Перше навчальне питання: Вимоги до експлуатаційних властивостей бензинів (детонаційна стійкість, випаровування, фракційний склад, стабільність та здатність до утворення відкладень, антикорозійні властивості)

Приступаючи до відпрацювання  питання викладач оголошує його,  роз’ясняє, відповідає на запитання студентів, добивається єдиного їх зрозуміння поставленої мети.
Викладаючи матеріал використовувати ілюстраційний матеріал. Доведення матеріалу навчального питання проводити з використанням опорних конспектів, створенням проблемних ситуацій та інших методичних прийомів,  які стимулюють підвищену зацікавленість студентів до вивчення навчального матеріалу.
В ході доведення питання основні положення дати під запис. Постійно підтримувати зв’язок з аудиторією.
Необхідно добиватися, того щоб студенти зрозуміли те що забезпечення військ якісним пальним впливає на тривалість експлуатації техніки,своєчасне виконання поставлених завдань
По закінченню викладання матеріалу питання викликати 2-3 студентів для контролю засвоєння даного питання.

Основними експлуатаційними властивостями бензинів є прокачуваність, випаровуваність, детонаційна стійкість і схильність до відкладень.

Прокачуваність бензинів характеризують такі їх фізико-хімічні показники, як в'язкість, вміст механічних домішок і води, температура початку кристалізації (нормується тільки для авто бензинів) і тиск насиченого пару.
Від в'язкості залежить кількість палива, що протікає через жиклер карбюратора або що поступає безпосередньо в циліндр двигуна. З усіх нафтових вуглеводневих палив в'язкість у бензинів є найменша і перебуває в межах від 0,4-0,8 мм2/с при 20°С до 12-15 мм2/с при мінус 40°С. Такі рівні в'язкості забезпечують надійну подачу бензину до камери згоряння карбюраторного двигуна і досить тонкий розпил при безпосередньому впорску в циліндр. З огляду на значний запас надійності по подачі у товарних бензинів в'язкість не нормується.
Механічні домішки можуть потрапити до бензину при перекачуванні, транспортуванні, прийомі-видачі, зберіганні і заправлянні техніки, у вигляді пилу, піску, окалини, іржі, з погано захищених засобів зберігання, трубопроводів і рукавів, через нещільно закриту горловину резервуарів і засобів транспортування і заправляння. Механічні домішки в бензині не допускаються, оскільки вони можуть спричинити засмічення фільтрів і жиклерів і цим порушити подачу палива. Механічні домішки, особливо абразивні, потрапляючи до камери згоряння разом з робочою сумішшю, спричиняють додатковий знос деталей циліндро-поршневої групи двигуна.
Вода може потрапити до бензину такими ж шляхами, як і механічні домішки, а також за рахунок конденсації парів води в повітрі при малих диханнях резервуарів. Наявність води в бензині є особливо небезпечна при негативних температурах, оскільки кристали льоду, що утворилися, можуть значною мірою ускладнити подачу бензину  системою живлення двигуна. При температурах нижче за мінус 60°С з бензинів починають випадати кристали високо плавких вуглеводнів і розчиненої води. З усіх вуглеводнів, що входять до складу бензинів, тільки бензол має високу температуру плавлення (5,4°С). Однак і він починає виділятися у вигляді твердої фази за температур вище мінус 60°С у разі значного вмісту в бензині.
Так, при вмісті 20% бензолу температура початку кристалізації бензину становить мінус 40 і мінус 20°С при вмісті 40% бензолу. Бензин при 20°С здатний розчинити від 0,01 до 0,04% води. Розчинність води визначається в основному кількістю ароматичних і неграничних вуглеводнів , що містяться в бензині, оскільки саме ці вуглеводні мають найбільшу гігроскопічність. При пониженні температури розчинність води зменшується, сягаючи при 0°С приблизно 0,005%. Тонко дисперсна емульсія води, що виділилася в бензині, існує вельми нетривалий час. У зв'язку з тим що всі компоненти бензину є неполярними речовинами, а в'язкість самого бензину є мала, відбувається швидке укрупнення мікро крапель води і випадання їх в осад за рахунок великої різниці щільностей бензину і води.
