При какой температуре происходит самовоспламенение бензина

Любой, кто решит отыскать информацию о температуре кипения, горения или вспышки бензина обнаружит интересную вещь: даже в довольно авторитетных источниках между указываемыми значениями одного и того же параметра наблюдается существенная разница. Почему так происходит и каковы реальные величины?

Что такое бензин?

Этот пункт идёт первым, потому что он крайне важен для понимания вопроса. Забегая вперёд, скажем так: вы никогда не найдёте химической формулы бензина. Как, например, можно без проблем отыскать формулу метана или другого однокомпонентного нефтепродукта. Любой источник, который покажет вам формулу автомобильного бензина (не важно, будь то вышедший из оборота АИ-76 или наиболее распространённый сейчас АИ-95) однозначно заблуждается.

Дело в том, что бензин – это многокомпонентная жидкость, в которой как минимум присутствует не менее десятка различных веществ и ещё больше их производных. И это только база. Перечень присадок, используемых в различных бензинах, в разные промежутки времени и для различных условий эксплуатации, занимает внушительный лист из нескольких десятков позиций. Поэтому невозможно выразить одной химической формулой состав бензина.

Краткое определение бензина можно дать такое: легковоспламеняющаяся смесь, состоящая из лёгких фракций различных углеводородов.

Температура испарения бензина

Температура испарения – это тот тепловой порог, при котором начинается самопроизвольное перемешивание бензина с воздухом. Эта величина не может быть однозначно определена одной цифрой, так как зависит от большого количества факторов:

• базовый состав и пакет присадок – наиболее весомый фактор, который регулируется при производстве в зависимости от условий эксплуатации ДВС (климата, системы питания, степени сжатия в цилиндрах и т. д.);
• атмосферное давление – с повышением давления температура испарения незначительно снижается;
• способ исследования этой величины.

Для бензина температура испарения играет особую роль. Ведь именно на принципе испарения построена работа карбюраторных систем питания. Если бензин перестанет испаряться – он не сможет смешаться с воздухом и попасть в камеру сгорания. В современных авто с прямым впрыском эта характеристика стала менее актуальной. Однако после впрыска форсункой топлива в цилиндр именно испаряемость определяет, насколько быстро и равномерно туман из мелких капель перемешается с воздухом. А от этого зависит эффективность работы мотора (его мощность и удельный расход топлива).

В среднем температура испаряемости бензина находится в пределах от 40 до 50°C. В южных регионах эта величина часто бывает выше. Её не контролируют искусственно, так как в этом нет нужды. Для северных районов наоборот, её занижают. Обычно это делается не за счёт присадок, а за счёт формирования базового бензина из наиболее лёгких и летучих фракций.

Температура кипения бензина

Температура кипения бензина – также интересная величина. Сегодня мало кто из молодых водителей знает, что в своё время при жарком климате закипевший в топливопроводе или карбюраторе бензин мог обездвижить авто. Это явление просто создавало пробки в системе. Лёгкие фракции чрезмерно разогревались и начинали отделяться от более тяжёлых в виде пузырьков горючего газа. Автомобиль остывал, газы становились снова жидкостью – и можно было продолжать путь.

Сегодня бензин, реализуемый на АЗС, закипит (с очевидным бурлением с выделением газа) примерно при +80 °C с разбежкой в +-30% в зависимости от конкретного состава того или иного топлива.

Температура вспышки бензина

Температура вспышки бензина – это такой тепловой порог, при котором свободно отделяющиеся, более лёгкие фракции бензина воспламеняются от источника открытого пламени при нахождении этого источника непосредственно над исследуемым образцом.

На практике температуру вспышки определяют методом нагрева в открытом тигле.

В небольшую открытую ёмкость наливают исследуемое топливо. Далее его медленно разогревают без привлечения открытого пламени (например, на электроплите). Параллельно контролируется температура в режиме реального времени. Каждый раз при повышении температуры бензина на 1°C на небольшой высоте над его поверхностью (так, чтобы открытое пламя не соприкасалось с бензином) проводят источником пламени. В тот момент, когда появится огонь, и фиксируют температуру вспышки.

Проще говоря, температура вспышки отмечает тот порог, при котором концентрация в воздухе свободно испаряющегося бензина достигает величины, достаточной для воспламенения под воздействием открытого источника огня.

Температура горения бензина

Этот параметр определяет, какую максимальную температуру создаёт горящий бензин. И здесь также вы не найдёте однозначной информации, отвечающей на этот вопрос одной цифрой.

Как ни странно, но именно для температуры горения главную роль играют условия протекания процесса, а не состав топлива. Если посмотреть на теплотворную способность различных бензинов, то разницы межу АИ-92 и АИ-100 вы не увидите. На самом деле октановое число определяет исключительно стойкость топлива к появлению детонационных процессов. И на качество самого топлива, а уж тем более на температуру его горения, не влияет никак. Кстати, зачастую простые бензины, такие как вышедшие из оборота АИ-76 и АИ-80, более чистые и безопасные для человека, чем тот же AИ-98, модифицированный внушительным пакетом присадок.

