn, предельная температура фильт-
руемости Цр.ф и температура застывания t3aCT, последняя определяет
условия складского хранения топлива, tn и 1пр.ф - условия применения
топлива, хотя в практике известны случаи использования топлив при
температурах, приближающихся к t3acT. Для большинства дизельных
топлив разница между tn и t3acT составляет 5-7 °C. В том случае, если
дизельное топливо не содержит депрессорных присадок, 1прф равна
102
взи на 1-2 °C ниже tn. Для топлив, содержащих депрессорные при-
садки. 1пр.фна 10 °C и более ниже tn.
Исследования показали, что при охлаждении дизельных топлив
в первую очередь выпадают парафиновые углеводороды нормального
. - гения. При этом температура помутнения топлива не зависит от
суммарного содержания в нем н-парафиновых углеводородов.
Для обеспечения требуемых температур помутнения и застывания
. мние топлива получают облегчением фракционного состава.
Сократить потери при производстве зимнего дизельного топлива
можно введением в топливо депрессорных присадок (в сотых долях
г.р- щента).
Нередки случаи, когда для снижения температуры застывания на
местах применения используют смеси летних сортов дизельных топ-
зив с реактивным топливом или бензином. При разбавлении дизель-
ных топлив более низкокипящими компонентами приходится исполь-
зовать значительное (до 80%) количество разбавителя (табл. 5.6), что,
в свою очередь, отражается на повышении износа двигателей
и снижении цетанового числа.
Степень чистоты дизельных топлив. Этот показатель опре-
1е 1яет эффективность и надежность работы двигателя, особенно
топливной аппаратуры. Для плунжеров и гильз топливных насосов
зазоры составляют 1,5—4,0 мкм. Частицы загрязнений, размер которых
более 4,0 мкм, вызывают повышенный износ деталей топливной аппа-
ратуры, что предопределяет и соответствующие требования к очистке
топлива.
Таблица 5.6
Влияние керосина и бензина на низкотемпературные свойства летнего
дизельного топлива
Температура, °C	Летнее дизельное топливо	Топливо ТС-1, %				Бензин А-76, %			
		10	20	30	80	10	20	30	80
Застывания	-12	-15	-20	-20	-44	-15	-19	-22	-49
Помутнения	-5	-5	-7	-10	-21	-6	-7	-9	-25
Предельной фильтруемости	-6	-6	-7	-9	-25	-6	-10	-13	-26
Содержание механических примесей в товарных дизельных
топливах, выпускаемых нефтеперерабатывающими предприятиями,
«.оставляет 0,002-0,004% (отсутствие, по ГОСТ 6370-83). Это коли-
чество не отражается на коэффициенте фильтруемости при исклю-
103
чении других отрицательных факторов. Коэффициент фильтруемости
дизельных топлив, отправляемых с предприятий, находится в пределах
1,5 2,5.
Температура вспышки определяет пожароопасность топлива.
Согласно ГОСТ 305 82 предусматривается выпуск топлива с темпе-
ратурой вспышки не ниже 40 °C для дизелей общего назначения и не
ниже 62 °C для тепловозных и судовых дизелей.
Коррозионная агрессивность. Стандартами на дизельные топлива
регламентируются следующие показатели качества, характеризующие
их коррозионную агрессивность: содержание общей серы, содержание
меркаптановой серы и сероводорода, водорастворимых кислот и щело-
чей, испытание на медной пластинке.
Общее содержание серы мало характеризует коррозионную аг-
рессивность топлива по отношению к металлам. При увеличении
содержания серы с 0,18 до 1,0%, но незначительном повышении со-
держания меркаптановой серы с 0,005 до 0,009% коррозионная агрес-
сивность топлива почти не изменяется.
Коррозионная агрессивность дизельных топлив в основном зави-
сит от содержания меркаптановой серы. Так, повышение содержания
меркаптановой серы с 0,01 (норма ГОСТ) до 0,06% увеличивает
коррозию более чем в 2 раза. Коррозионная активность меркап-
тановой серы в дизельном топливе существенно зависит от присут-
ствия в нем свободной воды и растворенного кислорода, которые
ускоряют процесс образования меркаптидов.
Защитные свойства мало зависят от фракционного состава. Зимнее
и летнее топлива, полученные по одинаковой технологии, обладают
примерно одинаковыми защитными свойствами.
Причиной повышенной коррозии и износа является присутствие в
топливе металлов. Считают, что при содержании V > 5 • 10‘4%
и Na >20- 10’4% срок службы лопаток газовых турбин снижается
в 2-3 раза.
Противоизносные свойства. Топлива являются смазочным мате-
риалом для движущихся деталей топливной аппаратуры быстроходных
дизелей, пар трения плунжерных топливных насосов, запорных игл,
штифтов и других деталей.
Смазывающие свойства топлив значительно хуже, чем у масел, так
как и вязкость, и содержание поверхностноактивных веществ (ПАВ) в
топливах меньше, чем их содержание в маслах. Противоизносные
свойства топлив улучшаются с увеличением содержания ПАВ, вяз-
кости и температуры выкипания.
104
В связи с ужесточением требований к качеству дизельных топлив
по содержанию серы и переходом на выработку экологически чистых
топлив, их гидроочистку проводят в жестких условиях. При этом из
дизельных топлив удаляются соединения, содержащие серу, кислород
и азот, что негативно влияет на их смазывающую способность. На-
иболее реальным способом улучшения смазывающих свойств дизель-
ного топлива является применение противоизносных присадок.
Химическая стабильность. Химическая стабильность дизельного
топлива - способность противостоять окислительным процессам,
протекающим при хранении. Эта проблема возникла с углублением
переработки нефти и вовлечением в состав товарного дизельного
топлива среднедистиллятных фракций вторичной переработки нефти,
таких как легкого газойля каталитического крекинга, висбрекинга,
коксования.
Нефтеперерабатывающей промышленностью вырабатывается дизе-
льное топливо по ГОСТ 305-82 трех марок (табл. 5.7): Л - летнее,
применяемое при температурах окружающего воздуха 0 °C и выше;
3 - зимнее, применяемое при температурах до -20 °C (в этом случае
зимнее дизельное топливо должно иметь t3acT < -35 °C и tn < -25 °C),
или зимнее, применяемое при температурах до -30 °C, тогда топливо
должно иметь t3aci < -45 °C и tn < -35 °C, марки А - арктическое,
температура применения которого до -50 °C. Содержание серы в
дизельном топливе марок Л и 3 не превышает 0,2% - для I вида
топлива и 0,5 - для II вида топлива, а марки А - 0,4%. Для удовле-
творения потребности в дизельном топливе разрешаются по согла-
сованию с потребителем выработка и применение топлива с темпе-
ратурой застывания 0 °C без нормирования температуры помут-
нения.
В соответствии с ГОСТ 305 -82 принято следующее условное
обозначение дизельного топлива: летнее топливо заказывают с учетом
содержания серы и температуры вспышки (Л - 0,2—40), зимнее - с уче-
том содержания серы и температуры застывания (3 - 0,2 - минус 35).
В условное обозначение на арктическое дизельное топливо входит
только содержание серы: А-0,2.
Дизельное топливо (ГОСТ 305 -82) получают компаундированием
прямогонных и гидроочищенных фракций в соотношениях, обеспечи-
вающих требования стандарта по содержанию серы. В качестве сырья
для гидроочистки нередко используют смесь среднедистиллятных
фракций прямой перегонки и вторичных процессов, чаще прямо-
гонного дизельного топлива и легкого газойля каталитического
105
крекинга. Содержание серы в прямогонных фракциях в зависимости от
перерабатываемой нефти колеблется в пределах 0.8-1,0% (для
сернистых нефтей), а содержание серы в гидроочищенном компоненте
- от 0,08 до 0,1%.
Характеристики дизельного топлива (ГОСТ 305-82)
Таблица 5.7
Показатели	Норма для марок		
	Л	3	А
Цетановое число, не менее	45	45	45
Фракционный состав: 50% перегоняется при температуре, °C, не выше	280	280	255
90% перегоняется при температуре (конец перегонки), °C, не выше	360	340	330
Кинематическая вязкость при 20 °C, м»Г/с	3.0-6.0	1,8-5,0	1,5-4,0
Температура застывания, °C, не выше, для климатической зоны:			
умеренной	-10	-35	—
холодной	—	-45	-55
Температура помутнения, °C, не выше, для климатической зоны:			
умеренной	-5	-25	—
холодной	—	-35	—
Температура вспышки в закрытом тигле, °C, не ниже:			
для тепловозных и судовых дизелей и газовых турбин	62	40	35
для дизелей общего назначения	40	35	30
Массовая доля серы, %, не более, в топливе: вида I	0,20	0,20	0,20
вида II	0,50	0,50	0,40
Массовая доля меркаптановой серы, %, не более	0,01	0,01	0,01
Содержание фактических смол, мг/100 см3 топлива, не более	40	30	30
Кислотность, мг КОН/100 см3 топлива, не более	5	5	5
Йодное число, г Ь/100 г топлива, не более	6	6	6
Зольность, %, не более	0,01	0,01	0,01
Коксуемость 10 %-го остатка, %, не более	0,20	0,30	0,30
Коэффициент фильтруемости, не более	3	3	3
Плотность при 20 °C, кг/м3, не более	860	840	830
Дизельное экспортное топливо (ТУ 38.401-58-110-94) выраба-
тывают для поставок на экспорт, содержание серы 0,2% (табл. 5.8).
Исходя из требований к содержанию серы, дизельное экспортное
106
“пиво получают гидроочисткой прямогонных дизельных фракций.
1Я оценки его качества по требованию заказчиков определяют
зельный индекс (а не цетановое число, как принято ГОСТ 305-82).
юме того, вместо определения содержания воды и коэффициента
пьтруемости экспресс-методом устанавливают прозрачность топ-
ва при температуре 10 °C.
Таблица 5.8
Характеристики дизельного экспортного топлива
(ТУ 38.401-58-110-94)
Показатели	Норма для марок	
	ДЛЭ	ДЗЭ
Дизельный индекс, не менее	53	53
Фракционный состав: перегоняется при температуре, °C, не выше: 50%	280	280
90%	340	330
96%	360	360
Кинематическая вязкость при 20 °C, мм2/с	3,0-6,0	2,7-6,0
Температура, °C: застывания, ие выше	-10	-35
предельной фильтруемости, не выше	-5	-25
вспышки в закрытом тигле, не ннже	65	60
Массовая доля серы, %, не более, в топливе: вида I	0,2	0,2
вида II	0,3	—
Испытание на медной пластинке	Выдерживает	
кислотность, мг KOH/100 см3 топлива, не более	3,0	3,0
Зольность, %, не более	0,01	0,01
. Коксуемость 10%-го остатка, %, не более	0,2	0,2
Цвет, ед. ЦНТ, не более	2,0	2,0
Содержание механических примесей	Отсутствие	
Прозрачность при температуре 10 °C	Прозрачно	
Плотность при 20 °C. кг/м3, не более	860	845
Зимние дизельные топлива с депрессорными присадками. С 1981
года вырабатывают зимнее дизельное топливо марки ДЗп по ТУ
38.101889—81 (табл. 5.9). Получают его на базе летнего дизельного
топлива с tn = -5 °C. Добавка сотых долей присадки обеспечивает
снижение предельной температуры фильтруемости до -15 °C, темпе-
ратуры застывания до -30 °C и позволяет использовать летнее
дизельное топливо в зимний период времени при температуре до
-15 °C.
Для применения в районах с холодным климатом при температурах
-25 и -45 °C вырабатывают топлива по ТУ 38.401-58-36-92. Согласно
техническим условиям получают две марки топлива: ДЗп-15/-25
107
(базовое дизельное топливо с температурой помутнения -15 °C,
товарное - с предельной температурой фильтруемости -25 °C) и аркти-
ческое дизельное топливо ДАП-35/-45 (базовое топливо с темпера-
турой помутнения -35 °C, товарное с предельной температурой
фильтруемости -45°С ).
Таблица 5.9
Характеристики зимних дизельных топлив с депрессорными присадками
Показатели	Нормы для марок		
	ДЗп	ДЗП-15/-25	| ДАп-35/-45
	ТУ 38.101889-81	ТУ 38.401-58-36-92	
Цетановое число, не менее	45	45	40
Фракционный состав: перегоняется при температуре, °C, не выше: 50%	280	280	280
90 % (конец перегонки)	360	360	340
Кинематическая вязкость для дизелей общего назначения при 20 °C, мм2/с	3,0-6,0	1,8-6,0	1,5-5,0
Температура, °C, не выше: застывания	-30	-35	-55
помутнения	-5	-15	-35
предельной фильтруемости	-15	-25	-45
Температура вспышки в закрытом тигле, °C, не ниже: для дизелей общего назначения	40	40	35
для тепловозных и судовых дизелей	62	35	30
Массовая доля серы, %, не более, в топливе: вида I	0,2	ОД	0,2
вида II	0,5	0,5	0,4
Массовая доля меркаптановой серы, %, не более	0,01	0,01	0,01
Концентрация фактических смол, мг/100 см3 базового топлива, не более	40	—_	—
Кислотность, мг КОНЛОО см3 топлива, не более	5	5	5
Йодное число, г 12/100 г топлива, не более	6	5	5
Зольность, %, не более	0,01	0,01	0,01
Коксуемость 10%-го остатка, %, не более	0,3	ОД	0,2
Коэффициент фильтруемости, не более: для базового топлива	2,0				
для топлива с присадкой	3,0	3,0	3,0
Плотность при 20 °C, кг/м3, не более	860	860	840
Цвет, ед. ЦНТ, не более	2,0	2,0	2,0
Экологически чистое дизельное топливо выпускают по ТУ
38.1011348-89. Технические условия предусматривают выпуск двух
марок летнего (ДЛЭЧ-В и ДЛЭЧ) и одной марки зимнего (ДЗЭЧ)
108
дизельного топлива с содержанием серы до 0,05% (вид I) и до 0,1%
вид II).
С учетом ужесточающихся требований по содержанию аромати-
ческих углеводородов введена норма по этому показателю: для
топлива марки ДЛЭЧ-В - не более 20%, для топлива марки ДЗЭЧ - не
более 10% (табл. 5.10). Экологически чистые топлива вырабатывают
гидроочисткой дизельного топлива, допускается использование
в сырье гидроочистки дистиллятных фракций вторичных процессов.
Городское дизельное топливо (ТУ 38.401-58-170-96) предназна-
чено для использования в г. Москве (табл. 5.11). Основное отличие
городского дизельного топлива от экологически чистого — улучшенное
качество благодаря использованию присадок (летом - антидымной,
зимой - антидымной и депрессорной). Добавка в городское дизельное
топливо снижает дымность и токсичность отработавших газов дизелей
на 30-50%. В качестве антидымной присадки могут быть исполь-
зованы отечественная ЭФАП-Б и зарубежная Любризол 8288, допу-
щенные к применению. Активным веществом этих продуктов является
барий.
Таблица 5.10
Характеристики экологически чистого дизельного топлива
(ТУ 38.1011348-90)
Показатели	Нормы для марок		
	длэч-в	ДЛЭЧ	ДЗЭЧ
Цетановое число, не менее	45	45	45
Фракционный состав: перегоняется при температуре, °C, не выше: 50%	280	280	280
96% (конец перегонки)	360	360	340
Кинематическая вязкость при 20 °C, мм7с	3,0-6,0	3,0-6,0	1,8-5,0
Температура, °C, не выше: застывания	-10	-10	-35
предельной фильтруемости	-5	-5	-25
Температура вспышки в закрытом тигле, °C, не ниже: для тепловозных и судовых дизелей и газовых турбин	40	40	35
для дизелей общего назначения	62	62	40
Массовая доля серы, %, не более, в топливе: вида!	0,05	0,05	0,05
вида II	0,1	0,1	0,1
Испытание на медной пластинке	Выдерживает		
Кислотность, мг КОН/100 см3 топлива, не более	5,0	5,0	5,0
Зольность, %, не более	0,01	0,01	0,01
Коксуемость 10%-го остатка, %, не более	0,2	0,2	0,2
Цвет, ед. ЦНТ, не более	2,0	2,0	2,0
Содержание механических примесей и воды	Отсутствие		
Плотность при 20 °C, кг/м3, ие более	860	860	840
Содержание ароматических углеводородов, %, не более	20	—	10
109
Таблица 5.11
Характеристики дизельного топлива с улучшенными
экологическими свойствами по ТУ 38.401-58-170-96
Показатели	Нормы для марок				
	дэк-л	дэк-з	ДЭКп-Л	ДЭКп-3, -15 °C	ДЭКп-3, -20 °C
Цетановое число, не менее	49	45	49	45	45
Фракционный состав: перегоняется при температуре, °C, не выше: 50%	280	280	280	280	280
96% (конец перегонки)	360	340	360	360	360
Кинематическая вязкость при 20 °C, мм2/с	3,0-6,0	1,8-5,0	3,0-6,0	1,8-6,0	1,8-6,0
Температура, °C, не выше: застывания	-10	-35	-10	-25	-35
предельной фильтруемости	-5	-25	-5	-15	-25
Температура вспышки, опреде- ляемая в закрытом тигле, °C, не ниже: для тепловозных и судовых дизелей и газовых турбин	62	40	62	40	40
для дизелей общего назначения	40	35	40	35	35
Массовая доля серы, %, не более, в топливе: вида!	0,05	0,05	0,05	0,05	0,05
вида II	0,10	0,10	0,10	0,10	0,10
Массовая доля меркаптановой серы, %, не более	0,01	0,01	0,01	0,01	0,01
Кислотность, mi KOH/100 см3 топлива, не более	5,0	5,0	5,0	5,0	5,0
Йодное число, г 12/100 г топлива	5,0	5,0	5,0	5,0	5,0
Зольность, %, не более	0,01	0,01	0,04	0,04	0,04
Коксуемость 10%-го остатка, %, не более	0,3	0,3	0,3	0,3	0,3
Коэффициент фильтруемости (до введения присадки в топливо), не более	2,0	2,0	2,0	2,0	2,0
Цвет, ед. ЦНТ, не более	2,0	2,0	2,0	2,0	2,0
Плотность при 20 °C, кг/м3, не более	860	860	860	860	860
Депрессорные присадки, улучшающие низкотемпературные
свойства топлива, представляют собой, в основном, сополимеры эти-
лена с винилацетатом зарубежного производства.
Европейский стандарт EN 590 действует в странах Европейского
экономического сообщества с 1996 года. Стандарт предусматривает
выпуск дизельных топлив для различных климатических регионов.
Общими для дизельных топлив являются требования по температуре
110
вспышки - не ниже 55 °C, коксуемости 10%-го остатка - не более
0.30%, зольности - не более 0,01%, содержанию воды - не более
200 ppm, механических примесей - не более 24 ppm, коррозии медной
пластинки - класс 1, устойчивости к окислению - не более 25 г
осадка/м3.
Для районов с умеренным климатом изготовляют 6 марок дизель-
ного топлива: А, В, С, D, Е и F с предельной температурой фильтру-
емости +5, 0, -5, -10, -15 и -20 °C соответственно.
Для районов с холодным климатом предусмотрен выпуск пяти
классов дизельного топлива со следующими низкотемпературными
свойствами:
Таблица 5.12
Классификация дизельных топлив для районов с холодным климатом
Класс	0	1	2	3	4
Температура помутнения, °C, не выше	-10	-16	-22	-28	-34
Предельная температура фильтруемости, °C, не выше	-20	-26	-32	-38	-44
В 1996 году в Европе введены ограничения на содержание серы в
дизельных топливах - не более 0,05% и поставлены задачи по
дальнейшему уменьшению содержания серы. Таким требованиям
отвечают отечественные топлива ТУ 38.1011348-89.
5.2.	Котельные, тяжелые моторные, газотурбинные, судовые
и печное топлива
Котельные топлива применяют в стационарных паровых котлах, в
промышленных печах. Тяжелые моторные и судовые топлива исполь-
зуют в судовых энергетических установках. К котельным топливам
относят топочные мазуты марок 40 и 100, вырабатываемые по ГОСТ
10585-75, к тяжелым моторным топливам - флотские мазуты Ф-5 и
Ф-12 по ГОСТ 10585-75, моторные топлива ДТ и ДМ - по ГОСТ 1667-
68. К судовым топливам относят дистиллятное топливо ТМС по
ТУ 38.101567-87 и остаточные топлива СВТ, СВЛ, СВС по ТУ
38.1011314-90.
В общем балансе перечисленных топлив основное место занимают
мазуты нефтяного происхождения. Жидкие котельные топлива из
сланцев, получаемые на установках полукоксования горючих сланцев
и угля, — продукты коксохимической промышленности - составляют
лишь небольшую долю общего объема производства топлив.
Нефтяное топливо для газотурбинных установок предназначено для
применения в стационарных паротурбинных и парогазовых энерге-
тических установках, а также в газотурбинных установках водного
111
транспорта. Газовые турбины являются относительно новым видом
теплового двигателя. Благодаря своим специфическим свойствам,
таким как сравнительно малая масса на единицу мощности,
способность к быстрому запуску и работе без охлаждающей жидкости,
возможность полной автоматизации и дистанционного управления,
газовые турбины получили широкое применение в авиации, а затем в
различных отраслях промышленности и транспорта. Их используют
также для покрытия пиков нагрузки на электрических станциях.
Общей тенденцией газотурбостроения является увеличение КПД и
мощности установок путем повышения температуры газов перед
турбиной. Это определяет требования к качеству топлива.
Печное бытовое топливо предназначено для сжигания в
отопительных установках небольшой мощности, расположенных
непосредственно в жилых помещениях, а также в теплогенераторах
средней мощности, используемых в сельском хозяйстве для приго-
товления кормов, сушки зерна, фруктов, консервирования и других
целей.
Требования, предъявляемые к качеству котельных, тяжелых мотор-
ных и судовых топлив, устанавливающие условия их применения,
определяются такими показателями качества, как вязкость, содержание
серы, теплота сгорания, температуры застывания и вспышки, содер-
жание воды, механических примесей и зольность.
Вязкость. Эта техническая характеристика является важнейшей
для котельных и тяжелых моторных топлив. Она определяет методы и
продолжительность сливно-наливных операций, условия перевозки и
перекачки, гидравлические сопротивления при транспортировании
топлива по трубопроводам, эффективность работы форсунок. От вяз-
кости в значительной мере зависят скорость осаждения механических
примесей при хранении, а также способность топлива отстаиваться от
воды.
При положительных температурах (50 и 80 °C) условную вязкость
топлив определяют по ГОСТ 6258-85 с помощью вискозиметра ВУМ.
В США для определения вязкости используют вискозиметр Сейболта
универсальный (для маловязких мазутов) и Сейболта - Фурола (для
высоковязких мазутов), в Англии - вискозиметр Редвуда. Между
определенными в различных единицах вязкостями существует зави-
симость, представленная в табл. 5.13. В ряде спецификаций указы-
вают вязкость, найденную экспериментально и пересчитанную
в кинематическую (мм2/с).
112
На практике часто используют вязкостно-температурные кривые
(рис. 5.5). С повышением температуры различие в вязкости топлив
существенно уменьшается.
Рис. 5.5. Зависимость условной вязкости ВУ мазута от температуры
Для мазутов, как и для всех темных нефтепродуктов, зависимость
вязкости от температуры приближенно описывается уравнением Валь-
тера:
lglg(v  10'6 + 0,8) = А - BlgT,
где v - кинематическая вязкость, мм2/с; А и В - коэффициенты;
Т - абсолютная температура, К.
113
Таблица 5.13
Таблица перевода вязкости в различных единицах
Кинемати- ческая, мм2/с	Условная, °ВУ	по Сейболту, с (130 °F)	по Редвуду (R), с (140 °F)	Кинемати- ческая, мм2/с	Условная. °ВУ	по Сейболту, с (130 °F)	по Редвуду (R), с (140 °F)
2	1,119	32,66	. 30,95	95	12,51	439,7	387,8
4	1,307	39,17	35,95	100	13,17	462,9	408,2
6	1,479	45,59	41,05	105	13,83	486,1	428,6
8	1,651	52,1	46,35	НО	14,48	509,2	449
10	1,831	58,91	52	115	15,14	532,3	469,4
И	1,924	62,42	55	120	15,8	555,4	489,8
12	2,02	66,03	58,1	125	16,45	578,7	510,3
13	2,118	69,73	61,3	130	17,11	601,8	530,7.
14	2,218	73,54	64,55	135	17,77	624,8	551,1
15	2,32	77,35	67,95	140	18,43	648,1	571,5
16	2,43	81,25	71,4	145	19,08	671,2	591,9
17	2,53	85,26	74,85	150	19,74	694,4	612,3
18	2,64	89,37	78,45	155	20,4	717,5	632,7
19	2,75	93,48	82,1	160	21,06	740,6	653,2
20	2,87	97,69	85,75	165	21,71	763,8	673,6
22	3,1	106,2	93,25	170	22,37	786,9	693,9
24	3,34	114,8	100,9	175	23,03	810,2	714,4
26	3,58	123,5	108,6	180	23,69	833,3	734,8
28	3,82	132,4	116,5	185	24,35	856,4	755,2
30	4,07	141,2	124,4	190	25	879,5	775,6
32	4,32	150	132,3	200	26,3	925,8	816,4
34	4,57	159	140,2	210	27,6	972	857,2
36	4,82	168	148,2	220	28,9	1018,4	898
38	5,08	177	156,2	230	30,3	1064,7	938,9
40	5,33	186	164,3	240	31,6	1111	979,7
42,5	5,66	197,4	174,4	250	32,9	1157,3	1020,5
45	5,98	208,8	184,5	260	34,2	1203,5	1061,4
47,5	6,3	220,3	194,6	270	35,5	1249,8	1102,2
50	6,62	231,8	204,7	280	36,8	1296,1	1143
52,5	6,95	243,4	214,8	290	38,2	1342,4	1183,8
55	7,28	254,9	225	300	39,4	1388,7	1224,6
57,5	7,6	266,4	235,2	320	42,1	1481,3	1306,2
60	7,93	277,9	245,3	340	44,7	1573,8	1387,9
65	8,58	301	265,7	360	47,4	1666,4	1469,6
70	9,23	324	286	380	50	1759	1551,2
75	9,89	347,1	306,1	400	52,6	1852	1633
80	10,54	370,3	326,6	450	59,2	2083	1837
85	11,2	393,4	347	500	65,8	2315	2041
90	11,86	416,6	367,4	1000	131,6	4629	4082
114
5.3.	Практические аспекты применения дизельного топлива:
Вопросы и ответы
Кто и когда изобрел дизельный двигатель?
В 1892 году Рудольф Дизель получил патент на изобретение
двигателя с воспламенением от сжатия. Год спустя его идея была
реализована инженерами.
Это был очень тяжелый и большой двигатель и подходил только
для стационарного применения, например, для морских судов.
В 1913 году, в год своей смерти, Р. Дизель написал, что в будущем
обязательно будет изобретен автомобильный дизель.
Каковы основные этапы развития дизельного двигателя?
С 1909 года инженерами была создана техническая база по
реализации идеи Дизеля.
Первый дизельный двигатель был выпущен компанией Benz&Cie
в Mannheim в период 1919 -1921 гг.
В 1923 году появился первый дизельный трактор.
В 1936 году - первое применение дизельного двигателя на
пассажирском автомобиле. Компания Mercedes-Benz представила
первый серийно выпускаемый дизельный пассажирский автомобиль.
Это был четырехцилиндровый двигатель. Мощность составляла 45
л. с., частота вращения - 3200 об./мин. Расход топлива - 9 л на 100 км.
Двигатель 260D был на 4 л экономичнее, чем бензиновый того же
класса.
В 1978 году был установлен ряд мировых рекордов. На скоростной
трассе в Италии опытный дизельный двигатель Mercedes-Benz С 111-1,
установленный на автомобиле, позволил достичь средней скорости
315 км/ч в течение 12 ч испытаний. Рекордным был и расход топлива -
около 16 л на 100 км.
В 1983 году инженерам удалось уменьшить уровень шума
дизельного двигателя почти в два раза.
В 1997 году в результате объединения усилий компании Bosh и
Dimler-Benz удалось создать насос с общим аккумулятором давления
непосредственного впрыска (CDI) для дизельных двигателей.
Система CDI поддерживает постоянным давление впрыска до
1350 бар. Это удалось сделать благодаря регулированию и очень
точной настройке сопел инжекторов. Достоинства этого насоса
позволили качественно улучшить исполнение двигателя, уменьшить
расход топлива и эмиссию вредных веществ в атмосферу.
115
В 2003 году дизельный двигатель становится перспективным для
транспортных систем XXI века благодаря достигнутым характеристи-
кам, высокой экономичности, качественному исполнению и низкой
эмиссии вредных веществ.
Был создан 0,8-литровый, трехцилиндровый дизель, потребляющий
около 3 л топлива на 100 км. Также в это время был разработан
3-литровый, пятицилиндровый дизель, а его четырехцилиндровый
аналог, установленный в автомобилях Mercedes-Benz С и Е классов,
отвечает всем требованиям стандартов Euro-4.
Где в мире лучшее дизельное топливо?
Известные достоинства дизельных двигателей и их реализация
в будущем в большей степени зависят от качества дизельных топлив,
которые в широких пределах различаются во всем мире.
Также эксплуатационные качества, расход топлива, надежность
и экологические характеристики в современных и перспективных
дизельных двигателях определяются качеством топлива, которое мы
заливаем в бак автомобиля.
Ответить на вопрос непросто - и причина достаточно ясна:
множество различных свойств определяют качество дизельного топ-
лива. Более того, каждое свойство оказывает влияние на разные
аспекты работы дизеля. Особенно важны пять факторов: эксплуата-
ционные характеристики, ресурс и надежность, уровень шума, качест-
во выхлопных газов и расход топлива.
Следует отметить комплексное влияние на работу двигателя
содержания серы в топливе. Было время, когда концентрация серы в
топливе превышала 0,5%, что, безусловно, крайне негативно отра-
жалось на сроке службы дизелей. Во время сгорания сера реагирует с
кислородом и углеродом, образуя серные оксиды. И эти оксиды вызы-
вают коррозию основных элементов как внутри двигателя, так и в вы-
хлопной системе.
Кроме того, с большой скоростью образуются нагаролакоотложе-
ния и повышается износ.
Однако в современных дизельных топливах редко можно встретить
такую высокую концентрацию серы. В мире меньше чем в 5% всех
стран постоянно используют сернистые дизельные топлива.
В европейских странах максимальный уровень серы до 350 ррм,
а некоторые из них имеют уровень серы 50 ррм и даже 10 ррм. Один
ррм представляет концентрацию одной части серы на 1 миллион
116
частей топлива. Топливо с содержанием серы 0,5% включает в себя
5000 ррм.
Во многих странах двигателестроители приветствуют увеличение
применения малосернистых топлив, хорошо понимая, что сера - яд для
катализаторов.
Катализаторы в современных двигателях также весьма чувстви-
тельны к сере, и очень важно для их надежной работы, чтобы концен-
трация серы не превышала 10 ррм.
В некоторых странах Европы (Финляндия) уже достаточно давно
от слов перешли к делу. Так, например, компания Neste производит
экологически чистое дизельное топливо (City Diesel), содержание серы
в котором не превышает 0,005%.
Агентство по охране окружающей среды США (ЕРА) нацеливает
всех, кто производит дизельное топливо, на выпуск малосернистых
топлив. К 2006 году 96% (около 3 миллионов баррелей в день)
дизельного топлива будет отвечать установленному стандарту - 15 ррм
(частей серы на миллион).
Почему возрастает роль смазывающей способности дизельного
топлива?