Порушення подачі бензину через виділення з бензину високо плавких вуглеводнів і кристалів льоду визначаються складом бензину і можливі лише при дуже низьких температурах, тому температура початку кристалізації для автомобільних бензинів не нормується.
У деяких випадках подача бензину може бути ускладнена або взагалі припиниться через утворення в паливній системі парових або пароповітряних пробок. Про схильність бензину до утворення парових і пароповітряних пробок судять по тиску його насичених парів. Чим вище тиск насичених парів, тим інтенсивніше випаровується бензин. Якщо тиск насичених парів зрівняється з зовнішнім тиском, бензин скипає. Величина тиску насичених парів залежить від температури, тому з підвищенням температури збільшується небезпека виникнення парових і пароповітряних пробок. З цієї причини в автомобільних бензинах літнього виду, призначених для застосування в умовах підвищених температур, тиск насичених парів обмежений 500 мм.рт.ст. (66661 Па), в той час як зимового виду-700 мм.рт.ст. (93325 Па). При експлуатації автомобілів за гірських умов небезпека утворення парових і пароповітряних пробок збільшується.
Особливо небезпечним є утворення парових пробок і перебоїв в подачі палива в двигун за умов польоту літака, тому для авіаційних бензинів тиск насичених парів нормується ще більш жорстко - в межах 220-360 мм.рт.ст. (29326-47988 Па); нижня межа встановлена для забезпечення надійного пуску двигуна.
Порушення в подачі палива в низці випадків можуть бути викликані осмоленням жиклерів карбюратора або голки форсунки. Схильність бензинів до відкладень на деталях паливної системи характеризує вміст фактичних смол.
Випаровуваність. Випаровуваність бензинів впливає на легкість пуску, тривалість прогрівання, приймистість  і стійкість роботи двигуна. Від випаровуваності залежить повнота згоряння і ефективність застосування бензину. Випаровуваність бензинів характеризують такі його фізичні показники, як фракційний склад, тиск насичених парів, теплопровідність, теплоємність і прихована теплота випаровування.
Фракційний склад найбільш повно характеризує випаровуваність палива, показує залежність між температурою і кількістю фракцій, що википають при цій температурі.
Пуск двигуна в основному є ускладнений при низьких температурах навколишнього повітря. Під час пуску холодного двигуна частота обертання колінчастого вала, як правило, невелика і коливається від 40-50 хвил"1 (вручну) до 100-150 хвилевід стартера).
          В'язкість масла з пониженням температури збільшується (відповідно необхідно збільшити зусилля для провертання колінчастого валу і пов'язаної з ним шатунно-поршневої групи). Тому частота обертання колінчастого вала двигуна при низьких температурах завжди буде меншою, ніж при підвищених. У цих умовах розрядження у впускному колекторі і швидкість потоку повітря в дифузорі карбюратора будуть невеликими (3-4 м/с). При таких швидкостях повітряного потоку розпил бензину і подача його в циліндри двигуна будуть недостатніми. У результаті суміш бензину з повітрям, що утворилася, виявляється перезбідненою (ос=1,8-2,5), тоді як в перерахунку на все подане пальне а=0,8-0,9. Для усунення цього явища пальну суміш штучно збагачують до сс=0,8-1,0 за рахунок прикриття повітряної заслінки карбюратора при відкритих жиклерах. При цьому в перерахунку на все подане пальне а становить 0,1-0,2. Тому, щоб уникнути перезбагачення суміші по мірі прогрівання двигуна повітряну заслінку карбюратора знову відкривають. Про легкість пуску холодного двигуна судять по температурі википання 10% фракції і температурі початку кипіння бензину, а також по тиску насичених парів. Чим нижче температура початку кипіння і википання 10% фракції, чим вище тиск насичених парів, тим легше за інших
рівних умов запустити холодний двигун.

