Бензин состоит из молекул, составленных из цепочек углерода и водорода. Каждая цепочка молекулы имеет от 7 до 11 атомов углерода. Запасы бензина состоят из таких молекул.
Выражение энергии бензина
При сгорании бензина с идеальными условиями и большим количеством кислорода получаем двуокись углерода благодаря углеродным атомам в бензине, водородные атомы создают воду и много тепла. Один галлон бензина может дать примерно 132 миллиона Джоулей энергии, это соответствует 125 тысячам британских тепловых единиц или 36 650 ватт-часам.
Как получают бензин?
Бензин получают из сырой нефти — черной жидкости, добываемой из недр Земли. В ней присутствуют углеводородные молекулы различной длины, каждая из которых имеет свои особенности. Например, СН4 — одноатомная цепочка, известная как метан, является газом, легким как гелий и представляет собой наименьшую молекулу. Чем длиннее углеводородная цепочка, тем больше ее масса.
Четыре первые цепочки
CH4, C2H6, C3H8 и C4H10 образуют газы с температурой кипения от −161 до −1 градусов Фаренгейта (-107 до −18 градусов Цельсия). Цепочки от C18H32 имеют жидкостную форму при комнатной температуре. Структуры выше C19 при условиях обычной комнаты являются твердыми веществами.
Высокая Температура Кипения Отделяет Длинные Цепочки
Длинные цепочки имеют высокую температуру кипения и могут быть разделены при помощи дистилляции. Так происходит на нефтеперерабатывающих заводах — сырая нефть нагревается и разделяются различные цепочки по их температурам испарения.
Дистилляты — Легкие Вещества С Легким Испарением
C5, C6 и C7 цепочки — легкие, легко испаряющиеся светлые жидкости, называемые дистилляты. Они используются для создания растворителей, средств для химической чистки, красок и других быстросохнущих продуктов.
Формирование Бензина
Соединения от C7H16 до C11H24 используются для получения бензина. Температура испарения этих молекул ниже температуры кипения воды. Именно поэтому бензин выпаривается очень быстро при нанесении на землю.
Дизельное и Котельное Топливо
Дальше идут керосины и дизельное топливо, диапазон которых от С12 до С15. Также существует котельное топливо (например, для отопления домов).
Смазочные Масла
Далее идут смазочные масла. Они не испаряются при комнатной температуре. Например, моторное масло может работать весь день при температуре 250 градусов F (121 градус С), не испаряясь. Каталог смазочных масел включает в себя от очень легких (например, 3-в-1) до моторных масел различной плотности, плотных трансмиссионных масел и полутвердых смазок. Кроме того, в список включается вазелин.
Твердые вещества длиной в С20 и выше включают в себя парафин, гудрон и битум для асфальтированных дорог, полученных из нефти. Различие между ними лежит в длине углеродной цепочки!
Что же такое октановое число?
В большинстве автомобилей используется четырехтактный бензиновый двигатель. Один из тактов — такт сжатия, при котором в цилиндре сжимается смесь топлива и воздуха до маленьких размеров. Это называется коэффициентом сжатия двигателя, что обычно составляет от 8 до 1.
Октановое Число: Объем топлива, который можно Сжать до воспламенения
Когда топливо воспламеняется из-за сжатия и не искрами от свечи зажигания, это может стать причиной поломки двигателя. Для минимальных перебоев в работе двигателя, рекомендуется использовать низкооктановый бензин (например, 92-й). Это позволит избежать самовоспламенения при сжатии до той же меры, что и при использовании других топлив.
Определение Коэффициента Сжатия
Коэффициент сжатия Вашего двигателя оказывает влияние на октановое число бензина, необходимое для заправки автомобиля. Повышение мощности двигателя без изменения его объема возможно с помощью увеличения коэффициента сжатия. Таким образом, мощные двигатели имеют более высокий коэффициент сжатия, что потребует более высококачественного бензина. Выгода от такого подхода в том, что мощность двигателя увеличивается без дополнительного веса, что приводит к повышению производительности. Однако, дорогой бензин для такого двигателя является недостатком.
Происхождение термина «октановое число»
При переработке сырой нефти получаются цепочки углеводородов различной длины. Затем эти цепочки различной длины разделяются и смешиваются для получения различных видов топлива. Например, метан, пропан и бутан являются углеводородами. Метан содержит только один атом углерода. Пропан имеет три связанных атома углерода. Бутан имеет четыре связанных атома углерода. Пентан имеет пять, гексан — шесть, гептан — семь, а октан — восемь связанных атомов углерода.
