Требования к автомобильному бензину и его влияние на отказы современных двигателей Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

^бодаУ*

Требования к автомобильному бензину и его влияние на отказы современных двигателей

А.А. Хазиев, доцент, руководитель испытательной лаборатории МАДИ, к.т.н.

В статье представлены требования к автомобильному бензину, анализ результатов лабораторных испытаний автомобильного бензина, проведенных в лаборатории «МАДИ-ХИМ», состояние качества бензина в Московском регионе и его влияние на отказы современных двигателей. Ключевые слова: автомобильный бензин, двигатели, отказы.

Число колесных транспортных средств (КТС) в РФ неуклонно растет. Только за 2012 г. в России было реализовано 2,9 млн новых легковых машин и легких коммерческих автомобилей, что на 10,7 % превосходит результат годичной давности. По состоянию на 1 января 2013 г. в России насчитывалось 50,5 млн транспортных средств, в том числе 38,7 млн легковых автомобилей, 5,7 млн грузовых и 924,5 тыс. автобусов [1].

Совершенствование конструкции автомобильных двигателей

Прослеживаются определенные тенденции, характерные для легковых автомобилей, - совершенствование конструкции, улучшение экономических и экологических показателей двигателей и автомобилей в целом, повышение динамических характеристик колесных транспортных средств.

Внедрение в конструкцию силовых агрегатов современных разработок и технических решений (непосредственный впрыск, изменяемые фазы газораспределения, система рециркуляции отработавших газов, применение впускных

трубопроводов с изменяемой геометрией, наддув, самодиагностика, система нейтрализации отработавших газов и т.д.) позволяет минимизировать расход топлива и уменьшить концентрацию вредных веществ в отработавших газах. Не случайно в соответствии с Постановлением Правительства РФ от 12.10.2005 г. № 609 (последующие редакции - Постановления Правительства РФ от 27.11.2006 г. № 718, от 26.11.2009 г. № 956, от 08.12.2010 г. № 1002, от 20.01.2012 г. № 2) выбросы автомобильной техники, выпускаемой в обращение на территории Российской Федерации с 1.01.2010 г., должны удовлетворять экологическому классу 4.

Требования к качеству автомобильного бензина

В целях снижения вредного воздействия автомобильного транспорта на окружающую среду в РФ установлены обязательные требования к качеству моторного топлива, которые изложены в техническом регламенте Таможенного союза «О требованиях к автомобильному и авиационному бензину, дизельному и судовому топливу, топливу для реактивных двигателей и мазуту» (ТР

ТС 013/2011), который утвержден решением комиссии Таможенного союза № 826 от 18.10.2011 г. [2].

Техническим регламентом установлены обязательные требования к качеству топлив, выпускаемых в оборот на территории Российской Федерации и Таможенного союза, и процедурам оценки их соответствия (таблица). В этом документе в первую очередь нормированы показатели качества топлив, характеризующие безопасность жизнедеятельности человека и окружающей среды. Не допускается применение в автомобильном бензине металлосодержа-щих присадок на основе марганца, свинца и железа. В зависимости от содержания потенциально вредных веществ установлены четыре экологических класса топлива, а также сроки поступления их в оборот:

• класс КЗ - до 31 декабря 2014 г.;

• класс К4 - до 31 декабря 2015 г.;

• класс К5 - срок не ограничен.

Обращение автомобильного бензина экологического класса К2 на единой таможенной территории Таможенного союза не допускается.

Для снижения объема вредных выбросов в атмосферу в техническом регламенте жестко нормирован

углеводородный состав автомобильных бензинов и содержание серы. С экологической точки зрения наиболее нежелательным является присутствие в бензине соединений серы и ароматических углеводородов. Сераорганические соединения сгорают с образованием оксидов серы Б02, Б03, которые при взаимодействии с влагой, содержащейся в воздухе и выделяющейся при сгорании бензина [3], образуют сернистую (Н2Б03) и серную (Н2Б04) кислоты. Введение ограничения по содержанию ароматических углеводородов связано с тем, что от них зависит количество твердых частиц и несго-ревших углеводородов в отработавших газах.