Однак існує деяка умовність даних залежностей, оскільки тут мало враховані фактори конструкції камери згоряння і впускної системи двигуна, в'язкість моторного масла, що застосовується і ін. У бензинів літнього виду температура кипіння 10% нормується не вище за 70°С, а зимового виду - 55°С . Використовуючи наведені залежності, можна вважати, що бензини зимового виду можуть забезпечити пуск холодного двигуна без попереднього підігріву в умовах температур до мінус 30°С. Тривалість прогрівання визначається інтервалом часу від пуску двигуна до виходу на тепловий режим, що забезпечує подальшу експлуатацію. Прогрівання вважають закінченим і двигун готовим до роботи під навантаженням, коли на режимі холостого ходу досягнуто практично повне випаровування бензину у впускному трубопроводі. При цьому температура пальної суміші підвищується за рахунок обігріву впускного колектора і сягає біля впускних клапанів 30-35°С.
На тривалість прогрівання нарівні з конструктивними чинниками особливо сильний вплив справляє середня температура перегонки бензину, яка умовно оцінюється температурою перегонки 50% фракції. Чим нижче ця температура, тим легше і повніше відбувається випаровування бензину при низьких температурах, тим швидше прогрівається двигун.
Тому для економії пального і скорочення тривалості прогрівання двигуна в зимовий час необхідно утеплювати капот автомобіля і прикривати жалюзі радіаторів.
Нарівні з тривалістю прогрівання температура перегонки 50% фракції сильно впливає і на приємистість двигуна, тобто на швидкість переходу двигуна на режим максимальної потужності. При різкому відкритті дросельної заслінки тепловий режим двигуна порушується через надходження до впускного трубопроводу великої кількості пального і холодного повітря. В результаті температура у впускному трубопроводі знижується і випаровування бензину погіршується. Горюча суміш виявляється збідненою. При надмірному збідненні суміші двигун взагалі може заглухнути. Для відновлення теплової рівноваги потрібний деякий час. Чим нижче середня температура перегонки бензину, тим швидше (за інших рівних умов) відновляться теплова рівновага і необхідний склад пальної суміші, а двигун вийде на режим максимальної потужності.
Бензин, що не випаровувався, змиваючи масло з дзеркала циліндра і знижуючи в'язкість моторного масла в картері, сприяє підвищеному зносу двигуна.
Найбільше розбавлення масла в картері, а отже, і максимальний знос спостерігаються у непрогрітого двигуна.
Кількість бензину, що не випаровувався, в робочій суміші зростає зі збільшенням вмісту високо киплячих фракцій і визначається температурами перегонки 90% фракції і кінця кипіння. З підвищенням температури перегонки 90% фракції і особливо кінця кипіння збільшується не тільки знос двигуна, але і відносна витрата бензину за рахунок неповного згоряння.
В міру зносу двигуна, особливо циліндро – поршневої  групи, витрата пального сильно збільшується.
Детонаційна стійкість. У карбюраторному двигуні при нормальному згорянні палива фронт полум'я рівномірно, зі швидкістю 25-40тм/с, поширюється від свічки до периферійних ділянок камери згоряння. Тиск і температура в камері згоряння плавно зростають. Досягаючи до кінця процесу згоряння відповідно 40-80 кг/ см2 і 2200-2800°С.
За деяких умов такий процес згоряння порушується, і воно набуває детонаційного характеру.
Детонацією або детонаційним згорянням палива називається нерівномірне, вибухоподібне згоряння робочої суміші. Детонація відбувається звичайно в останній фазі процесу згоряння, при догорянні останніх порцій суміші. Детонація відбувається звичайно в останній фазі процесу згоряння, при догорянні останніх порцій суміші. Швидкість поширення полум'я при детонації досягає 2500 м/с, температура зростає до 3700°С. Тиск при цьому зростає нерівномірно, досягаючи в окремих точках камери згоряння 160 кг/ см2
Відповідно до теорії, розробленої російськими вченими А.Н. Бахом, Н.Л. Календером і Н.Н. Семеновим, явище детонації пояснюється утворенням в робочій суміші нестійких органічних сполук, що легко розкладаються з вибухом і виділенням великої кількості тепла і котрі містять кисень перекису і гідро перекису.