В двигателе температура горения бензина находится в пределах от 900 до 1100°C. Это в среднем, при пропорции воздуха и топлива, близкой к стехиометрическому соотношению. Реальная температура горения может как опускаться ниже (например, активация клапана ЕГР несколько снижает тепловую нагрузку на цилиндры), так и повышаться при определённых условиях.

На температуру горения в значительной мере влияет и степень сжатия. Чем она выше, тем горячее в цилиндрах.

Открытым пламенем бензин горит при более низких температурах. Приблизительно, около 800-900 °C.

Взрывоопасные и пожароопасные свойства нефтепродуктов

Согласно ГОСТ 12.1.004-85 «Пожарная безопасность. Общие требования», жидкости, способные гореть, делят на:

• легко воспламеняющиеся (ЛВЖ);
• горючие (ГЖ).

ЛВЖ — жидкости, имеющие температуру вспышки не выше 61 °С в закрытом тигле или 65 °С в открытом тигле.

ГЖ — жидкости, имеющие температуру вспышки выше 61 °С в закрытом тигле или 66 °С в открытом тигле.

В соответствии с международными рекомендациями ЛВЖ делят на три разряда:

• разряд — особо опасные, с температурой вспышки минус 18 °С в закры­том тигле, или минус 13 °С и ниже в открытом тигле;
• разряд — постоянно опасные, с температурой вспышки от минус 18 °С до плюс 23 °С в закрытом тигле, или выше минус 13 до плюс 27 °С в открытом тигле;
• разряд — опасные при повышенной температуре, с температурой вспышки выше 23 °С до 66 °С в открытом тигле.

По этой классификации автомобильные бензины относят к I разряду осо­бо опасных легко воспламеняющихся жидкостей; дизельные топлива — к го­рючим жидкостям, способным самостоятельно гореть после удаления источ­ника зажигания; смазочные масла также относят к разряду горючих жидко­стей; пластичные смазки относят к группе горючих веществ (ГВ), которые способны гореть после удаления источника зажигания.

Характеристики взрыво- и пожароопасности горючих:               

• температура вспышки;
• температура воспламенения; .
• температура самовоспламенения;
• область воспламенения (температурные (ТПВ) и концентрационные пре­делы взрываемости (КПВ)).

Температура вспышки — самая низкая температура вещества (в стандарт­ных условиях испытания), при которой над поверхностью образуются пары или газы, способные вспыхнуть в воздухе от источника зажигания, однако скорость образования паров или газов недостаточна для длительного горе­ния. В зависимости от способа определения различают температуру вспышки в закрытом тигле и температуру вспышки в открытом тигле.

Температура вспышки позволяет судить о температурных условиях, при которых вещество становится огнеопасным. Она имеет принципиальное зна­чение для классификации нефтепродуктов и других горючих веществ по по­жарной опасности. Температура воспламенения — температура, при которой жидкость (го­рючее вещество — ГВ), нагреваемая в стандартных условиях, загорается при поднесении к нему пламени и горит не менее 5 секунд. Эта температура на несколько градусов превышает температуру вспышки.

Температура самовоспламенения — самая низкая температура, при кото­рой вещество в стандартных условиях может воспламеняться без открытого пламени. Воспламенение происходит в результате увеличения скорости экзо­термических реакций окисления паров ГВ в воздухе (или другого окислите­ля), заканчивающихся возникновением пламени.

Температуру самовоспламенения учитывают при:

• классификации газов и паров горючих жидкостей по группам взрывоо­пасности;
• выборе типа электрооборудования;
• определении температурных границ безопасного применения вещества при нагреве его до высоких температур;
• при расследовании причин пожаров.

Жидкости с низкой температурой вспышки имеют более высокие темпе­ратуры самовоспламенения, чем жидкости с высокой температурой вспыш­ки. Это объясняется разным механизмом процесса распространения пламени.

При наличии источника зажигания (пламени) в закрытом тигле фронт пламени заранее сформирован и для его распространения требуется лишь минимальная концентрация паров горючего вещества, способная гореть в воздухе, которая более быстро образуется у легко летучих жидкостей (бензи­ны).

В случае воспламенения жидкости от горячей поверхности критические условия воспламенения и распространения пламени более быстро создаются у тяжелых углеводородов, термически менее стойких к процессам распада и автокаталитического окисления. По этой причине более тяжелые углеводо­роды дизельного топлива самовоспламеняются при более низкой температу­ре, чем легкие термически стойкие углеводороды бензина. Область воспламенения газов (паров) в воздухе характеризуется граница­ми, в пределах которых смесь газа (паров) с воздухом способна воспламеняться от внешнего источника зажигания с последующим распространением пламе­ни.