На этапах производства нефтепродуктов их качество проверяют на соответствие не только требованиям технического регламента, но и требованиям нормативного документа, по которому топливо было произведено. В настоящее время действует ряд национальных стандартов, регламентирующих качество автомобильного бензина:

• ГОСТ Р 51105-97 «Топлива для двигателей внутреннего сгорания. Неэтилированный бензин. Технические условия» устанавливает требования к автомобильным бензинам Нормаль-80, Регуляр-92, соответствующих нормам К3, К4, К5.

• ГОСТ Р 51866-2002 (ЕН 228-99) «Топлива моторные. Бензин неэти-

лированный. Технические условия» введен в действие 01.07.2002 г. и устанавливает требования кавтомобильным бензинам Премиум Евро-95, Супер Евро-98, соответствующих нормам К3, К4, К5.

В связи с тем, что федеральным законом «О техническом регулировании» установлен принцип добровольного применения национальных стандартов, на нефтеперерабатывающих заводах при производстве автомобильных топлив придерживаются в основном требований собственных технических условий. В настоящее время известно о наличии более 100 нормативных документов на изготовление автомобильного бензина [4].

Требования к характеристикам автомобильного бензина

(Приложение 2 к техническому регламенту Таможенного союза «О требованиях к автомобильному и авиационному бензину, дизельному и судовому топливу, топливу для реактивных двигателей и мазуту»)

Нормы в отношении экологического класса

Характеристики автомобильного бензина

К2 К3 К4 К5

Массовая доля серы, не более, мг/кг 500 150 50 10

Объемная доля бензола, не более, % 5 1 1 1

Массовая доля кислорода, не более, % Не определяется 2,7 2,7 2,7

Объемная доля углеводородов, не более, %

ароматических Не определяется 42 35 35

олефиновых Не определяется 18 18 18

Октановое число, не менее

по исследовательскому методу 80 80 80 80

по моторному методу 76 76 76 76

Давление насыщенных паров, кПа

в летний период 35...80 35.80 35.80 35.80

в зимний период 35...100 35.100 35.100 35.100

Концентрация, не более, мг/дм3

железа Отсутствие Отсутствие Отсутствие Отсутствие

марганца Отсутствие Отсутствие Отсутствие Отсутствие

свинца* 5 5 5 5

Объемная доля монометиланилина, не более, % 1,3 1,0 1,0 Отсутствие

Объемная доля оксигенатов, не более, %

метанола** Не определяется 1 1 1

этанола Не определяется 5 5 5

изопропанола Не определяется 10 10 10

третбутанола Не определяется 7 7 7

изобутанола Не определяется 10 10 10

эфиров, содержащих 5 и более атомов углерода в молекуле Не определяется 15 15 15

других оксигенатов (с температурой конца кипения не выше 210 °С) Не определяется 10 10 10

* Для Российской Федерации для экологических классов К2, К3, К4 и К5 отсутствие. ** Для Российской Федерации для экологических классов К3, К4 и К5 отсутствие.

2007 2008 Z009 2010 2011 2012 Змсслцсс

2013

Рис. 1. Доля автомобильного бензина, не соответствующего НТД, %

Таким образом, новые автомобили, ввозимые в РФ, производимые на территории России и соответствующие строгим экологическим классам 4 и 5, эксплуатируются в настоящее время в большей степени на топливе экологического класса 3, препятствующем обеспечению заявленных экологических характеристик КТС и, зачастую, снижающем надежность автомобильных двигателей.

Наличие большого числа нормативных документов, регламентирующих качество автомобильного

бензина, тем не менее, не позволяет владельцам автомобилей чувствовать себя и содержать свои транспортные средства в безопасности. До последнего времени заправка топливом в России напоминает русскую рулетку, причем нередко с более высокой результативностью.