В перспективных дизельных двигателях (CIDI) все большее
значение приобретает смазывающая способность топлива. Это прежде
всего связано с появлением новых насосов высокого давления
распределительного типа. В отличие от насосов высокого давления
классических дизельных двигателей, топливные насосы, применяемые
в перспективных ДВС (CIDI), непосредственно впрыскивают топливо
под высоким давлением в цилиндры дизеля и смазываются только
поступающим дизельным топливом. В современных двигателях типа
CIDI давление впрыска топлива составляет 1350 бар (около 1350
технических атмосфер). И очевидно, что недостаточная смазывающая
способность дизельного топлива может привести к разрушению
насосов высокого давления.
Международный метод, принятый для косвенного измерения
смазочной способности дизельного топлива и ее влияния на износ
насоса, известен как метод HFRR. Согласно этому методу, чем меньше
значение HFRR дизельного топлива (в цш), тем выше его смазочная
способность. Эксперты считают, что верхний предел величины HFRR
должен быть около 400 цт, чтобы обеспечить нормальный износ
насоса. Топлива, имеющие большую величину HFRR, резко сокращают
117
срок службы насоса, а если уровень HFRR превышает 520 цт - может
произойти катастрофический износ.
Выполненные недавно исследования качества дизельных топлйв в
США Союзом производителей автомобилей (ААМ) установили, что
некоторые показатели качества дизельных топлив не соответствуют
оптимальным значениям. Так, например, некоторые образцы топлив
имели величину HFRR, равную 520 цт. По результатам исследований
были даны следующие рекомендации: если водители желают получить
удовольствие от преимуществ современных технологий в области
двигателестроения, в первую очередь следует повысить качество
применяемого топлива.
Россия уже стоит на пороге внедрения передовых технологий,
и в недалеком будущем проблема качества дизельных топлив встанет
очень остро. Хотя уже кто-то и сегодня пожинает плоды применения
дизельных топлив сомнительного качества.
Какое влияние на работу дизеля оказывает цетановое число?
Цетановое число комплексно влияет на качество топлива. В пер-
вую очередь оно определяет способность к самовоспламенению и
холодный запуск дизеля, его эксплуатационные характеристики. При
понижении цетанового числа резко ухудшаются все показатели работы
двигателя. Увеличиваются динамические нагрузки на все элементы
дизеля, износ, шумность при работе и т. д. Также повышается концен-
трация окислов азота. Ряд экспертов считают, что для более эффекти-
вной работы дизеля цетановое число следует повышать до оптималь-
ного уровня, в зависимости от климатических условий, конструкции
двигателя.
В Европейском союзе, например, цетановое число составляет
51-55, а по данным исследований ААМ в США, большинство образцов
имеют цетановое число, равное 40.
В России стандарты и технические условия определяют нижний
уровень цетанового числа, равный 45.
Каковы наиболее важные свойства дизельных топлив?
Цетановое число.
Его определяют на специальных установках. Цетановый индекс
рассчитывается по формулам или номограмме и определяется
величиной плотности и фракционным составом данного топлива.
118
Плотность I вязкость.
Оба эти показателя оказывают влияние на эксплуатационные
характеристики двигателя, конструктивные особенности, на качество
отработанных газов и расход топлива. В зависимости от конструк-
тивных особенностей двигателя (частота вращения, наддув, тепловая
напряженность, давление впрыска топлива и т. д.) можно выйти на
оптимальный режим его работы на топливе с определенной плот-
ностью.
Следует заметить, что значение плотности может изменяться в до-
вольно широких пределах на разных заправочных станциях.
Плотность можно определить при помощи нефтеденсиметра. Более
высокая плотность (860 кг/м3) характерна для летних топлив.
Попадание в дизельные топлива тяжелых фракций масел или более
легких фракций бензинов приводит к изменению плотности и вязкости,
а значит, и ухудшению работы дизеля.
Содержание серы.
Высокий уровень серы (более чем 5000 ррм) уменьшает ресурс
работы дизеля и приводит к ухудшению многих его характеристик.
Для нормальной работы катализаторов, уменьшающих концен-
трацию NOx, содержание серы в топливе должно быть ограничено
- 10 ррм.
Ароматические углеводороды.
К ним относятся молекулы с бензольными кольцами. В дизельных
топливах вследствие высокой термической стабильности аромати-
ческих углеводородов их присутствие ограничивают с целью умень-
шения сажистых частиц и вредных газов. Полициклические аромати-
ческие углеводороды особенно влияют на увеличение уровня эмиссии
нежелательных частиц и газов.
Чистота сопловых отверстий форсунок.
Для достижения оптимального процесса сгорания в дизельных
двигателях, особенно в двигателях с непосредственным впрыском
(CIDI), сопловые отверстия должны быть всегда чистыми. В некоторых
случаях применение специальных присадок позволяет уменьшить эту
проблему.
Смазочная способность.
Какие вредные вещества находятся в отработанных газах дизеля?
При сгорании дизельного топлива образуются нетоксичные (водя-
ной пар, углекислый газ) и токсичные вещества. Последние являются
продуктами неполного сгорания или побочных реакций, протекающих
119
при высоких температурах. Кроме того, некоторые вредные вещества,
содержащиеся в топливе, при работе двигателя выбрасываются в окру-
жающую среду.
В таблице 5.14 приведены типичные виды токсичных веществ при
сгорании дизельного топлива.
Меньшие значения характерны для новых двигателей, а большие
для старых, изношенных.
Таблица 5.14
Эмиссия вредных веществ
СО	НС	DPM	NOx	SO2
v/ppm	v/ppm	г/м3	v/ppm	v/ppm
5-1500	20-400	0,1-0,25	50-2500	10-150
Окись углерода (СО), углеводороды (НС) и альдегиды образуются
в результате неполного сгорания топлива.
Окислы азота (NOx) образуются в результате реакции азота и
кислорода при высоких давлениях и температурах в цилиндрах
двигателя.
Двуокись серы (SO2) образуется при сгорании серы, присутству-
ющей в топливе.
Сажистые частицы (DPM diesel particulate matter), по оценке
специалистов ЕРА (США), представляют собой комплексные агрегатные
частицы, включающие твердые и жидкие вещества.
DPM разделяют на три фракции:
-	твердые частицы - сухие углеродные, известные как сажа;
-	SOF - тяжелые углеводороды, адсорбирующие и конденсиру-
ющие на сажистых частицах, их называют растворимой органической
фракцией (Solube Organic Fraction);
-	SO4 - сульфатная фракция.
Реальная композиция, или состав DPM, будет зависеть от типа
двигателя, нагрузки и скоростных характеристик.
Полициклические ароматические углеводороды (РАН) могут
состоять из двух и более бензольных колец, многие из которых
обладают канцерогенными свойствами.
Большинство вредных соединений из 4 и 5 колец также присут-
ствуют в органической фракции DPM (SOF).
120
Как улучшить прокачиваемость дизельного топлива при очень
низких температурах?
1.	Прежде всего, перед зимней эксплуатацией автомобиля следует
заранее побеспокоиться о приобретении зимнего дизельного
топлива, которое имеет соответствующую температуру засты-
вания и необходимую прокачиваемость в системе питания.
Применение моторного масла с высоким индексом вязкости
(полусинтетического или синтетического) также благоприятно
скажется на запуске двигателя при низких температурах.
Увеличение пусковой частоты вращения вала двигателя ска-
жется на подаче топливного насоса.
2.	Утеплить двигатель, топливопроводы, фильтры.
3.	Утеплить аккумуляторную батарею, предварительно зарядив ее.
4.	Если температура опускается к минус 30 °C, желательно
добавить к зимнему дизельному топливу арктическое топливо
или авиационный керосин. Если под рукой нет ни того, ни
другого, как крайняя мера - это добавление низкооктанового
бензина. Правда, при этом следует всегда помнить, что чем
больше добавляем бензиновых фракций, тем меньше стано-
вится цетановое число, что может привести к проблеме пуска
двигателя и т. д.
5.	Любой безопасный способ подогрева топлива, бака, фильтров,
трубопроводов и т. д. приведет к лучшей его прокачиваемости.
6.	Следует также учесть, что пуск двигателя при очень низких
температурах крайне отрицательно сказывается на его ресурсе
работы, приводит к повышенным износам, расходу топлива и
т. д.
Как можно избежать проблем с топливными фильтрами?
Топливные фильтры - важный элемент системы питания дизель-
ного двигателя. По мере работы фильтров в них накапливаются
различные загрязнения. При этом уменьшается их пропускная
способность, они засоряются. В зимнее время года небольшое
количество воды в топливе или его недостаточные низкотемпе-
ратурные свойства (образование кристаллов парафина) также могут
привести к нарушению работы фильтров. Если топливо хранить долго
и в несоответствующих условиях, образовавшиеся бактерии и «не-
свежее» топливо могут вызвать закупорку фильтрующих элементов.
Для того чтобы избежать подобных проблем, необходимо
применять качественное, чистое и «сухое» дизельное топливо,
121
регулярно удалять воду, которая может накапливаться в системе
питания.
В чем отличие дизельного топлива от керосина и печного
топлива?
Печное бытовое топливо вырабатывается из дизельных фракций
прямой перегонки и вторичного происхождения - дистиллятов
термического, каталитического крекинга и коксования. По фракцион-
ному составу печное топливо может быть немного тяжелее дизельного
топлива, вязкость его может доходить до 8 сСт. В нем не нормируются
цетановое число, температура помутнения. Содержание серы может
быть до 1,1%.
Авиационные керосины (реактивные топлива) могут иметь различ-
ные фракционные составы: для дозвуковой авиации - керосин с пре-
делами выкипания от 136-156 до 250-280 °C (топлива ТС1, рт)
и широкого фракционного состава (60-280 °C), представляющие собой
бензино-керосиновую фракцию (топливо Т-2), а для сверхзвуковой
авиации - топлива Т-8В, выкипающие при температуре от 165 до
280 °C, и Т-6 (от 195 до 315 °C).
Плотность и вязкость керосинов меньше, чем у дизельных топлив
(от 775 до 800 кг/м3), и соответственно (от 1,25 до 4,5 сСт) при 20 °C.
Температура начала кристаллизации авиационных керосинов не
ниже от -50 °C (Т-8В) до -60 °C (Т-1 и др.). Цетановое число у керо-
синов нормируется.
Содержание серы от 0,05 до 0,1%.
Резюмируя вышеизложенное, можно отметить:
-	дизельное топливо обладает большим цетановым числом;
-	авиационный керосин обладает наилучшими прокачиваемостью
и низкотемпературными свойствами;
-	у печных топлив в условиях низких температур возможны
проблемы с текучестью, образованием кристаллов, парафинов и засо-
рением фильтров.
Какое влияние на работу дизеля оказывает смесь отработанного
моторного масла и дизельного топлива?
В некоторых случаях для утилизации отработанных моторных
масел можно встретить рекомендации по смешиванию небольшого
количества моторного масла с дизельным топливом. Так, например,
компания Cummins несколько лет назад предложила систему управ-
ления качеством моторного масла CENTINEL.
122
Это электронная система контроля качества моторного масла,
позволяющая увеличить интервалы смены масла до 525 000 миль -
для магистральных дизельных автомобилей.
Принцип работы этой системы следующий: при работе двигателя
CENTINEL отслеживает нагрузку на двигатель и ряд других факторов.
Когда условия хорошие, небольшая порция моторного масла подается
насосом в топливный бак, где и происходит смешивание с дизельным
топливом, одновременно порция свежего моторного масла поступает в
систему смазки двигателя.
По данным фирмы, ресурс работы двигателя увеличивается в
связи с тем, что качество моторного масла во время эксплуатации
находится на хорошем уровне (вязкость, щелочное число, загрязнение,
концентрация присадок и т. д.).
Метод освежения моторного масла давно уже привлекал многих
исследователей. Можно согласиться с выводами компании Cummins,
что износ двигателя, динамика нагаролакоотложений в нем во многом
определяются уровнем эксплуатационных свойств моторного масла.
Незначительное количество моторного масла существенно не приводит
к ухудшению качества дизельных топлив, однако при низких
температурах возможно ухудшение прокачиваемости топлива, увели-
чение эмиссии вредных веществ в отработанных газах.
Почему не рекомендуется использовать летом зимнее
и арктическое дизельные топлива?
Во-первых, очевидно, что крайне неэкономично расходовать эти
виды топлив не по назначению.
Во-вторых, плотность зимнего и арктического дизельных топлив
меньше, чем у летнего. Количество энергии при сгорании последнего
до 5% больше, чем у зимних видов топлива. Можно ожидать, что
расход топлива при использовании зимних топлив также увеличится
до 3-5%.
Для изношенного дизельного двигателя в жаркое лето (выше 25 °C)
могут появиться проблемы при работе насоса высокого давления
и форсунок.
Как долго можно хранить дизельное топливо?
Если вы храните топливо чистым, прохладным и сухим, то сроки
хранения могут быть от 6 месяцев до 1 года без существенного
изменения показателей качества. Хранение топлива более 1 года
требует уже большего внимания, условия хранения ужесточаются.
Желательна периодическая фильтрация, добавление антиокислитель-
ных присадок, стабилизаторов-диспергентов.
123
Используются также специальные присадки для борьбы с
микроорганизмами, которые легко поражают среднедистиллянтные
фракции топлива.
Как удалить воду из дизельного топлива и какие последствия
она может вызывать?
Вода может находиться в дизельном топливе или в виде эмульсии,
или отстоявшегося осадка. В зимнее время при замерзании воды
образуются частицы льда, которые могут находиться во взвешенном
состоянии и при пуске холодного двигателя влияют на прока-
чиваемость топлива и забивку фильтров. Если в топливо попала вода,
то при его перекачивании из-за интенсивного перемешивания топлива
образуется водная эмульсия. При этом возникает и опасность появле-
ния коррозии. Вода ухудшает смазывающие свойства топлива, может
вызвать кавитацию.
Для предотвращения загрязнения топлив следует обеспечить
необходимую герметизацию топливных емкостей, дополнительную
фильтрацию топлива. К фильтрующим элементам добавляются водо-
отделяющие или водоотталкивающие ступени.
Наличие воды в топливе оказывает серьезное влияние на работу
элементов топливной системы, рост микроорганизмов при хранении
топлива. По этим причинам необходимо регулярно проверять систему
питания на наличие воды в ней, удалять воду.
В зимнее время года добавка небольшого количества спирта может
быть полезной для предотвращения появления кристаллов льда
и повышения прокачиваемости дизельного топлива.
Почему дизельные двигатели дымят?
Появление дыма при работе дизельных двигателей связано с не-
полным процессом сгорания топлива.
Белый дым образуется при испарении частей дизельного топлива,
не успевших воспламениться при низких температурах, когда дизель
работает неустойчиво.
Черный дым может образоваться при нарушениях работы фор-
сунки, недостаточном количестве воздуха в цилиндре или перегрузке
двигателя.
Голубовато-серый дым - результат повышенного расхода мотор-
ного масла на угар, что может указывать на износ цилиндропоршневой
группы дизеля.
124
ГЛАВА 6
ТОПЛИВНАЯ ЭКОНОМИЧНОСТЬ АВТОМОБИЛЕЙ
6.1. Топливная экономичность автомобилей. Введение
и основные понятия
В настоящее время - время энергосберегающих технологий -
приходится обращать пристальное внимание на всех основных потре-
бителей энергии. Причем внимания заслуживают все каналы расхода
>нергии, будь то производство товаров и оборудования, обогрев и
охлаждение жилищ или транспорт. Одним из основных потребителей
щергии является автомобильный транспорт, объемы производства
которого с каждым годом возрастают. Вследствие этого работы по
повышению экономичности автомобилей имеют большое значение.
Можно с уверенностью сказать, что затраты на производство энергии,
связанные с потреблением топлива, будут и дальше возрастать, а
нехватка топлива сохранится, поскольку основные источники его
получения находятся в относительно неустойчивых районах мира.
Ежедневно в средствах массовой информации появляются сообщения
о политических осложнениях на Ближнем Востоке и в развивающихся
странах, входящих в число экспортеров нефти. Все более широкое
использование бензина, дизельного топлива и метанола, получаемых
из каменного угля или нефтеносных сланцев, не сможет в ближайшие
! 0 20 лет заметно повлиять на структуру потребления топлива.
Именно в этот переходный период западный мир будет наиболее
чувствителен к различным непорядкам в районах нефтедобычи.
Очевидно, что индивидуальный автомобиль по-прежнему будет
оставаться основным видом личного транспорта. Это же справедливо и
для России. Можно ожидать некоторого увеличения использования
автобусов, рельсового транспорта и, возможно, некоторых других
□идов общественного транспорта, но создание легковых и грузовых
автомобилей с высокими показателями топливной экономичности, в
свою очередь, может послужить причиной существенного снижения
заинтересованности в развитии указанных видов общественного
транспорта. Кроме того, свобода, предоставляемая личным автомо-
билем, будет, по-видимому, продолжать оставаться важным элементом
125
жизни нашего общества. Часто эта свобода считается чем-то само
собой разумеющимся, и осознается ее значение лишь в случае угрозы
ее лишения.
Доля личного транспорта в полном расходе энергии очень велика.
Причем эта доля гораздо больше, если иметь в виду лишь расход
нефти. В настоящее время, например, в США ежедневно расходуется
примерно 17 млн. баррелей нефти (1 баррель - 159 л), из которых
около 6 млн. ежедневно импортируются.
При прогнозируемом увеличении количества транспортных единиц
расход топлива легковыми автомобилями возможно уменьшится из-за
предстоящего сокращения пробега каждым автомобилем и, что
особенно важно, из-за ожидаемого именно в это время значительного
повышения топливной экономичности автомобилей индивидуального
пользования. Расход топлива грузовыми автомобилями малой
грузоподъемности несколько увеличится из-за предстоящего роста их
пробега.
Современные автомобили значительно лучше своих предшествен-
ников, особенно если учесть всю совокупность факторов, имеющих
значение для потребителя. К ним относятся: безопасность, эксплуата-
ционные качества, управление и уход, уровень шума в салоне,
комфортабельность, меньшая токсичность выпускных газов и, ко-
нечно, топливная экономичность. Фактически по каждому показателю,
за исключением цены, современные автомобили намного превосходят
автомобили прошлых лет. Вследствие отсутствия в течение многих лет
ограничений на использование материальных и энергетических
ресурсов в мире лишь сравнительно недавно стали обращать серьезное
внимание на топливную экономичность.
Недавнее повышение топливной экономичности автомобилей было
связано со многими факторами, эти факторы сохранят свое значение и
для дальнейшего улучшения топливной экономичности в после-
дующие годы. К указанным факторам относятся: уменьшение размеров
автомобиля, улучшение качества шин, уменьшение аэродинамического
сопротивления, применение новых легких материалов, улучшение
конструкции автомобиля, значительное усовершенствование двига-
телей и трансмиссий.
По мере повышения топливной экономичности автомобилей эко-
номия при каждом очередном ее повышении будет уменьшаться. Это
обстоятельство проиллюстрировано на рис. 6.1, где показана годовая
стоимость топлива в зависимости от показателя экономичности,
126
выраженного в милях на галлон (1 миля/галлон = 0,43 км/л), при
предположении, что средний годовой пробег автомобиля равен 10 тыс.
миль (16 тыс. км), а один галлон (3,78 л) топлива стоит 1,50 доллара.
Годовая стоимость топлива для автомобиля с показателем эконо-
мичности 10 миль/галлон (4,3 км/л) составляет 1500 долларов. При
повышении показателя до 20 миль/галлон (8,6 км/л) годовая стоимость
топлива составит 750 долларов. При дальнейшем увеличении этого
показателя абсолютное изменение годовой стоимости топлива умень-
шается. Можно предвидеть, что в будущем, когда все, даже крупно-
габаритные, автомобили будут достаточно экономичными, значение
этого показателя для потребителя утратится. Указанная тенденция
сохранится и при более высоких ценах на топливо, хотя абсолютное
значение разницы стоимости топлива для автомобилей с различными
значениями показателя экономичности пропорционально увеличится.
ним/галлон
Рис. 6.1. Зависимость стоимости годового расхода топлива (в долларах)
от топливной экономичности q (в миля/галлон)
(1 миля/галлон = 0,43 км/л)
Целесообразно сказать несколько слов об использовании понятий
расход топлива и топливная экономичность. Часто эти понятия
х потребляются взаимозаменяемо, хотя фактически они противопо-
ложны друг другу. Высокая топливная экономичность соответствует
низкому расходу топлива, и наоборот. Как правило, топливная эко-
номичность оценивается в милях на галлон или в литрах на километр.
В технической литературе понятие расхода топлива используется чаще
127
понятия топливной экономичности. Признаком лучшего качества
является меньшее число галлонов на милю или литров на километр.
Использование понятия расхода топлива особенно важно при
определении осредненных характеристик автомобилей. Совершенно
очевидно, что размеры и масса являются исключительно важными
характеристиками современных автомобилей, от которых зависит их
топливная экономичность-. Меньшие по размеру и более легкие
автомобили обычно экономичнее своих более крупных и тяжелых
аналогов. Другой аспект этой проблемы связан с тем, что малые авто-
мобили не обладают такой ударопрочностью, как большие. Последние
данные свидетельствуют о существенной зависимости исхода аварии
от размеров автомобиля.
Малолитражные автомобили чаще и тяжелей повреждаются при
столкновениях с большими автомобилями и даже при столкновениях
друг с другом. Поэтому заслуживают внимания также и другие харак-
теристики автомобиля, от которых зависит его топливная экономич-
ность.
В любой области, будь то совершенствование двигателя, транс-
миссии или шин, по мере достижения предельных характеристик, соот-
ветствующих уровню современной технологии, скорость прогресса
замедляется. Например, на раннем этапе разработки двигателей по-
казатели их мощности и топливной экономичности довольно быстро
улучшались. Однако после стабилизации конструкторских решений
темпы дальнейшего улучшения показателей существенно замедлились,
поскольку их значения приблизились к предельным. При сущест-
венном изменении в технологии, которая приведет к изменению
достижимого предела, процесс повторится. По большинству пара-
метров, от которых зависит топливная экономичность, мы в настоящее
время уже приближаемся к предельным значениям.
В большинстве случаев теоретически достижимые предельные
значения определить трудно. Это, например, справедливо для потерь
на аэродинамическое сопротивление. С другой стороны, законы термо-
динамики позволяют достаточно точно определить предельное значе-
ние термического КПД двигателя при заданных эксплуатационных
параметрах: степени сжатия и величине отношения количества топ-
лива к количеству воздуха в топливной смеси. Прежде чем перейти к
рассмотрению различных факторов, влияющих на топливную эко-
номичность, целесообразно проанализировать все силы сопротив-
ления движению автомобиля. На рис. 6.2 в виде диаграммы показаны
128
различные действующие в направлении продольной оси силы сопро-
тивления, которые должны быть преодолены силовой установкой
автомобиля. Ясно, что любое уменьшение по величине всей сово-
купности этих сил или какой-либо ее части даст возможность
уменьшить мощность двигателя, что приведет к уменьшению расхода
топлива. Зависимость этих сил от скорости автомобиля качественно
изображена на рис. 6.3. Кривая А характеризует силу сопротивления
качению колес, которая возникает в местах контакта шины с дорогой.
Величина этой силы практически не зависит от скорости. Кривая В
характеризует аэродинамическое сопротивление, величина которого
пропорциональна квадрату скорости. Кривая С характеризует силу
сопротивления дорожного покрытия движению автомобиля, т. е. силу
сопротивления при движении с постоянной скоростью по горизон-
тальной дороге. На диаграмме показана также сила сопротивления
движению на подъеме, которая равна весу, умноженному на синус угла
подъема. Сила сопротивления дорожного покрытия для заданного угла
подъема определяется простым суммированием силы сопротивления
движению на подъеме и силы сопротивления дорожного покрытия на
горизонтальной дороге. Соответствующие кривые для трех значений
угла подъема изображены на рис. 6.2. Отметим, что уклон проезжей
части дороги обычно характеризуется в процентах, т. е. значением,
равным тангенсу угла наклона. Для малых углов, свойственных сети
автомобильных дорог с покрытием, значения синуса и тангенса при-
мерно равны. На рисунке также схематично изображена сила тяги,
создаваемая на задних ведущих колесах автомобиля, на котором уста-
новлен двигатель внутреннего сгорания с трехступенчатой стан-
дартной коробкой передач. При переключении на более высокую
передачу передаточное число уменьшается, т. е. уменьшается крутя-
щий момент на выходном валу коробки передач, а значит, и сила тяги
на ведущем колесе. Разница между создаваемой силой тяги и
сопротивлением дорожного покрытия при заданном угле подъема
дороги представляет собой силу, которую можно использовать для
ускорения или буксировки прицепа. Предельно достижимая харак-
теристика топливной экономичности автомобиля с двигателем внут-
реннего сгорания определяется некоторым сочетанием сил сопро-
тивления автомобилю и характеристик двигателя с трансмиссией.
В любой момент эксплуатации автомобиля передаваемая трансмиссией
сила тяги должна соответствовать полной силе сопротивления.
129
Лэродинам ическое
сопротивление
Рис. 6.2. Диаграмма сил, действующих на автомобиль в направлении
продольной оси
Рис. 6.3. Зависимость сил сопротивления качению (А), аэродинамического
сопротивления (В), сопротивления дорожного покрытия (С) и силы тяги
для автомобиля с двигателем внутреннего сгорания и стандартной
трехступенчатой коробкой передач от скорости автомобиля
Факторы, влияющие на топливную экономичность
Основные факторы, влияющие на расход топлива, можно
объединить в следующие группы.
130
1.	Характеристики двигателя.
2.	Характеристики трансмиссии.
3.	Масса.
4.	Аэродинамика.
5.	Сопротивление качению.
6.	Ездовой цикл.
7.	Мастерство вождения.
Максимально возможное значение показателя топливной эконо-
мичности закрытого четырехместного легкового автомобиля с дизель-
ным двигателем с наддувом и неразделенной камерой сгорания
находится, по-видимому, в пределах 100 миль/галлон (43 км/л) для
комбинированного ездового цикла (в городских и пригородных
условиях). По крайней мере, одной из фирм-производителей авто-
мобилей этот показатель достигнут на очень сложном автомобиле, при
создании которого были использованы новейшие достижения. Однако
реализация такого уровня технологии в массовом производстве пока
коммерчески нецелесообразна. Показатель 200 миль/галлон (86 км/л)
для автомобиля такого типа при указанном ездовом цикле, конечно, не
достижим из-за ограничений, обусловленных законами термодина-
мики.
Оценка возможных достижений в повышении топливной эко-
номичности автомобилей будущего сопряжена со многими неопреде-
ленностями из-за трудностей прогнозирования требований потреби-
теля к топливной экономичности, размерам автомобиля, технических
достижений и тенденций изменения государственных требований.
6.2. Двигатель
При рассмотрении топливной экономичности, как правило, сосре-
доточивают внимание на двигателе автомобиля. Вообще говоря, это не
совсем правильно, хотя двигатель является очень важной частью
автомобиля и будет оставаться таковой в будущем. Топливная энергия
в химической форме подается в двигатель, где происходит процесс ее
преобразования (горение), а в итоге на ведущий вал передается
крутящий момент. Отдельные фазы, составляющие существо проис-
ходящих при этом процессов, достаточно хорошо известны и понятны,
однако полное и точное описание химических и физических процессов
чрезвычайно сложно. Топливо и воздух (для дизельного двигателя
только воздух) поступают в цилиндры двигателя и сжимаются в нем
при движении поршня. Заряд топлива воспламеняется либо с помощью
искры от свечи зажигания, либо путем самовоспламенения, как
131
в дизельном двигателе при впрыске топлива. Во время сгорания хи-
мическая энергия топливовоздушной смеси превращается во внут-
реннюю энергию, т. е. энергию молекулярного движения. В резуль-
тате резко возрастает давление, появляется сила, действующая на
поршень в поршневом двигателе внутреннего сгорания, и кривошипно-
шатунным механизмом совершается полезная работа. В соответствии с
рабочим тактом открывается выпускной клапан, продукты сгорания
удаляются из камеры, затем открывается впускной клапан, подается
новая порция топлива с воздухом, и цикл повторяется.
В настоящее время невозможно отдельно рассматривать мощность
двигателя и его экономичность. С экономичностью двигателя тесно
связан состав отработавших газов. Необходимость анализа отрабо-
тавших газов существенно усложняет проблему, но этому вопросу в
последние двадцать лет уделяется значительное внимание. Вообще
говоря, выполнение существующих требований по токсичности
отработавших газов в ряде случаев достигается ценой некоторого
снижения топливной экономичности, однако мнения различных
специалистов относительно величины этого снижения и количествен-
ных соотношений между токсичностью отработавших газов и
топливной экономичностью существенно отличаются друг от друга.
Для лучшего понимания и оценки возможной эффективности
работы двигателя необходимо обратиться к термодинамике - науке о
преобразовании энергии. При анализе работы двигателя обычно
используют первый и второй законы термодинамики. Нет ни одной
машины и ни одного устройства, при работе которых нарушался бы
какой-либо из этих законов. Все двигатели работают по термо-
динамическому циклу, в состав которого входят сжатие, подвод тепла,
расширение и отвод тепла. Эти этапы обычно рассматриваются при
описании принципа работы простейшего двигателя. Из второго закона
термодинамики следует, что невозможно построить машину, рабо-
тающую по циклу, которая лишь извлекала бы теплоту из некоторого
резервуара и полностью превращала бы эту теплоту в работу. В ре-
зультате превращения энергии производимая двигателем работа всегда
будет меньше химической энергии подаваемого в него топлива. Важно
понимать разницу между потерями энергии или теплоты и затратами
теплоты, которая должна быть отведена в течение цикла в со-
ответствии со вторым законом термодинамики. Обычно принято
считать потерями всю теплоту, отводящуюся от двигателя в атмосферу.
Однако совершенно ясно, что некоторое количество подводимой к
двигателю теплоты обязательно должно быть отведено в более
132
холодную область. Отвод этого количества теплоты так же необходим
для производства работы, как и начальный подвод теплоты.
Коэффициент полезного действия двигателей, работающих на смеси
углеводородного топлива с воздухом, даже в идеальном случае будет
значительно меньше 100%. Теплоиспользование в двигателе зависит не
только от характера рабочего цикла, но также от состава топливной
смеси и от степени сжатия.
О том, как распределяется теплота, поступающая в двигатель
с топливом, можно судить по результатам рассмотрения теплового
баланса. Представим себе двигатель, заключенный в некоторый
ограниченный объем, как это изображено на рис. 6.4, и рассмотрим
различные потоки теплоты через границы этого объема.
Очевидно, что основные потери обусловлены отводом теплоты
в соответствии со вторым законом термодинамики. Эти потери можно
чменьшить лишь путем увеличения степени сжатия или уменьшения
отношения количества топлива к количеству воздуха в топливной
смеси, т. е. путем повышения термического КПД цикла.
Рис. 6.4. Потоки энергии к двигателю и от него
Цифрами 1, 2 и 3 обозначены потоки подводимой к системе
теплоты, а потоки отводимой теплоты обозначены цифрами 4-8.
Цифрами 1 и 2 обозначена теплота, содержащаяся в поступающих
в двигатель топливе и воздухе. А цифрами 3 и 4 - теплота охлаж-
дающей жидкости при соответствующих температурах, подводимая к
двигателю и отводимая от него. Цифрами 5 и 6 показан отвод тепла в
окружающую среду излучением и конвенцией. Полезная работа,
133
совершаемая в рассмотренном ограниченном объеме, помечена циф-
рой 7. Наконец, цифрой 8 обозначена совокупная теплота продуктов
сгорания, т. е. выпускных газов.
