Бензин — это алифатическое углеводородное топливо. Другими словами, состав молекул бензина ограничен углеродом и водородом. В одной молекуле бензина может содержаться от 7 до 11 атомов углерода. В бензине присутствуют различные молекулы.
Горение бензина
При сгорании бензина в идеальных условиях и в присутствии большого количества кислорода образуются две молекулы углекислого газа (благодаря атомам углерода, содержащимся в бензине), вода (благодаря атомам водорода) и значительное количество тепла. В одном галлоне бензина содержится примерно 132×106 джоулей энергии, что соответствует 125 000 британских тепловых единиц или 36 650 ватт-часов.
Получение Бензина
Для получения бензина необходимо использовать сырую нефть. Это черная жидкость, добываемая из глубин Земли. В ней содержатся углеводороды, атомы углерода соединены в различные цепочки. Оказывается, что разная длина цепочки влияет на свойства молекулы. Например, если атомов углерода всего один — СН4 получается метан, вещество легкое как гелий. Чем больше атомов в цепочке, тем больше вес молекулы.
Отголоски о Происхождении Углеводородов
Четыре первые цепочки — CH4 (метан), C2H6 (этан), C3H8 (пропан) и C4H10 (бутан) — представляют собой газы, их точки кипения составляют −107, −67, −43 и −18 °C соответственно. До C18H32 углеводороды растворимы воде при комнатной температуре, а те, выше C19, представляют собой твердые вещества.
Перестройка текста
При увеличении длины цепочки атомов, температура кипения повышается, поэтому частички могут быть отделены от других при помощи дистилляции. Этот процесс часто используется в нефтеперерабатывающих заводах для получения различных цепочек в результате нагревания нефти. Цепочки C5, C6 и C7 излучают легкие и легко испаряющиеся светлые жидкости, известные как дистилляты. Они используются для производства химических чистящих средств, растворителей для красок и других высокосохнущих материалов.
Получение Бензина
От C7H16 до C11H24 смешиваются для получения бензина. Что обусловливает быстрое испарение бензина при комнатной температуре, так как температура испарения этих соединений ниже температуры кипения воды.
Дизельное и Котельное Топливо
За бензином идет керосин, от С12 до С15, за которым последуют дизельное топливо и котельное топливо (например, для отопления домов).
Смазочные Масла
В конце идут смазочные масла, которые не испаряются при комнатной температуре. От очень легких (например, 3-в-1) до моторных масел различной плотности, очень плотных трансмиссионных масел и полутвердых смазок, а также вазелина.
Октановое число и Твердые вещества из Нефти
Материалы, полученные из сырой нефти, могут быть использованы для разнообразных целей. От парафина до асфальтового битума для проектировки дорог. Отличительной особенностью всех этих продуктов является длина углеродной цепочки, большая, чем C20. При этом, октановое число — это коэффициент сжатия двигателя, задающий степень сжатия топливно-воздушной смеси в цилиндре. Обычно это число находится в диапазоне от 8 до 1.
Октановые показатели указывают, какой объем топлива можно сжать, прежде чем оно самостоятельно вспыхнет. Если происходит зажигание из-за сжатия а не из-за искры из свечи зажигания, это может привести к проблемам в работе двигателя, в конечном итоге достигая его поломки. Низкооктановый бензин, например 92-й, обладает минимальным порогом до полного воспламенения.
Влияние Коэффициента Сжатия на Мощность Двигателя
Число октанов бензина, которым можно заправить авто, зависит от коэффициента сжатия двигателя. Один из методов повышения мощности двигателя без изменения его объема — увеличение коэффициента сжатия. Таким образом, двигатели с большей мощностью имеют высокий коэффициент сжатия, потребляя более высокооктановый бензин. Основной плюс высокого коэффициента сжатия — увеличение мощности двигателя без прироста веса, что повышает производительность. Но бензин для такого двигателя будет дороже.
Origin and Meaning of «Octane Number»
Оригинальное название «октановое число» происходит из-за переработки сырой нефти в цепочки углеводородов различной длины. Эти цепочки потом разделяются и смешиваются для создания разных видов топлива. Например, метан, пропан и бутан — углеводороды с 1,3 и 4 атомами соответственно. Пентан с 5, гексан с 6, гептан с 7 и октан с 8 связанными атомами углерода.