По данным Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии, автомобильное топливо не соответствует нормативно-технической документации (НТД) на 40-45 % автозаправочных станций.

Рис. 2. Удельная доля показателей автомобильного бензина, не соответствующих НТД (за 8 месяцев 2013 г.), %

По словам руководителя агентства Григория Элькина, в 2011 г. в ходе проверки 560 АЗС нарушения технического регламента были выявлены на 232 заправочных комплексах [5]. Проверки позволили установить, что октановое число топлива на АЗС почти в половине случаев оказывается ниже заявленного. Как следствие - происходят отказы двигателей автомобилей еще на гарантийном пробеге.

Цифры, приведенные в докладе руководителя Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии, находят свое подтверждение и в деятельности лабораторий по испытанию нефтепродуктов. Так, по данным испытательной лаборатории МАДИ-ХИМ1, в последнее время наблюдается устойчивая тенденция ухудшения качества автомобильного бензина. За восемь месяцев 2013 г. 76 % образцов автомобильного бензина, поступивших на испытания в лабораторию, не соответствовали нормативно-технической документации (рис. 1).

Наиболее часто не соответствуют НТД следующие показатели автомобильных бензинов: фракционный состав, концентрация железа и марганца, октановое число по исследовательскому методу, концентрация смол, серы и др. (рис. 2).

Самая большая проблема последнего времени - рост числа образцов автомобильного бензина, не соответствующих НТД по показателю «фракционный состав» (рис. 3).

1 Испытательная лаборатория МАДИ-ХИМ Московского автомобильно-дорожного государственного технического университета (МАДИ) не занимается мониторингом качества топлива. Приведенные в статье данные - результат обращения юридических и физических лиц, сомневающихся по ряду причин в соответствии автомобильного бензина НТД.

<щ

Научные разработки и исследования

2012 в месяцев 2013

Рис. 3. Доля автомобильного бензина, не соответствующего НТД по показателю «фракционный состав», %

Доля такого бензина достигла в 2013 г. 54 %.

Причем, в большинстве случаев отклонение по фракционному составу связано с наличием в автомобильном бензине тяжелых фракций и превышением нормативной температуры конца кипения.

Влияние качества автомобильного бензина на отказы двигателей

Температура конца кипения бензина характеризует содержание тяжелых фракций, влияющих на полноту испарения топлива, разжижение масляной пленки в цилиндре двигателя. Высокая температура конца кипения свидетельствует о наличии большого количества тяжелых углеводородов. Поскольку тяжелые углеводороды испаряются не полностью, то, оставаясь в капельно-жидком

состоянии, они могут проникать через зазоры между цилиндром и поршневыми кольцами в картер двигателя, что приводит к разжижению моторного масла.

Учитывая, что во впрысковых двигателях подогрева воздуха на впуске нет, разбавление масла топливом наиболее остро проявляется в условиях низких температур и неоптимального теплового режима работы двигателя. При этом одновременно идут процессы снижения вязкости смазочного материала, окисления присадок масла, испарения легких фракций бензина из масла, накопления тяжелых углеводородов и низкотемпературного шлама, который образуется в двигателе в условиях низких температур работы силового агрегата при взаимодействии кар-терных газов, содержащих остатки топлива и воды с маслом.

Результатом этих процессов является ускоренное срабатывание присадок и потеря ресурса моторного масла, проявляющаяся в ухудшении вязкостно-низкотемпературных свойств смазочного материала и приводящая в отдельных случаях к полной потере текучести масла (рис. 4).

Чтобы снизить отрицательное влияние тяжелых углеводородов на

смесеобразование в цилиндрах двигателя в соответствии с введенным с 1.07.2002 г. ГОСТ Р 51866-2002 «Топлива для двигателей внутреннего сгорания. Неэтилированный бензин. Технические условия», температура конца кипения автомобильных бензинов Премиум Евро-95 и Супер Евро-98 снижена до 210 °С по сравнению с температурой конца кипения для бензинов Нормаль-80 и Регу-ляр-92, равной 215 °С согласно ГОСТ Р51105-97.