В ходе работ по повышению экономичности двигателей и сни-
жению токсичности выпускных газов конструкторами анализируются
все факторы. Одним из важнейших новых средств достижения этих
целей является использование все возрастающих возможностей
электронного управления. Это позволяет достичь гораздо большей
степени оптимизации различных параметров, в частности отношения
количества топлива к количеству воздуха в топливной смеси, угла
опережения зажигания и режима рециркуляции отработавших газов,
что особенно важно для снижения их токсичности. Следует, однако,
подчеркнуть, что подобные сложные системы управления не являются
панацеей от всех бед в деле повышения топливной экономичности.
Они, скорее, позволяют минимизировать ухудшение топливной эко-
номичности, которое обусловлено жесткими требованиями к составу
выпускных газов. Кроме того, с целью поиска путей повышения
топливной экономичности постоянно ведутся исследования по многим
направлениям, связанным с предварительной обработкой топлива,
регулированием времени открытия и закрытия клапанов, формой
камеры сгорания, конструкцией систем впуска и выпуска и т. д.
Важно иметь в виду, что при заданных основных параметрах дви-
гателя повышение его топливной экономичности в результате исполь-
зования новейших достижений в указанных направлениях может иметь
лишь ограниченный характер. Проблемы, порождаемые взаимосвязью
топливной экономичности и токсичности отработавших газов, нельзя
недооценивать. Это обстоятельство имеет решающее значение при
конструировании и модернизации всех элементов двигателя.
Заслуживает внимания также необходимость затрат мощности на
работу различного вспомогательного оборудования. Эти затраты не
являются потерями энергии двигателя в рассмотренном ранее смысле.
6.2.1. CIDI- дизель будущего
Наиболее эффективным двигателем внутреннего сгорания сегодня
многими экспертами признан двигатель CIDI (COMPRESSION
IGNITION DIRECT INJECTION).
Данный двигатель имеет наивысший термический коэффициент
полезного действия (более 40%) среди всех тепловых двигателей
внутреннего сгорания.
134
Рис. 6.5. Двигатель CIDI
Двигатель CIDI - это дизельный двигатель с улучшенными харак-
теристиками впрыска топлива и применением передовых технологий.
Он является одним из самых перспективных двигателей для тран-
спортных систем, топливная экономичность которого может быть
приближена к 80 миль/галлон (30 км/л). Однако он более дорогой по
стоимости и в первое время имел более высокую эмиссию вредных
веществ в атмосферу. Именно на решение этих вопросов были
направлены усилия многих компаний и фирм США и Европы.
Положительные результаты и очевидный прогресс, достигнутый в
последнее время в развитии высокооборотных автомобильных ди-
зельных двигателей (CIDI), позволили им стать почти идеальными
кандидатами для гибридных автомобилей. Очевидные их достоинства:
впрыск топлива под высоким давлением (приблизительно 1350 атм.),
применение современных катализаторов, улавливающих вредные
вещества, передовая электронная система управления - позволили
экспертам дать высокую оценку применению этих двигателей в неда-
леком будущем.
135
В дизеле CIDI система впрыска топлива снабжена общим
аккумулятором давления, который называется RAIL и устанавливается
вдоль блока двигателя. Аккумулятор питается от топливного насоса
высокого давления, а форсунки, в свою очередь, - от аккумулятора.
Форсунки приводятся в действие электромагнитными клапанами,
управляемыми электронными устройствами. В данной системе впрыска
величина давления не зависит от нагрузки на двигатель и частоты
вращения вала, поэтому основные характеристики впрыска топлива
могут регулироваться свободно, по желаемой программе.
Таким образом, информация, собранная в электронном блоке
управления от многочисленных датчиков, анализируется, обраба-
тывается и на все системы управления выдаются такие сигналы,
которые приводят к уменьшению шумности, к минимизации расхода
топлива и эмиссии окислов азота, сажистых частиц в выхлопных газах.
В передовом дизельном двигателе CIDI топливо впрыскивается под
очень большим давлением прямо в цилиндр вблизи верхней мертвой
точки, где максимально сжимается воздух и высокие температуры.
В этих условиях топливо очень быстро воспламеняется.
Высокие температуры и давления приводят к увеличению сто-
имости двигателя, а дополнительные системы контроля качества
выхлопных газов еще больше увеличивают затраты на его производ-
ство.
Однако, несмотря на более высокую стоимость, этот двигатель
привлекает очень многих исследователей. Государственные структуры
и частные компании вкладывают большие финансовые ресурсы, чтобы
через несколько лет довести двигатель CIDI до рыночной зрелости.
В рамках решения этой задачи научные исследования проводятся
по широкому спектру вопросов:
-	повышение надежности;
-	поиск новых топлив и масел;
-	оптимизация процессов воспламенения и сгорания и т. д.
С целью оптимизации процессов воспламенения и сгорания ши-
роко применяются современные электронные устройства, которые и
позволяют гибко управлять работой клапанов, форсунками, системой
рециркулизации выхлопных газов и работой катализатора.
Дизельный двигатель (CIDI) - это передовая версия широко-
известного дизельного двигателя, который применяется и в легковых, и
в грузовых автомобилях. Испытания, проведенные в исследовательских
центрах США в рамках программы FREEDOM CAR и VEHICLE
TECHNOLOGIES, показывают, что топливная экономичность ди-
136
зельного двигателя почти на 60% выше, чем у бензиновых двигателей
той же мощности.
Продолжаются крупномасштабные исследования по поиску новых
топлив для двигателя CIDI, которые бы позволили повысить
топливную экономию и снижать уровень окислов азота, сажистых
частиц и т. д. в отработанных газах.
В 2000 году в рамках программы APBF (ADVANCED
PETROLEUM - BASED FUELS) были начаты исследования по
созданию и тестированию новых топлив для применения в двигателях
CIDI и в транспортных системах на базе топливных элементов.
Основные цели, которые были поставлены перед исследователями:
-	минимизировать содержание вредных веществ (NOx, СО, и т. д.)
для двигателей CIDI к 2010 году на основе определения оптимального
сочетания качества топлив, моторных масел и системы управления
контролем за эмиссией вредных веществ;
-	идентифицировать и улучшить свойства топлив для автотран-
спортных систем, которые к 2010 году отвечали бы самым жестким
требованиям по охране окружающей среды.
На рис. 6.6 представлены сравнительные данные по образованию
сажистых частиц перспективных топлив для дизельных двигателей.
Particulate emissions
percent of baseline
Рис. 6.6. Образование сажистых частиц при испытании различных топлив:
а - дизельное; б - смесь дизельного с диметоксиметаном (дмм); в - топливо,
полученное по технологии Фишер - Тропша; г - биотопливо
137
Применение новых топлив для двигателей (CIDI) позволило
уменьшить содержание окислов азота и сажистых частиц в выхлопных
газах. Применение современных систем управления двигателем
позволило оптимизировать топливовоздушную смесь на всех этапах
процесса сгорания. Применение современной системы рециркулизации
выхлопных газов (EGR) способствовало прогрессу в этих иссле-
дованиях. Особенно больших успехов добились в исследовательской
лаборатории SANDIA NATIONAL LABORATORY. Используя прото-
тип двигателя CIDI с кварцевым стеклом и систему лазерной диаг-
ностики, исследователям удалось проследить все этапы процесса
сгорания различных топлив в цилиндре двигателя.
На рис. 6.7 показан процесс впрыска топлива под высоким
давлением в двигателе CIDI CATERPILLAR и три фрагмента: вос-
пламенение топливной смеси, сгорание и формирование сажистых
частиц.
Рис. 6.7
В рамках испытаний были исследованы ряд топлив и топливных
смесей, интересных с точки зрения их применения в двигателе CIDI.
Синтетические дизельные топлива, полученные из природного газа
(технология Фишер - Тропша), не содержат серы и имеют хорошие
138
характеристики топлива для двигателей CIDI. Диметиловый эфир
(DME) также может являться перспективным топливом.
6.2.2.	Современные бензиновые двигатели GDI
С целью экономии топлива и снижения вредных веществ в вых-
лопных газах большие исследования проводятся в области совершен-
ствования бензиновых двигателей.
Одной из первых в мире компании MITSUBISHI MOTORS удалось
создать двигатель с прямым впрыском бензина (GASOLINE DIRECT
INJECTION ENGINE).
Двигатель отличается от обычного двигателя, снабженного непря-
мым, многоточечным впрыском топлива, по следующим позициям:
-	через впускные каналы и клапаны поступает только всасываемый
воздух;
-	камера сгорания частично размещена на днище поршня;
—	давление впрыска топлива в 15 раз больше;
-	более совершенная электронная система управления двигателем.
В таком двигателе достигается очень высокое отношение смеси
топливо/воздух 1:40. Степень сжатия можно поднять до значения 12,5.
Это достигается новыми форсунками, головкой блока цилиндров и
конструкцией поршней. Благодаря высокому давлению впрыска (50
бар) форсунки распыляют топливо на более мелкие капли. При
частичной нагрузке двигателя топливо впрыскивается только в конце
сжатия. При большей нагрузке топливо впрыскивается во время
всасывания. При обычной езде расход топлива меньше на 20% с более
низким уровнем выхлопных газов.
6.3.	Эксплуатационные факторы
Существенное влияние на показатели топливной экономичности
оказывает ряд факторов, характеризующих условия эксплуатации
автомобиля. Среди них:
1)	характеристики ездового цикла (скорость, продолжительность,
протяженность);
2)	пуск и прогрев двигателя и трансмиссии автомобиля;
3)	характеристики нового автомобиля;
4)	условия окружающей среды;
5)	характеристики дороги;
6)	техническое состояние автомобиля;
7)	мастерство вождения.
139
Ездовой цикл. Влияние характеристик ездового цикла очень
велико. При движении в городских условиях с малыми скоростями,
частыми остановками и троганиями с места топливная экономичность
существенно ниже, чем при более спокойном движении с более
высокими скоростями в загородной местности или по автострадам. Эти
данные свидетельствуют, что при испытаниях по городскому циклу
топливная экономичность. примерно на 50% меньше, чем при
испытаниях по загородному циклу. Показатели топливной эконо-
мичности в городских условиях ниже вследствие влияния различных
факторов, важнейшим среди которых, несомненно, является влия-
ние массы автомобиля. При ускорении автомобиля его кинетическая
энергия увеличивается. Во время торможений значительная часть ки-
нетической энергии превращается в тепло в тормозной системе и таким
образом теряется. В городском цикле очень большая часть энергии
топлива теряется в тормозной системе. Это обстоятельство является
одним из побудительных мотивов разработки рекуперативных
тормозных систем, в которых используется аккумулирование энергии
маховиком. Для анализа полного расхода топлива важно рассмотреть
влияние таких факторов, как средняя протяженность поездки, средняя
скорость и т. п. Статистические данные, полученные рядом авторов,
позволяют выявить несколько интересных тенденций (рис. 6.8). Одним
из результатов этого исследования является выявление большого
влияния на экономичность поездок на небольшие расстояния.
Рис. 6.8. Зависимость относительной частоты поездок от их протяженности
в США (1 миля -1,6 км)
140
Холодный пуск и прогрев. Холодный пуск и прогрев сущест-
венным образом влияют на топливную экономичность. При холодном
пуске автомобиля трение в двигателе и в силовой передаче очень
велико, и, кроме того, для пуска двигателей с искровым зажиганием
требуются сильно обогащенные топливные смеси. Оба эти фактора
значительно ухудшают показатели топливной экономичности в срав-
нении с показателями, характерными для пуска полностью прогретого
автомобиля. На рис. 6.9 наглядно показано большое влияние прогрева
на экономичность.
Приведенные данные свидетельствуют о том, что топливная эконо-
мичность для городского ездового цикла протяженностью около 4 км
при холодном пуске и движении непрогретого двигателя составляет
лишь 50% топливной экономичности полностью прогретого авто-
мобиля. Важными направлениями являются уменьшение трения в де-
талях, использование менее вязких масел и смазок и применение
усовершенствованных систем подачи топлива, позволяющих мини-
мизировать потери, связанные с использованием обогащенных смесей
при холодном запуске. Для дизельных двигателей проблемы трения
при холодном пуске сохраняют свое значение, однако использования
чрезмерно обогащенных смесей не требуется.
Рис. 6.9. Влияние протяженности поездки I на топливную
экономичность q\ 1 - топливная экономичность полностью прогретого
автомобиля в городских условиях; 2 - топливная экономичность при
холодном пуске, температура окружающей среды 12 °C (1 миля/галлон =
= 0,43 км/л, 1 миля = 1,6 км)
141
Особенности нового автомобиля. В новом или только что
отремонтированном автомобиле потери на трение в двигателе могут
быть достаточно большими в зависимости от допусков и зазоров
в различных трущихся деталях. Особенно большое значение имеет
состояние поверхностей цилиндропоршневой группы. По мере при-
работки деталей трение постепенно снижается. Для полной приработки
деталей современных автомобилей может потребоваться более 20000
км пробега. Различие показателей топливной экономичности у новых
полностью прогретых автомобилей и двигателей может достигать 10%.
Это свидетельствует о важности поисков новых методов ускорения
приработки основных деталей двигателя и силовой передачи, не
приводящих к их повышенному износу и уменьшению долговечности.
Условия окружающей среды. Температура и другие условия
окружающей среды также влияют на топливную экономичность
различными путями, начиная от влияния температуры на
гистерезисные потери в шинах, трение в двигателе, требуемый состав
топливной смеси и кончая влиянием влажности воздуха на процесс
горения топливной смеси. Вероятно, наиболее важным фактором
является температура. Эти данные подтверждают известный
большинству водителей факт, что летом экономичность автомобилей
выше, чем зимой. На рис. 6.10 показано влияние температуры на
топливную экономичность
Рис. 6.10. Влияние температуры окружающей среды на топливную
экономичность типичного автомобиля. По оси ординат отложено отношение
топливной экономичности при холодном пуске к топливной экономичности
полностью прогретого двигателя, по оси абсцисс - протяженность поездки
(1 миля =1,6 км)
142
Характеристики дороги. Небольшие отклонения характеристик
состояния дорожного покрытия, по крайней мере для дорог в сухом
состоянии, не оказывают значительного влияния на топливную
экономичность. Однако при движении по гравию или песку, а также по
мокрым и заснеженным дорогам топливная экономичность может
существенно уменьшиться.
Техническое состояние автомобиля. Другим важным фактором
является исправное техническое состояние автомобиля. Большинство
систем автомобиля требуют периодической проверки, технического
обслуживания и ремонта, хотя в последние годы интервал между
плановыми техническими обслуживаниями существенно увеличился.
Пробег между плановыми техобслуживаниями в 11000 16000 км сего-
дня уже не представляется чем-то необычным. Ясно, что очень плохую
роль играют пониженное давление в шинах и плохая регулировка
двигателя. Например, перебои в зажигании лишь одной свечи шести-
цилиндрового двигателя могут привести к уменьшению топливной
экономичности на 20%. Такой недостаток в двигателе может, кроме
того, привести к увеличению почти на порядок выбросов углево-
дородов. В некотором смысле роль такого типа фактора можно считать
зависящей от водителя, поскольку каждый водитель должен обес-
печить регулировку автомобиля в соответствии с техническими
требованиями изготовителя. В последние годы созданы системы
контроля автомобилей, которые помогают повысить эффективность их
эксплуатации. Хотя основной задачей этих систем является обес-
печение безопасности и охрана окружающей среды, ясно, что сни-
жение токсичности выбросов должно сопровождаться повышением
топливной экономичности.
Мастерство вождения. Одним из наименее управляемых
факторов, влияющих на топливную экономичность, является водитель.
Водители благодаря своему мастерству или недостатку мастерства
могут различными способами влиять на показатели топливной
экономичности, начиная от поддержания автомобиля в исправном
состоянии, выбора ездового цикла и кончая соответствующим пове-
дением при заданных характеристиках цикла. Всем хорошо известна
отрицательная роль рывков при пуске и чрезмерного повышения
скорости. Хороший, с точки зрения умения достигать лучшей топ-
ливной экономичности автомобиля, водитель ездит плавно с умерен-
ной скоростью.
143
6.4.	Топливная экономичность и токсичность
Связь топливной экономичности автомобиля с составом отрабо-
тавших газов очень сложна. При ее анализе следует учитывать ряд
субъективных факторов. Например, по результатам субъективных
оценок определяются приемлемые эксплуатационные качества авто-
мобиля при холодном пуске и вождении в обычных условиях, а эти
качества, как будет показано впоследствии, либо прямо, либо косвенно
связаны как с составом отработавших газов, так и с топливной
экономичностью. Большое значение имеет также вопрос о допустимых
затратах на достижение максимальной топливной экономичности при
заданном уровне токсичности отработавших газов. Кроме того, необ-
ходимо установить допустимую сложность системы регулирования
и контроля состава отработавших газов, которая могла бы функци-
онировать в руках далекого от техники владельца автомобиля
и нуждалась бы в минимальном техническом обслуживании.
Связь топливной экономичности с составом отработавших газов
зависит от некоторых количественных факторов, определяемых
государственными органами, таких как: точные характеристики ездо-
вых испытательных циклов для измерений топливной экономичности,
уровней токсичности отработавших газов автомобиля и срока его
службы. Для установления этой связи требуется знать, какое будет
использоваться топливо, степень его загрязнения (содержание свинца,
фосфора, серы), октановое число, испаряемость топлива, а также
зависимость стоимости производства топлива от его октанового числа.
Наконец, связь топливной экономичности с составом отработавших
газов будет, конечно, зависеть от характеристик автомобиля: его
массы, удельной мощности, аэродинамических характеристик, типа
используемой системы регулирования состава отработавших газов,
конструкции двигателя и т. п.
Пуск карбюраторного двигателя при температуре окружающего
воздуха обычно производится при закрытой воздушной заслонке. При
этом в течение короткого периода времени двигатель работает на
богатой смеси и концентрация СО и углеводородов в отработавших
газах велика. В том случае, когда используется нейтрализатор, в на-
чальный период холодного пуска он не нагрет, и до тех пор пока его
температура не достигнет 250-300 °C, т. е. величины, необходимой для
окисления СО и углеводородов, они будут выбрасываться из выпуск-
ной трубы. Время, требуемое для достижения этой температуры,
зависит от конструкции и расположения нейтрализатора, оно может
составлять от 20 до 120 с.
144
Основные направления уменьшения токсичности отработавших
газов в автомобилях старых моделей: уменьшение коэффициента из-
бытка воздуха, регулирование количества углеводородов при тормо-
жении, задержка зажигания относительно оптимального положения,
перекрытие клапанов для обеспечения рециркуляции отработавших
газов с целью уменьшения выделений окислов азота и, в некоторой
степени, углеводородов. Эти мероприятия позволяют существенно
уменьшить выбросы NO и углеводородов, но при необходимости очень
значительного уменьшения содержания этих веществ в отработавших
газах может снизиться топливная экономичность.
Идеальная система нейтрализации отработавших газов должна была
бы исключить выделение всех трех вредных примесей на всех режимах
работы двигателя и обладать большой долговечностью. Такая система,
конечно, могла бы обеспечить достижение максимальной топливной
экономичности автомобиля при выполнении требований по токсич-
ности. Из двух созданных систем нейтрализации отработавших газов -
тепловой гомогенный реактор и каталитический нейтрализатор -
последний эффективнее благодаря возможности эксплуатации в более
широком диапазоне температур и по способности устранения NO.
Вследствие этого он получил более широкое распространение.
Степень сжатия, экономичность и токсичность
Известный положительный эффект увеличения степени сжатия
проиллюстрирован на рис. 6.11. Для практической реализации этого
эффекта и повышения топливной экономичности необходимо учесть:
1) влияние увеличения степени сжатия на выделения СО, NO и
углеводородов и 2) необходимость при увеличении степени сжатия
применения топлива с более высоким октановым числом.
Известно, что при увеличении степени сжатия топливная
экономичность улучшается, но при этом увеличиваются выделения
углеводородов. Возможность повышения топливной экономичности за
счет применения двигателей с более высокой степенью сжатия (при
использовании топлива с более высоким октановым числом) будет
зависеть от возможности выполнения для данной системы «двигатель
- автомобиль» требований по выделениям углеводородов.
Производство неэтилированного бензина с высоким октановым
числом необходимо для двигателей с высокой степенью сжатия,
требует дополнительных затрат энергии.
145
Рис. 6.11. Зависимость удельной топливной экономичности от
степени сжатия, в
Необходимое количество октана в процессе очистки может быть
также получено без ощутимых энергетических затрат в результате
добавления к бензину тетраэтилсвинца. Использование свинца, однако,
несовместимо с поддержанием высокой активности катализатора и
приводит к увеличению выброса углеводородов. При этом также
возникают проблемы, связанные с влиянием свинца в атмосфере на
здоровье, хотя оно до конца еще не выяснено. Для повышения ок-
танового числа без снижения химической активности катализатора
можно применять метанол, но при этом возникают другие проблемы.
Таким образом, увеличивая степень сжатия на одну единицу при
использовании современных топлив, путем усложнения системы
управления работы двигателем можно добиться повышения топливной
экономичности менее чем на 5%. При этом увеличивается количество
углеводородов, поступающих в систему снижения токсичности отра-
ботавших газов.
6.5.	Компьютерные системы экономии топлива
Все больше появляется в современных автомобилях электронного
оборудования, которое помогает контролировать функции устройств и
систем автомобиля и работу водителя. Все это делается, чтобы у
146
руководителя автопредприятия (или владельца автомобиля) появилось
больше информации для возможности оптимизации использования
автотранспорта.
Поскольку основу расходной части кругорейса составляют расходы
на топливо, то и информация о режиме расходования топлива, объемах
заправок является весьма интересной. Система FMS, контролирующая
расход топлива, появилась на свет примерно 3 года назад. Она
позволяла получить информацию о количестве топлива в баке и
рассчитывала объемы заправок, сливов топлива. Три года эксплуатации
оборудования на почти тысяче машин дали возможность по-новому
взглянуть на проблему расходования топлива. Реальный расход
топлива и коэффициент его расхода на тонно-километр достаточно
сильно отличались от рекомендаций. Пользователям оборудования
хотелось расширить функции оборудования, получать больше инфор-
мации об автомобиле.
Система FMS последнего поколения, как и прежде, состоит из 2
частей - оборудования и программы. Оборудование представляет
собой коробку размером с пачку сигарет, которая подсоединяется к
проводке автомобиля. Оборудование FMS каждые 2 минуты запи-
сывает количество топлива в баке, пробег машины и контролирует,
включен двигатель или нет.
Источником информации о количестве топлива в баке является
штатный датчик уровня топлива в баке, а для вычисления пробега
используется штатный датчик скорости. Устройство накапливает
данные в течение 2 месяцев эксплуатации автомобиля. По прибытии
автомобиля в парк водитель снимает устройство с машины и передает
в офис компании.
Данные из устройства считываются специальной программой и
представляются пользователю в виде таблиц и графиков. Кроме того,
можно получить сводку за любой период движения автомобиля.
В сводке указывается:
-	количество топлива на начало периода,
-	количество топлива на конец периода,
-	общее количество истраченного топлива,
-	общее количество заправленного топлива,
-	общее количество слитого топлива,
-	пробег машины в километрах,
-	расход топлива в литрах на 100 км,
-	время работы двигателя.
147
Программа также выдает список заправок и сливов топлива с
указанием их объемов и времени. Графики расхода топлива, по
которым удобно рассматривать динамику расхода топлива, выдаются в
2 шкалах - привязанные к календарному времени или к моточасам
автомобиля.
График скорости практически совпадает с тахограммой и может
быть просмотрен более или менее подробно. По сути, в устройство
интегрирован ряд функций электронного тахографа.
Преимуществами системы FMS являются:
-	измерение фактического расхода топлива;
-	невмешательство в работу топливной аппаратуры. Оборудо-
вание не может повлиять на подачу топлива в двигатель;
-	универсальность устройства. Устройство устанавливается на
любой автомобиль, у которого есть штатный датчик уровня топлива;
-	простота монтажа и эксплуатации;
-	отсутствие элементов настройки и индикации на оборудовании;
-	невозможность незаметно вмешиваться в работу устройства;
-	самая низкая стоимость оборудования и системы;
-	бесплатное и постоянно бесплатное обновляемое программное
обеспечение.
Если данная система выполняет фискальную функцию, то предла-
гаемая ниже методика экономии топлива компанией DAIMLER-
CHRYSLER может получить более широкое распространение в бу-
дущем.
Автоматическое регулирование скорости автомобилей, используя
современные технологии управлением маршрута движения, уже
привлекает к себе дополнительным комфортом и улучшением труда
водителя.
Компанией DAIMLERCHRYSLER в рамках ряда исследова-
тельских проектов были разработаны современные технологии мар-
шрутизации для тяжелых магистральных автомобилей. Целью выпол-
ненных проектов являлось объединение систем управления по мо-
ниторингу дорожных условий и экономии топлива. Данная система
гибко реагирует на изменение дорожных условий и обеспечивает
предварительной информацией блок управления, который позволяет
двигателю и автомобилю в целом заранее выйти на тяжелый участок
дороги в оптимальном режиме работы.
148
Электронная система (PREDICTIVE CRUISE CONTROL - PCC)
была опробована на 40-тонном автомобиле с дизельным двигателем
DDC S60 мощностью 500 л. с. и обеспечила движение автомобиля по
шоссе с постоянной скоростью 90 км/ч.
Система РСС позволяет оптимизировать использование кинети-
ческой энергии автомобиля с целью уменьшения нежелательных
нагрузок на двигатель и торможения.
Получение предварительной топографической информации по до-
рожным условиям обеспечивается благодаря применению нави-
гационной системы GPS. Компьютер точно знает, когда двигателю
автомобиля следует увеличить мощность или крутящий момент, чтобы
выйти на оптимальный режим, перед очередным продолжением
препятствия (например, затяжного подъема).
6.6. Практические рекомендации по экономии топлива
6.6.1.	Экономия топлива в зимний период
Зимний холод и снег создают дополнительные проблемы при
эксплуатации автомобилей. Кроме обычных операций по ежедневному
техническому обслуживанию и применению качественных топливно-
смазочных материалов, следует быть готовым к проявлению большей
работы об автомобиле в целом и основных его агрегатах.
Автомобили не любят холод, именно в это время все факторы,
влияющие на экономию топлива, приобретают особое значение, на-
чиная от технического состояния автомобиля, основных регулировок,
навыков вождения и заканчивая не только состоянием протектора
покрышек, но и обувью водителя.
Вот несколько советов, выполняя которые можно комфортно
ч> вствовать себя и экономить не только деньги, но и свою энергию:
-	Аккумуляторная батарея должна быть полностью заряжена и
находиться в хорошем состоянии. Особенно надо быть внимательным
к батарее, срок службы которой превышает 4 года и более.
-	Все фильтры (топливные, масляные и воздушные) должны быть
в хорошем состоянии. Качество охлаждающей жидкости и работа
термостата должны быть безупречны. Следует проверить состояние
шлангов, устранить все утечки.
- Регулярно проверять давление в шинах. Низкое давление увели-
чивает износ шин и расход топлива, а высокое может привести
к ухудшению сцепления с дорогой, особенно в условиях гололеда.
149
- Для легкого пуска двигателя при низких температурах следует
применять всесезонные масла с высоким индексом вязкости. Применяя
масла классов вязкости 0W-30 или 5W-3O, можно быть уверен-
ным в надежном пуске двигателя при низких температурах, ниже
-25 градусов. Используя эти масла при низких температурах, можно
уменьшить и пусковые износы наиболее важных узлов трения и
уменьшить расход топлива. В холодную погоду, особенно при по-
ездках на короткое расстояние, двигатель часто не успевает про-
греться. Для соблюдения теплового режима двигателя очень важно
применять жалюзи и утеплительный чехол при температуре воздуха
ниже 0 градусов.
-	После запуска двигателя не рекомендуется прогревать его на
холостых оборотах. Как только установилось давление в системе
смазки, следует начать плавное движение на первой передаче. Не
допускать длительной работы двигателя на холостом ходу после пуска.
Это всегда приводит к повышенному расходу топлива.
-	Управление автомобилем должно быть плавным. Резкие уско-
рения и торможения в зимнее время значительно влияют на расход
топлива.
-	По глубокому снегу следует стараться двигаться прямолинейно с
частичным или полным совпадением колеи передних и задних колес.
Поворот рекомендуется выполнять с наибольшим радиусом. Также
следует избегать частых переключений передач, а с низких передач на
высшую следует переходить на участках дороги со спуском или с
неглубоким снежным покровом.
Перерасход топлива в зимних условиях эксплуатации автомобилей
может изменяться в следующих пределах, %:
-	предпусковые операции при безгаражном хранении - 2-3 %
-	несоблюдение правил эффективного пуска,
прогрева двигателя, трогания с места, начала движения - 3-3,5%
-	обледенение карбюратора	- 5-10 %
-	применение низкосортного топлива	- 5-6 %
- неоптимальный выбор передач и скоростей движения - 15-25 %
- нерациональный разгон и замедление движения - 4-6 %
- неотрегулированы зазоры в механизме
газораспределения	- 4-5 %
-	накипь и нагар в двигателе	- 2-3 %
-	нарушена регулировка карбюратора	- 10-15 %
-	понижение температуры охлаждающей жидкости
на каждые 10 градусов	-1,5-2%.
150
6.6.2.	Как сэкономить топливо и деньги? 25 советов
Автомобиль для многих стал настолько необходимым, что пред-
ставить без него свою жизнь становится невозможным. Он давно уже
перестал быть роскошью, а стал помощником, «рабочей лошадкой»,
а кому-то и кормильцем. Количество автомобилей стремительно возра-
стает, а вместе с ними растут цены на топливо, на техобслуживание,
ремонт и налоги.
Расходы на топливо являются основными при эксплуатации лю-
бого автомобиля, вот почему ряд советов по экономии топлива, если
следовать им, позволяет увеличить пробег автомобилей без допол-
нительных потерь для семейного бюджета.
1.	На оживленных трассах стоимость топлива, как правило, выше
до 1-3% и более, чем на заправочных станциях недалеко от них, за
несколько кварталов, за углом.
2.	Когда собираетесь путешествовать за город, проверьте цены.
Может быть, они дешевле в вашем городе или в вашем районе.
3.	Используйте специальные дисконтные карты. Многие крупные
нефтяные компании предлагают скидки до 1-3%, если вы используете
VISA или MASTERCARD.
4.	Не используйте бензин с большим октановым числом, чем
необходим для вашего автомобиля.
5.	Если вам показалось, что автомобиль работает не очень хорошо,
попробуйте заправляться на другой заправке, прежде чем перейти на
бензин с большим октановым числом, который всегда дороже. Неко-
торые присадки могут также улучшить работу двигателя.
6.	После заправки поверните пистолет на 180 градусов и по-
пытайтесь не оставлять остатки топлива в шланге.
7.	Не заправляйте топливный бак полностью. При резких по-
воротах, уклонах и т. д. возможен перелив бензина через край.
8.	Не прогревайте двигатель на холостых оборотах больше минуты,
начинайте медленное движение. Это позволит не только уменьшить
расход топлива, но и улучшить смазку двигателя.
9.	Регулярно проверяйте давление в шинах. Нормальное давление
не только сэкономит топливо, но и до 50% увеличит ресурс работы
шин.
10.	Своевременно меняйте воздушный фильтр. Загрязненный
фильтр приводит к обогащению рабочей смеси и повышенному
расходу топлива.