Гептан не выдерживает сжатие
Октан проявляет более высокую устойчивость — даже при сильном сжатии, он не подвергается самовоспламенению. Бензин имеет концентрацию 92% октана и 8% гептана (или иные горючие составляющие с аналогичными свойствами). При определенной концентрации смесь может подвергнуться возгоранию при определенной величине сжатия и может использоваться в двигателях с коэффициентом сжатия меньше данного показателя.
Добавление присадок к бензину
Во время Первой мировой войны было открыто, что при добавлении тетраэтила в бензин октановое число значительно увеличивается. Это позволило производить более дешевые варианты бензина, которые получили название «этиловый» или «этилированный». Но применять его не без последствий: результаты не всегда были благоприятными.
Вредное воздействие свинца в топливе
Свинец, содержащийся в топливе, способен за несколько минут повредить каталитический нейтрализатор, что приводит к его полному выходу из строя. Тонкий слой свинца покрывает Землю, и он очень токсичен для многих форм жизни, включая человека. Запрет этилированного топлива привел к росту цен на бензин, поскольку нефтеперерабатывающие заводы уже не могли повышать октановое число более дешевых сортов бензина. Этаноловое топливо с октановым числом 115 по-прежнему разрешено к использованию в самолетах и применяется, как правило, в самых мощных поршневых двигателях (в реактивных двигателях используется керосин).
Повышение Октанового Числа и Оксигенация смеси
Для повышения октанового числа и оксигенации смеси в бензин добавляется МТБЭ — метил-трет-бутиловый эфир. Это довольно простая молекула, получаемая из метанола. Оксигенат снижает количество несгоревших углеводородов и угарного газа в выхлопе. В таком случае, идеальное соотношение достигается благодаря насыщению смеси кислородом в процессе реакции горения.
Результат:
После принятия Закона о чистом воздухе в 1990 г. начало широкое применение МТБЭ со содержанием от 10 до 15%. Встала проблема поскольку МТБЭ является канцерогенным и легко растворяется в воде. Если он вытечет из резервуара на заправочной станции, то попадет в грунтовые воды, приведя к их загрязнению. Однако так же может произойти и с остальными присадками, содержащимися в бензине.
Проблемы сжигания бензина
Сжигание бензина в двигателе связано с двумя проблемами. Во-первых, образуется дым и загрязняется воздух. Во-вторых, выделяются углеродсодержащие и парниковые газы. При сгорании бензина в выхлопных газах образуются побочные продукты, такие как углекислый газ и вода. К сожалению, двигатель внутреннего сгорания не совершенен. Кроме того, при сжигании бензина образуются:
Загрязнение воздуха от автотранспорта и электростанций является существенной проблемой в мегаполисах.
Причины
- Монооксид углерода — токсичный газ.
- Оксиды азота — основная причина задымления в городах.
- Несгораемые углеводороды — основной источник загрязнения воздуха.
Решение
Каталитический конвертер помогает устранить большую часть этих веществ, но не является идеальным.
Проблема Углерода
Сгорание углерода приводит к созданию большого количества углекислого газа. Каждый галлон бензина (3,8 л) содержит примерно 5–6 фунтов углерода. Каждый день в атмосферу США выбрасывают почти 2 миллиарда фунтов углерода, что составляет около 900 миллионов килограмм. Углерод является отчасти решающей проблемой для постоянного выброса загрязняющих веществ в атмосферу.
Замена бензина на водородное топливо
Если бы наша рассматриваемая субстанция была твердым углеродом, то ее наличие было бы гораздо заметнее, сравнимо с тем, как будто вы выбрасываете по одному килограмму сахара на каждый литр бензина. Однако килограмм углерода выделяется в виде невидимого газа (углекислого), поэтому многие просто забывают об этом. Двуокись углерода, исходящая из выхлопной трубы автомобиля, является парниковым газом. Насколько последствия этого для долгосрочного хода неизвестно, но можно не сомневаться в том, что это может привести к крупным климатическим изменениям, отразившимся на всем живом на Земле (например, возможен скачок уровня моря, что приведет к наводнениям и затем к уничтожению городов). В связи с этим ведутся работы по замене бензина на водородное топливо.