Опыт эксплуатации автотранспортных средств показывает, что отказ свечей зажигания, датчиков концентрации кислорода и каталитических нейтрализаторов может произойти при заправке топливно-

Рис. 5 Внешний вид свечи зажигания после использования бензина с присадками на основе железа

го бака автомобиля бензином с ме-таллосодержащими присадками на пробеге всего нескольких десятков километров.

Внешний вид свечи зажигания после использования бензина с антидетонаторами на основе соединений железа приведен на рис. 5.

Представленная свеча зажигания имеет платиновое напыление на электродах, большой зазор между электродами (1,4...1,5 мм), предназначена для работы на обедненных топливных смесях и должна обеспечивать полное сгорание топлива. Несмотря на то, что заявленный заводом-изготовителем ресурс свечи

составляет 100 тыс. км, отказала она после одной заправки автомобиля некачественным бензином в Москве.

Признаки наличия присадок на основе железа - отложения на изоляторе и электродах от ярко красного до бурого цвета. Черные дорожки на изоляторе от центрального электрода вниз на корпус - это следы пробоя искры от центрального электрода на массу и свидетельствуют они об отсутствии нормального искрообразо-вания в цилиндрах двигателя.

Нарушение искрообразования приводит к тому, что несгоревшее

Рис. 6. Каталитический нейтрализатор, прогоревший в результате использования бензина с большим количеством металлосодержащих присадок

Рис. 7. Разрушенный в результате детонации поршень автомобиля (пробег автомобиля 4200 км, октановое число бензина по исследовательскому методу 75)

в цилиндрах двигателя топливо попадает в систему нейтрализации отработавших газов автомобиля, где сгорает в присутствии катализатора с выделением СО2 , Н2О и большого количества теплоты. Поверхность сот нейтрализатора отработавших газов разогревается до критической температуры выше 1000 °С. Под действием высокой температуры керамические соты нейтрализатора деформируются, плавятся, нарушается их проходимость (рис. 6), их сопротивление возрастает, увеличивается противодавление в системе выпуска двигателя и т.д. В итоге снижается эффективность работы системы нейтрализации, что фиксируется кислородными датчиками. В отдельных случаях частицы керамики разрушенного каталитического

нейтрализатора за счет увеличения противодавления на выпуске попадают в цилиндры двигателя, вызывая критические износы и задиры цилин-дропоршневой группы, коренных и шатунных шеек коленчатого вала, постелей распределительных валов и других деталей.

Эксплуатация автомобиля на бензине с более низким октановым числом, чем рекомендуется руководством по эксплуатации, приводит к детонационному сгоранию топлива, что вызывает прогорание огневого пояска поршней и тарелок выпускных клапанов, разрушение поршневых колец и перемычек между ними, растрескивание

вкладышей коленчатого вала и др. (рис. 7).

Доля автомобильного бензина, не соответствующая НТД по показателю «содержание смол», достигала в 2005 г. 84 %. В отдельных образцах бензина концентрация смол превышала нормативное значение 5 мг/100 мл в сотни раз.

В настоящее время этот показатель называется «концентрация смол, промытых растворителем» и соответственно предполагает многократную промывку остатка после выпаривания бензина гептаном. Поэтому зачастую возникают парадоксы: впускные клапаны и камера сгорания двигателя в отложениях и нагаре, нарушается подвижность поршневых колец и впускных клапанов, а концентрация смол, промытых растворителем, практически равна нулю. Косвенно о возможной причине нарушения работоспособности двигателей можно судить по непромытым смолам (рис. 8).