151
11.	Регулярно проводите техобслуживание всех систем авто-
мобиля. Очень важно провести необходимые регулировки после экс-
плуатации в холодное время года и после тяжелого длительного
путешествия. Влияние неисправностей на расход топлива приведено
в таблице.
12.	Используйте энергосберегающие моторные масла.
13.	Освободите ваш автомобиль от ненужного багажа, чем меньше
вес автомобиля, тем меньше его «аппетит».
14.	Если не используется багажник на крыше, снимите его, тем
самым уменьшите сопротивление движению автомобиля.
15.	Используйте кондиционер только при необходимости.
16.	Двигаясь со скоростью 90 км/ч, вы будете экономить до 10-15%
бензина, по сравнению со скоростью движения 105 км/ч.
17.	Движение автомобиля должно быть плавным. Быстрый старт,
резкие остановки, маневрирование на трассе увеличивают расход
топлива.
18.	Если семья имеет два и более автомобилей, чаще ездите на том,
который более экономичен или не успел остыть после последней
поездки. Холодный двигатель очень «прожорлив» во время его про-
грева.
19.	Постоянно совершенствуйте мастерство вождения, навыки
экономичного вождения автомобиля.
20.	Закрывайте окна автомобиля при движении на трассе с
высокими скоростями.
21.	Избегайте работы двигателя на холостых оборотах. Выклю-
чайте двигатель, если время работы превышает 2 минуты.
22.	Тщательно планируйте поездки и путешествия. Несколько
коротких поездок совмещайте в одной, во время которой сможете
решить все накопившиеся дела.
23.	Если имеется возможность, избегайте пользоваться автомо-
билем в час пик и во время автомобильных пробок.
24.	Приобретая автомобиль, выбирайте наиболее экономичный, это
позволит более ощутимо почувствовать экономию топлива.
25.	Используйте любую возможность не пользоваться автомобилем
без крайней необходимости. Особенно это важно с точки зрения
экономии топлива, при очень низких температурах (ниже минус 25
градусов)и сильных снегопадах.
152
Влияние неисправностей автомобиля на расход топлива
Неисправность	Перерасход топлива, %
Неисправность привода экономайзера Раннее включение Позднее выключение	4-6 3-5
Повышенное сопротивление воздушного фильтра в 1,5-2 раза	6-8
Нарушение величины угла опережения зажигания, град. Раннее зажигание на 12 Позднее зажигание на 12	4,5-5 6-7
Обгорание или загрязнение контактов прерывателя	5-8
Отклонение нагара на электродах свечи зажигания	1,5-2
Нарушение зазора между электродами свечи: в сторону увеличения в сторону уменьшения	0,8-0,5 1,8-2
Чрезмерная затяжка подшипников главной передачи, ступиц колес и тормозных барабанов	16-18
Уменьшение давления воздуха в шинах от оптимального, % на 10—25 на 20-25	3,5 4 8-9
Отклонение от нормы схождения колес на 1 мм	3 4
Нарушение в работе одной форсунки	15-20
Отклонение угла опережения подачи топлива от нормы на 3-5 градусов	5-6
153
ГЛАВА 7
АЛЬТЕРНАТИВНЫЕ ТОПЛИВА
Непрерывное увеличение парка автомобилей в России, как и во
всех странах мира, повышение стоимости нефти и ограниченность ее
ресурсов - все эти факторы заставляют задуматься о поиске и
использовании альтернативных видов топлива.
В тех странах, где запасы нефти и газа крайне ограничены,
альтернативные виды топлива применяются уже достаточно давно.
А в странах, где постоянно ужесточаются требования к охране
окружающей среды (Европа, США, Япония), активно проводится
национальная политика по применению более экологически чистых
альтернативных топлив.
В качестве альтернативных топлив сегодня признаются сле-
дующие:
-	природные газы,
-	электроэнергия,
-	метанол,
-	этанол,
-	биотопливо,
-	водород,
-	топлива P-Series (США),
-	солнечная энергия.
Безусловно, что природные газы считаются на сегодня наиболее
приоритетными альтернативными топливами. Запасы природного газа
в России достаточно велики, поэтому этот газ и продукты его перера-
ботки уже давно применяются на автомобильном транспорте и в пер-
спективе применение будет возрастать. Возрастает также парк авто-
мобилей, работающих на газообразном топливе, во всех странах мира,
особенно в промышленно развитых.
7.1.	Энергетические показатели перспективных топлив
Основным показателем, характеризующим эффективность топлива
с энергетической точки зрения, является удельное тепловыделение, т. е.
количество тепла, выделяющегося при сгорании единицы массы или
объема топлива. Для оценки энергетических свойств топлива наиболее
широко используется величина теплоты сгорания Ни, представляющая
собой количество тепла, создающееся при полном сгорание топлива в
кислороде при стехиометрическом соотношении. Величина Ни служит
характеристикой энергоемкости топлива и не отражает влияния
состава горючей смеси, что особо важно в случае применения топлив
154
различной природы. Более объективным энергетическим параметром
является удельная теплота сгорания смеси топлива и окислителя,
известная под названием «теплопроизводительность топливной смеси»
- Нем.
Теплопроизводительность обычно рассчитывают по теплоте сго-
рания с учетом стехиометрического коэффициента и коэффициента
избытка окислителя. Для этого теплоту сгорания можно определить
расчетным путем по полуэмпирическим уравнениям (типа формул
Менделеева) либо экспериментальным путем - сжиганием топлива
в калориметрической бомбе.
В таблице 7.1 приведены значения основных энергетических
показателей различных видов топлив и стехиометрических топливных
смесей, рассчитанных по равновесному диссоциированному составу
продуктов сгорания. Наиболее высокие энергомассовые показатели
среди перспективных топлив имеет водород: его теплота сгорания
почти втрое выше, чем у углеводородного топлива. За водородом в
порядке убывания Ни следуют природный газ, этанол, метанол и
аммиак. Массовые теплопроизводительности отличаются меньше -
примерно на 30% для Н2 и NH3, хотя тенденции в изменении Нем
те же, что и для Ни.
Таблица 7.1
Энергетические показатели перспективных топлив
Показатели	Вид топлива					
	водород	аммиак	метанол	этанол	природный газ	бензин
Тк, К	2449	1955,5	2185,2	2235	2287	2335,7
Ни						
МДж/кг	117,99	17,13	19,73	24,98	49,04	42,39
МДж/м3 (газ)	10,501	13,19	—	—	34,328	—
МДж/м3 (жидкость)	8373,8	11648,4	15685,4	19984	20351,6	35238,4
Нем						
МДж/кг	3,298	2,401	2,623	2,615	2,694	2,677
МДж/м3	3,099	2,822	3,441	3,518	3,322	3,625
Совершенно иная картина наблюдается при сравнении объемных
энергетических характеристик. При нормальных условиях наиболее
155
высокая энергоплотность у жидких топлив: бензина, этанола и ме-
танола. В этих условиях природный газ, водород и аммиак находятся
в газообразном состоянии, в связи с чем их энергетические показатели
значительно ниже, причем водород из-за малой плотности даже усту-
пает аммиаку. Теплота сгорания 1 м3 газообразного водорода примерно
в 104 раза ниже, чем у углеводородного топлива, что свидетельствует
о практической невозможности эффективного использования водорода
в данной форме. Сжижение природного газа, аммиака и водорода
повышает их энергоплотность, однако и в этом случае они сущест-
венно уступают моторным топливам. Удельная теплота сгорания
различных топлив приведена в таблице 7.2.
Таблица 7.2
Удельная теплота сгорания различных видов топлива
Топливо	Ч	
	МДж/кг	ккал/кг
Условное топливо	29,3	7000
Твердое		
Антрацит	26,8-31,4	6400-7500
Древесный уголь	31,5-34,4	7500-8200
Дрова (воздушно-сухое)	8,4-11	2000-2500
Каменный уголь	27	6500
Порох	3,8	900
Сланцы горючие	7,5-15,6	1800-3600
Твердые ракетные топлива	4,2-10,5	1000-2500
Торф	10,5-14,5	2500-3500
Тротил	15	3600
Жидкое		
Бензин	44-47	10500-11200
Дизельное автотракторное	42,7	10200
Керосин	44-46	10500-11000
Нефть	43,5-46	10400-11000
Спирт	27,0	6450
Топливо реактивное (ТС-1)	42,9	10250
Газообразное		
Ацетилен	48,1	11500
Водород	120	28600
Г аз природный	41—49	9800-11700
Метан	50,0	11950
Оксид углерода	10,1	2420
156
7.2.	Углеводородные газообразные топлива
Газообразные топлива - один из главных резервов моторных
топлив на перспективу. Они имеются в очень больших количествах.
Газообразные топлива, несмотря на ряд недостатков, имеют сущест-
венные преимущества:
-	отсутствие зольных компонентов и серы резко снижает износ
и увеличивает срок службы масла;
—	хорошие моторные свойства некоторых газов;
-	лучшие экологические характеристики выпускных газов;
-	положительный опыт применения газовых и газодизельных дви-
гателей в СССР и других странах;
—	относительная дешевизна, особенно в районах добычи и газовых
магистралей.
Важной практической особенностью применения газообразного
топлива является значительное снижение износа основных деталей
двигателя. Моторесурс и надежность газового двигателя оказываются
на 30-50% выше по сравнению с двигателями, работающими на
жидком топливе. Газообразное топливо практически беззольно, в нем
отсутствуют жидкие неиспарившиеся фракции, которые при работе
двигателя на жидком топливе вызывают смывание смазки со стенок
цилиндра, усиливая их износ, и, проникая в картер, разжижают масло.
Срок службы масла в газовом двигателе выше, чем в двигателе на
жидком топливе, а к самому маслу не предъявляются столь высокие
требования.
Основными компонентами углеводородных газообразных топлив
- природного газа, нефтяного газа, сжиженных газов, коксового газа -
являются пропан, бутан, метан, этан, а также примеси углеводородов
парафинового ряда. Важнейшие характеристики любого моторного
топлива - энергетические свойства, отношение содержания водорода к
углероду (Н/С). Отношение водород/углерод у основных компонентов
газового топлива составляет 2,5—4 (таблица 7.3), молекулы химически
устойчивы и просты по строению. Это обеспечивает высококачест-
венное сгорание, особенно в режимах холостого хода и частичных
нагрузок двигателей.
157
Таблица 7.3
Физико-технические и теплотехнические характеристики
компонентов жидких и газовых топлив
Вид топлива	Элементарный состав (отн. единицы)			Плотность при 15 °C	Теплота сгорания низшая	Октановое число
	С	Н	О			
Компоненты жидких моторных топлив						
Изооктан техн.	0,642	0,158	114	711	44400	99/100
Т олуол	0,913	0,087	92	880	41000	100/124
Гептан	0,84	0,16	100	691	45400	0/0
Октан	0,641	0,159	114	702	451000	19/—
Бензол (сырой)	0,923	0.077	78	888	39500	100/
Ксилол	0,905	0,095	106	862	41600	99/145
Жидкие моторные топлива						
Бензин	0,85	0,15	105	720	44200	60/98/—
Этанол	0,375	0,126	32	796	19300	90/—
Метанол	0,52	0,132	46	815	27350	99/—
Компоненты газового моторного масла						
Метан	0,749	0,251	16	0,717	50030	—/125
Этан	0,8	0,2	30	1,36	47600	—/—
Пропан	0,818	0,162	44	2,02	46500	96/112
Бутан	0,827	0,173	58	2,7	46000	90/102
Изопептан	0,834	0,105	72	640	45600	90/—
Пентан	0.834	0,166	72	634	45650	64/—
158
Из таблицы 7.3 следует, что газовое топливо, превосходя бензин по
октановому числу (детонационной стойкости) и удельной теплоте
сгорания, уступает последнему по теплоте сгорания стехиомет-
рической смеси. Это приводит к некоторому снижению эксплу-
атационных характеристик двигателей автомобилей.
7.3.	Пожароопасность газовых видов моторного топлива
Природный газ, в том числе газ с составами, при нормальных
условиях практически в 2 раза легче воздуха, поэтому при утечках
поднимается вверх и быстро рассеивается. Пары жидкого метана
тяжелее воздуха и поэтому сразу после утечки стелятся по земле
подобно парам пропана и бутана. Однако вскоре после нагрева,
примерно до 40 °C, их плотность становится практически равной
плотности воздуха. В таблице 7.4 представлены показатели пожарной
опасности углеводородов.
7.4.	Применение газового топлива в двигателях с искровым
зажиганием
Октановые числа природного газа (110-125) и СНГ (102-112)
значительно превосходят октановое число бензинов АИ-93, АИ-95 и
АИ-96. При этом газ не содержит токсичных присадок (тетраэтил-
свинец). Высокие антидетонационные свойства газа в сравнении с бен-
зинами позволяют эффективно применять его в двигателях с высокой
степенью сжатия (до 14).
Газ значительно легче образует гомогенную смесь, поэтому про-
цесс сгорания его в двигателе происходит мягче. С экологической
точки зрения газовые двигатели обладают меньшей шумностью.
Практически бездетонационная работа карбюраторного двигателя на
газе существенно увеличивает его надежность и межремонтные про-
беги. При работе на газе не разжижается моторное масло.
Эти факторы при эксплуатации на газе обеспечивают увеличение
ресурса на 30—40%, увеличение срока службы моторного масла, повы-
шение ресурса свечей зажигания в 2 раза.
159
Таблица 7.4
Показатели пожарной опасности углеводородов
Углеводороды	Относительная плотность паров по воздуху	Область воспламенения	Температура воспламенения	Температура пламени 		Скорость горения	Коэффициент диффузии в воздухе	Скорость распространения в воздухе	Минимальное давление взрыва	Максимальное давление взрыва
Водород	0,07	4-75	585	2050	278	2	2,5	0,02	—
Метан	0,55	5-15	537 600	1325	34-45	0,16-0,19	0,51	0,28-0,29	0,72
Пропан	1,52	2-95	450-465	990	43-52	0,1-0,11	0,34	0,25-0,3	0,86
Н-бутан	2,1	1,8-9,1	45-585	990	37-48	0,06-0,08	—	0,25	0,86
СНГ	1,8	2- 93	365-450	990	40-50	0,06-0,1	—	0,26	0,88
Бензин	4,0	0,7-8	230-480	750	37 43	0,05-0,06	0,17	0,24-0,3	0,9
7.5.	Применение газового топлива в дизельных двигателях
Современные дизели могут быть конвертированы в газовые с ис-
кровым зажиганием или переоборудованы в газодизели. Принцип
работы двигателя по газодизельному циклу был запатентован еще
Р. Дизелем в 1898 году и стал основой при создании различных схем
работы газодизельных двигателей. В конструкцию двигателя вносится
ряд изменений - добавляются газовый смеситель, система регу-
лирования подачи газа, система взаимосвязанного управления доза-
тором топливного насоса высокого давления и подачей газа, а также
система защиты. При этом способе’в воздушный тракт дизеля посту-
пает не воздух, а газовоздушная смесь, которая поджигается запальной
дозой жидкого топлива, впрыскиваемой через форсунки основной
системы топливоподачи дизеля. Минимальное количество жидкого
запального топлива определяется энергией, необходимой для воспла-
менения и полного сгорания газовоздушной смеси. Обычно запальная
160
доза не превышает 10-15% от максимальной подачи при работе на
чистом дизельном топливе.
Преимущества газодизелей:
-	сохранение энергетических параметров на уровне базового
двигателя;
-	возможность некоторого увеличения максимума крутящего
момента и смещения его в зону низких частот вращения;
-	уменьшение в 2—4 раза дымности отработавших газов;
-	снижение уровня шума двигателя на 2-4 дБ;
-	экономия до 80% дизельного топлива;
-	относительная конструктивная простота переоборудования ди-
зеля в газодизель;
-	увеличение срока службы моторного масла, уменьшение износа
цилиндропоршневой группы;
-	возможность быстрого перехода с одного топлива на другое
и обратно.
Недостатки газодизелей:
-	усложнение системы питания двигателя, появление допол-
нительных элементов (газовый дозатор, смеситель, система редуци-
рования газа и т. д.);
-	увеличение выбросов углеводородов и окислов азота с отрабо-
тавшими газами;
-	повышение трудоемкости обслуживания машин с газодизелем
на 5%;
-	увеличение стоимости машин с газодизелем.
Основные преимущества газовых двигателей, созданных на базе
дизелей:
-	значительное снижение содержания токсичных веществ в отрабо-
тавших газах по сравнению с бензиновым и дизельным двигателями;
-	возможность полного замещения жидкого топлива газом;
-	уменьшение шума двигателя по сравнению с дизелем.
Недостатки газовых двигателей, созданных на базе дизелей:
-	необходимость сложных и необратимых конструктивных из-
менений дизеля (изменения головки цилиндра, поршней, применение
дополнительных систем зажигания, питания и т. д.);
-	худшая топливная экономичность по сравнению с дизелем;
-	снижение энергетических параметров двигателя;
-	меньший запас хода по газу, чем у газодизеля;
-	невозможность выполнить переоборудование двигателей в усло-
виях эксплуатации.
161
7.6.	Спиртовое топливо
Спирты - это производные углеводородов, в молекулах которых
один или несколько атомов водорода замещены на функциональную
группу - ОН.
К настоящему времени накоплен положительный опыт исполь-
зования спиртов в качестве топлива как в двигателях с искровым
зажиганием, так и в дизелях.
Вместе с тем следует отметить, что широкое применение
спиртового топлива при принятой технологии его получения соп-
ряжено с необходимостью создания дополнительных производст-
венных мощностей, в связи с чем капиталовложения в производство
спиртов пока могут превышать затраты на выработку нефтяных
топлив.
Кроме того, вследствие пониженной объемной теплоты сгорания
спиртов (см. табл. 7.1) расходы на их транспортирование больше по
сравнению с расходами на перевозку нефтяных топлив.
Метиловый спирт (метанол) СН3ОН - бесцветная жидкость,
кипящая при 69,7 °C. Очень ядовит. Основным сырьем для получения
метанола является бурый и дешевый каменный уголь, из которого
могут быть получены те же продукты, что из нефти. В настоящее
время у нас в стране уже разработана более совершенная техноло-
гическая схема его производства.
Этиловый спирт (этанол) С2Н5ОН - бесцветная жидкость, кипящая
при температуре 78,30 °C. Основным источником этанола в настоящее
время служит восстанавливаемое растительное сырье (сахарный
тростник, сахарная свекла, картофель, кукуруза и др.). По данным
исследования, проведенного фирмой МАН, выход этанола с 1 га
посадок сахарного тростника, сахарной свеклы, картофеля и кукурузы
составляет соответственно 4440, 2800, 1664 и 830 л.
Сравнительные данные физико-химических свойств спиртового
и моторных топлив приведены в таблице 7.5.
Эти сведения позволяют сделать некоторые общие заключения.
Близкие значения массовой теплотворности смеси стехиометрического
состава для рассмотренных видов топлив, несмотря на существенно
более низкие значения теплоты сгорания спиртов по сравнению с
бензином и дизельным топливом, указывают на то, что использование
в качестве топлива спиртов не должно оказать заметного влияния на
мощностные показатели двигателей.
Вместе с тем наличие значительного количества кислорода в
составе спиртов предопределяет заметное уменьшение теоретически
162
необходимого количества воздуха для сжигания 1 кг спирта по
сравнению с бензином и дизельным топливом, вследствие чего
приспособление двигателей к работе на спиртах потребует внесения
соответствующих изменений в топливоподающую систему и уве-
личенных емкостей для их хранения.
Одновременно высокое содержание в спиртах кислорода должно
способствовать уменьшению нагарообразований в камере сгорания
(КС) в противоположность топливам из растительных масел.
Высокая скрытая теплота испарения спиртовых топлив, особенно
метанола, должна вызывать затруднения при холодном пуске дви-
гателей.
Так, холодный пуск двигателей, работающих на спирте, затруднен
уже при температуре ниже 10 °C при карбюраторном питании и ниже
5 °C при использовании систем впрыска. Проблема в известной сте-
пени решается добавлением в спиртные топлива низкомолекулярных
ароматических углеводородов или эфиров. Для устойчивости работы в
режиме прогрева использование в качестве топлива спиртов требует
повышения энергии искрового разряда в свечах зажигания.
Высокие значения ОЧ и очень низкие значения ЦЧ спиртового
топлива благоприятствуют их использованию в двигателях с искровым
зажиганием и обуславливают необходимость решения проблем,
связанных с воспламенением в двигателях.
Низкая вязкость спиртов может затруднить смазку топливо-
подающей аппаратуры дизелей, а относительно высокая электропро-
водность совместно с высоким содержанием в спиртах кислорода
может вызвать необходимость решения проблем, связанных с кор-
розией и химическим разрушением материалов, контактирующих со
спиртовым топливом.
7.6.1.	Использование спиртов в двигателях с искровым
зажиганием
Принципиально двигатели этого типа могут работать на чистом
топливе. Однако в настоящее время получают большое развитие дви-
гатели, работающие на бензоспиртовых смесях, в которые для пре-
дотвращения расслоения при хранении добавляют соответствующие
присадки высоких спиртов.
При малом содержании в бензине спирта последний выполняет
лишь функцию антидетонационной присадки и его объемное содержа-
ние ставится в зависимость от климатических условий эксплуатации,
влияющих на пусковые характеристики двигателя, от степени решения
163
проблемы расслоения смеси топлив, желаемой степени снижения ток-
сичности отработавших газов и др.
Обычно содержание в бензине метанола и этанола в этом случае не
превышает 5 и 10% соответственно. Причем для исключения рассло-
ения требуется введение в смесь топлив не более 2% дорогостоящих
высших спиртов.
Содержание в бензине метанола до 15% или этанола до 20%
требует добавления до 7% стабилизирующей присадки.
Использование таких смесей позволяет при внесении необходимых
изменений в топливоподающую систему двигателя повысить его топ-
ливную экономичность в соответствии с повышением е и увеличением
а на пределе эффективного обеднения по сравнению с базовым бензи-
новым двигателем.
Наряду с этим исследуется возможность работы двигателя на
бензине с добавлением спирта, количество которого в топливной смеси
изменяется по сигналам, например, датчика состава отработавших
газов.
Добавка метанола к бензину является реальной при современном
уровне развития автотранспортной техники и может рассматриваться
как промежуточный этап к переходу на чистый метанол. Добавка
метанола к бензину сокращает период задержки воспламенения и
время сгорания топлива, уменьшает теплоотвод из зоны реакций,
расширяет пределы обеднения смеси и увеличивает ОЧ топлива.
Таблица 7.5
ОЧ	Бензин	Бензин + 5% метанола	Бензин + 10% метанола
оч/и	91,8	93,9	96,1
оч/м	83,5	84,9	85,1
Вследствие перечисленных обстоятельств увеличиваются эффек-
тивный КПД и мощность двигателя и уменьшается токсичность
отработавших газов. Наряду с этим добавка метанола к бензину
вызывает снижения теплоты сгорания горючей смеси, что ведет к
увеличению массового расхода топлива. Например, при добавлении
15% метанола эффективный КПД экспериментального двигателя
возрос на 10%, мощность на 8%, удельный расход энергии на единицу
мощности двигателя уменьшился на 14%, концентрация СО в отрабо-
164
тавших газах уменьшилась в 3 раза, удельный расход топлива возрос
на 12%.
В результате исследований установлена оптимальная бензо-
метанольная смесь, содержащая от 10 до 15% метанола.
Проблема расслоения топливной смеси при хранении, так же как
проблема холодного пуска, снимается при использовании двух топлив-
ных систем с отдельными баками для бензина и спирта с общим
карбюратором-смесителем или использовании в качестве добавки
метилбутилового эфира (МТБЭ), получаемого из метанола и изо-
бутилена.
Во многих странах были проведены широкие исследования по
изучению необходимой модификации автомобильных двигателей с
искровым зажиганием для использования топлив М 15 (смесь бензина
с 15% метанола) и М 100 (чистый метанол), а также по изучению проб-
лем, связанных с хранением и распределением топлив на территории
страны.
Чистое спиртовое топливо и бензиноспиртовые смеси приме-
няются в Бразилии с 1920 года, ас 1931 года законодательно уста-
новлено применение бензина с добавкой 5% спирта.
Автомобили с двигателями, работающими на спиртовом топливе,
дороже на 10% автомобилей с бензиновыми двигателями, но имеют
хороший сбыт, так как спиртовое топливо из биомассы в Бразилии в
настоящее время дешевле бензина.
Одной из проблем использования в качестве топлива спиртов
является повышенный износ двигателя.
Из исследований следует, что снижение температуры масла при
работе двигателя на бензине практически не оказывает влияния на
износ, в то время как при работе на жидком метаноле изменение
температуры масла со 100 до 50 °C приводит к увеличению содер-
жания железа в масле в 7-16 раз.
В процессе опытов установлено, что при неполном сгорании
метанола в цилиндре двигателя образуются: метан, формальдегид,
ацетальдегид, уксусная и муравьиная кислоты.
Под воздействием последней возникает химическая коррозия
материала цилиндров. Образующиеся при этом соли способствуют
увеличению истирания поршневых колец.
При увеличении температуры двигателя и предварительном
испарении спирта полнота сгорания увеличивается, в результате чего
165
концентрация муравьиной кислоты уменьшается и, как следствие,
уменьшается износ двигателя.
Повышенный износ двигателей, работающих на спиртах, может
быть также связан с отличным от бензина влиянием спирта на смазку
цилиндропоршневой группы.
Спирт легче, чем бензин, достигает стенок цилиндра и разрушает
смазку; спирт с водой образует устойчивую эмульсию в масле, в
результате чего к трущимся поверхностям подается недостаточное
количество масла, вследствие этого для обеспечения надежной работы
двигателей на спиртах, особенно в низкотемпературных режимах,
требуются новые моторные масла.
Разбавление бензина 15-20% спиртом практически не влияет на
износ и смазку двигателя.
7.6.2.	Использование спиртов в дизелях
Основные трудности применения в качестве топлива чистых
спиртов в дизелях связаны с их низкой самовоспламеняемостью
и высокой скрытой теплотой испарения, приводящей к увеличению
продолжительности задержки воспламенения.
В настоящее время для повышения ЦЧ спиртов разработано
большое число присадок на базе органических нитратов и нитритов,
а также пероксидов. В зависимости от типа присадки ее содержание в
спирте может изменяться в широких пределах. Так, для улучшения
воспламеняемости этанола до уровня, соответствующего дизельному
топливу с ЦЧ, равным 52-63, объем присадки триэтиленгликоль-
динитрата в спирте составляет 4%, а объем изопропилнитрата - 25%.
Метанол имеет худшую воспламеняемость, и для того же эффекта
необходима присадка 22% циклогэксилнитрата.
Отмечается существенное повышение стоимости спиртового
топлива с присадками, в связи с чем перспективно использование
спирта в том или ином сочетании с дизельным топливом.
Применение спиртов в смеси с дизельным топливом из-за плохой
смешиваемости (особенно метанола при наличии следов воды в
дизельном топливе) требует специальных растворителей или установки
механических устройств на автомобиле для стабилизации топливной
эмульсии. При этом сохраняется необходимость в присадках, повы-
шающих ЦЧ эмульсии.
166
Так же как в двигателях с искровым зажиганием, проблема ста-
билизации топливной эмульсии исключается при раздельной подаче
спирта и дизельного топлива.
Наиболее экономичен способ введения спирта во впусковой
трубопровод дизеля с помощью карбюратора или форсунки, а также
подмешивания испаренного спирта к воздуху на впуске при одно-
временном впрыске дизельного топлива в цилиндр.
Этот способ смесеобразования не нов и в широком диапазоне
вариантов исследован еще в 30-х годах в отделе нефтяных двигателей
ЦИАМ.
Физико-химические и моторные свойства метанола и этанола в
сравнении со свойствами дизельного топлива приведены в таблице 7.6.
Обращает внимание существенно меньшее содержание углерода и
большее содержание кислорода в спиртах, особенно в метаноле. Это
определяет меньшую теплотворную способность единицы массы
топлива. Повышенное содержание кислорода препятствует возник-
новению условия для крекинга и способствует существенному сни-
жению содержания сажи и твердых частиц в отработавших газах
дизеля.
Анализируя теплофизические свойства, влияющие на условия
смесеобразования, отметим, что поверхностное натяжение и вязкость у
спиртов ниже, чем у дизельного топлива, и близки к значениям для
бензина. Теплоемкость спиртов в жидкой фазе выше, а в газовой
ниже, чем у использованных в дизелях моторных топлив (МТ).
Теплопроводность, как в жидкой, так и в газовой фазах, выше, чем у
МТ, выше также коэффициент диффузии. Следовательно, можно
ожидать улучшения распиливания топлива, ускорения подогрева и
испарения капель спиртов при использовании их в качестве моторного
топлива. Высокая теплота парообразования спиртов в условиях огра-
ниченного подвода теплоты от заряда и окружающих деталей может
затруднить испарение и воспламенение.
Как следует из таблицы, для введения в цилиндр того же
количества теплоты, что и при дизельном топливе, этанола нужно
подать в 1,69 раза, а метанола - в 2,28 раза больше. Это требует
изменения таких параметров системы топливоподачи, как диаметр
плунжера и эквивалентные проходы в сечение сопловых отверстий.
В противном случае увеличится длительность впрыска топлива.
167
Низкая вязкость и смазывающая способность спиртов могут
явиться причиной повышенных износов, прихватов и задиров деталей
топливной системы. Для обеспечения надежной работы топливной
системы рекомендуется добавлять в спирт касторовое масло, которое
хорошо растворяется в нем.
Изменения конструкции и применяемых материалов могут быть
связаны с повышенной упругостью паров и коррозионной активностью
спиртов. Повышенная упругость паров является причиной больших
кавитационных износов.
Таблица 7.6
Сравнительные данные о свойствах топлив
Параметры	Метанол	Этанол	Соевое масло	Бензин	ДТ
Масса воздуха для сжигания 1 кг топлива	6,4	9,0	12,7	10,9	14,6
Скрытая теплота испарения (0,1 Па), Дж/дм3	1104	841	—	330	250
Температура кипения (0,1 Па), °C	64,7	78,5	180-360	30-190	170-360
ОЧ по исследовательскому методу, по моторному методу	ПО 92	100 89	—	72 98	—
Цч	3	8	40-50	14	45-55
Смешиваемость с водой	хорошо	хорошо	плохо	плохо	плохо
Смешиваемость с углеводородным топливом	плохо	плохо	хорошо	хорошо	хорошо
Электропроводность	0,50	1,00	49	0,35	2,74
Вязкость (20 °C), м2/с	44-10'7	1,3510-’	—	10'3	ю'3
Содержание кислорода	50	35	11,4	0	0
Температура воспламенения, °C	470	520	—	230-480	200-220
Коррозионная активность спиртов, а также активность их по
отношению к ряду пластмасс предъявляют особые требования к
материалам деталей топливной системы. Обнаружена особая опасность
электролитической коррозии пар металлов, таких как алюминий -
сталь, алюминий - латунь, цинк - латунь, в присутствии спирта.
168
Рекомендуется избегать материалов, содержащих магний, сурьму,
свинец, цинк. Хорошие результаты обеспечивает применение хромо-
никелевых и нержавеющих сталей. Отмечается необходимость ис-
пользования специального покрытия топливного бака.
По температуре вспышки спирты приближаются к бензинам.
Поэтому к двигателям, работающим на спиртах, применимы меры бе-
зопасности, выполняемые для бензиновых двигателей.