Границы области воспламенения чаще всего выражаются концентрация­ми горючего вещества в смеси с воздухом в объемных процентах — концент­рационные пределы воспламенения, либо температурой — температурные пределы воспламенения (взрываемости). Концентрационные пределы взрываемости выражаются концентрацией горючего вещества в смеси с воздухом ниже и выше которых при заданных условиях пламя по смеси не распространяется.

Концентрационные пределы взрываемости паров некоторых горючих жидкостей в воздухе, % объемные

Эти пределы еще называются — концентрационными пределами распрос­транения пламени. Их два: нижний концентрационный предел распростране­ния пламени — НКПР и верхний — ВКПР.

Как будет показано ниже, понятия «взрываемость» и «распространение пламени» употребляется для характеристики одного и того же процесса — горения и различаются лишь по величине скорости процесса.

Нижний концентрационный предел взрываемости горючих газов веществ – наименьшая концентрация вещества в воздухе при атмосферном давлении, при которой смесь способна воспламеняться от внешнего источника зажига­ния с последующим распространением пламени на весь объем смеси, сопро­вождающимся взрывом.

Верхний концентрационный предел взрываемости горючих газов вещест – наибольшая концентрация вещества в воздухе при атмосферном давлении, при которой смесь теряет свою способность воспламеняться от внешнего ис­точника зажигания с последующим распространением пламени.

В зависимости от значений нижних пределов производства подразделя­ются на две категории:

А — где применяются вещества, нижний предел взрываемости которых 10 % и менее.

Б — где применяются вещества, нижний предел взрываемости которых более 10 %.

Автомобильные заправочные станции относятся к категории А. Концентрацию газа или пара в воздухе (внутри технологического аппарата), не превышающую 50 % нижнего предела взрываемости или выше на 50 % верхнего предела взрываемости, считают взрывобезопасной. Температурные пределы взрываемости выражаются температурой горю­чего вещества, ниже и выше которых при заданных условиях насыщенные пары горючего (максимально возможное давление паров жидкости при дан­ной температуре) в смеси с воздухом не воспламеняются.

Температурные пределы взрываемости нефтепродуктов в воздухе

Понятия «взрываемость» и «взрывоопасный» требуют некоторого пояс­нения.

Взрывоопасными веществами считают те, которые способны к взрывча­тому превращению под действием мощного инициирования. Взрывчатое превращение — процесс быстрого физического или химического преобразования, сопровождающийся переходом потенциальной химической энергии в тепловую, которая преобразуется в механическую работу движения образующихся газов. Способность химических веществ к взрывчатым превращениям определя­ется их экзотермичностью, высокой степенью и скоростью газообразования.

Нефтепродукты — горючее, масла и специальные жидкости не являются взрывчатыми веществами. Они не взрываются от капсюля детонатора, под действием ударной волны и от трения.

Однако при смешении паров нефтепродуктов с воздухом возможно обра­зование взрыво-, пожароопасных смесей, воспламенение и горение которых, особенно в замкнутых объемах носит взрывной характер по скорости рас­пространения пламени и давления.

Взрыво-, пожароопасные свойства товарных нефтепродуктов зависят от химического и углеводородного состава продуктов, что связано с химичес­ким составом сырья и технологией производства. Поэтому ха­рактеристики свойств в численном выражении отличаются для различных производств.

Показатели взрыво-, пожароопасных свойств некоторых нефтепроудктов

Автомобильные бензины представляют собой легко воспламеняющиеся горючие жидкости. Температура самовоспламенения автомобильных бензи­нов 255…370 °С, температура вспышки — минус 27 … минус 39 °С, область воспламенения 0,76—5,16 % по объему, температурные пределы воспламене­ния нижний минус 27 … минус 39, верхний минус 8 … минус 27°С.

Взрывоопасная концентрация паров бензина в смеси с воздухом составля­ет 1… 6 %.

Дизельное топливо представляет собой горючую жидкость. Температура самовоспламенения топлива летнего 300 °С, зимнего 33 0 °С, арктического 330 °С. Взрывоопасная концентрация паров дизельного топлива в смеси с воз­духом 2—3 % по объему. Температура вспышки дизельного топлива:

Общего назначения

летнего………………………………….. выше 40 °С

зимнего………………………………………………выше 30 °С

арктического…………………………… выше 30 °С

Для тепловозных и судовых дизелей

летнего……………………………………. выше 61 °С

зимнего…………………………………….выше 40 °С

арктического……………………………  выше 35 °С

Пожароопасные характеристики дизельного топлива различаются для топлив, полученных с различных нефтеперерабатывающих заводов.

Характеристики пожароопасности товарных дизельных топлив

где ТВ0 — температура вспышки в открытом тигле; ТВз — температура вспышки в закрытом тигле; ТС — температура самовоспламенения от нагретой поверхности; Твп — температура воспламенения в открытом тигле; Gr — массовая скорость горения;УФС — топливо утяжеленного фракционного состава.