ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ТОПЛИВАХ

 

Тепловые двигатели предназначены для преобразования тепловой энергии, образуемой при сгорании топлива, в механическую. Эти двигатели подразделяют на двигатели внешнего сгорания (паровые, Стирлинга и др.) и двигатели внутреннего сгорания.

Наибольшее распространение получили двигатели внутреннего сгорания. Среди этих двигателей наибольшее распространение получили поршневые двигатели, но в последние 40…50 лет развиваются и другие группы двигателей внутреннего сгорания: реактивные, газовые турбины.

В начале лекции я использовал термин «топливо». Однако бензин, дизельное топливо, газ следует называть «горючим», т.е. компонентом топлива, окисляющимся в процессе горения. Другим компонентом является «окислитель», в данном случае кислород, служащий для окисления горючего. Но исторически сложилось так, что термин «топливо» используется вместо термина «горючее».

 

Классификация топлив

 

Топлива для тепловых двигателей должны отвечать следующим основным требованиям:

1) полностью испаряться и сгорать с максимальным выделением тепла и минимальным образованием токсичных и коррозионных активных продуктов;

2) не вызывать затруднений при транспортировании, хранении и подаче по системам питания в любых климатических условиях;

3) быть недорогими и нетоксичными.

Топлива для ДВС разделяют по типу двигателя, для использования в котором они предназначены, - на бензины и дизельное топливо; по агрегатному состоянию - на жидкие и газообразные; по химическому составу - на углеводородные и неуглеводородные; по виду исходного сырья - на нефтяные и синтетические.

Более подробная классификация жидких топлив разделяет последние на пять групп:

Первая группа включает топлива для поршневых двигателей с принудительным воспламенением, т.е. карбюраторные двигатели и бензиновые двигатели с впрыском. Для этих двигателей необходимы легкоиспаряющиеся низкокипящие фракции углеводородов, с температурой выкипания в пределах от 40 до 200⁰ С. Это автомобильные и авиационные бензины.

Вторая группа. К ней относят топлива для поршневых двигателей с воспламенением от сжатия. Впрыск и распыливание в этих двигателях происходят в сильно нагретом воздухе » 700⁰ С. При таких температурах успевают испариться и образовать горючую смесь надлежащего состава более тяжелые фракции углеводородов с температурой выкипания в пределах 180...360⁰ С и больше (для тихоходных двигателей).

Третью группу составляют топлива для реактивных двигателей. К ним предъявляют особенно высокие требования, обусловленные необходимостью обеспечения надёжности летательных аппаратов. К этой группе относятся керосиновые фракции углеводородов с пределами выкипания 140...280⁰ С. При этом для сверхзвуковых самолётов можно использовать и более тяжёлые фракции, выкипающие до 315⁰ С.

Четвёртая группа включает топливо для газовых турбин (силовые установки кораблей, ж/д локомотивов и т.д., привод крупных насосных установок). Такими топливами являются тяжёлые дистиллятные фракции прямой перегонки нефти и вторичных процессов.

Пятая группа – это топливо для топочных устройств паросиловых установок транспортного и стационарного типа. Это тяжёлые остатки нефти после различных процессов переработки, а иногда тяжёлые нефти с малым содержанием лёгких фракций, которые экономически невыгодно перерабатывать.

Классификация нефтяных топлив для тепловых двигателей свидетельствует о том, что в качестве жидких топлив применяют практически все фракции нефти. Однако эффективность использования топлива наиболее высока в ДВС. Именно поэтому количество топлив для ДВС, получаемое из нефти, характеризует глубину переработки нефти. В настоящее время этот показатель во всех промышленно развитых странах составляет около 70 % и принимаются меры для его увеличения.

 

Альтернативные топлива

 

Уголь. В качестве источника получения такого топлива в первую очередь рассматривают уголь, запасы которого в мире превосходят запасы нефти и газа. При переработке угля можно получить жидкие продукты, содержащие углеводороды и неуглеводородные примеси. Наиболее прогрессивны методы термической обработки угля в атмосфере водорода в присутствии катализаторов. Из образующейся смеси широкого фракционного состава могут быть получены бензин и дизельное топливо.

Переработка угля путём газификации водяным паром даёт синтез-газ, из которого каталитической переработкой также получают жидкие топлива.

Газообразные топлива. Для котельных установок, электростанций, промышленных печей и других топочных устройств применяют газообразные углеводороды. В то же время всё большее распространение получает использование газообразных углеводородов в качестве топлив для ДВС и в прежде всего для двигателей с принудительным зажиганием.

Природные газы из газовых месторождений почти целиком состоят из метана (от 82 до 98 %) с небольшой примесью этана (до 6 %), пропана (до 1,5 %) и бутана (до 1 %).

В попутных газах нефтяных месторождений так же основным компонентом является метан, но содержание его колеблется в более широких пределах (от 40 до 85 %), чем в природных газах.