Существенным недостатком спиртов как моторного топлива для
дизелей являются их высокая температура воспламенения и низкое
цетановое число, что влечет за собой усложнение конструкции,
увеличение стоимости изготовления и эксплуатации дизеля. На
величину цетанового числа кроме высокой температуры воспла-
менения оказывает влияние отмеченное выше снижение температуры
заряда из-за значительных затрат теплоты на испарение спирта.
Применение спиртов способствует снижению образования от-
ложений на деталях и увеличению срока службы масла, если приняты
меры против попадания спирта в масло. Это связано с малым
сажеобразованием при горении, а также отсутствием в топливе серы,
малой кислотностью продуктов сгорания.
Однако небольшое количество отложений может явиться причиной
повышенного износа седел клапанов. Недостатком спиртов является их
плохая растворимость в дизельном топливе.
7.6.3.	Способы использования спиртов в дизелях
I. Применение растворов в дизельном топливе и топливных смесях.
Чистый этанол растворяется в дизельном топливе при температуре
выше 36 °C. Растворимость метанола в дизельном топливе хуже, чем
этанола. Примером трехкомпонентного стабильного раствора может
служить смесь 20% по объему растительного (касторового) масла, 50%
этанола и 30% дизельного топлива.
II Использование эмульсий спирта и дизельного топлива ДТ.
Получение стабильных эмульсий связано с применением в доста-
точно больших количествах дорогих эмульгаторов.
Для получения нестабилизированной эмульсии, приготовляемой
непосредственно системой питания дизеля, может быть использован
принцип трубки Ранка. Смесь метанола и ДТ поступает на периферию
цилиндрической камеры тангенциально к поверхности цилиндра, а
покидает устройство по оси камеры. Эмульгирование достигается
благодаря интенсивным турбулентным пульсациям, возникающим
169
вследствие наличия значительных градиентов тангенциальной
скорости по радиусу камеры.
III.	Карбюрирование или впрыскивание спирта во впускную
систему в сочетании с впрыскиванием ДТ в цилиндр.
При использовании этого способа решаются задачи оптимального
управления количеством подаваемых топлив.
IV.	Впрыскивание спирта и запального топлива в цилиндр.
Способ связан со значительным изменением конструкции дизеля,
так как используются две системы впрыскивания топлива. Через
основную, имеющую большие размеры плунжерной пары и большие
проходные сечения распыливающих отверстий, подается спирт, а через
вспомогательную с насосом меньших размеров впрыскивается
запальная порция топлива. В качестве последней могут быть исполь-
зованы ДТ и спирт с присадков, улучшающий воспламенение.
V.	Переоборудование дизеля в двигатель с внешним смесеобра-
зованием с принудительным зажиганием.
Наиболее подходящие для этой цели - дизели с камерой в поршне,
так как в них менее всего выражены так называемые горячие точки,
способные вызвать калильное зажигание и детонацию.
VI.	Впрыскивание спирта с присадкой, повышающего цетановое
число.
В качестве присадки используются: алкил-, гексил-, этилгексил-,
циклогексилнитраты, а также присадки типа органических перекисей,
применяемые для ускорения полимеризации.
Считается, что добавка присадок не должна увеличивать стоимость
топлива более чем на 10-15%. Применительно к легковым автомо-
билям вопрос о типе двигателя, работающего на спирте, остается
открытым. Двигатели с принудительным зажиганием, питаемые эта-
нолом, имеют КПД выше, чем подобные бензиновые двигатели. Для
грузовых автомобилей применение дизелей, работающих на спиртах,
не вызывает сомнений.
VII.	Использование для воспламенения горячих поверхностей.
Один из таких методов, предложенный для низкоцетановых
топлив, разработан и исследован в СССР. Использована предкамера
малого объема с теплоизолированной горловиной. Последняя обес-
печивает воспламенение низкоцетанового топлива, впрыскиваемого
в предкамеру через вспомогательную форсунку.
При использовании спиртов обеспечивается, как правило, со-
хранение мощностных и экономических показателей на уровне зна-
чений для базового дизеля. Не все задачи обеспечения высоких
170
эксплуатационных качеств дизелей, работающих на спиртах, можно
считать успешно решенными. Это особенно касается пусковых
качеств, работы на режимах малых нагрузок и частот вращения, ра-
боты на неустановившихся и переходных режимах, а также надеж-
ности, долговечности дизеля и его систем.
7.6.4. Взаимное влияние качества спиртового топлива и моторного
масла на работу ДВС
Качество топлива и масла оказывает большое влияние на на-
дежность и экономичность работы ДВС. Каждый из этих факторов
может иметь самостоятельное значение, возможно, взаимовлияние.
Что касается применения метанола и этанола в чистом виде, то
в этих случаях необходима разработка специальных моторных масел.
В результате проведенных исследований работы двигателя на
неэтилированном бензине, этаноле, метаноле и смесях каждого из этих
спиртов (10%) с неэтилированным бензином (96%) (во всех случаях
двигатель испытывался на одном и том же сорте масла) установлено,
что:
-	при работе двигателя на метаноле износ деталей (особенно
поршневых колец, кулачков, толкателей и направляющих выпускных
клапанов) значительно больше, чем при работе на неэтилированном
бензине;
-	при работе двигателя на неэтилированном бензине, этаноле
и смесях спиртов с бензином износ трущихся деталей практически
одинаков.
Оказалось, что при работе двигателя в стандартном температурном
режиме износ вкладышей подшипников и толкателей не зависит от
сорта применяемого топлива, в то время как износ цилиндров и
поршневых колец увеличивается в несколько раз при проведении
испытаний на этаноле. При работе двигателя в низкотемпературном
режиме все детали, подвергавшиеся взвешиванию и микромет-
рированию (вкладыши, толкатели, цилиндры, поршневые кольца),
были значительно более изношены после окончания испытания
двигателя на этиловом спирте.
Сравнение результатов испытаний этанола и метанола про-
изводилось при работе двигателя в стандартном температурном
режиме. При этом было установлено, что метанол приводил к воз-
растанию износа цилиндра примерно в три раза, а поршневых колец
в четыре раза.
171
Таким образом, из сопоставления приведенных результатов
следует, что этанол и бензино-спиртовые смеси вызывают (по
сравнению с бензином) повышенный износ деталей бензинового
двигателя при работе в низкотемпературном режиме. Что касается
метанола, то он приводит к резкому возрастанию износа трущихся
деталей двигателя даже в условиях работы последнего в режиме
умеренных температур.
Полученные результаты послужили основанием для выяснения
причин повышенного износа деталей двигателя при работе на
спиртовых топливах и изыскания путей его снижения за счет
соответствующего улучшения качества моторного масла.
Полагают, что сгорание метанола ведет к образованию фор-
мальдегида и муравьиной кислоты; их содержание в продуктах,
прорывающихся в картер, способствует интенсификации коррозион-
ных процессов. Немаловажное значение при этом имеет и то, что рабо-
та двигателя на спиртовых топливах сопровождается накоплением в
масле повышенного количества воды. Вместе с тем в зоне высоких
температур наблюдается несколько меньшее количество углеродистых
отложений, чем при работе двигателя на бензине.
7.7.	Водород — топливо недалекого будущего?
Это обусловлено его высокими энергетическими и экологическими
показателями, уникальными кинетическими характеристиками и прак-
тически неограниченной сырьевой базой. Относительно дешевый водо-
род можно получить электролизом воды, при разложении воды бакте-
риями под действием солнечного света (фотоводород) и из гидридов-
металлов.
При нормальной температуре водород - бесцветный газ без запаха,
состоит из 25% параводорода и 75% ортоводорода (две модификации с
различными значениями вращательных квантовых чисел). Благодаря
конверсии жидкий водород на 100% состоит из параводорода.
Жидкий водород - бесцветная жидкость без запаха с высокой
криогенностью. Он сжимается при 20 °К, а при 14 °К переходит в твер-
дую фазу.
Газообразный водород обладает высокой диффузностью: коэф-
фициент диффузии в воздухе 0,61, в кислороде 0,69, а в азоте 0,7 м2/с.
Проникновение водорода в металлы (наводороживание) весьма
значительно (от 1 до 30 мм), за исключением легированных сталей и
сплавов алюминия. Криогенные емкости делаются из алюминиевых
сплавов АМг, АМц, АМг5В и др.
172
Водород не токсичен, но может вызывать обмораживание и взры-
вопожароопасен. Водородно-воздушные смеси характеризуются ши-
рокой областью воспламенения (4-75% по объему) и взрываемости
(18,3 - 74% по объему). Чистый водород имеет высокую температуру
воспламеняемости (590 °C) и способен к быстрому рассеиванию в
воздухе. Он обладает весьма высокими энергомассовыми показате-
лями.
Температура самовоспламенения для стехиометрических соотно-
шений лежит в пределах 500-510 °C.
Энергия воспламенения у водорода минимальна (примерно в 70 раз
меньше метана), период задержки составляет 1-10 мкс, что приводит к
высокой скорости сгорания и возможной детонации. В интервалах
температур рабочей смеси 100-400 °C скорость распространения
пламени 400-1200 см/с. Детонационное сгорание водорода наблю-
дается уже при е = 6 в области 0,2 < а < 1,82, при С = 15 в области
0,12 <а <2,85.
На бедных смесях возможна работа водородного двигателя в
широком диапазоне степеней сжатия без детонации. При небольших
добавках водорода, например, к метану (20%) детонация не наблю-
дается до степеней сжатия 14-15.
По физико-химическим и моторным свойствам водород резко
отличается от традиционных топлив. Поэтому предстоит еще значи-
тельная работа по организации рабочего процесса в многотопливных
дизелях с применением водорода.
Предполагаемое раннее внедрение водородного топлива в теп-
ловых двигателях с создания энергетических циклов, в которых учас-
твует теплота сжигания водорода и основного топлива, похоже,
откладывается на неопределенное время. Ранее конкретные иссле-
дования предпринимались в области изучения рабочего процесса
двигателей, работающих на смешанном топливе. В настоящее время
применение водорода на автомобильном транспорте тесно связано с
развитием водородных топливных элементов, в которых нет процесса
сгорания, а происходит химическая реакция.
Основной же эффект, получаемый от добавки водорода к бензину,
проявляется в повышении реакционной способности смеси, благодаря
чему расширяется концентрационный диапазон ее воспламеняемости и
появляется возможность устойчивой работы двигателя на пере-
обедненных смесях, что подтверждают следующие данные.
Получаемый широкий диапазон пределов воспламеняемости поз-
воляет, в частности, отказаться от свойственного бензиновым двига-
173
телям регулирования по количеству рабочей смеси и использовать
качественное регулирование при а = 1, что обеспечивает высокую
полноту сгорания топлива. Добавка водорода повышает топливную
экономичность двигателя.
Низкая плотность газообразного водорода затрудняет возможность
его применения в сжатом виде из-за очень большой массы баллонов
для хранения. Использование же жидкого водорода связано с необ-
ходимостью установки дорогостоящих криогенных резервуаров со спе-
циальной термоизоляцией. Современный уровень техники позволяет
обойти эти трудности, если использовать аккумулирование водорода в
составе некоторых металлогидридов. Выделение водорода происходит
с помощью, например, горячей жидкости из системы охлаждения или
непосредственно выхлопными газами. Для зарядки гидридного ак-
кумулятора через восстановленный металлический компонент про-
пускается водород под небольшим давлением и одновременно отво-
дится образующееся тепло.
7.8.	Аммиак в качестве топлива для ДВС
Хорошо развитая производственная база и неограниченные
сырьевые ресурсы (аммиак производится из водорода и азота воздуха)
позволяют рассматривать аммиак как одно из перспективных топлив.
Благодаря высокой температуре самовоспламенения пожарная
опасность аммиака относительно невелика. По содержанию энергии
в единице массы (массовой энергоемкости) аммиак уступает водороду
в 7 раз, бензину в 2,5 раза и метану в 1,1 раза.
Аммиак обладает высокой детонационной стойкостью (ОЧ/М-111;
ОЧ/И = 132). С точки зрения рабочего процесса двигателя к недостат-
кам аммиака по сравнению с нефтяными топливами можно отнести
высокую температуру самовоспламенения. Это обусловливает малую
скорость горения и практически исключает возможность исполь-
зования аммиака в современных ДВС без проведения специальных
мероприятий по интенсификации его воспламенения и сгорания путем
увеличения теплопровода в реакционную зону камеры сгорания.
К таким мероприятиям можно отнести: сокращение поверхности ка-
меры сгорания и ее объема, увеличение температуры в пристеночных
зонах камеры сгорания, увеличение мощности разряда в свече за-
жигания; в дизельных двигателях - впрыск дизельного топлива с вы-
соким ЦЧ и добавками активирующих присадок. Возможны также
добавки водорода (6-10%) и ацетилена (15-20%). Товарные моторные
масла практически не изменяют свойства при контакте с аммиаком.
174
7.9.	Растительные масла в качестве топлива дизелей
(биодизель)
Применение в дизелях топлив, полученных из масел растительного
происхождения, экономически оправданное в странах с развитым
сельским хозяйством, требует разрешения ряда проблем. Главные из
них связаны с образованием .высокомолекулярных отложений на
деталях цилиндро-поршневой группы и распылителя форсунок.
Высокая вязкость растительного масла совместно со склонностью к
отложениям в топливоподающей аппаратуре и камере сгорания за-
трудняют процессы распыливания и сгорания, а также приводят к
загрязнению и ухудшению свойств моторного масла. Для улучшения
качества распыления требуется либо приблизить физические свойства
растительных масел к свойствам дизельного топлива, либо усовер-
шенствовать систему питания: при этом для повышения стабильности
моторного масла необходима разработка специальных присадок. В не-
которой степени проблемы решаются применением растительного
масла в смеси с этанолом, дизельным топливом.
Следует отметить перспективность использования растительных
масел в качестве исходного сырья для производства присадок,
улучшающих воспламеняемость нефтяных и спиртовых топлив с низ-
ким цетановым числом. К таким присадкам относятся эфиры жирных
кислот. Последние получаются в результате химической переработки
растительных масел в присутствии метанола и по многим свойствам, в
том числе по вязкости, приближаются к дизельным топливам. Само-
стоятельное применение продуктов переработки растительных масел
затруднено высокой температурой кипения практически всех вхо-
дящих в их состав фракций, однако в настоящее время все проблемы
решаются достаточно успешно и в ряде стран активно применяют
смеси растительных масел, жирных кислот и метиловых эфиров в ди-
зельных двигателях (биодизель).
7.10.	Использование угольных топлив для дизелей
Мировые запасы каменного угля значительно превосходят запасы
нефти, а его залежи распределены равномернее месторождений нефти.
Аналитическим расчетом показано, что в дизеле общий эко-
номический эффект использования энергии (без учета затрат на
добычу и переработку) при применении жидких нефтяных топлив
составляет 37%, угля в виде суспензии с дизельным топливом - 30%,
175
угля в виде пыли - 30%; синтетических жидких топлив на основе
угля - 24%.
На основании экспериментов сделан вывод о принципиальной
возможности использования в дизеле суспензий при наличии спе-
циально для этой цели предназначенной топливоподающей аппа-
ратуры. Отмечена наибольшая пригодность дизеля с разделенной ка-
мерой сгорания и штифтовой форсункой.
7.11.	Синтетические жидкие топлива из углей
Первичными источниками жидких топлив могут быть, кроме
нефти, бурый и каменный уголь, сланцы, торф. Так, переработка
первичных буроугольных смол может дать бензин, керосин, моторное
топливо, парафин, асфальт.
А. М. Бутлеров (1828-1886) создал искусственным синтетическим
путем органическое соединение (глюкозу СбН120б). В 1908 год)
профессор А. Е. Орлов впервые в мире провел реакцию синтеза
сложных углеводородов путем каталитического процесса по схеме:
СО + Н2 NiPDC2H2 + CnH2n.
100 °C
Немецкие ученые Фишер и Тропш по идее Орлова осуществили
реакцию
2СО + 2Н2 СоСгСН2 + Н2О + СО.
270 °C
В результате были получены жидкие и твердые углеводороды.
После Первой мировой войны германское «Имперское общество»
заинтересовалось многотоннажным производством углеводородов с
открытой цепью. Уже в 1913 году Фридрих Бергиус запатентовал
способ получения смеси бензиновых углеводородов гидрированием
угля под давлением. Тогда же он занялся промышленным получением
этих соединений. Матиас Пир впервые синтезировал метанол, ис-
пользовав научные и технические данные Габера и Боша при разра-
ботке промышленного метода получения синтетического аммиака.
Изучая механизм реакций синтеза под высоким давлением, Матиас
Пир пытался решить проблему каталитического гидрирования угля и
смолы в углеводороды в промышленном масштабе.
В 1927 году на комбинате «Лейна» было налажено производство
бензина из угля.
После Второй мировой войны получение аммиака по методу
Габера и Боша, а также синтез углеводородов под высоким давлением
по способу Бергиуса стали использовать в ГДР на народном пред-
176
приятии им. Вальтера Ульбрихта. При получении в больших объемах
синтетического топлива на основе угля были использованы два
основных вида производственных процессов: гидрирование при
высоком давлении по способу Бергиуса и синтез углеводородов по
методу Орлова - Фишера - Тропша.
На базе исследований советских химиков был осуществлен процесс
синтеза искусственной нефти. В 1937 году получен высокооктановый
бензин. В. А. Проскуряков и Н. А. Зеленин показали принципиальную
возможность получения бензинов и дизельного топлива не только из
угля, но и из сланцев.
В США в 1947 году фирмы «Стандарт ойл» и «Техас» начали
выпускать синтетический бензин и дизельное топливо на двух заводах
(1300 т/с), в ВМФ США были проведены испытания синтетических
топлив и их смесей с нефтяными.
Искусственные жидкие топлива из углей стремятся получать двумя
основными способами: 1) газификацией угля, когда производится так
называемый синтез-газ (смесь окиси углерода и водорода), исполь-
зуемый для синтеза смеси углеводородов, аналогичной определенному
виду моторного топлива; 2) с помощью гидрогенизации угля, когда он
в присутствии катализаторов взаимодействует с водородом при
давлении в (1 : 3) 107 Па и температуре около 500 градусов. В резуль-
тате часть органической массы угля превращается в продукт, близкий
по свойствам к сырой нефти.
7.12.	Электроэнергия
Электроэнергия может быть использована в качестве топлива для
транспорта. Она может быть накоплена в аккумуляторной батарее
(электромобиль) или может вырабатываться в топливных элементах
(автомобиль на топливных элементах).
В электромобилях требуется периодическая зарядка батареи, а с
этой целью приходится подключаться к электросети. В автомобилях на
топливных элементах электроэнергия вырабатывается на борту в
результате химической реакции без сгорания и образования вредных
веществ. На выходе получается тепло и вода.
7.13.	Солнечная энергия
Современные технологии позволяют использовать энергию солнца
и превращать ее в тепло и электричество. Электричество, получаемое
через фотоэлементы, может быть использовано для обычных электро-
мобилей. Прямое использование энергии солнца для применения в
177
автомобилях исследуется в некоторых странах. Созданы образцы таких
автомобилей, пока только для демонстрационных и рекламных целей.
7.14.	Топлива P-series
Данные топлива являются семейством жидких топлив, которые
были разработаны для бензиновых двигателей исследователем
Стефаном Полом, работающим в университете PRINCLTON (США).
В 1999 году Департамент энергетики США одобрил выполненные
исследования и смесь этанола, мягких углеводородов и METHF
причислил к альтернативным топливам. Предложенная смесь разных
химических соединений получила торговую марку «Р-series». Топлива
этой серии экологически чисты, бесцветные, имеют октановые числа
89-93, могут использоваться летом и зимой.
Физические характеристики одного из топлив P-series:
- Октановый индекс ((R0N+M0N)/2) - 90,2
-	Давление насыщенных паров (PSI) - 7,8
-	Плотность (кг/м3) - 775
-	Энергосодержание (BTU/GAL) - 99300
-	Содержание серы (РРМ) - < 9
-	Содержание кислорода (%) - 19,5.
Топлива могут производиться из местных источников (до 96%)
и более чем на 60% - из возобновляемых источников энергии. Они
обладают более высокими экологическими характеристиками, чем
многие другие топлива.
7.15. Вопросы и ответы
Какие виды альтернативных топлив официально признаются
в США?
Департамент энергетики (DOE) еще в 1993 году определил своим
законом по энергетической политике, что к альтернативным топливам
относятся в основном топлива ненефтяного происхождения, повы-
шающие энергетическую безопасность и имеющие высокие эколо-
гические характеристики.
К таким топливам в США относят:
-	смеси, включающие спирты (85% и более) (метанол или дена-
турированный этанол),
-	природный газ (сжатый или сжиженный),
-	сжиженный нефтяной газ (пропан),
-	водород,
- жидкие топлива из угля,
178
-	топлива, полученные из биологических материалов (P-series,
например),
-	электроэнергия (включая электричество, полученное из сол-
нечной энергии),
—	100% биодизель (В 100).
Каковы характеристики альтернативных топлив?
Основные характеристики приведены в таблице 7.7.
Таблица 7.7
Характеристики альтернативных топлив
Показатель	Биодизель	Сжатый природный газ	Этанол (Е85)	Сжиженный природный газ	Сжиженный нефтяной газ	Метанол (М-85)
Химическая формула	Метиловые эфиры С16-С18	сн4	СНзСН2ОН	сн4	СзН8	СНзОН
Исходное сырье	Раст, масла, животные жиры пере- работан, отходы пищ. пром-сти	Метан	Денат. этанол и бензин	Охлажден, метан	Пропан	Метанол и бензин
Основной источник топлива	Соевое масло	Подземные запасы	Зерно, кукуруза, отходы с/х	Подземные запасы	Продукты переработки нефти и газа	Природа, газ, уголь, отходы древесины, биомассы
Содер- жание энергии в галлоне	117,000- 120,000 BTU	33,000- 38000 вти Р=3000 psi	80,460 вти	73,500 вти	84,000 вти	63,350 вти
Отношение энергосо- держания к бензину	1,1/1,0 или 90%	3,94/1,0 или 25%	1,42/1,0 или 70%	1,55/1.0 или 66%	1,36/1,0 или 66%	1,75/1,0 или 57%
Физическое состояние	Жидкое	Газ	Жидкое	Жидкое	Жидкое	Жидкое
179
Принятые обозначения в таблице.
BTU - количество тепла, необходимое для повышения на один гра-
дус Фаренгейта одного фунта воды. BTU - британская единица изме-
рения теплоты. PSI - единица давления, фунт на квадратный дюйм.
Какие современные аккумуляторные батареи выпускаются
и в чем их различие?
Кислотно-свинцовые батареи более широко используются, имеют
наименьшую стоимость. Срок службы около 3 лет, средний пробег до
зарядки около 150 км.
Никелево-металлические водородные батареи (NIMH) более
дорогие, чем кислотные, пробег до очередной зарядки около 160 км.
Срок службы около 160 тысяч км. Многие крупные компании
(HONDA, TOYOTA, GENERAL MOTORS и т. д.) реализуют автомо-
били именно с этими батареями.
Все ли альтернативные топлива уменьшают эмиссию вредных
веществ?
В основном, да. В той или иной степени все альтернативные
топлива способствуют улучшению качества выхлопных газов. Однако
каждое топливо может отличаться своими особенностями, так же как
и автомобиль. Например, биодизель уменьшает количество сажистых
частиц и окислов углерода по сравнению с обычным дизелем, но мо-
жет увеличить эмиссию окислов азота. Некоторые виды автомобилей,
работающих на сжатых газах, уменьшают содержание СО и NOx по
сравнению с обычными топливами, но могут увеличить концентрацию
углеводородов. Электромобили при работе не выбрасывают в атмо-
сферу вредных веществ, но, однако, электростанции, на которых выра-
батывается электроэнергия, могут существенно загрязнять окружа-
ющую среду.
Что обозначает GGE?
В некоторых странах (США) для определения энергосодержания
топлив используют бензиновый эквивалент (GASOLINE GALLONE
EQUIVALENT, GGE). Он определяет количество данного топлива,
в котором содержится столько же энергии, как и в жидком галлоне
бензина.
180
В таблице 7.8 дана сравнительная характеристика разных топлив
по этому эквиваленту (GGE).
Таблица 7.8
Вид топлива	Единица измерения	BTU на галлон	GGE
Дизельное (обычное)	Галлон	129,800	0,88 галл
Бензин (10% МТБЭ)	Г аллон	112,000	1,02 галл
Бензин обычный неэтил ированны й	Г аллон	114,100	1,00 галл
Биодизель (В20)	Галлон	129,500	0,88 галл
Сжатый природный газ	Фут3	900	126,67 фут3
Электроэнергия	кВт/час	3400	33,53 кВт/час
Этанол (Е85)	Галлон	81,800	1,40 галл
Сжиженный природный газ	Галлон	75,000	1,52 галл
Сжиженный нефтяной газ	Галлон	84,300	1,35 галл
Метанол (М85)	Галлон	65,400	1,74 галл
Метанол (М100)	Галлон	56,800	2,01 галл
Какова средняя цена альтернативных топлив на
заправочных станциях?
Подобно ценам на бензин и дизельное топливо, цены на
альтернативные топлива также зависят от ряда факторов, среди
которых: стоимость производства, стоимость хранения, маркетинг,
транспортные расходы, налоги и т. д.
Очень серьезно стоимость может меняться в зависимости от
региона, географического расположения, от близости до источников
получения топлив.
В России кроме обычных топлив (бензина и дизельного топлива)
на автомобилях используют газообразное топливо. В США в связи с
более активной энергетической политикой все больше и больше
применяю! спиртовые топлива и биотоплива. В этой стране уже на-
коплен опыт широкого применения альтернативных топлив и сфор-
мировалась определенная ценовая политика.
181
На рис. показаны средние цены на разные виды топлив.
Selected Fuel Prices in the U.S.
Price per
Gallon of
Gasoline-
Eguivalent
Средние цены на альтернативные топлива в CHIA (GGE)
Есть ли какие-либо льготы для владельцев автомобилей,
работающих на альтернативных топливах в США?
Да, действительно, владельцы таких автомобилей платят меньше
налогов. Это предусмотрено и на федеральном уровне, и на местном.
Во многих штатах рядом компаний предлагаются скидки для
владельцев автомобилей, работающих на альтернативных топливах.
Федеральные законы и законы штатов также помогают поддерживать
стоимость альтернативных топлив на конкурентоспособном уровне с
бензинами и дизельными топливами, поощряя тем самым развитие
рынка перспективных топлив, сложившегося в декабре 2003 года.
182
ГЛАВА 8
ГИБРИДНЫЕ АВТОМОБИЛИ
8.1.	Общие сведения о гибридных автомобилях
Всякий раз, заправляя свой автомобиль топливом, мы замечаем
постоянный рост цен на бензин. И очевидно, что стоимость его имеет
тенденцию только к увеличению. Думая об этом, многие не отказались
бы от такого автомобиля, который был бы почти в два раза
экономичней и оказывал бы минимальное влияние на окружающую
среду.
Сегодня автомобильная промышленность уже может помочь
осуществить эти мечты. Это — гибридный автомобиль, и несколько
крупных компаний в мире уже реализуют такие автомобили в США,
Японии и некоторых других странах. А ряд производителей авто-
мобилей (FORD, GENERAL MOTORS и др.) активно подключились
к этому проекту и в ближайшие годы предложат потребителям свои
версии гибридных автомобилей.
Как работает гибридный автомобиль? Что происходит под его
капотом? На эти и другие вопросы многие любознательные авто-
любители ждут ответов.
Что делает этот «гибрид»? Любой автомобиль будет гибридным,
если он имеет два или более источника энергии. Естественно, многие
из нас обладали гибридными автомобилями (транспортом), не подо-
зревая об этом. Например, мопед (a motorized pedal bike) является
гибридным транспортом, потому что включает два источника энергии
- бензиновый двигатель и биоэнергию владельца, которая реализуется
через педали мопеда.
Гибридные транспортные системы уже давно окружают нас. Боль-
шинство локомотивов, толкающих поезда, являются дизель-электри-
ческими гибридами. В некоторых городах Европы и мира выпускаются
дизель-электрические автобусы - в условиях города они работают как
наши троллейбусы.
Подводные лодки - это тоже гибридные транспортные средства,
таким образом, любой транспорт, сочетающий два или более источ-
ников энергии, которые прямым образом или косвенно обеспечивают
его движение, называют гибридным.
Для автомобильного транспорта наиболее привлекательным явля-
ется сочетание энергии двигателя внутреннего сгорания (бензиновый
автомобиль) и электрической энергии (электромобиль).
183
На рис. 8.1 представлена схема классического автомобиля с дви-
гателем внутреннего сгорания, который включает в себя топливный
бак (1), двигатель (2), трансмиссию и колеса (3).
Рис. 8.1. Типичный автомобиль с ДВС
На 8.2 представлена схема типичного электромобиля, который
имеет комплект батарей (1), обеспечивающих электроэнергией элек-
тродвигатели (2), последние вращают колеса (3).
Рис. 8.2. Типичный электромобиль
8.2.	Структура гибридного автомобиля
Два источника энергии в таком автомобиле можно подключать раз-
ными способами.
Первый способ - это параллельное соединение двигателя внутрен-
него сгорания и электродвигателя.
184
Отличие такого типа гибридного автомобиля в том, что колеса
автомобиля могут получать энергию не только отдельно от ДВС и
электродвигателя, но и, при необходимости, одновременно от двух ис-
точников энергии.
На рис. 8.3 показана типичная схема гибридного автомобиля с
параллельным соединением. Следует заметить, что ДВС соединяется
с трансмиссией как обычно, а батареи и электродвигатель имеют свое
независимое соединение. На рис. 8.4 показана схема автомобиля.
Рис. 8.3. Типичный гибридный автомобиль с параллельным соединением
Рис. 8.4
И наоборот, в гибридном автомобиле (рис. 8.5) с последовательным
соединением источников энергии ДВС вращает генератор, который
может или заряжать батареи, или приводить в действие электродви-
гатели, соединенные с трансмиссией.
185
Рис. 8.5. Типичный гибридный автомобиль с последовательным соединением
Схема последовательного гибридного автомобиля представлена на
рис. 8.6.
Рис. 8.6
Таким образом, ДВС непосредственно не передает крутящий мо-
мент на колеса автомобиля.
8.3.	Основные компоненты гибридного автомобиля
Гибридный автомобиль включает в себя следующие части:
-	ДВС. Любой гибридный автомобиль, как и обычный, имеет бен-
зиновый или дизельный двигатель. Однако он меньше по весу и габа-
ритам и создан на основе внедрений передовых технологий, умень-
шающих эмиссию вредных веществ и увеличивающих эффективность
работы автомобилей.
186
- Топливный бак. В топливном баке хранится бензин для питания
ДВС. Энергетическая плотность бензина значительно больше, чем
плотность электроэнергии аккумуляторных батарей. Например, тре-
буется около 1000 фунтов веса батарей, содержащих столько же энер-
гии, как в 7 фунтах бензина.
- Электрический двигатель для гибридного автомобиля очень
сложный. Передовая электроника позволяет ему работать как в режиме
мотора, так и в режиме генератора. Например, когда автомобилю
необходимо ускориться, электродвигатель забирает энергию от акку-
муляторных батарей, а при замедлении двигателя энергия возвра-
щается к батареям.
- Генератор подобен электродвигателю, но он только производит
электроэнергию. В основном применяется в гибридных автомобилях с
последовательным соединением.
- Аккумуляторные батареи - это накопители электрической
энергии для электродвигателей. В отличие от бензина, который может
только обеспечивать энергией ДВС, электродвигатель может и заря-
жать батареи, и питаться от их энергии.
-	Трансмиссия в гибридном автомобиле выполняет такие же функ-
ции, что и в обычном.
