Требования Всемирной топливной хартии к автомобильным бензинам

Октановое число – это мера способности бензина сопротивляться самовоспламенению; самовоспламенение может вызвать детонацию в двигателе. Имеется два метода лабораторных испытаний для измерения октановых чисел: один из них определяет октановое число по исследовательскому методу (ОЧИ), а другой определяет октановое число по моторному методу (ОЧМ). ОЧИ наилучшим образом коррелирует с условиями низкой скорости и средней детонации, а ОЧМ коррелирует с условиями высокотемпературной детонации и частичной работы дросселя. Значения ОЧИ обычно больше, чем значения ОЧМ.

Автомобили проектируются и настраиваются на определенное октановое число. Когда потребитель использует бензин с октановым числом меньшим, чем требуемое октановое число, возникает детонация, которая может привести к серьезному повреждению двигателя. Двигатели, снабженные датчиками детонации, могут работать при более низких октановых числах, уменьшая угол опережения зажигания; однако, увеличится расход горючего и снизится мощность, а при очень низких октановых числах детонация не исчезнет. Использование бензина с октановым числом большим, чем требуется, не улучшит качество работы автомобиля. Топливная хартия устанавливает три сорта бензина по октановому числу в каждой категории (91, 95 и 98 по ОЧИ).

Сера является природным компонентом сырой нефти. Если серу не удалить во время процесса переработки нефти, она будет загрязнять автомобильное топливо. Сера оказывает существенное влияние на автомобильные выбросы, снижая производительность катализатора и негативно влияя на датчики кислорода. Уменьшение концентрации серы приводит к уменьшению выбросов из всех автомобилей, оборудованных катализаторами.

Производители усиленно работают над снижением расхода топлива при сниженных выбросах углекислого газа. Работа на обедненной топливно-воздушной смеси – это наиболее перспективный способ достичь этого снижения в автомобилях, работающих на бензине. Однако возникает новая проблема, связанная с качеством очистки отработавших газов. В то время как несгоревшие углеводороды и СО эффективно удаляются с помощью существующих катализаторов во время работы на обедненной смеси, NOx удаляются только во время работы на стехиометрической или богатой смеси.

Катализаторы “Lean NOx absorber” работают, химически улавливая NOx во время работы на обедненной смеси. Затем NOx выделяются и разлагаются катализатором за несколько секунд работы на богатой смеси. Однако оксиды серы адсорбируются сильней и снижают поглотительную способность адсорбента по оксидам азота. Удаление серы требует более длительной работы на богатой смеси, что сводит на нет выгоды топливной экономичности, основанной на сжигании обедненной смеси. Однако, при использовании бензинов, не содержащих серу, будет сохраняться необходимая активность разложения NOx.

Свинец. Алкилсвинцовые топливные присадки ранее использовались как недорогие антидетонаторы для бензина. Однако их вредное влияние на здоровье привело к тому, что на многих рынках перестали использовать этилированный бензин. Следует все-таки обратить внимание на существующий автомобильный парк, так как для более старых автомобилей требуется наличие в топливе свинца (или топливных присадок, замещающих свинец) для защиты двигателя. Бензины с низким содержанием свинца (0.05 г/дм3) продаются на рынках этилированного бензина. Это снижает риск загрязнения и обеспечивает достаточную защиту двигателя. В то время как эффективность автомобильных катализаторов возрастает, стойкость к свинцовому отравлению остается очень низкой, так что даже слабое загрязнение свинцом может привести к разрушению современного катализатора. Следовательно, рынок бензина, не содержащего свинец, очень важен в долгосрочном плане.

Золообразующие топливные присадки могут негативно и необратимо повлиять на работу катализаторов и других компонентов (например, кислородного датчика), что приведет к увеличению выбросов. Таким образом, следует использовать высококачественный бензин, а использования золообразующих топливных присадок необходимо избегать.

МТМ (метилциклопентадиенил трикарбонил марганца) – это соединение на основе марганца, поставляемое как топливная присадка, увеличивающая октановое число, для бензина и топливная присадка, улучшающая сгорание, для дизельного топлива. Продукты горения МТМ образуют отложения на внутренних деталях двигателя, таких как свечи зажигания, приводя к перебоям зажигания, нарушению работы двигателя и повышенным выбросам. В результате растет число нареканий со стороны потребителей и гарантийных расходов производителя.

Продукты горения также накапливаются на катализаторе. Как только катализатор покрывается или забивается ими, время жизни и эффективность его уменьшаются. Продукты горения МТМ накапливаются на поверхности катализатора, но бортовая система диагностики может ошибочно показывать, что катализатор работает нормально. Таким образом, неисправность катализатора не будет замечена и устранена, в то время как автомобиль будет работать с повышенными выбросами загрязняющих веществ в атмосферу.

Ферроцен использовался как замена свинца для увеличения октанового числа для неэтилированных топлив на некоторых рынках. Он содержит железо, которое накапливается на катализаторах и других частях выхлопной системы в виде оксида железа. Оксид железа действует как физический барьер между катализатором/кислородным датчиком и отработавшими газами. В результате система очистки отработавших газов не способна функционировать, как требуется, что приводит к увеличению выбросов. Таким образом, использования ферроцена необходимо избегать в составе неэтилированного бензина.