З підвищенням температури і тиску в камері згоряння до моменту догоряння останніх порцій робочої суміші процес утворення перекису значно прискорюється і набуває характеру ланцюгової реакції. Прискоренню ланцюгової реакції сприяють радикали К-О-О-, що утворюються при розкладанні перекису, і які слугують активними центрами утворення нових перекису.
При досягненні певної концентрації перекису в окремих осередках відбувається їх бурхливе розкладання з вибухом. Під дією тепла, що виділяється при цьому, відбувається самозаймання прилеглих до центру вибуху порцій суміші. Нові фронти полум'я, що утворюються, з'єднуються між собою і з первинним фронтом, що приводить до різкого перестрибування фронту полум'я в нові, віддалені від фронту ділянки камери згоряння, до різкого зростання загальної швидкості згоряння робочої суміші. Значному підвищенню швидкості згоряння сприяють і ударні хвилі, виникаючі через різке стрибкоподібне підвищення тиску у осередках розкладання (з вибухом) перекису. Ударні хвилі, накладаючись одна на одну і поєднуючись з фронтом полум'я, утворюють детонаційні хвилі, які багато  разів відбиваючись від стінок камери згоряння, спричиняють вібрацію стінок. При цьому і тиск на поршень по мірі згоряння робочої суміші зростає не плавно, як за нормальної роботи, а нерівномірно, у вигляді ударних навантажень, що негативно впливає на ККД (коефіцієнт корисної дії) двигуна.
Не треба плутати передчасне запалення палива, що відбувається до іскри при контакті суміші з розжареними частками нагару, з детонацією, що відбувається, як правило, до кінця процесу згоряння.
Детонаційне згоряння суміші негативно впливає на роботу двигуна, скорочує термін його служби. Основними ознаками, по яких можна виявити виникнення детонації, і наслідками її є: дзвінкий металевий стукіт, перегрів двигуна, чорний димний вихлоп, різке зниження потужності двигуна, перевитрата пального і механічне руйнування деяких деталей двигуна.
Дзвінкий металевий стукіт виникає внаслідок вібрації стінок камери згоряння.
Перегрів двигуна відбувається внаслідок посилення тепловіддачі газів стінкам циліндра і днищу поршня зі збільшенням швидкості руху горючих газів в камері згоряння при детонації.
Чорний димний вихлоп є наслідком неповноти згоряння палива при детонації, дисоціації молекул і зриву масляної плівки зі стінок камери згоряння.
Різке зниження потужності двигуна є результатом неповного згоряння палива і нерівномірності наростання тиску в циліндрі двигуна при детонаційному згорянні.
До перевитрати пального призводить неповне згоряння і падіння потужності.
Механічне руйнування деталей двигуна відбувається внаслідок прогару клапанів, днищ поршнів, теплового розширення і заклинення поршнів в циліндрах.
Детонаційна стійкість автомобільних бензинів характеризується октановим числом, а авіаційних бензинів, крім цього, ще і сортністю.
Октанове число - умовна величина, чисельно рівна відсотковому (по об'єму) вмісту ізооктану (2,2,4-триметилпентана) в такій його суміші з нормальним гептаном, яка по своїй детонаційній стійкості в стандартних умовах випробування на спеціальних моторних установках є еквівалентна паливу, що випробовується. При цьому детонаційна стійкість ізооктану умовно прийнята за 100 одиниць, а нормального гептану за 0. Для автомобільних бензинів нормується октанове число, що визначається по моторним і дослідницьким методами.
У цей час октанове число за моторним і дослідницьким методами визначається на спеціальній одноциліндровий моторній установці УІТ-65, але за різних режимів випробування (частота обертання колінчастого валу, температура, вологість і ін.). Моторний метод моделює роботу двигунів на форсованих режимах при тривалих навантаженнях, характерних для роботи машин в заміських умовах; дослідницький метод - роботу двигунів машин при менших навантаженнях і температурних режимах, характерних для міських умов (часті зупинки, неповне завантаження транспортного засобу і т.п.).