Некоторые гибриды, подобно Honda Insight, имеют обычную
трансмиссию, другие (Toyota Prius) радикально отличаются от обыч-
ных.
Зачем нужен такой сложный автомобиль?
Действительно, многие могут задаться этим вопросом, тем более
что большинство водителей получают большое удовольствие, управляя
обычным бензиновым автомобилем.
Причины, которые повлияли на активизацию работ (научно-иссле-
ювательских, конструкторско-проектировочных и т. д.) в этой об-
ласти, две.
Первая - уменьшение эмиссии вредных веществ в атмосферу.
Вторая - повышение топливной экономичности автомобиля.
Эти две причины тесно перекликаются между собой и взаимо-
связаны.
Во многих странах мира постоянно повышаются требования к
охране окружающей среды. А в странах, где огромное количество авто-
мобилей (США, Япония и др.), требования стандартов очень жесткие.
Так, например, в Калифорнии (США) эти стандарты (emissions
standards) строго определяют количество вредных веществ в отра-
187
ботавших газах для автомобилей. Так, для автомобилей с низкой эмис-
сией (LEV) стандарт определяет 3.4 г/милю СО.
Очевидно, что уменьшая потребление топлива автомобилем, мож-
но одновременно влиять и на уменьшение эмиссии вредных веществ
в отработанных газах.
Более того, производители автомобилей в США имеют также
другое, столь же строгое предписание повышать топливную эконо-
мичность современных автомобилей. Это положение заложено в зако-
не, отвечающем требованием CAFE (Corporate Average Fuel Economy).
Данный стандарт требует, чтобы топливная экономичность для
всех новых автомобилей составляла 27,5 mpg (8,55 литров на 100 км).
В свою очередь это значит, что если производители переходят на
выпуск гибридных автомобилей, то экономичность повышается более
чем в 2 раза (60 mpg - 3,92 литра на 100 км).
8.4.	Развитие гибридных автомобилей
Безусловно, гибридный автомобиль - это компромисс. Это по-
пытка существенно увеличить топливную экономичность и улучшить
экономические характеристики бензиновых автомобилей, преодолевая
недостатки электромобилей.
Чтобы быть полезным потребителю, любой автомобиль должен от-
вечать некоторым минимальным требованиям:
-	пробег между заправками не меньше 400-500 км,
-	достаточно быстрая и легкая заправка,
-	не быть помехой в общем потоке автомобилей на дорогах.
Обычный бензиновый автомобиль отвечает этим требованиям, но
при этом образует достаточно большое количество вредных веществ
при не очень высокой топливной экономичности.
Электромобиль, с другой стороны, почти не образует вредных
веществ, но между двумя зарядами батареи пробег составляет только
от 80 до 160 км. Такие проблемы связаны с медленной и неудобной
зарядкой батареи. Желание некоторых водителей быстро ускориться
почти всегда вызывает снижение эффективности работы автомобиля.
Уже давно замечено, что автомобили с двигателем меньшей мощ-
ности, как правило, более экономичны.
Удивительно, но на многих режимах работы двигателя и авто-
мобиля требуется только небольшая часть его полной мощности. Когда
мы едем по шоссе со скоростью около 100 км/ч, наш двигатель должен
развивать такую мощность, чтобы:
188
1)	преодолеть аэродинамическое сопротивление,
2)	преодолеть трение в основных узлах (шины, трансмиссия, тор-
моза и т. д.),
3)	обеспечить энергией ряд систем (кондиционирования, ближний
и дальний свет, усилитель рулевого управления и т. д.).
Для большинства автолюбителей, чтобы выполнять вышепере-
численные задачи, требуется двигатель мощностью около 20-30 л. с.
(лошадиных сил). Тогда зачем нам автомобиль с мощным двигателем
200 л. с.? Да, иногда можно утопить педаль газа «до пола» и исполь-
зовать всю мощь двигателя, но это бывает сравнительно редко.
8.5.	Меньше двигатели - больше эффективности
Для большинства автомобилей мощные большие двигатели тре-
буются для быстрого ускорения, высокой динамики автомобилей.
В небольших двигателях, однако, эффективность может быть по-
вышена за счет применения меньших, легких частей, уменьшением
количества цилиндров и работой двигателя на режимах, близких к мак-
симальной нагрузке.
Перечислим некоторые причины, по которым небольшие двигатели
более эффективны, чем их большие аналоги;
-	Большой двигатель тяжелее, чем легкий;
-	Поршни и другие элементы цлиндро-поршневой группы также
тяжелее.
-	Рабочий объем цилиндров больше, поэтому больше топлива
требуется подавать к каждому цилиндру.
-	Чем больше двигатель, тем больше количество цилиндров, тем
больше расход топлива не только на рабочих режимах, но и на
холостых оборотах.
Все это объясняет, почему два автомобиля одной модели, но с
разными двигателями могут иметь разную топливную экономичность.
Два двигателя могут развивать одну и ту же мощность на некоторых
режимах, но небольшой двигатель расходует меньше энергии, чтобы
обеспечить и везти себя.
Особенностью гибридного автомобиля является возможность
применения ДВС меньшей мощности, веса и габаритов, чем в обычном
автомобиле.
Но как может меньший двигатель развить необходимую мощность,
если это потребуется в условиях эксплуатации?
В обычных условиях мощности двигателя гибридного автомобиля
вполне достаточно, чтобы развивать необходимую скорость на ровном
189
шоссе, но когда необходимо поспешить или преодолеть затяжной
подъем и т. д., тогда и потребуется помощь. Именно в эти «трудные»
минуты помощь может идти в виде дополнительной энергии от элек-
тродвигателя и батареи.
ДВС обычного автомобиля имеет мощность, рассчитанную на
максимальную экспериментальную нагрузку. Факт, что большинство
водителей используют максимальную мощность очень редко (около
1-3% всего времени эксплуатации). На гибридном автомобиле при-
меняемый малоразмерный двигатель позволяет поддерживать более
высокую среднюю мощность.
Гибридные автомобили не только обладают малоразмерными,
эффективными двигателями, но имеют дополнительные возможности
для повышения топливной эффективности.
Некоторые из них могут помочь любому типу автомобилей
уменьшить расход топлива, а некоторые только применимы к гиб-
ридам.
Чтобы «выжать» как можно больше километров пробега с каждого
литра бензина, гибридный автомобиль может:
1.	Возвращать энергию и хранить ее в батареях.
Всякий раз, когда вы нажали на тормозную педаль автомобиля, вы
возвращаете энергию от автомобиля. Чем выше скорость автомобиля,
тем больше его кинетическая энергия. В тормозах автомобилей эта
энергия переходит в тепло. В гибридном автомобиле часть этой энер-
гии управляется, сосредотачивается в батарее и может использоваться
позднее. Это возможно за счет регенерации энергии торможения.
В этом случае в процессе торможения участвует электродвигатель,
работая в режиме генератора, он подзаряжает батареи.
2.	Иногда отключить двигатель. В гибридном автомобиле можно не
все время полагаться на бензиновый двигатель, потому что под рукой
всегда альтернативный источник энергии - электромотор и батареи.
Поэтому гибридный автомобиль может иногда выключать ДВС, на-
пример, когда загорелся красный свет светофора.
3.	Применение передовой аэродинамики уменьшает сопротивление
воздуха.
4.	Применение специальных шин, уменьшающих сопротивление
качению, шумность, обеспечивающих хорошее сцепление с дорогой
при любых погодных условиях.
5.	Применение легких конструкционных материалов, таких, напри-
мер, как композитные, алюминий, магний и т. д.
190
8.6. Современные гибридные автомобили
Первыми гибридными автомобилями, которые появились на доро-
гах некоторых стран, были: Honda Civic Hybrid, Honda Insight и Toyota
Prius. Их средняя стоимость составляла около 20 тысяч долларов.
Основные технические данные по этим автомобилям представлены
на рис. 8.7.
Honda Civic Hybrid (2004)
л 5 passenger sedan
Automatic
5-speed manual
MPG
(city/hwy)
48/47
47/48
46/51
45/51
Price
(MSRP)
$20,650
$19,650
4» First hybrid version of an established car model
4» 40% better gas mileage than conventional Civic Sedan
Toyota Prius (2004)
MPG Price
(city/hwy) (MSRP)
60/51	$20,510
41 5 passenger sedan (Midsize passenger car)
4* First mass-produced hybrid in the world
Л 0-60 in 10.1 seconds
Honda Insight (2004)
MPG
(city/hwy)
Automatic	57/56
5-speed manual	60/66
Price
(MSRP)
$21,380
$19,180
4» Two Seater
Л First hybrid sold in the U.S. (introduced 2000 model year)
Light-weight aluminum body
<* Best gas mileage (manual transmission) of the three hybrids
Puc. 8.7. Основные технические данные гибридных автомобилей
191
Toyota Prius была представлена в Японии в конце 1997 года,
отвечает всем требованиям стандарта Калифорнии для автомобилей
с ультранизким уровнем эмиссии вредных веществ (SULEV).
За последние пять лет более 120 тысяч гибридных автомобилей
было продано в США. Это, правда, небольшой процент от всех про-
данных новых автомобилей в год (более чем 17 миллионов). Однако
эксперты предполагают, что интерес к гибридным автомобилям воз-
растет и в недалеком будущем их количество может резко увеличиться.
Известные фирмы, такие как DAIMLERCHRYSLER, FORD, GENE-
RAL MOTORS, LEXUS, планируют к 2005-2007 годам выпустить на
рынок свои версии гибридных автомобилей.
На рис. 8.8 представлена концепция гибридного автомобиля
компании DAIMLERCHRYSLER - MERCEDES-BENZ М - class HYPER.
А на рис. 8.9 - концепция гибридного автомобиля фирмы FORD.
Гибридный автомобиль Honda Insight
В данном автомобиле применяется схема параллельного соеди-
нения ДВС и электромотора. Электромотор выполняет несколько
функций:
-	помогает бензиновому двигателю в тяжелых условиях экс-
плуатации;
-	обеспечивает регенерацию части энергии, выделяющейся при
торможении;
-	запускает двигатель, работает вместо стартера.
Автомобиль был спроектирован с целью получения максимальной
топливной экономичности. В нем были реализованы передовые науч-
но-технические идеи, применены легкие современные материалы. Вес
автомобиля меньше чем 870 кг, вес двигателя 56 кг, трехцилиндровый,
с рабочим объемом 1.0 литр, развивающий мощность 67 л. с. при час-
тоте вращения вала 5700 об./мин, расход топлива около 3,9 л бензина
на 100 км в условиях города.
Используя дополнительную мощность небольшого электродвига-
теля, автомобиль набирает скорость от 0 до 96 км/ч за 11 с.
С работающим электродвигателем автомобиль развивает мощность
около 73 л. с. при 5700 об./мин. Без электромотора автомобиль разви-
вает максимальный крутящий момент 66 фунтов/фут при 4800 об./мин,
с электродвигателем - 91 фунт/фут при 2000 об./мин. Таким образом,
электромотор увеличивает крутящий момент при низкой частоте вра-
щения вала двигателя. Именно на этом режиме ДВС наиболее чув-
ствителен к нагрузке и слаб.
192
Рис. 8.8
Ford’s Concept Hybrid Propulsion System

6. Batteries
Puc. 8.9. Концепция гибридного автомобиля фирмы Ford (Supercar)
Planetary Gear Set
Puc. 8.10. Гибридная силовая установка
Planetary Gear Set
Puc. 8.11. Планетарная коробка передач Toyota Prius
Toyota Prius
Одна из главных целей, которая стояла при разработке данного
гибридного автомобиля, - качественно уменьшить эмиссию вредных
веществ в городских условиях. Для достижения этого Toyota была
спроектирована как гибридная силовая установка с параллельным
соединением (рис. 8.10), получившая название Toyota Hybrid System
(THS).
Автомобиль весит 1255 кг и имеет внутренний салон такой же, как
и у Toyota Corolla.
Для оптимизации эффективности и уменьшения эмиссии в нем
реализованы две особенности.
- Его двигатель работает только на режимах эффективной
скорости и нагрузки. С целью уменьшения эмиссии вредных веществ
скорость может быть увеличена до 24 км/ч, до включения двигателя
внутреннего сгорания. ДВС после включения работает в узком ско-
ростном диапазоне.
- Автомобиль имеет уникальный механизм разделения мощности
- Power Split Device (PSD). Данный механизм позволяет двигателю
(ДВС) работать на режимах оптимальных скоростей и нагрузок
большую часть времени.
Toyota Prius имеет 1,5-литровый двигатель мощностью до 70 л. с.
при 4500 об./мин.
Электродвигатель автомобиля развивает мощность до 44 л. с. при
частоте вращения вала до 5600 об./мин. Крутящий момент при
частотах от 0 до 400 об./мин достигает 26 фунтов/фут, что вполне
достаточно для движения автомобиля без ДВС.
Механизм PSD - это сердце автомобиля. Это «умная» коробка
передач (рис. 8.11), которая оптимизует, проводит взаимное согла-
сование режимов работы ДВС, генератора и электродвигателя. Она
обеспечивает работу автомобиля на всех режимах:
-	движение может осуществляться только от электродвигателя,
-	только от бензинового двигателя,
-	одновременно от электродвигателя и ДВС.
Также механизм PSD позволяет автомобилю работать как
«гибрид» с последовательным соединением ДВС и электродвигателя.
Бензиновый двигатель здесь может работать независимо от скорости
автомобиля, заряжая батареи или передавая необходимую мощность
на колеса.
193
PSD также работает в режиме постоянно меняющейся трансмиссии
(CVT), выполняя все функции, присущие автоматической трансмиссии
или трансмиссии с ручным управлением. И наконец, механизм PSD
позволяет генератору запускать двигатель как стартер.
PSD - это планетарный механизм. Электродвигатель соединяется с
зубчатым колесом коробки передач, также непосредственно с диф-
ференциалом, который вращает колеса.
Генератор соединяется с солнечной шестерней коробки передач, а
ДВС соединяется с паразитной (опорной) шестерней планетарного
механизма.
Подобно автомобилю Insight, Prius не требует подзарядки, име-
ющийся генератор автоматически устанавливает уровень зарядки всех
батарей.
Стоимость всех батарей составляет несколько тысяч долларов.
Гибридные автомобили имеют достаточно большой гарантийный
срок эксплуатации. Гарантия на батареи и силовую установку состав-
ляет до 8 лет.
В США уже накоплен опыт эксплуатации гибридных автомобилей.
Для более эффективной работы экспертами даются некоторые советы
по вождению:
-	Следует избегать высоких скоростей. Чем больше скорость, тем
больше аэродинамическое сопротивление. Например, увеличение ско-
рости с 80 до 115 км/ч - сила лобового сопротивления почти удваива-
ется.
Движение на умеренных скоростях может весьма существенно
уменьшить расход топлива.
-	Следует поддерживать постоянную скорость.
-	Избегать внезапных остановок. При остановке гибридного авто-
мобиля электродвигатель работает как генератор.
При быстрой остановке большая часть энергии торможения теря-
ется.
8.7.	Перспективы применения бензинового двигателя
в гибридах
В современных гибридных автомобилях используются бензиновые
двигатели с непосредственным (прямым) впрыском топлива.
Среди достоинств бензиновых двигателей можно отметить сле-
дующие:
-	Высокая степень развития подобных двигателей, широкое их при-
менение на автомобилях. Постоянное совершенствование бензиновых
194
двигателей позволило достаточно легко выйти на современный
уровень экономичности и экономических характеристик, отвечающих
требованиям стандартов многих стран.
Благодаря электронной системе управления и применению эколо-
гически чистых бензинов современные двигатели намного эффек-
тивнее, чем 20 лет назад.
-	Умеренная стоимость - бензиновый двигатель обладает на-
именьшей стоимостью, потому что количество выпускаемых дви-
гателей огромно.
Между тем бензиновые двигатели имеют и ряд недостатков,
слабых мест, которые были не столь существенны в прошлом. И даже
сегодня. Однако в обозримом будущем их значимость может возрасти.
-	Проблематично обеспечить высокую экономичность и мини-
мизировать уровень эмиссий, отвечающих требованиям будущих стан-
дартов, без значительного увеличения стоимости.
-	Потери энергии, снижение эффективности, связанные с дрос-
селированием воздушных потоков при управлении процессом сгорания
в цилиндрах двигателя.
-	Потери мощности, вызванные трением во многих системах
двигателя.
-	Ограничение степени сжатия двигателя. С повышением степени
сжатия возрастают требования к детонационной стойкости бензинов,
октановому числу.
8.8.	Батареи для «гибрида»
Аккумуляторные батареи являются весьма важной частью любого
современного гибридного электрического автомобиля.
Постоянно совершенствуются основные характеристики батареи,
на современном рынке уже можно встретить батареи высокого уровня
исполнения и надежности.
Но, однако, большинство из них еще не полностью удовлетворяют
требованиям, которые предъявляют к ним гибридные автомобили:
оптимальное сочетание мощности и энергетической эффективности.
Сегодня экспертами уже подготовлены предложения по усо-
вершенствованию батарей, предназначенных для гибридных авто-
мобилей. Очень важно, чтобы аккумуляторные батареи для совре-
менных гибридных автомобилей отличались высокой пиковой и удель-
ной импульсной мощностью, обладали высокой удельной энергией,
высокой степенью приспособляемости к зарядке, способностью макси-
мально регенерировать энергию торможения, высокий ресурс работы.
195
В современных электромобилях широко используется свинцово-
кислотные батареи, и потенциально они приняты для гибридных
автомобилей. Эти батареи относительно не дорогие и обладают вы-
сокой мощностью, надежностью и безопасны. Достаточно развита и
система обслуживания батарей, их ремонта и зарядки. Однако низкая
удельная энергия, чувствительность к низкой температуре и относи-
тельно короткий ресурс работы препятствуют их использованию в
гибридах. Поэтому требуются дополнительные усилия по развитию
свинцово-кислотных батарей.
Никель-кадмиевые батареи, применяемые в современной электро-
нике, имеют высокую удельную мощность, большой ресурс работы, но
не позволяют получать необходимую энергию для гибридных автомо-
билей.
Никель-водородные батареи обладают более высоким ресурсом,
чем свинцово-кислотные, приемлемой энергией, безопасны.
Эти батареи вполне успешно используются в электромобилях и
гибридных автомобилях небольшой мощности. К недостаткам никель-
водородных батарей можно отнести их высокую стоимость, само-
разрядки, тепловыделение при высоких температурах и то, что они
требуют контроля за утечками водорода. Литиевые ионные батареи
очень быстро нашли свое место на рынке небольших телефонов,
благодаря их высокой удельной энергии, мощности, эффективности,
низкой степени саморазрядки. Эти характеристики вполне приемлемы
для их применения в гибридных автомобилях. После более глубокого
исследования данных батарей возможно дальнейшее их развитие,
улучшение некоторых характеристик (ресурса работы, снижения сто-
имости). Литиевые батареи могут более активно применяться в гиб
ридных автомобилях.
8.9.	Вопросы и ответы
Что такое гибридный автомобиль?
Гибридный электрический автомобиль представляет комбинацию
двигателя внутреннего сгорания (ДВС) обычного автомобиля с акку-
муляторной батареей и электродвигателем электромобиля.
Благодаря этому топливная экономичность обычного автомобиля
почти в 2 раза повышается, значительно снижается эмиссия продуктов
неполного сгорания ДВС. Высокая технологическая и конструктивная
гибкость исполнения гибридных автомобилей в будущем позволит
использовать их для самых различных целей от частного применения
до коммерческих перевозок.
196
Почему возрастает интерес к гибридным автомобилям?
Гибридные энергетические системы были запущены как один из
вариантов компенсации недостатков аккумуляторных батарей. Соче-
тание ДВС, батарей и электродвигателя позволило увеличить пробег
автомобилей.
Раньше вопрос о развитии гибридных электрических автомобилей
не поднимался и большинство специалистов были уверены, что, соз-
дав надежные «хорошие» аккумуляторные батареи, решат основные
проблемы широкого применения электромобилей. Но после почти 20-
летних исследований пришло понимание, что только в рамках
концепции гибридного автомобиля возможно широкое применение
электромобилей со всеми их достоинствами в современных условиях
требований рынка, повышения мобильности потенциальных потре-
бителей.
Только высокоэффективные автомобили могут существенно по-
влиять в лучшую сторону на оздоровление экологической обстановки
современного города. В условиях, когда во всех странах мира, в том
числе и в России, ужесточаются требования к охране окружающей
среды, на фоне стремительного увеличения количества автомобилей,
применение гибридных автомобилей позволит в будущем эффективно
сократить концентрации вредных веществ, выбрасываемых в атмосферу.
Гибриды никогда не были и не будут абсолютно чистыми ав-
томобилями, так как они имеют двигатель внутреннего сгорания. Но
появление их на улицах крупных городов позволит радикально пов-
лиять на оздоровление воздушной среды.
Каковы достоинства гибридных автомобилей?
По сравнению с обычными автомобилями с двигателями внут-
реннего сгорания «гибриды» имеют ряд преимуществ:
-	способность накапливать энергию автомобиля при торможении,
замедлении и даже остановке;
-	двигатель может быть спроектирован для работы на средних
режимах; размеры и вес его могут быть минимизированы;
-	расход топлива меньше почти в два раза;
-	значительно меньшая эмиссия вредных веществ в атмосферу;
-	возможно уменьшение зависимости от бензинов и других
нефтяных топлив, так как гибриды могут работать на альтернативных
видах топлива;
197
-	применяемые легкие конструкционные материалы могут при-
вести к снижению общего веса.
Уже сегодня стоимость гибридных автомобилей в некоторых стра-
нах примерно равна стоимости обычных автомобилей.
С ужесточением законов по охране окружающей среды привлека-
тельность гибридных автомобилей, очевидно, будет возрастать. Опыт
эксплуатации гибридных автомобилей в США показал, что пробег на
одной заправке (бензином) Honda Insight достигает 700 миль, Honda
Civic Hybrid - 650 миль.
Каковы виды гибридных автомобилей?
Принципиально возможно большое количество конфигураций
гибридов.
Обычно гибрид состоит из системы хранения энергии, силового
агрегата и системы, обеспечивающей движение автомобиля. Среди
носителей энергии вначале рассматривались аккумуляторные батареи,
маховики и ультраконденсаторы.
Сегодня наиболее широко применяются батареи, однако ис-
следования в поисках новых эффективных накопителей энергии
продолжаются.
Силовым агрегатом (установкой) может быть: бензиновый дви-
гатель, высокоэффективный дизельный двигатель (CIDI), газовая тур-
бина и топливные элементы. Приводить в движение автомобиль может
или электродвигатель, или двигатель внутреннего сгорания. Транс-
миссия гибридов по конструктивному исполнению может быть разной,
в зависимости от пожеланий потребителей.
Эффективность и уровень эмиссии вредных веществ гибридных
автомобилей зависит от комбинации подсистем и того, как эти под-
системы интегрированы в полную систему, от стратегии управления
этим сложным техническим комплексом.
Например, гибридный автомобиль с водородным топливным
элементом мог бы получать только воду в качестве субпродукта и
обеспечивать большую эффективность, чем электромобиль на аккуму-
ляторных батареях.
Что дальше?
Гибридные электрические автомобили находятся сегодня на
переднем фронте развития транспортных технологий.
198
Гибриды (имеют потенциал, позволяющий повышать их роль
в автомобильном секторе. Этому также способствует ряд факторов,
обеспечивающих общую ситуацию функционирования транспортного
комплекса:
-	ограниченность ресурсов нефти и газа;
-	загрязнение окружающей среды;
-	огромное количество автомобилей на улицах городов.
Гибридные автомобили уже завоевывают рынок в некоторых
странах Европы, Японии и США.
Крупные компании приступили к созданию новых версий гиб-
ридных автомобилей.
Одной из перспективных разработок является концепция создания
гибридного автомобиля компании DAIMLERCHRYSLER.
В качестве базового двигателя внутреннего сгорания предпо-
лагается применить высокоэффективный дизель нового поколения
(CIDI), который почти на 20% экономичнее, чем его бензиновый
аналог.
На европейском рынке до 40% всех автомобилей имеют дизельные
двигатели.
Разработка новых эффективных дизелей позволит значительно
расширить их применение и активно повлиять на сокращение потре-
бления топлива и эмиссии вредных веществ.
Гибридные автомобили имеют и ряд недостатков. Они дороже
обычных автомобилей на 4 -5 тысяч долларов, они тяжелее почти на
600-650 фунтов. Не совсем пока ясен вопрос о сроке службы батареи,
о перепродаже гибридных автомобилей, их стоимости на рынке подер-
жанных автомобилей.
Однако эксперты предполагают, что уже к 2010 году значительно
большее количество гибридных автомобилей будет активно поступать
на рынок многих стран мира.
199
ГЛАВА 9
ВОДОРОДНЫЕ ТОПЛИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ
9.1.	Топливные элементы. Общие сведения. История развития
Как известно, XIX век был веком паровых двигателей, XX век -
веком двигателей внутреннего сгорания, XXI век, вероятно, будет ве-
ком топливных элементов.
Топливные элементы (ТЭ) сегодня вызывают самое пристальное
внимание всех специалистов в мире, именно в них видят перспективы
развития энергетики XXI века. На них работают космические корабли,
и они обеспечивают электроэнергией потребителей в некоторых стра-
нах мира.
Это все - топливные элементы. Топливные элементы представляют
собой электрохимические устройства, вырабатывающие электроэнер-
гию без процесса горения - химическим путем, почти так же, как
батарейки. Разница лишь в том, что в них используются другие
химические вещества, водород и кислород, а продуктом химической
реакции является вода. Можно использовать и природный газ, однако
при этом неизбежен определенный уровень выброса двуокиси уг-
лерода.
Поскольку топливные элементы могут работать с высоким КПД и
без вредных выбросов, с ними связаны большие перспективы развития
водородной экологически чистой энергетики, которая будет спо-
собствовать снижению выбросов парниковых газов и других заг-
рязняющих веществ. Основное препятствие на пути широкомас-
штабного использования топливных элементов - это их высокая сто-
имость по сравнению с другими устройствами, вырабатывающими
электричество или приводящими в движение транспортные средства.
Первые топливные элементы были продемонстрированы W. Grove
в 1839 году. W. Grove показал, что процесс электролиза - расщепление
воды на водород и кислород под действием электрического тока -
обратим. То есть водород и кислород могут быть соединены хи-
мическим путем с образованием электричества.
После того как это было продемонстрировано, многие ученые
бросились с усердием изучать топливные элементы, но изобретение
200
двигателя внутреннего сгорания и развитие инфраструктуры добычи
нефти <во второй половине XIX века оставили развитие топливных
элементов далеко позади. Еще больше сдерживала развитие топливных
элементов их высокая стоимость.
Всплеск развития топливных элементов пришелся на 50-е годы XX
века, когда НАСА обратилась к ним в связи с возникшей потребностью
в компактном электрогенераторе 'для космических полетов. Были
вложены соответствующие средства, и в результате полеты Apollo и
Gemini были осуществлены на топливных элементах. Космические
корабли также работают на топливных элементах.
Топливные элементы до сих пор в значительной степени являются
экспериментальной технологией, но уже несколько компаний продают
их на коммерческом рынке. Только за последние 10 лет были
достигнуты значительные успехи в области коммерческой технологии
топливных элементов.
9.2.	Как работает топливный элемент
Топливные элементы похожи на аккумуляторные батареи - они
вырабатывают электричество в результате химической реакции.
В отличие от этого, двигатели внутреннего сгорания сжигают топливо
и таким образом вырабатывают тепло, которое затем преобразуется в
механическую энергию. Если только тепло от выхлопных газов не
используется каким-либо образом (например, для обогрева или кон-
диционирования воздуха), то можно сказать, что КПД двигателя
внутреннего сгорания довольно низкий. Например, ожидается, что
КПД топливных элементов при использовании в транспортном
средстве - проект, который уже сейчас реализуется в некоторых
странах, - будет выше КПД современных типичных двигателей на
бензине, используемых в автомобилях, более чем в 2 раза.
Применение водорода в качестве основного энергоносителя, по
мнению некоторых экспертов, может стать научно-техническим про-
рывом, сравнимым по своим масштабам с ядерной энергетикой и ин-
формационными технологиями.
Эксперты во многих странах мира предсказывают большое
будущее водороду, и, по некоторым прогнозам, он будет одним из
основных топлив в XXI веке.
На рис. 9.1 представлены основные виды топлив, активно ис-
пользуемые в разное время. Как видно из рисунка, концентрация во-
дорода имеет тенденцию к постоянному увеличению.
201
Рис. 9.1. Содержание водорода в приоритетных топливах, используемых
в разное время
9.2.1.	Принцип работы топливных элементов
Топливные элементы относятся к химическим источникам тока
(ХИТ). Они осуществляют прямое превращение энергии топлива в
электричество, минуя малоэффективные, идущие с большими по-
терями, процессы горения. Это электрохимическое устройство в ре-
зультате высокоэффективного «холодного» горения топлива непо-
средственно вырабатывает электроэнергию. Биохимики установили,
что биологический водородно-кислородный топливный элемент
«вмонтирован» в каждую живую клетку. Человек в который раз
повторил созданное природой устройство получения энергии. В то же
время этот факт говорит о перспективности направления. Все процессы
в природе очень рациональны, поэтому шаги по реальному исполь-
зованию ТЭ вселяют надежду на энергетическое будущее. Открытие в
1839 году водородно-кислородного топливного элемента принадлежит
202
английскрму ученому W. Grove. Исследуя разложение воды на водород
и кислород, он обнаружил побочный эффект - электролизер
вырабатывал электрический ток.
9.2.2.	Что горит в топливном элементе?
Ископаемое топливо (уголь, газ и нефть) состоит в основном из
углерода. При сжигании атомы топлива теряют электроны, а атомы
кислорода воздуха приобретают их. Так, в процессе окисления атомы
углерода и кислорода соединяются в продукты горения - молекулы
углекислого газа. Этот процесс идет энергично: атомы и молекулы
веществ, участвующих в горении, приобретают большие скорости, а
это приводит к повышению их температуры. Они начинают испускать
свет - появляется пламя.
Химическая реакция сжигания углерода имеет вид:
]	С + О2 = СО2 + тепло.
 В процессе горения химическая энергия переходит в тепловую
энергию благодаря обмену электронами между атомами топлива и
окислителя. Этот обмен происходит хаотически.
Горение - обмен электронов между атомами, а электрический ток -
1 направленное движение электронов. Если в процессе химической
реакции заставить электроны совершать работу, то температура
' процесса горения будет понижаться. В ТЭ электроны отбираются у
реагирующих веществ на одном электроде, отдают свою энергию в
' виде электрического тока и присоединяются к реагирующим ве-
ществам на другом.
' Основа любого ХИТ - два электрода, соединенные электролитом
(рис. 9.2). ТЭ состоит из анода, катода и электролита. На аноде
окисляется, т. е. отдает электроны, восстановитель (топливо СО или
Н2), свободные электроны с анода поступают во внешнюю цепь, а
положительные ионы удерживаются на границе анод - электролит
| (СО+, Н+). С другого конца цепи электроны подходят к катоду, на
котором идет реакция восстановления (присоединение электронов
окислителем О2 ). Затем ионы окислителя переносятся электролитом
। к катоду.
В ТЭ сведены вместе 3 фазы физико-химической системы:
1)	газ (топливо, окислитель),
2)	электролит (проводник ионов),
J 3) металлический электрод (проводник электронов).