Наличие смол в автомобильном бензине вызывает следующие нежелательные процессы и неисправности в двигателях:

2012 3 месяцев 2013

Рис. 8. Бензин с содержанием непромытых смол более 30 мг/100 мл, %

• сужение проходных сечений впускных трубопроводов;

• нарушение подачи и отказ топливных форсунок (рис. 9);

• нарушение подвижности и зависание впускных клапанов в направляющих втулках (рис. 10), сопровождающиеся потерей компрессии в цилиндрах и поломкой тарелок клапанов (рис. 11);

• нарушение подвижности поршневых колец;

• образование нагара в камере сгорания.

Бортовая система диагностики автомобилей в большинстве случаев не в состоянии выявить отмеченные неисправности, а уменьшение проходных сечений топливных форсунок блок управления двигателем компенсирует увеличением продолжительности времени открытия форсунок.

Эксплуатация автомобиля в этих условиях приводит к резкому

Рис. 10. Деформация стержня впускного клапана в результате удара поршня по зависшему клапану при использовании бензина с высокой концентрацией смол

увеличению выбросов вредных веществ и расхода топлива.

Таким образом, результаты испытаний автомобильного бензина, проведенных в лаборатории «МАДИ-ХИМ», свидетельствуют об обращении некачественного топлива в Московском регионе. По этой причине тысячи автовладельцев ежегодно обращаются на станции сервиса для устранения возникающих неисправностей и ремонта двигателей.

Наиболее часто не соответствуют НТД следующие показатели автомобильных бензинов: фракционный состав, концентрация железа и марганца, октановое число по исследовательскому методу, концентрация смол, серы и др.

Учитывая характер поступления некондиционного бензина влабора-торию и его характеристики, можно предполагать, что произведено оно не на НПЗ, а в условиях малотоннажного производства нефтепродуктов. Причины этого процесса, на наш

Рис. 11. Поломка тарелки впускного клапана в результате использования бензина с высокой концентрацией смол

взгляд, связаны с отсутствием системного контроля за всеми участниками топливного рынка, осуществляющими производство, хранение, транспортировку и реализацию автомобильного бензина.

С учетом свойств и характеристик газомоторного топлива проблемы, освещенные в статье, в меньшей степени актуальны для двигателей, использующих в качестве моторного топлива природный газ и пропан-бутан.

Литература

1. Официальный сайт ГИБДД МВД России [Электронный ресурс]: Сведения о количестве транспортных средств и прицепов к ним. - М.: ГИБДД МВД России по г. Москве, 2013. - Режим доступа: http://www.gibdd.ru/upload/iblock/278/ 27879c0d1f880b4b7d8008048db42694.pdf, свободный, загол. с экрана.

2. Технический регламент Таможенного союза «О требованиях к автомобильному и авиационному бензину, дизельному и судовому топливу, топливу для реактивных двигателей и мазуту» (ТР ТС 013/2011, утвержден Решением Комиссии Таможенного союза № 826 от 18.10.2011 г.). [Электронный ресурс]: - Режим доступа: http://www.tsouz.ru/KTS/KTS32/Documents/P_826_1.pdf, свободный, загол. с экрана.

3. Лаушкин А.В. Причины обводнения моторного масла в эксплуатации / А.В. Лаушкин, А.А. Хазиев // Вестник МАДИ. - 2012. - № 1 (28). - С. 63-67.

4. Шаталов К.В. Требования к качеству автомобильного бензина и дизельного топлива / К.В. Шаталов. - Сборник трудов по материалам 70-й научно-методической и научно-исследовательской конференции МАДИ. Секция Проблемы ТЭ и автосервиса ПС АТ. - М.: МАДИ, 2012. - С. 214-221.

5. Арабов П., Жебит М. Из бензина испаряется качество [Электронный ресурс]: - Экономика, 10 февраля 2012. - Режим доступа: http://www.izvestia.ru/ news/514922, свободный, загол. с экрана.

I ..ifffflrmnTr,.-. Д|Дн4Д1<

«Транспорт на альтернативном топливе» № 6 (36), декабрь 2013 г.