Кремний не является естественным компонентом бензина. Однако иногда он появляется в товарном бензине при попадании отработанных растворителей, содержащих соединения кремния, используемых на нефтеперерабатывающих заводах. Такое загрязнение оказывает существенное негативное влияние на системы очистки отработавших газов. Кремний, даже в небольших концентрациях, может вызвать сбой работы кислородных датчиков и высокие уровни отложений в двигателе и катализаторах. Это может привести к отказу двигателя при использовании даже менее чем одного бака такого загрязненного горючего. Следовательно, в бензине не должно присутствовать обнаруживаемых концентраций кремния, а также он не должен использоваться как компонент какой-либо топливной присадки для улучшения характеристик бензина и двигателя.

Оксигенаты, такие как МТБЭ и этанол, часто добавляются в бензин для увеличения октанового числа или чтобы вызвать изменение в стехиометрии в сторону обеднения смеси для уменьшения выбросов оксида углерода. Работа на более обедненной смеси снижает выбросы оксида углерода на автомобилях с карбюраторами и топливными системами без электронного управления с обратной связью. Эти выгоды снижения выбросов не реализуются в полной мере в современных автомобилях, использующих электронное управление с обратной связью, потому что эффект обеднения имеет место только во время работы на холодном двигателе или во время быстрого ускорения. Это переобеднение может вызвать рост выбросов. Так как этанол имеет более высокую теплоту парообразования, чем эфиры, снижение ездовых характеристик автомобиля, использующего бензин с этанолом, происходит за счет дополнительной теплоты, необходимой для испарения бензина. Если используются оксигенаты, предпочтительно использовать эфиры. Использование метанола не допускается. Метанол – это агрессивное вещество, которое может вызвать коррозию металлических деталей топливных систем и разрушение полимеров.

Олефиновые углеводороды – это ненасыщенные углеводороды, которые являются высокооктановыми компонентами бензина. Однако они могут привести к образованию отложений и повышенным выбросам химически активных углеводородов, способствующих образованию озона и токсичных соединений. Олефиновые углеводороды термически нестабильны и могут привести к образованию смол и отложений в во впускной системе двигателя.

Ароматические углеводороды – это молекулы топлива, которые содержат, по крайней мере, одно бензольное кольцо. Они являются высокооктановыми и высокоэнергетическими компонентами бензина. Сгорание ароматических углеводородов может привести к увеличению содержания канцерогенного бензола в выхлопных газах и увеличению отложений в камере сгорания. Снижение объемной доли ароматических углеводородов в бензине существенно снижает выбросы токсичного бензола и углекислого газа.

Бензол – это природный компонент сырой нефти, являющийся высокооктановым продуктом каталитического риформинга. Для человека он является сильным канцерогеном. В атмосферу выделяется в результате испарения и с отработавшими газами.

Давление насыщенных паров бензина должно контролироваться по сезонам с учетом различных уровней испаряемости, необходимых при различных температурах. Давление насыщенных паров должно строго контролироваться при высоких температурах, чтобы снизить вероятность проблем, связанных с горячим топливом, таких как паровая пробка или перегрузка угольного фильтра (адсорбера). Контроль над давлением насыщенных паров при высоких температурах также важен для снижения выбросов за счет испарения. При более низких температурах более высокое давление насыщенных паров необходимо, чтобы позволить легкий запуск и прогрев двигателя.

Фракционный состав задается либо как ряд температур «Т» (Т50 – это температура, при которой выкипает 50% бензина), либо как ряд величин «И» (И100 – процент бензина, испарившегося при 100 градусах). Избыточно высокая температура Т50 (или низкий процент И100) может привести к плохому запуску и плохим рабочим характеристикам во время прогрева при умеренных температурах окружающей среды. Контроль над индексом пускового периода (ИПП), рассчитываемым по температурам, при которых выкипает 10%, 50% и 90% бензина, и объемной доле кислорода, может также использоваться как гарантия надежного холодного пуска и прогрева двигателя.

Паровая пробка. Излишне высокая испаряемость бензина может вызвать проблемы при нагревании топлива, такие как образование паровой пробки, перегрузка угольного фильтра и повышенные выбросы. Паровая пробка возникает, когда слишком много пара образуется в топливной системе и снижается подача топлива в двигатель. Это может привести к потере мощности, неустойчивой работе двигателя или к тому, что двигатель заглохнет. Так как давление насыщенных паров и фракционный состав не достаточны для того, чтобы гарантировать устойчивую работу автомобиля, необходимо установить некоторое соотношение паровой и жидкой фаз (показатель паровой пробки).

Топливные присадки для защиты от отложений. Сгорание даже очень качественного бензина может привести к образованию отложений. Такие отложения будут увеличивать выбросы из двигателя и негативно влиять на рабочие характеристики автомобиля. Высококачественное топливо содержит топливные присадки для защиты от отложений на форсунках и клапанах.

Однако моющие присадки обычно увеличивают уровень отложений в камере сгорания (ОКС) по сравнению с базовым горючим. Поэтому необходимо создавать оптимальные топливные присадки для максимального снижения ОКС, что позволит конструкторам двигателей улучшить конструкции камер сгорания для снижения выбросов и расхода горючего. Удаление ОКС может снизить углеводородные выбросы из двигателя на величину до 10%, СО – до 4% и NOx – до 15%.