В ТЭ происходит преобразование энергии окислительно-вос-
становительной реакции в электрическую, причем процессы окисления
203
и восстановления пространственно разделены электролитом. Элек-
троды и электролит в реакции не участвуют, но в реальных кон-
струкциях со временем загрязняются примесями топлива.
9.3.	Какие преимущества имеют топливные элементы
Среди наиболее очевидных достоинств водородной энергии на базе
топливных элементов следует выделить:
I - минимальное влияние на загрязнение окружающей среды,
II - технические преимущества,
III	- повышение энергетической безопасности,
IV	- независимость от энергетических сетей (автономность),
V	- топливные элементы успешно заменяют батареи.
I-	влияние на окружающую среду.
1)	Преобразуя топливо через химическую реакцию прямо в энер-
гию ТЭ, получают больше энергии по сравнению с обычными спо-
собами получения энергии через процессы сгорания.
Прямой процесс получения энергии уменьшает расход и топлива,
увеличивая эффективность от 30 до 90% в зависимости от системы ТЭ
и способов утилизации воды и тепла, образующихся при этом.
2)	Минимальная эмиссия вредных веществ.
Используя водород в качестве топлива, в результате химической
реакции выделяется вода, тепло и электроэнергия, а при любом самом
совершенном сгорании обычных топлив образуются окислы углерода,
азота, оксиды серы и другие продукты сгорания.
3)	Уменьшение вредного влияния на окружающую среду, при-
сущего добывающим отраслям промышленности. ТЭ позволяют из-
бежать нарушения экосистемы, связанного с добычей ископаемых
топлив из земли, так как водород может быть получен из во-
зобновляемых источников энергии. При утечки водорода его пары
очень быстро улетучиваются, потому что он легче воздуха.
II - технические достоинства ТЭ.
1)	ТЭ могут работать на водороде, который получают из любого
известного сегодня топлива (газ. спирт, бензин и т. д.).
2)	Высокая энергетическая плотность. Мощность ТЭ обычно опре-
деляют в кВт/л. Этот показатель постоянно повышается, так как очень
активно проводятся исследования технологии производства ТЭ.
3)	Низкие рабочие температуры и давления. Температурный
диапазон работы ТЭ лежит от 80 до 1000 °C и зависит от типа
топливного элемента. Следует заметить, что температура сгорания
в двигателе автомобиля может достигать 2300 °C.
204
4)	Удобство в компоновке. ТЭ, обладающие минимальной шумно-
стью и практически нулевой эмиссией вредных веществ, могут быть
расположены в самых разных местах как внутри системы, так и
снаружи.
5)	Потенциальная способность к увеличению эффективности
в работе. Тепло, которое получается в результате химической реакции
в ТЭ, может быть утилизировано для нагрева воды, помещений
и получения холода. В этом случае КПД (эффективность) может при-
близиться к 90%.
6)	Высокая чувствительность к изменению нагрузки. Для получе-
ния дополнительной мощности при работе ТЭ необходимо больше
подавать топлива в систему. То есть это аналогично работе бензи-
нового двигателя: нажимая на педаль газа, увеличиваем мощность
автомобиля.
7)	Техническая простота. ТЭ не включают никаких подвижных,
сопряженных деталей. Отсутствие любого вида движения позволяет
получить простую конструкцию с высокой степенью надежности,
спокойной работой и с меньшей вероятностью отказа.
Ill - повышение энергетической безопасности.
Водород, применяемый в ТЭ, может быть получен из местных
источников топлива: из природного газа, угля, при помощи элек-
тролиза воды и биомассы и других возобновляемых источников:
ветровой энергии, фотоэлектричества и др.
Использование массивных ресурсов уменьшает зависимость от
поставщиков с других регионов и стран, повышает надежность
энергоснабжения.
Независимость от энергетических систем. Локальные системы с ТЭ
позволяют получать потребителям стабильную электроэнергию, не
опасаясь нарушения в работе электросетей по разным причинам
(обледенение проводов, обрыв проводов и др.).
IV- топливные элементы могут заменить батареи.
По сравнению с батареями, ТЭ более компактны, меньше весят.
Для увеличения мощности у ТЭ необходимо подавать больше топлива
в систему. Чтобы увеличить мощность обычной батареи, необходимо
увеличить количество батарей, что всегда приводит к повышению
стоимости, вес и т. д. И напомним, ТЭ никогда не садятся, они
продолжают работать, вырабатывать энергию до тех пор, пока имеется
топливо.
205
Топливный элемент - электрохимический генератор, устройство,
обеспечивающее прямое преобразование химической энергии в элек-
трическую. Хотя то же самое происходит в электрических акку-
муляторах, топливные элементы имеют два важных отличия:
1) они функционируют до тех пор, пока топливо и окислитель
поступают из внешнего источника,
2) химический состав электролита в процессе работы не
изменяется, т. е. топливный элемент не нуждается в перезарядке.
Топливный элемент состоит из двух электродов, разделенных
электролитом, и систем подвода топлива на один электрод и
окислителя на другой, а также системы для удаления продуктов
реакции. В большинстве случаев для ускорения химической реакции
используют катализаторы. Внешней электрической цепью топливный
элемент соединен с нагрузкой, которая потребляет электроэнергию. В
топливном элементе с кислотным электролитом водород подается
через полый анод и поступает через очень мелкие поры в материале
электрода (рис. 9.2). При этом происходит разложение молекул водо-
рода на атомы, которые в результате хемосорбции, отдавая каждый по
одному электрону, превращаются в положительно заряженные ионы.
Этот процесс может быть описан следующими уравнениями:
Н2^ 2Н
2Н 2Н+ + 2е.
Ионы водорода диффундируют через электролит к положительной
стороне элемента. Подаваемый на катод кислород переходит в
электролит и также реагирует на поверхности электрода с участием
катализатора. При соединении его с ионами водорода и электронами,
которые поступают из внешней цепи, образуется вода:
У2О2 + 2Н+ + 2е' - Н2О.
В топливных элементах со щелочным электролитом (обычно это
концентрированные гидроксиды натрия или калия) протекают сходные
химические реакции. Водород проходит через анод и реагирует в
присутствии катализатора с имеющимися в электролите ионами
гидроксила (ОН') с образованием воды и электрона:
Н2+ 2ОН Н2О + 2е .
На катоде кислород вступает в реакцию с водой, содержащейся в
электролите, и электронами из внешней цепи. В последовательных
стадиях реакций образуются ионы гидроксила (а также пергидроксила
О2Н'). Результирующую реакцию на катоде можно записать в виде:
!/2О2 + Н2О + 2е 2ОН".
206
Поток электронов и ионов поддерживает баланс заряда и вещества
в электролите. Образующаяся в результате реакции вода частично
разбавляет электролит. В любом топливном элементе часть хими-
ческой энергии превращается в тепло. Поток электронов во внешней
цепи представляет собой постоянный ток, который используется для
совершения работы. Большинство реакций в топливных элементах
обеспечивают ЭДС 1 В. Размыкание цепи или прекращение движения
ионов останавливают работу топливного элемента.
Процесс, происходящий в водородно-кислородном топливном
элементе, по своей природе является обратным хорошо известному
процессу электролиза, в котором происходит диссоциация воды при
прохождении через электролит электрического тока. Действительно, в
некоторых типах топливных элементов процесс может быть обращен -
приложив к электродам напряжение, можно разложить воду на
водород и кислород, которые могут быть собраны на электродах
(рис. 9.3). Если прекратить зарядку элемента и подключить к нему
нагрузку, такой регенеративный топливный элемент сразу начнет
работать в своем нормальном режиме.
Электрохимическое горение может идти при невысоких тем-
пературах и практически без потерь. Усложняет использование ТЭ то,
что для них топливо необходимо «готовить». Для ТЭ получают
водород путем конверсии органического топлива или газификации
угля. Поэтому структурная схема электростанции на ТЭ, кроме батарей
ТЭ, преобразователя постоянного тока в переменный и вспомо-
гательного оборудования, включает блок получения водорода.
9.4. Применение и типы ТЭ
Существует две сферы применение ТЭ: автономная и большая
энергетика.
Для автономного использования основными являются удельные
характеристики и удобство эксплуатации. Стоимость вырабатываемой
энергии не является основным показателем. Для большой энергетики
решающим фактором является экономичность. Кроме того, установки
должны быть долговечными, не содержать дорогих материалов и
использовать природное топливо при минимальных затратах на
подготовку.
Наибольшие выгоды сулит использование ТЭ в автомобиле. Здесь,
как нигде, скажется компактность ТЭ. При непосредственном по-
лучении электроэнергии из топлива экономия последнего составит
207
порядка 50%. Впервые идея использования ТЭ в большой энергетике
была сформулирована немецким ученым В. Освальдом в 1894 году.
Позднее получила развитие идея создания эффективных источников
автономной энергии на основе топливного элемента. После этого
предпринимались неоднократные попытки использовать уголь в
качестве активного вещества в ТЭ. В 30-е годы немецкий иссле-
дователь Э. Бауэр создал лабораторный прототип ТЭ с твердым
электролитом для прямого анодного окисления угля. В это же время
исследовались кислородно-водородные ТЭ.
В 1958 году в Англии Ф. Бэкон создал первую кислородно-
водородную установку мощностью 5 кВт. Но она была громоздкой из-
за использования высокого давления газов (2-4 МПа).
В 1955 году в США К. Кордеш разрабатывал низкотемпературные
кислородно-водородные ТЭ. В них использовались угольные элек-
троды с платиновыми катализаторами. В Германии Э. Юст работал над
созданием неплатиновых катализаторов.
После 1960-го года были созданы демонстрационные и рекламные
образцы. Первое практическое применение ТЭ нашли на космических
кораблях «Аполлон». Они были основными энергоустановками для
питания бортовой аппаратуры и обеспечивали космонавтов водой и
теплом.
Основными областями использования автономных установок с ТЭ
были военные и военно-морские применения. В конце 60-х годов
объем исследований по ТЭ сократился, а после 80-х вновь возрос
применительно к большой энергетике.
В большой энергетике очень перспективно использование ТЭ для
крупномасштабного накопления энергии, например, получения водо-
рода. Возобновляемые источники энергии (солнце и ветер) отличаются
рассредоточенностью. Их серьезное использование, без которого в
будущем не обойтись, немыслимо без емких аккумуляторов, запа-
сающих энергию в той или иной форме.
Проблема накопления актуальна уже сегодня: суточные и
недельные колебания нагрузки энергоносителем заметно снижают их
эффективность и требуют так называемых маневренных мощностей.
Один из вариантов электрохимического накопления энергии - ТЭ
в сочетании с электролизерами и газгольдерами.
Типы ТЭ
1) Щелочной топливный элемент (рис. 9.4) работает на сжатом
водороде и кислороде. В них обычно используется водный раствор
КОН. Эффективность таких элементов достигает 70%, а рабочие
208
Electron
DC
A
N
О
D
E
Acid
C
A
T
Electrolyte
Puc. 9 2
Принцип работы ТЭ
Принцип работы электролизера
(+)
Lead
(-)
0>+4ГГ+4е''—>2НтО
4Н+
2Н,^4Н'+4е
Кислород 4е
2НэО--4Н*+4е+а
(+)
Водород
41Г+4е-> 2Н,
Вода
Кислородный
электрод
/ Протоновая
/ мембрана
Водородный
Вода
электрод
Кислородный
элстпрол
/ Прогоновая
/ мембрана
Водородный
электрод
Рис. 9.3
Phosphoric Acid and
PE M. Fuel Cells
Puc. 9.4
Puc. 9.5
Molten Carbonate
Solid Oxide
Puc. 9.6
Puc. 9.7
температуры - 1500-2000 °C. Выходная мощность - от 0,3 до 5 кВт.
Щелочные ТЭ использованы на космическом корабле «Аполлон» для
обеспечение электроэнергией и питьевой водой. Они требуют чистого
водорода, а применяемый платиновый электрод является достаточно
дорогим. Щелочные ТЭ похожи на контейнеры, наполненные жид-
костью, при образовании трещин они могут дать течь.
2) Наибольшего технологического совершенства достигли средне-
температурные ТЭ первого поколения, работающие при температуре
200-3000 °C на жидком топливе, природном газе либо на техническом
водороде. Электролитом в них служит фосфорная кислота, которая
заполняет пористую углеродную матрицу. Электроды выполнены из
углерода, а катализатором является платина, платина используется
в количествах порядка нескольких граммов на киловатт мощности
(рис. 9.5).
Лучшими характеристиками обладают уже проектирующиеся мо-
дульные установки мощностью 5 МВт со среднетемпературными ТЭ
второго поколения. Они работают при температуре 650-7000 °C. Их
аноды делают из спеченных частиц никеля и хрома, катоды - из
спеченного и окисленного алюминия, а электролитом служит расплав
смеси карбонатов лития и калия (рис. 9.6). Повышенная температура
помогает решить две крупные электрохимические проблемы:
1) снизить отравляемость катализатора окисью углерода,
2) повысить эффективность процесса восстановления окислителя
на катоде.
Еще эффективнее высокотемпературные ТЭ третьего поколения с
электролитом из твердых оксидов (в основном двуокиси циркония)
(рис. 9.7). Их рабочая температура - до 1000 °C. КПД энергоустановок
с такими ТЭ близок к 50%. Здесь в качестве топлива пригодны и
продукты газификации твердого угля со значительным содержанием
окиси углерода. Не менее важно, что сбросовое тепло высокотемпе-
ратурных установок можно использовать для производства пара,
приводящего в движение турбины электрогенераторов.
Среди новых типов можно отметить следующие:
-	Direct Methanol Fuel Cell (DMFC) - тип топливного элемента, в
котором метанол (СН4ОН) является топливом. Метанол непосред-
ственно окисляется на аноде. Анодный катализатор позволяет получать
водород из метанола.
—	Polyme electrolyte membrane — твердая мембрана используется как
электролит в ТЭ. Положительно заряженные ионы проходят через
мембрану. А электроны нет.
209
-	Regenerative Fuel Cells (регенеративные топливные элементы).
Данные системы могут быть использованы для замкнутых энергети-
ческих систем. В настоящее время изучению этих топливных элемен-
тов большое внимание уделяет NASA.
-	Цинково-воздушные топливные элементы (ZAFC).
-	Протонные керамические топливные элементы (PCFC).
9.5.	Способы получения водорода
Способы получения водорода широко и давно известны, вот
некоторые из них:
-	Получение водорода из ископаемых топлив. Если посмотреть
повнимательнее, то в химической формуле любого топлива при-
сутствует водород. Некоторые из топлив имеют очень высокое отно-
шение водорода к кислороду, и это делает их наилучшим кандидатом
процесса добывания. Например, природный газ, метан (СИД.
-	Получение водорода из природного газа по технологии рифор-
минга паром. Эффективность данного процесса достигает 70-90%.
-	Получение водорода из воды методом электролиза. По сравне-
нию с паровым риформингом, электролиз - очень дорогой процесс по-
лучения водорода.
-	Получение водорода методом фотоэлектролиза, т. е. прямым
преобразованием солнечной энергии в электрическую.
-	Получение водорода фотобиологическим методом. Данный
процесс включает использование солнечной энергии, катализатора и
технической системы. Специфические микроорганизмы, микробы, бак-
терии могут производить водород при определенных условиях.
-	Получение водорода пиролизом и газификацией биомассы.
До 12-17% водорода можно получить по весу от веса
сухой биомассы методом высокотемпературной газификации. Данный
метод привлекателен тем, что все отходы производства лесной,
сельскохозяйственной деятельности, городской мусор и т. д. могут
служить первоначальным сырьем. В этом случае процесс производ-
ства водорода позволяет утилизировать отходы из возобновляемых
ресурсов.
9.6.	Каковы способы хранения водорода?
Водород можно хранить самыми разными способами, каждый из
которых имеет свои достоинства и недостатки.
Безусловно, главный критерий выбора способа хранения - это
безопасность и простота использования. Ниже рассмотрим уже
210
существующие способы хранения водорода и некоторые технологии,
находящиеся на стадии изучения и развития.
-	Металлогидридные аккумуляторы. Общее количество водорода,
адсорбируемое металлогидридами, составляет около 1-2% от веса.
У некоторых металлогидридов эта величина может достигать 5-7% от
собственного веса. При относительно низкой эффективности при-
менения металлогидридов для хранения водорода, они тем не менее
рассматриваются как перспективные водородохранилища с точки зре-
ния безопасности.
-	Хранение водорода в емкостях под высоким давлением. Сжатие
водорода - довольно дорогой процесс. При высоких давлениях сжатия
требуется периодическая проверка и инспекция емкости.
-	Хранение водорода в жидком виде. С этой целью необходимо
создать очень низкие температуры, до -253 °C. Для охлаждения и
сжатия водорода до жидкого состояния требуется около 30% энергии
жидкого водорода. Хранение водорода в таких условиях очень дорого
по сравнению с другими методами. Однако исследования продол-
жаются. Идет поиск композитных материалов, более мягких и проч-
ных, а также методов, улучшающих эту технологию.
-	Химическое хранение водорода. Как наиболее распространенный
элемент в природе, водород содержится во многих химических
соединениях. И многие из них могут быть использованы в качестве
аккумуляторов хранения водорода. Известны некоторые технологии
получения и хранения водорода: термокрекинг аммиака, термокрекинг
метана и т. д. Данные технологии избавляют от необходимости иметь
специальную емкость для хранения водорода.
-	Хранение водорода в углеродных нанотрубках. Углеродные
нанотрубки представляют из себя микроскопические трубки углерода.
Подобно металлогидридам, эти трубки адсорбируют водород. Иссле-
дования углеродных нанотрубок продолжаются, развиваются новые
технологии, которые в будущем уменьшат стоимость их производства.
-	Хранение в стеклянных микросферах. Крошечные, пустые
стеклянные сферы могут безопасно хранить водород. Стеклянные
сферы нагревают, при этом увеличивается проницаемость их стенок.
Заполнение этих сфер происходит за счет их погружения в водород,
сжатый высоким давлением. Затем сферы охлаждаются и водород
блокируется внутри них. Повышение температуры будет приводить
к освобождению водорода из «западни», в которую он попал.
211
Микросферы потенциально имеют высокий уровень безопасности,
сопротивления к загрязнению. Водород в них хранится при отно-
сительно низком давлении.
- Хранение водорода в жидких носителях. Это метод хранения
водорода в жидких топливах, которые широко используются сегодня.
Источником хранения водорода могут быть: бензины, метаны, при-
родные газы и т. д. Применяя процесс риформинга, получают водород
из обычных топлив. Затем полученный водород очищается от из-
быточного количества нежелательных газов: оксидов углерода, ко-
торые могут повредить некоторые типы топливных элементов.
9.7.	Безопасен ли водород?
Водород является энергоносителем. Он без цвета и запаха, легче
воздуха и очень быстро рассеивается в атмосфере. Один килограмм
водорода содержит такое же количество энергии, как 2,1 кг природного
газа или 2,8 кг бензина.
Энергетическая плотность водорода составляет 2,36 кВт/л, природ-
ного газа - 5,8 кВт/л, бензина 8,76 кВт/л. Эти факты позволяют сделать
вывод о размерах емкости для хранения водорода и бензина, а также
о мощности взрыва этих двух топлив.
Водород не токсичен.
Бензин и нефть достаточно токсичны для человека и живой при-
роды. При утечке водорода он почти мгновенно улетучивается, при
утечках нефтепродуктов требуются большие затраты по ликвидации
ущерба окружающей среде.
Для воспламенения водорода требуется его большая концентрация
в воздухе по сравнению с другими топливами. Действительно, водород
обладает широкими пределами воспламенения, нижний предел выше
чем, например, у бензина. Для бензина концентрация его паров в
воздухе выше 1% становится взрывоопасной, у водорода же этот
уровень составляет от 4%. Поэтому риск взрыва меньше, чем у паров
бензина.
Недоверие к водороду связано с прошлым.
Водород у большинства населения олицетворяется с двумя непри-
ятными событиями, происшедшими • в прошлом, - трагедиями
дирижаблей в 40-е годы XX века как в России, так и за рубежом.
Особенно в мире памятна трагедия с дирижаблем «Гинденбург» и во-
дородной бомбой.
Для взрыва, подобного масштабам водородной бомбы, необходимо
создать давления и температуры намного больше, чем в ТЭ.
212
Характеристики пожароопасности некоторых топлив приведены в
табл.
Свойство	Бензин	Метан	Водород
Плотность, м/м	4,40	0,65	0,084
Коэффициент диффузии в воздухе, см2/с	0,05	0,16	0,61
Пределы воспламенения, (% к объему)	1,0-7,6	5,3-15,0	4,0-75
Энергия воспламенения в воздухе, МДж	0,24	0,29	0,02
Температура воспламенения, °C	228-471	540	585
Температура пламени, °C	2197	1875	2045
При соответствующей специальной подготовке обслуживающего
персонала водород становится ничуть не опаснее, чем многие другие
виды топлива, широко применяемые сегодня. Использование ТЭ
открывает новые перспективы в автомобилестроении. Наиболее
удивительно это продемонстрировано фирмой GENERAL MOTORS на
примере своего автомобиля будущего. Силовая установка состоит из
водородно-воздушного ТЭ и четырех электродвигателей. Полностью
электрический привод, рулевая и тормозные системы снимают
проблему использования моторных масел и других рабочих жидкостей.
У правление автомобилем - на базе бортового компьютера.
В новой модели Honda FCX (рис. 9.8) водородный ТЭ, электро-
двигатель, топливный бак и система управления полностью размещены
в платформе шасси. Это позволило увеличить полезный объем, ком-
фортность и безопасность салона. Автомобиль развивает скорость до
154 км/ч, и без дозаправки его пробег составляет 354 км. Этот
автомобиль стал первым в мире ТЭ-автомобилем, сертифицированным
для серийного применения в США. Для обеспечения их эксплуатации
будет создана новая сеть заправочных станций.
9.8.	Автомобили на топливных элементах
Особые надежды на водородные ТЭ возлагают автомобиле-
строители во всех странах мира. Уже несколько лет назад были начаты
работы по созданию таких автомобилей. Если во многих странах мира
(США, Германия, Швеция и т. д.) среди первых опытных образцов
были городские автобусы - бесшумные и экологически чистые (рис.
9.9), то в России первым электромобилем на топливных элементах был
АНТЕЛ-1 на базе длинной Нивы. Главное отличие новой машины
АНТЕЛ-2 (рис. 9.11) от предшественника в том, что вместо громоздких
213
кислородных баллонов установлен компактный компрессор для забора
воздуха из атмосферы: кислород получают на борту автомобиля,
прогоняя воздух через специальный фильтр. Сжатый водород хранится
под давлением 400 атм в сверхпрочных баллонах под полом багажного
отсека. Новый компактный электрохимический генератор установлен
под капотом - он вырабатывает электрический ток в результате
химической реакции между кислородом и водородом. Под генератором
расположен электродвигатель мощностью 90 кВт и весом 28 кг, а его
КПД больше 90%. Время заправки водородом снизилось с двух часов
до 20 минут.
При создании следующей машины АНТЕЛ-3 с топливным про-
цессором водород будет вырабатываться из бензина прямо на борту
автомобиля. Пробег на одной заправке увеличивается до 900-950 км.
Компания DAIMLERCRAYSLER недавно продемонстрировала свой
первый городской автобус MERCEDES-BENZ CITARO. Первые три
автобуса эксплуатировались в Мадриде.
К концу 2003 года 30 подобных автобусов были отправлены в
десять городов Европы. Европейская комиссия одобрила программу
использования новых экологически чистых, бесшумных автобусов и
выделила 21 миллион евро в рамках программы «чистый городской
транспорт». Сегодня эти автобусы можно увидеть в Амстердаме,
Барселоне, Гамбурге, Лондоне и т. д.
Нулевая эмиссия вредных веществ и низкий уровень шума - это
важнейшие преимущества водородных автомобилей, особенно в усло-
виях крупного города.
Автобус MERCEDES-BENZ (длиной в 12 метров, пробег до
заправки до 200 км) рассчитан на 70 пассажиров. Энергетическая уста-
новка на ТЭ развивает мощность более 200 кВт, водород хранится
в баллонах под давлением 350 бар, которые размещены на крыше
автобуса. Скорость движения до 80 км/ч, тяговый электродвигатель
и автоматическая трансмиссия находятся в задней части автобуса.
Автомобили с ТЭ радикально отличаются от обычных, с дви-
гателями внутреннего сгорания и электродвигателями. Водородные
автомобили вырабатывают электроэнергию прямо на своем борту без
применения аккумуляторных батарей, а через химическую реакцию.
На рис. 9.10, 9.12 представлены принципиальные схемы автомобилей
с водородным ТЭ.
214
Рис. 9.8
Рис. 9.9
Рис. 9.10
Рис. 9.11
Электрическая
энергия
Механическая
энергия
Рис. 9.12. Водородный автомобиль на ТЭ
Химическая
энергия
Какие перспективы у водородных автомобилей?
Переход к водороду как к основному энергоносителю через
40-50 лет мог бы существенно изменить энергетическую политику во
всем мире и повлиять на развитие экономики.
Однако существует ряд вопросов (технических, экономических и
т. д.), которые нужно решать. Так, например, в одном из отчетов
Национальной академии США указывается, что переход к водородной
энергетике потребует огромных усилий, терпения и времени. По
крайней мере в ближайшие 25 лет на рынке энергоресурсов будут
доминировать нефть, газ и другие виды топлива.
Хотя в США правительство выделило 1,2 миллиардов долларов для
объединения усилий программы Freedom саг с Департаментом
энергетики США по созданию автомобилей на водородных топливных
элементах к 2020 году, однако, по мнению авторов отсчета, придется в
будущем преодолеть очень серьезные изменения и в технологии, и в
экономике. Это касается и стоимости, и безопасности, и влияния на
окружающую среду. Потребуется создавать водородную инфраструк-
туру, заправочные станции.
ТЭ - это многообещающие источники энергии для транспорта, но
стоимость их должна быть существенно уменьшена и повышена
надежность в работе.
Необходимо создавать новую систему безопасности для хранения
и использования водорода, т. к. это взрывоопасный газ.
215
Согласно оптимистическому развитию сценария, автомобили с
водородными ТЭ на рынке в США могут развиться к 2015 году, а к
2027 году их доля может подняться до 25% от всех транспортных
средств.
Очевидно, что на российском рынке без целенаправленной, актив-
ной технической политики и приоритетов переход к водородным авто-
мобилям может затянуться на неопределенное время.
9.9.	Поддерживает ли Правительство России развитие ТЭ?
В России достаточно активно реализуется программа по исполь-
зованию преимуществ технологий ТЭ, благодаря многократным разра-
боткам корпораций «ЭНЕРГИЯ» и НПО «КВАНТ» в рамках российс-
ких космических программ. В 2003 году был создан топливный
элемент для массового потребителя, который сможет успешно конку-
рировать с получающими все большее распространение за рубежом
твердополимерными ТЭ.
Космические разработки нашли продолжение в новой «Ладе-
АНТЕЛ», энергоустановка которой создавалась ракетно-космической
корпорацией «ЭНЕРГИЯ», в частности и для «лунной» программы,
и для «Бурана».
Еще в 1996 году было подписано соглашение о создании рос-
сийско-американского консорциума по ТЭ, однако после этого, бла-
годаря серьезным финансовым вливаниям и государственной под-
держке, США сумели выйти в мировые лидеры по продвижению
новых технологий в области ТЭ на международном рынке.
В 1997 году Газпром закупил у американской фирмы IFC электро-
химический генератор РС-25.
В 2000 году были намерения о создании российско-американского
проекта по коммерциализации топливных элементов. Со стороны Рос-
сии в разработке соглашения участвовал Газпром.
9.10.	А что происходит в других странах?
Все промышленно развитие страны проявляют повышенный ин-
терес к созданию ТЭ.
Особо значительных успехов добилась Исландия. Сегодня эта
страна может стать первой в мире «водородной державой». Для того
чтобы реализовать этот масштабный проект, объединил усилия ряд
национальных и транснациональных компаний. Целью этого проекта
является создание водородной инфраструктуры, первой в мире во-
дородной экономики и минимизирование применения традиционных
видов топлив. Современная Исландия - это «полигон» для внедрения
216
новейших водородных технологий и в большой энергетике, и в мо-
бильной, и на транспорте. По запасам водорода Исландия может стать
«северным Кувейтом».
В то же самое время крупные страны, такие как Германия, Англия,
Франция, Япония, Китай и т. д., наращивают свои усилия по рас-
ширению и углублению научно-исследовательских, проектных, инже-
нерно-технических проектов. Для этих целей выделяются огромные
финансовые ресурсы.
Для обеспечения конкурентоспособности отечественных НИОКР
по топливным элементам рядом экспертов предлагается объединить
усилия российского бизнеса, правительства и науки в единую на-
циональную программу, как это сделано уже давно во многих странах
мира.
В 2003 году подписано соглашение о сотрудничестве между
Российской академией наук и компанией «Норильский никель».
Выделяемые финансовые ресурсы позволяют объединить усилия двух
десятков институтов и через несколько лет получить коммерческий
готовый продукт - топливный элемент. Параллельно разработка топ-
ливных элементов в России ведется по линии Минатом, Газпром
и МНТЦ.
Государственный научный центр «Физико-энергетический инсти-
тут» в Обнинске также подключился к работе по созданию твердо-
оксидных топливных элементов (SOFC).
Недавно в России прошли успешные испытания энергоустановки
на базе твердооксидного ТЭ мощностью 1 кВт. В перспективе сто-
имость таких электрогенераторов может быть снижена до 400 $ за
1 кВт установленной мощности, что позволит перейти к их массовому
производству.
9.11,	Что делается в США по развитию ТЭ?
Правительство США постоянно уделяет внимание развитию
экологически чистых источников энергии, и сегодня США являются
лидером по реализации крупномасштабных проектов в этом направ-
лении.
Множество государственных структур (департаменты энергетики,
транспорта, обороны и т. д.) имеют программы по развитию техно-
логических ТЭ. Все эти программы нацелены на создание ТЭ,
конкурентоспособных на рынке, с традиционными энергоносителями
и созданию водородной инфраструктуры.
В этой связи очень тесно работают как государственные струк-
туры, так и частные компании.
217
Федеральное правительство всемерно поддерживает исследования
и развитие через серьезные финансовые (миллиарды долларов),
научно-исследовательские и др. вложения. В январе 2002 года было
объявлено о новом проекте по совместной работе крупного бизнеса и
правительства по созданию новых экологически чистых автомобилей.
Этот проект получил название Freedom Саг. Данная программа является
продолжением проекта Partnership for a New Generation ofvehicle
(PNGV), который реализовывался в 1997 2002 гг.
Сегодня в США почти 30 компаний работают над развитием
технологий ТЭ при серьезной поддержке правительства. Этот проект
становится национальным, к нему подключаются новые участники.
Freedom Саг - это новая совместная программа научно-иссле-
довательских работ, объединяющая усилия Департамента энергети-
ки (США) DOE и крупнейших автомобильных компаний (FORD,
GENERAL MOTORS и DAIMLERCHRYSLER).
Основной целью этой программы является расширение иссле-
дований в области передовых автомобильных технологий, которые
позволят в будущем радикально уменьшить потребление нефти и
оказывать минимальное влияние на окружающую среду.
Проект Freedom Саг ставит перед собой следующие задачи по
развитию передовых автомобилей:
-	они должны быть дешевле в работе,
-	с нулевой эмиссией вредных веществ,
-	конкурентоспособны,
-	свободны от импортируемых энергоресурсов.
Так, например, крупная компания Cummins Power Generation ра-
ботает над перспективными ТЭ. Департамент энергетики США
демонстрирует проект по созданию твердых топливных элементов
(Solid Oxide Fuel Cell) SOFC мощностью до 10 кВт для широкого
применения на рынке.