Октанове число одного і того ж бензину, визначені моторним і дослідницьким методами, розрізнюються між собою. Наприклад, для авто бензину АИ-93 октанове число, визначене за дослідницьким методом, приблизно на 8 одиниць вище, ніж за моторним методом. Різниця між октановими числами, визначеними за дослідницьким і моторним методам, називають чутливістю бензину.
Різні вуглеводневі фракції бензину мають різну детонаційну стійкість. Тому фракціонування бензину у впускному колекторі двигуна, яке особливо помітно проявляється при різкому відкриванні дросельної заслінки, в деяких випадках приводить до появи детонаційних стуків в двигуні.
Умови роботи авіаційних поршневих двигунів відрізняються від умов, в яких працюють автомобільні двигуни, частотою обертання колінчастого вала, температурним режимом, наявністю наддуву та інш. Тому для оцінки детонаційної стійкості авіаційних бензинів нарівні з октановим числом нормується так звана сортність на багатій суміші і в умовах наддуву . Сортність пального показує, наскільки більше або менше можна отримати потужність (або середній індикаторний тиск) при роботі спеціального одноциліндрового двигуна на багатій суміші на пальному, що випробовується, в порівнянні з потужністю, яка розвивається цим же двигуном на ізооктані, потужність на якому умовно прийнята за 100% або 100 одиниць сортності. Наприклад, сортність 115 бензину Б-91/115 показує, що цей бензин при роботі спеціального одноциліндрового двигуна забезпечує збільшення потужності на 15% в порівнянні з роботою на чистому ізооктані. Як спеціальний одноциліндровий двигун при визначенні сортності бензинів застосовується моторна установка УІТ-1.
Підвищення детонаційної стійкості бензинів досягається підбором вуглеводневого складу, доданням високооктанових компонентів і введенням спеціальних присадок - антидетонаторів.
Детонаційна стійкість вуглеводнів залежить від їх молекулярної маси і будови та підвищується в ряду: н-алкани, н-алкени, ізоалкени, арени (ароматичні). З підвищенням молекулярної маси детонаційна стійкість вуглеводнів всіх класів знижується.
Отримання високооктанових бензинів шляхом тільки підбору вуглеводневого складу вельми складне і економічно недоцільне через велику складність виділення і незначного вмісту в сирій нафті високооктанових фракцій. Тому для підвищення детонаційної стійкості до базових бензинів додають високооктанові компоненти, що являють собою продукти вторинної переробки і органічного синтезу. В якості високооктанових компонентів використовуються суміші ізооктанів і ароматичних вуглеводнів. Ароматичні компоненти підвищують октанове число і сортність, а ізоалканові - головним чином октанове число. Додання ароматичних компонентів обмежується тим, що вони погіршують інші експлуатаційні властивості бензинів: підвищують гігроскопічність, нагароутворюючу здатність і спричиняють перегрів двигуна.
Антидетонаційними властивостями володіють металоорганічні сполуки свинцю, марганцю, заліза, олова, хрому, вісмуту, кобальту та ін., а також органічні речовини, наприклад ароматичні аміни, деякі ефіри, гомологи нафталіну.
У країнах колишнього СРСР найбільше розповсюдження в якості антидетонатора застосовували тетраетил свинець (С2H5)4Pb і тетраметил свинець (СНз)Рb.
Тетраетил свинець являє собою безбарвну прозору рідину з щільністю 1652,4 кг/м3, киплячу (з розкладанням) при 200°С . Нерозчинний у воді, добре розчинний в вуглеводнях, спирті, ефірі, ацетоні. ТЕС ефективно підвищує октанове число бензину при доданні до 3-4 г/л (0,3-0,4%).         Подальше підвищення концентрації ТЕС малоефективне.
      Бензини різного вуглеводневого складу володіють різною
приємистістю до ТЕС, тобто при доданні однакової кількості ТЕС октанове число різних бензинів підвищується неоднаково.
Найбільшу приємистість до ТЕС мають парафінові вуглеводні, найменшу-ароматичні і неграничні вуглеводні. Нафтенові вуглеводні займають проміжне положення. Підвищення вмісту сірчистих сполук знижує приємистість бензинів до ТЕС.