Исследование Выявило Слабую Возможность Гептана Выдерживать Нагрузку.
Самовозгорание Происходит При Небольших Нагрузках. Октан Же Лучше Выдерживает Сильные Нагрузки — Такое Топливо Может Использоваться В Двигателях С Не Высоким Коэффициентом Сжатия.
Бензин С Октановым Числом 92 Содержит 92% Октана И 8% Гептана (Или Смесь Других Типов Топлива Аналогичных По Своим Свойствам Соотношению 92/8).
Присадки к бензину
Во время Первой Мировой войны обнаружили, что добавление к бензину вещества под названием тетраэтил увеличивает его октановое число. Благодаря этому стало возможным производство дешевых марок бензина. И так появился популярный «этиловый» или «этилированный» бензин. Но его использование имело негативные последствия.
Свинец в топливе приводит к поломке каталитического конвертера
Свинец является токсичным для живых существ, и по этому его использование в топливе вызвало повышение цен на бензин. Однако в самолетах до сих пор допускается употреблять этиловое топливо в двигателях с октановым числом 115, применяемых в наиболее мощных поршневых двигателях самолетов. Реактивные двигатели используют керосин.
Влияние свинца в топливе на каталитические конвертеры
Запрещение этилового топлива привело к подорожанию бензина, поскольку нефтеперерабатывающие заводы не могли производить дешевые виды с более высоким октановым числом. Однако свинцу по-прежнему разрешено использовать в самолетах, и по этому для мощных двигателей самолетов применяется бензин с октановым числом 115. Реактивным двигателям требуется керосин.
Вспомогательный Компонент — МТБЭ
МТБЭ, или метил-трет-бутиловый эфир, — несложная молекула, получаемая из метанола. МТБЭ добавляют в бензин из-за двух причин: повышение октанового числа и оксигенирование смеси (насыщение кислородом). При этом идеально должно понижаться кол-во несгор. углеводородов и угарного газа в выхлопе.
Применение МТБЭ распространилось после Закона о чистом воздухе 1990 г. Допустимый уровень МТБЭ в бензине составляет 10–15 %.
Вызовы при использовании МТБЭ
Основная проблема связана с тем, что МТБЭ — канцероген и легко растворяется в воде. При утечке бензина с этим аддитивом из подземных резервуаров на автозаправке, он может попасть в грунтовую воду, что вызовет её загрязнение. На практике не только МТБЭ, но и другие составляющие бензина могут попасть в воду при утечке.
Проблемы использования бензина
Сгорание бензина в двигателе связано с двумя проблемами. Первая — это образование сажи и загрязнение воздуха. Вторая — выброс углеродсодержащих и парниковых газов. При сгорании бензина в двигателе образуются побочные продукты, в результате чего выхлопные газы содержат углекислый газ и воду. К сожалению, двигатель внутреннего сгорания далек от совершенства. Кроме того, при сжигании бензина образуются:
Загрязнение Воздуха — Серьезная Проблема
Диоксид углерода — ядохимический газ, а оксиды азота являются основной причиной смога в городах. Несгораемые углеводороды, в свою очередь, имеют решающее значение для загрязнения воздуха. Каталитический конвертер может оказать значительную помощь в устранении большей части этих продуктов, но не является идеальным. Загрязнение воздуха от автотранспорта и электростанций — это очень проблематичная проблема в мегаполисах.
Углерод — это проблема
При сгорании углерода образуется большое количество углекислого газа. Большая часть бензина состоит из углерода, поэтому при сгорании одного галлона (3,8 л) бензина в атмосферу выбрасывается 5–6 фунтов (2,5 кг) углерода. В США ежедневно в атмосферу выбрасывается около 2 млрд. фунтов (900 млн. кг) углерода.
Замена бензина на водородное топливо
Активно изучают возможность замены бензина на водородное топливо. Это проистекает из того, что двуокись углерода из выхлопов автомобилей является парниковым газом. Если бы это был твердый углерод, то мы бы заметили за 1 кг сахарного песка на каждый литр бензина. Но поскольку это невидимый газ, многие просто забывают о нем.
Хотя дальнейшие эффекты неведомы, существует высокий риск климатических изменений, которые затронут все живое на планете (например, подняться уровень моря, после чего наводнения уничтожат прибрежные города). Поэтому исследуют замену бензина на водородное топливо.