К 2011 году планируется разрабатывать топливный элемент, пройти
комплекс испытаний и представить его на рынке для широкого
применения, в том числе и в автомобилях.
Главное преимущество технологии SOFC заключается в том, что
она открывает путь к практическому применению природного газа,
жидкого пропана, бензина, дизельных топлив с большой эффектив-
ностью и меньшим уровнем эмиссий вредных веществ. ТЭ позволяет
утилизировать ископаемые топлива с высокой степенью эффектив-
ности, оставляя продукты отхода, такие как водяной пар и небольшое
количество диоксида углерода.
218
ПРИЛОЖЕНИЕ
Краткий словарь технических терминов
для изучающих технический английский
Additives
Chemicals added to fuel in very small quantities to improve and
maintain fuel quality and/or to lower emissions.
Aftercooling / Intercooling
Cooling the engine intake air after the turbocharger and prior to
introduction into the cylinder. Aftercooling increases engine power
and lowers NOX emissions.
Aftertreatment Devices
Devices which remove pollutants from exhaust gases after the gas
leaves combustion chamber (e.g., catalytic converters or diesel
particulate filters). The term “exhaust gas aftertreatment” is
considered derogatory by some in the emission control industry, but
there is no consensus on the use of such alternatives as “post-
combustion treatment” or “exhaust emission control”.
Air Quality Management District (AQMD)
Administrative districts organized in California to control air
pollution. Nationwide in the U S, AQMDs are parallel to the areas
designated for classification against the National Ambient Air
Quality Standards (NAAQS). Generally, AQMDs and their national
parallel encompass multiple jurisdictions and closely follow the
definition of Consolidated Metropolitan Statistical Areas and
Metropolitan Statistical Areas.
Air Toxics
Toxic air pollutants, as classified by pertinent regulations. Examples
of substances classified as air toxics by the US Clean Air Act include
acetaldehyde, benzene, 1,3-butadiene, formaldehyde, and polycyclic
organic matter (POM). California air toxics regulations also classify
diesel exhaust particulates as a toxic air contaminant.
Alternative Fuel
Fuel other than petroleum diesel or gasoline.
American Society for Testing and Materials (ASTM)
A non-profit organization that establishes specifications and standard
test methods for a broad range of materials and products. ASTM
standards are recognized as definitive guidelines for quality of motor
fuels.
219
Articulated Pistons
Two-piece pistons incorporating an entirely separate piston crown or
dome with a separate skirt, and linking the two together with the
piston pin. Many 1994 and later engines incorporate steel
crown/aluminum skirt articulated pistons.
Bi-Fueled Vehicle
A vehicle with two separated fuel systems designed to run on either
conventional fuel or an alternative fuel using only one fuel at a time.
Biodiesel
The mono alkyl esters of long chain fatty acids derived from
renewable lipid feedstocks, such as vegetable oils and animal fats,
for use in compression ignition (diesel) engines. Manufactured by
transestrification of the organic feedstock by methanol.
Brake Mean Effective Pressure (BMEP)
The work accomplished during one engine cycle divided by the
engine swept volume. It is essentially the engine torque normalized
by the engine displacement. The word “brake” denotes the actual
torque/power available at the engine flywheel as measured on a
dynamometer. Thus, BMEP is a measure of the useful power output
of the engine.
Brake Specific Fuel Consumption (BSFC)
BSFC is the ratio of the engine fuel consumption to the engine
power output (as measured at the flywheel). BSFC has units of
grams of fuel per kilowatt-hour (g/kWh) or pounds mass of fuel per
brake horsepower-hour (Ib/bhp-hr). BSFC is a measure of engine
efficiency.
California Air Resources Board (CARB)
A state regulatory agency charged with regulating the air quality in
California.
Carbon Dioxide (CO2)
A colorless, odorless, non-toxic gas. It is one of main products of
fossil-fuel combustion. Carbon dioxide is a greenhouse gas that
contributes to the potential for global warming.
Carbon Monoxide (CO)
A colorless, odorless and toxic gas. It blocks the lungs’ ability to
obtain oxygen. CO is produced by incomplete combustion of fossil
fuels and is a major part of air pollution. Compression ignition
(diesel) engines generate significantly lower CO emissions than
spark ignited engines.
220
Carcinogens
Substances known to cause cancer.
Catalyst
A substance which influences the rate of a chemical reaction but is
not one of the original reactants or final products, i.e. it is not
consumed or altered in the reaction. Catalysts are used in many
processes in the chemical and petroleum industries. Emission control
catalysts are used to promote reactions that change exhaust
pollutants from internal combustion engines into harmless
substances.
Cetane Index
A calculated value, derived from fuel density and volatility, giving a
reasonably close approximation to cetane number.
Cetane Number
A measure of ignition quality of diesel fuel. The higher the cetane
number the easier the fuel ignites when injected into an engine.
Cetane number is determined by an engine test using two reference
fuel blends of known cetane numbers. The reference fuels are
prepared by blending normal cetane (n-hexadecane), having a value
of 100, with heptamethyl nonane, having a value of 15.
CFR (Cooperative Fuel Research) Engine
A single cylinder, overhead valve, variable compression ratio engine
used for measuring octane or cetane quality.
Clean Air Act (CAA)
In the U S, the fundamental legislation to control air pollution. The
original Clean Air Act was signed in 1963. The law set emissions
standards for stationary sources, such as factories and power plants.
Criteria pollutants included lead, ozone, CO, SO2, NOx and PM, as
well as air toxics. The CAA was amended several times, most
recently in 1990. The Amendments of 1970 introduced motor
vehicle emission standards for automobiles and trucks.
Clean-Fuel Vehicle (CFV)
A vehicle that has been certified to meet clean-fuel standards of the
Clean Air Act Amendments of 1990.
Cloud Point (CP)
A measure of the ability of a diesel fuel to operate under cold
weather conditions. Defined as the temperature at which wax first
becomes visible when diesel fuel is cooled under standardized test
conditions (ASTM D2500).
221
Cold Filter Plugging Point (CFPP)
A measure of the ability of a diesel fuel to operate under cold
weather conditions. Defined as the lowest temperature at which
diesel fuel will pass through a fine wire mesh screen of the test
apparatus.
Common Rail Injection
A diesel fuel injection system employing a common pressure
accumulator, called the rail, which is mounted along the engine
block. The rail is fed by a high pressure fuel pump. The injectors,
which are fed from the common rail, are activated by solenoid
valves. The solenoid valves and the fuel pump are electronically
controlled. In the common rail injection system the injection
pressure is independent from engine speed and load. Therefore, the
injection parameters can be freely controlled. Usually a pilot
injection is introduced, which allows for reductions in engine noise
and NOx emissions.
Compressed Natural Gas (CNG)
Natural gas compressed to a volume and density that is practical as a
portable fuel supply.
Compression Ignition (CI)
The form of ignition that initiates combustion in a diesel engine. The
rapid compression of air within the cylinders generates the heat
required to ignite the fuel as it is injected.
Converted Vehicle
A vehicle, originally designed to operated on gasoline or diesel, that
has been modified or altered to operate on an alternative fuel.
Cordierite
A ceramic material of the formula 2MgO-2A12O3-5SiO2 which is
used for automotive flow-through catalyst substrates and ceramic
wall-flow diesel filters.
Dedicated Vehicle
A vehicle designed to operate solely on one alternative fuel, as
opposed to a converted vehicle which was later altered to use an
alternative fuel.
Diesel Oxidation Catalyst (DOC)
Catalyst promoting oxidation processes in diesel exhaust. Usually designed
to reduce emissions of the organic fraction of diesel particulates, gas-phase
hydrocarbons, and carbon monoxide.
222
Diesel Particulate Filter (DPF)
A device which physically captures diesel particulates preventing
their discharge from the tailpipe. Collected particulates need to be
removed from the filter, usually by continuous or periodic oxidation
in a process called “regeneration”.
Diesel Particulate Matter (DPM) .
Sub-micron size particles found in diesel exhaust. Most emission
regulations specify DPM measurement methods in which
particulates are sampled on filters from cooled exhaust gas. The
cooling causes condensation of vapors in the gas sampling train.
Thus, the DPM is composed of both solid and liquid particles and is
generally classified into three fractions: (1) inorganic carbon (soot),
(2) organic fraction (often referred to as SOF or VOF), and (3)
sulfate fraction (hydrated sulfuric acid).
Dimethyl Ether (DME)
The simplest ether CH3-O-CH3. Can be manufactured from natural
gas or from a renewable organic feedstock. DME is a prospective
alternative diesel fuel.
Direct Injection (DI)
In diesel engines with direct injection the combustion chamber is not
divided and fuel is injected directly to the cylinder.
DOD
The U S Department of Defense.
DOE
The U S Department of Energy.
DOT
The U S Department of Transportation.
Dual-Fuel Vehicle
A vehicle designed to operate on a combination of alternative fuel,
such as compressed natural gas (CNG) or liquefied petroleum gas
(LPG), and conventional fuel, such as diesel or gasoline. These
vehicles have two separate fuel systems, which inject both fuels
simultaneously into the engine combustion chamber.
Electronic Control Module (ECM)
A microprocessor that determines the beginning and end of each
injection cycle on every cylinder. The ECM determines both fuel
metering and injection timing in response to such parameters as
engine crankshaft position and rpm, engine coolant and intake air
temperature, and absolute intake air boost pressure.
223
Elemental Carbon (EC)
Inorganic carbon, as opposed to carbon in organic compounds,
sometimes used as a surrogate measure for diesel particulate matter,
especially in occupational health environments. Elemental carbon
usually accounts for 40-60% of the total DPM mass.
Emission Credit Trading
A program administered by the Environmental Protection Agency
under which low polluters are awarded credits which may be traded
on a regulated market and purchased by polluters who are in
noncompliance for emissions until compliance can be achieved.
EPACT
The U S Energy Policy Act of 1992.
EV
Electric vehicle.
Evaporative Emissions
Hydrocarbon vapors that escape from a fuel storage tank or a vehicle
fuel tank or vehicle fuel system.
Federal Test Procedure (FTP)
Test cycle(s) used in the U S for emission testing and certification of
engines and vehicles. The chassis dynamometer cycle for light duty
vehicle testing is commonly referred to as FTP-75. The engine
dynamometer cycle for testing of heavy-duty (HD) engines is known
as HD FTP, or FTP Transient cycle.
Flash Point
The temperature at which a combustible liquid gives off just enough
vapor to produce a vapor/air mixture that will ignite when a flame is
applied. The flash point is measured in a standardized apparatus
using standard test methods, such as ASTM D93 or ISO 2719.
Flexible-Fueled Vehicle
A vehicle with the ability to operate on alternative fuels, 100 percent
petroleum-based fuels, or a mixture of alternative fuel and
petroleum-based fuels.
Fossil Fuel
Any naturally occurring organic fuel formed in the Earth’s crust,
such as petroleum, coal and natural gas.
Fuel cycle
The processes involved in extracting a fuel in its native form,
converting it to a useful product, transporting it to market, and
consuming it at its final destination.
224
Gas Turbine
A turbine powered by a gas, such as the hot gas produced in
combustion processes.
Gas Turbine Engine
A combustion engine utilizing a turbine, such as a jet engine.
Genset
Generator set, a generating system comprising a combustion engine
driving an electrical generator.
Geometric Surface Area (GSA)
In monolith catalyst substrates, the total channel surface area per unit
of substrate volume.
Gross Vehicle Weight (GVW)
The maximum loaded weight (including the vehicle itself,
passengers, and cargo) for which a vehicle is designed, as specified
by the manufacturer. Often used as a criterion of vehicle size for the
purpose of legislation; the exact definition may vary depending on
the jurisdiction.
Hybrid Electric Vehicle (HEV)
Hybrid-electric vehicle. Various types of electric vehicles that use
another power source to propel the vehicle or generate power for an
electric drive train, or a combination of the two types.
Hydraulic/Electronic Unit Injector (HEUI)
A type of unit injector actuated by engine oil pressure rather than the
camshaft. A very high oil pressure (up to 3,000 psi) is created by a
separate oil pump. This high pressure is routed to every injector
through a gallery. The engine’s Electronic Control Module varies the
pressure in response to engine speed and other parameters.
Hydromechanical Injection
An injection system in which mechanical parts work through
hydraulic pressure to meter and time the injection of fuel. No
electronics are incorporated into hydromechanical injection systems.
Ignition Delay
The length of time or number of degrees of crankshaft rotation
between the beginning of injection and ignition of the fuel.
In-Direct Injection (IDI)
In diesel engines with in-direct injection the fuel is injected to an
auxiliary pre-chamber. Combustion starts in the prechamber and
propagates to the cylinder.
225
Inherently Low Emission Vehicle (ILEV)
Any vehicle that is certified to meet transitional low-emission
vehicle standards established by the California Air Resources Board
(CARB) and does not emit any evaporative emissions.
Injection Period
The time, measured in degrees of crankshaft rotation, between the
beginning and end of injection. On engines with hydro mechanical
injection systems, it is controlled by the opening and closing of ports
in the injector body or by the action of a plunger forcing fuel out of a
cup. On electronic injection systems, it is determined directly or
indirectly by the action of a solenoid valve.
In-Line Injection Pump
An injection pump with a separate cylinder and plunger for each
engine cylinder. Each plunger is rotated by a rack to determine
metering via ports in the body of the pump and helical cuts on the
pump plungers. The plungers are driven off a camshaft, which
usually incorporates a centrifugal or electronically controlled timing
advance mechanism.
Inspection and Maintenance Programs (IM)
In-use emission testing programs, primarily for passenger cars, used
by some U.S. states to identify vehicles that cause excessive
emissions which contribute to air pollution.
Intumescent Mat
Ceramic fiber mat which irreversibly expands after exposed to high
temperature. Usually contains vermiculite. Intumescent mats are
used in the canning of catalytic converters and diesel filters to hold
the ceramic substrate inside the steel canister.
In-Use Deterioration (IUD)
The effect of time and use on vehicle performance and emissions.
Lean NOX Catalyst (LNC)
Catalyst designed to reduce nitrogen oxides from diesel or spark-
ignited engine exhaust gases under net oxidizing conditions, i.e., in
the presence of excessive amount of oxygen.
Light Duty Vehicle (LDV)
A passenger car or small truck.
Liquefied Natural Gas (LNG)
Natural gas that has been refrigerated to cryonic temperatures where
the gas condenses into a liquid.
226
Liquefied Petroleum Gas (LPG)
Liquefied Petroleum Gas (LPG) is a mixture of low-boiling
hydrocarbons that exists in a liquid state at ambient temperatures
when under moderate pressures (less than 1.5 MPa or 200 psi). LPG
is a by-product from the processing of natural gas and from
petroleum refining. Major components of LPG are propane (min.
85% content in the US), butane and propylene.
Low Emission Vehicle (LEV)
A vehicle that is certified to meet the LEV emission standards set by
the California Air Resources Board (CARB).
National Ambient Air Quality Standards (NAAQS)
Ambient standards for six pollutants including ozone, carbon
monoxide, nitrogen dioxide, lead, particulate matter, and oxides of
sulfur specifically regulated under the U S Clean Air Act of 1990.
Urban areas are required to achieve attainment in regards to ambient
concentrations of these criteria pollutants.
Natural Gas (NG)
A mixture of hydrocarbon compounds and small quantities of
various non hydrocarbon components existing in the gas phase or in
solution with crude oil in natural underground reservoirs. The main
component of natural gas is methane.
Nitrogen Oxides (NOX)
Several air-polluting gases composed of nitrogen and oxygen which
play an important role in the formation of photochemical smog.
Nitrogen oxides are collectively referred to as “NOX”, where “x”
represents a changing proportion of oxygen to nitrogen. Internal
combustion engines are significant contributors to the worldwide
nitrogen oxide emissions. For the purpose of emission regulations,
NOX is composed of colorless nitric oxide (NO), and the reddish-
brown, very toxic and reactive nitrogen dioxide (NO2). Other
nitrogen oxides, such as nitrous oxide N2O (the anesthetic “laughing
gas”), are not regulated emissions.
NMHC
Non-Methane Hydrocarbons.
NMOG
Non-Methane Organic Gases.
Nonattainment Area
A region that exceeds the U S National Ambient Air Quality
Standards (NAAQS) for one or more criteria pollutants. Such
227
regions, or areas, are required to seek modifications to their State
Implementation Plans (SIPs), setting forth a reasonable timetable
using means that are approved by the Environmental Protection
Agency (EPA) to achieve attainment of NAAQS by a certain date.
Under the Clean Air Act, if a nonattainment area fails to attain
NAAQS, the EPA may superimpose a Federal Implementation Plan
(FIP) with stricter requirements. Also, the EPA may impose fines,
construction bans, or cut-offs in Federal grant revenues until the area
achieves applicable NAAQS.
On-Board Diagnostics (OBD)
A system on board of the vehicle that monitors emission control
components and alerts the driver (e.g., by a dashboard light) if
malfunctions or emission deterioration occurs. The OBD system
involves a number of sensors and a data processor, which is typically
integrated with the vehicle’s electronic management system.
Open Frontal Area (OFA)
In monolith catalyst substrates, the part of the total substrate cross-
section area which is available for the flow of gas. The OFA is
frequently expressed as a percentage of the total substrate cross-
section and sometimes also called the substrate void fraction.
Original Equipment Manufacturer (OEM)
Manufacturers of equipment (such as engines, vehicles, etc.) that
provide the original product design and materials for its assembly
and manufacture. OEMs are directly responsible for manufacturing
and modifying the products, making them commercially available,
and providing the warranty.
Overhead Cam
A camshaft used for operating both valves and unit injectors, located
on top of or within the cylinder head. Such camshafts are driven by a
multi-gear geartrain off the crankshaft. They simplify the design of
the cylinder head and eliminate pushrods, allowing for much larger,
open intake and exhaust ports and better breathing.
Oxygen Storage Capacity (OSC)
A capacity of the catalyst washcqat to store oxygen at lean and to
release it at rich condition. Typically provided by cerium oxide
(ceria), which oscillates between an oxidized and reduced state,
depending on the exhaust gas chemistry. The OSC is an important
component of three-way catalysts, used to extend the catalyst
window.
228
Oxygenated Fuel
Any fuel substance containing oxygen, such as ethanol, methanol, or
biodiesel. Oxygenated fuel tends to give a more complete
combustion of its carbon into carbon dioxide (CO2), thereby
reducing emissions of hydrocarbons and carbon monoxide.
Oxygenated fuels may result in increased nitrogen oxides emissions.
Ozone (O3)
An oxygen molecule with three oxygen atoms. The stratosphere
ozone layer, which is a concentration of ozone molecules located at
10 to 50 kilometers above sea level, is in a state of dynamic
equilibrium. Oxygen molecules absorb ultraviolet (UV) light to form
ozone which, in turn, decomposes back to oxygen. These processes
absorb most of the ultraviolet light from the sun, shielding life from
the harmful effects of UV radiation. Ozone is normally present at
ground level in low concentrations. In cities where high level of air
pollutants is present, the action of the sun’s ultraviolet light can,
through a complex series of reactions, produces harmful
concentrations of the ground level ozone. The resulting air pollution
is known as photochemical smog.
Particulate Matter (PM)
Particles formed by incomplete combustion of fuel. Compression
ignition (diesel) engines generate significantly higher PM emissions
than spark ignited engines. The particles are composed of elemental
carbon, heavy hydrocarbons (SOF), and hydrated sulfuric acid
(“sulfate particulates”).
Petroleum
A generic term applied to oil and oil products in all forms. Examples
include crude oil, lease condensate, unfinished oil, refined petroleum
products, and natural gas plant liquids.
Polycyclic Organic Matter (POM)
A class of air toxics defined in the US Clean Air Act as compounds
with more than one benzene ring and a boiling point of 100°C and
higher. Includes practically all of diesel PAH material.
Polynuclear Aromatic Hydrocarbons (PAH)
Aromatic hydrocarbons with two or more (up to five or six) benzene
rings joined in various, more or less clustered forms.
Pour Point
A measure of the ability of a diesel fuel to operate under cold
weather conditions. Defined as the temperature at which the amount
229
of wax out of solution is sufficient to gel the fuel when tested under
standard conditions (ASTM D97).
Precombustion Chamber
A small, auxiliary combustion chamber connected by a narrow
orifice with the main chamber. Fuel is injected into the prechamber
and ignites there, causing hot gases to expand into the main chamber
(cylinder).
Propane (СзНв)
A normally gaseous straight-chain hydrocarbon. Propane is a
colorless paraffinic gas that boils at a temperature of -42°C. It is
extracted from natural gas or refinery gas streams.
Pump-Line-Nozzle Fuel System
A fuel system using a single injection pump driven off the geartrain
on the front of the engine that also drives the camshaft. The central
injection pump feeds a separate injection nozzle located in the
cylinder head above each cylinder. Lines which must be of exactly
equal length link each pump plunger with the associated nozzle.
Each nozzle incorporates a needle valve and the orifices which
actually handle atomization.
Purge Test
A test used to determine if fuel vapors are properly drawn from the
evaporative canister and the fuel tank into the engine for combustion.
If the purge system is not working properly, the evaporative canister
can become saturated and vent hydrocarbons into the atmosphere.
Reformulated Gasoline (RFG)
Gasoline whose composition has been changed, from that of
gasolines sold in 1990, to (1) include oxygenates, (2) reduce the
content of olefins, aromatics and volatile components, and (3) reduce
the content of heavy hydrocarbons to meet performance
specifications for ozone-forming tendency and for release of toxic
substances (benzene, formaldehyde, acetaldehyde, 1,3-butadiene,
and polycyclic aromatic hydrocarbons) into the air from both
evaporation and tailpipe emissions.
Renewable Energy
Energy obtained from sources that are essentially inexhaustible,
unlike fossil fuels. It includes conventional hydro-electric, wood,
bio-feedstocks, waste, geothermal, wind, photovoltaic, and solar
thermal energy.
230
Respirable Combustible Dust (RCD)
A method of measuring ambient DPM exposures using a combustion
process. Used in underground mines in Canada.
Rotary Injection Pump
A lower-cost injection pump used with pump-line-nozzle systems.
The pump has a central plunger system (usually consisting of two
opposing plungers) that provides fuel to every cylinder during the
required injection period. A plate located near the top of the pump
rotates, opening an appropriate orifice at the right time for
distribution to each cylinder’s injection nozzle through a separate
line. It is usually used with automotive or agricultural engines that
have lower performance and durability requirements than the heavy-
duty truck diesels.
SCAQMD
South Coast Air Quality Management District.
Selective Catalytic Reduction (SCR)
Tenn frequently used as a synonym for catalytic reduction of NOX in
diesel exhaust or flue gases by nitrogen containing compounds, such
as ammonia or urea. Such SCR systems are commercially available
for stationary applications and are being developed for mobile diesel
engines. Since “selective catalytic reduction” is a generic term which
also applies to other reactions, its use may lead to confusion in some
situations.
Size Selective Sampling (SSS)
A method of measuring ambient DPM exposures through a
mechanical separation (inertial impaction) of particles into two
fractions: above and below (typically) 0.8 pm, followed by
gravimetric analysis. Based on air quality research in underground
mining, it is believed that the particle fraction below the 0.8 pm cut
point can be attributed to diesel exhaust.
Soluble Organic Fraction (SOF)
The organic fraction of diesel particulates. SOF includes heavy
hydrocarbons derived from the fuel and from the engine lubricating
oil. The term “soluble” originates from the analytical method used to
measure SOF which is based on extraction of particulate matter
samples using organic solvents.
Super Ultra Low Emission Vehicle (SULEV)
A vehicle that meets the SULEV emission standards set by the
California Air Resources Board. The SULEV standards are more
stringent than the ULEV standards.
231
Supercharger
A compressor device to compress the combustion air or the air/fuel
mixture before it enters the engine cylinder. Superchargers are
typically driven by the engine itself, through a system of gears, a belt
drive, or by an electrical motor.
Swirl Combustion
A combustion chamber configuration which uses curved mixing
ridges in the intake ports and/or a re-entrant piston bowl (a bowl
whose top edges curve inward). Some swirl combustion chambers
have a larger rim around the outside of the piston and a more
compact combustion chamber or bowl. The swirl is used to reduce
particulate emissions.
Total Particulate Matter (TPM)
The total particulate matter emissions including all fractions of diesel
particulates, i.e. the carbonaceous, organic (SOF), and sulfate
particulates.
Transitional Low Emission Vehicle (TLEV)
A vehicle that is certified to meet the TLEV emission standards
established by the California Air Resources Board (CARB). The
TLEV standards are less stringent than the LEV standards.
Threshold Limit Value (TLV)
Time-weighted average concentration of an air pollutant at the
workplace for a conventional 8-hour workday and a 40-hour
workweek, to which nearly all workers may be repeatedly exposed
without adverse health effects.
Total Carbon (TC)
The sum of the elemental carbon and organic carbon associated with
diesel particulates. Typically amounts to 80-85% of the total DPM
mass.
Turbine
A rotary machine which extracts mechanical shaft power from the
working fluid (gas or liquid) using rotor vanes.
Turbo Lag
The time delay between injecting fuel to accelerate and delivering air
to the intake manifold by the turbocharger. This phenomenon may
cause black smoke emissions in some turbocharged diesel engines
during acceleration.
Turbocharging
A process of compressing the engine intake air charge in order to
allow more air and fuel into the cylinder and, thus, to increase the
232
engine power output. The compressor, called the turbocharger, is
driven by an exhaust gas propelled turbine.
Turbo Generator
Gas turbine combined with an electrical generator.
Ultra-Low Emission Vehicle (ULEV)
A vehicle that meets the ULEV emission standards set by the
California Air Resources Board. The ULEV standards are more
stringent than the LEV standards.
Unit Injector
An injector which is camshaft-driven and incorporates a plunger.
The plunger works in conjunction with orifices in the injector body
to determine the beginning and end of injection. The plungers has a
helix and is rotated by a rack so the beginning and end of injection
can occur closer together or farther apart, thus shortening or
lengthening the injection period and changing metering. A special
pump which supplies fuel through an orifice to the injector operates
at a pressure which is precisely controlled depending on the changes
in engine speed.
VMT
Vehicle miles traveled.
Volatile Organic Compounds (VOC)
Hydrocarbon-based emissions released through evaporation or
combustion. The term VOC is usually used in regard to stationary
emission sources.
Volatile Organic Fraction (VOF)
The organic fraction of diesel particulate matter as determined by
vacuum evaporation. It may or may not be equivalent to the SOF
fraction. Depending on the exact analytical procedure, the VOF may
include the organic material (SOF) as well as some of the sulfate
particulates which, being composed primarily of hydrated sulfuric
acid, are also volatile.
White Smoke
The smoke emitted during a cold start from a diesel engine,
composed mainly of unbumt fuel and particulate matter.
Zero Emission Vehicle (ZEV)
A vehicle that is certified to meet the most stringent emission
standards established by the California Air Resources Board
(CARB). These standards require zero regulated emissions of
nonmethane organic gases (NMOGs), carbon monoxide (CO) and
nitrogen oxides (NOX). A ZEV is most likely powered by electricity,
fuel cells or hydrogen.
233
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.	Беляев С. В. Перспективные топлива для ДВС: Учеб, пособие /
ПетрГУ. Петрозаводск, 1991. 46 с.
2.	Боксерман Ю. И. и др. Перевод транспорта на газовое топливо.
М.: Недра, 1988. 224 с.
3.	Васильева Л. С. Автомобильные эксплуатационные материалы:
Учебник для вузов. М.: Наука, 2003. 422 с.
4.	Сомов В. А., Ищук Ю. Г. Судовые многотопливные двигатели.
Л.: Судостроение, 1984. 240 с.
5.	Водородная энергетика и топливный элемент в России // www.ug.ru
6. Гулин Е .И., Якубов Д. П., Сомов В. А. Справочник по горюче-
смазочным материалам в судовой технике. Л.: Судостроение, 1987.
224 с.
7.	Дожин В., Яковицкий А., Лещенко А., Востров А. Газовое топ-
ливо и экономика // Автомобильный транспорт. 2002. № 6. С. 34-35.
8.	Манусаджянг] О. И., Смаль Ф. В. Автомобильные эксплуата-
ционные материалы: Учебник для техникумов. М.: Транспорт,
1989.271 с.
9.	«Лада-Антэл» - российский автомобиль на ТЭ // www. auto-
citychannel.сот
10.	Лышко Г. 77. Топливо и смазочные материалы. М.: Агропром-
издат, 1985. 336 с.
11.	Топлива, смазочные материалы, технические жидкости.
Ассортимент и применение: Справочник / И. Г. Анисимов,
К.М. Бадыштова, С. А. Бнатов и др.; Под ред. В. М. Школьникова.
2-е изд., перераб. и доп. М.: Издательский центр «Техинформ»,
1999. 596 с.
12.	Смаль Ф. В., Арсенов Е. Е. Перспективные топлива для авто-
мобилей. М.: Транспорт, 1979. 151 с.
13.	Alternative Cars in the 21st Century 416 p. Robert Q. Riley
14.	Brian Cook. An introduction to fuel cells and Hydrogen
technology. Canada. 2001.
15.	DaimlerChrysler Hightechreport. The fascinotion of research and
technology. Issue 2/2003.
16.	DaimlerChrysler - Innovation - Energy for theFuture //
www.daimlerchrysler.com
17.	Development and Commercialization of lOkw Solid Oxide Fuel
Cell (SOFC) Power Systems.
234
18.	DOE-Industry Partnership Developing Prototype Hybrid Electric
Ultra light Stainless Steel Bus. Freedom Car and Vehicle Technologies.
April 2004.
19.	Fuel Cell Technology for Vehicles 282 p. Society of Automotive
Engineers. 2004.
20.	Fuel Economy in Road Vehicles Powered by Spark Ignition
Engines. New York, 1984. 504 p.
21.	Fuels for advanced CIDI Engines and fuel cells. Annual Progress
Report US. Department of Energy, 2000.
22.	Future Wheels II: A Survey of Expert Opinion on the Future of
Transportation Fuell Colls. NAVC. DARPA. 2003. 52 p.
23.	HEVs to claim more territory. New York. NY december 18, 2003.
Website: http://www.HEVProgress.com
24.	Shawn Thomae I Fuel Cells - Green Power. Los Alamos National
Laboratiry. 1999. 32 p.
25.	Toyota environmental updates. Twenty-fifth issue. April 2004.
26.	Материалы и проспекты зарубежных компаний и фирм
участников специализированных выставок.
235
Учебное издание
Беляев Сергей Васильевич
Беляев Владимир Васильевич
ТОПЛИВА ДЛЯ СОВРЕМЕННЫХ
И ПЕРСПЕКТИВНЫХ АВТОМОБИЛЕЙ
Свойства - применение - экономия
Учебное пособие
Редактор С. Л. Смирнова
Оформление обложки и компьютерная верстка Д. Е. Афанасьев
Подписано в печать 20.11.04. Формат 70x100 '/]6.
Бумага офсетная. Печать офсетная.
Уч.-изд. л. 14,8. Усл. кр.-отт. 119. Изд. № 175.
Тираж 1000 экз.
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
ПЕТРОЗАВОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Отпечатано в типографии Издательства
Петрозаводского государственного университета
185910, г. Петрозаводск, пр. Ленина, 33
Обложка напечатана в типографии «Скандинавия»
185000, Петрозаводск, ул. Шотмана, 13
т.(8142) 768-868. http/Avww.scandinavia.onego.ru
Лиц. Минпечати РФ ИД № 02179 от 28.06.2000