При згорянні бензину, що містить ТЕС, утворюється окис свинцю, що має низьку летючість (1пл=888°С); частина його відкладається на стінках камери згоряння, свічках, клапанах, що може призвести до швидкого виходу двигуна з ладу. Тому до ТЕС додають спеціальні речовини - виносники свинцю. В якості виносників свинцю найбільшого поширення дістали галоідоакіли (С2Н5Вґ, С2Н4Вґ2 та інш.). Галоідоакіли перетворюють металевий свинець і окисел свинцю при підвищених температурах в «летючі» галоідо похідні:
За умов підвищених температур галоідо похідні свинцю знаходяться в пароподібному стані і практично повністю виносяться з камери згоряння.
У СРСР як антидетонаційна добавка в основному вироблялася етилова рідина Р-9, яка складається з 54% ТЕС, 33% бромистого етилу, 6,8+0,5%-монохлорнафталіну, 0,1% барвника і наповнювача (гас або бензин). До 100% випускалась також рідина П-2 з мало летючим виносником дібромпропаном і 1-ТС з діброметаном.
Всі етиловані бензини забарвлені.
Склади зарубіжних етилових рідин приблизно такі ж, але в якості антидетонатора часто застосовується тетраметилсвинець (ТМС), в якості виносників свинцю - діброметан і діхлоретан. Етилові рідини, додані до товарних бензинів, в процесі зберігання повільно розкладаються з утворенням триалкільних сполук свинцю і осаду, що складається з різних сполук свинцю. Розкладання етилових рідин відбувається за рахунок їх постійного окислення киснем, розчиненим в бензині. ТЕС є надзвичайно сильною отрутою. Він проникає в організм через дихальні шляхи, а також легко всмоктується через шкіру. Граничне допустима концентрація ТЕС в повітрі становить 5 ? 10"6мг/л . Отруйними є свинцеві відкладення на деталях двигуна і осади в резервуарах після зберігання етилованого бензину.
Етиловані бензини в умовах застосування по отруйності практично не відрізняються від не етилованих. їх отруйність виявляється тільки при чищенні і ремонті тари з-під етилованого бензину, при ремонті двигунів, що працювали на етилованому бензині, при частому попаданні етилованого бензину на шкіру і одяг, при проливаннях етилованого бензину в закритих приміщеннях.
Останнім часом спостерігається тенденція до скорочення обсягу виробництва етилованих бензинів, ведеться безперервний пошук ефективних замінників. Наприклад, марганцеві антидетонатори. Ефективність ЦТМ, МЦТМ, ТЕС при доданні однакової кількості в товарні автомобільні бензини приблизно однакова. Однак при однаковій концентрації металу в бензині марганцеві антидетонатори більш ефективні. Основною перевагою ЦТМ є те, що його додання в концентрації 1 г/кг не підвищує токсичність бензину. Однак широке впровадження ЦТМ і МЦТМ стримується тим, що нагар, який залишається в двигуні (на стінках камери згоряння і свічках запалювання) після згоряння бензину з ЦТМ і МЦТМ, є електропровідним, що спричиняє перебої в роботі свічкою запалювання.
Схильність до відкладень. Бензини в процесі зберігання і застосування у двигунах утворюють відкладення в резервуарах, паливних баках, системі живлення (низькотемпературні), в камері згоряння, на поршнях і клапанах (високотемпературні). Схильність бензинів до відкладень оцінюється за вмістом смол, неграничних вуглеводнів і індукційному періоду, а також періоду стабільності і вмісту ТЕС. Смоли являють собою продукти окислювальної полімеризації і конденсації вуглеводнів. По мірі ускладнення складу і підвищення молекулярної маси і концентрації розчинність смолистих речовин в бензині меншає і вони випадають в осад у вигляді темно-коричневого липких відкладень.
Смоли спричиняють засмічення паливної системи, відкладаються на стінках паливних баків, покривають плівкою сітчасті паливні фільтри, зменшують прохідне січення паливо проводів. Шар смолистих відкладень на дифузорі, розпилювачах і інших деталях карбюратора може привести до перебоїв в роботі двигуна. Вміст смолистих речовин в бензині оцінюється показником «вміст фактичних смол».