Состав заводских газов наиболее разнообразен. В них содержатся как парафиновые, так и олефиновые углеводороды (с одной двойной связью). Количество тех или иных углеводородов и их строение всецело зависят от технологии получения горючего газа на заводе.

Состав газов, получаемых на нефтеперерабатывающих заводах, зависит от типа установки, с которой он отбирается. Газы установок каталитических процессов содержат обычно намного меньше олефиновых углеводородов, чем газы термических процессов. Особенно много олефиновых углеводородов содержится в газах пиролиза и коксования. Однако такие газы чаще используются не как топливо, а как сырьё для синтеза пластических масс и других веществ.

В качестве топлива для газобаллонных автомобилей, помимо указанных выше, можно использовать коксовый и городской газы, получаемые при коксовании углей, канализационные газы, являющиеся продуктом переработки сточных вод городских канализационных систем и т.д.

Во всех горючих газах, используемых в качестве топлив для газобаллонных автомобилей, кроме углеводородов, содержатся другие составляющие: водород, окись углерода, двуокись углерода, азот, кислород, водяные пары, сероводород и т.д. Неуглеводородные составляющие горючих газов (водород и окись углерода) имеют невысокую теплоту сгорания, поэтому их присутствие снижает калорийность топлива. Такие компоненты как, как двуокись углерода и азот, не участвуют в сгорании и тем самым также снижают калорийность горючих газов. В необходимых случаях горючие газы специально очищают от неуглеводородных составляющих.

Таким образом, эффективность и особенности применения горючих газов обусловливаются составом и свойствами их углеводородной части. В зависимости от физических свойств углеводородной части все газообразные топлива условно делят на две группы - сжатые и сжиженные газы.

Сжиженные газообразные топлива содержат в основном пропан С₃Н₈ и бутан С₄Н₁₀. Каждый из этих углеводородов в отдельности или в смеси хранят при обычных температурах в жидком виде в баллонах при давлении 1,6 МПа. Критическая температура для пропана + 97⁰ С, для бутана + 125⁰ С.

Основной газообразный углеводород, используемый в сжатом виде, - метан. При температуре выше -82⁰ С (критическая температура) его нельзя превратить в жидкость при сжатии до любых высоких давлений. Его хранят в баллонах при давлении до 20 МПа. При охлаждении до -161⁰ С метан сжижается при атмосферном давлении.

Сжиженные газы (ГНС) в качестве автомобильных топлив имеют ряд преимуществ перед сжатыми газами (КПГ). Одним из главных преимуществ является более простая  и безопасная топливная аппаратура из-за:

-      низкого давления;

-      отсутствия необходимости в создании специального топливного бака в виде морозильной камеры и т.д.

Основные физические параметры нефтяных газов даны в таблице 1.

Таблица 1 – Физические свойства нефтяных газов

 

Показатели	Метан СН4	Этан С2Н6	Этилен С2Н4	Пропан С3Н8	Пропилен С3Н6	Н-бутан С4Н10	Изобутан С4Н10	Изобутилен С4Н8	Н-пентан С5Н12
Молярная масса	16,04	30,07	28,05	44,09	42,08	58,12	58,12	56,10	72,12
Температура, °С:   критическая кипения при 0,1 МПа	-82 -162	+32 -89	+10 -104	+96 -42	+92 -47	+152 -1	+124 -10	+143 -6	+197 -36
Плотность жидкой фазы при 15°С и  0,1 МПа, кг/м3	-	460	458	582	514	579	557	-	610
Плотность газовой фазы при 0°С и 0,1 МПа, кг/м3	0,67	1,356	1,261	2,019	1,915	2,703	-	1,937	3,220
Теплота парообразования при температуре кипения, кДж/кг	450	436	440	427	440	386	368	-	357
Количество воздуха, теоретически необходимого для сгорания 1 кг топлива, кг/кг	14,2	14,6	14,4	15,7	14,8	15,6	15,6	-	14,9
Теплота сгорания, МДж/кг	50,0	48,0	47,0	46,0	46,0	45,5	45,6	-	43,5
Октановое число: по моторному по исследовател.	104,0 -	99,5 116,3	91,0 -	96,3 111,9	84,9 102,6	90,1 95,8	98,0 102,1	88,0 101,0	105,0 -
Коэффициент объёмного расширения при температуре,°С: -20 0 +20 +40	-	-	-	1,043 1,094 1,156 1,236	1,044 1,098 1,164 -	1,033 1,067 1,108 1,155	1,036 1,075 1,121 1,175	-	-

 

Сжиженные нефтяные газы

Состав, свойства, марки. Наиболее широкое применение в качестве топлива для газобаллонных автомобилей получили сжиженные нефтяные газы (ГНС). К ним относят горючие газы, основными углеводородами, в которых являются пропан или бутаны. В таких газах возможно присутствие и олефиновых углеводородов (пропилен и бутилены), однако количество их обычно невелико, так как олефиновые углеводороды предварительно выделяют из горючих газов и используют в качестве сырья для нефтехимии. Таким образом, свойства сжиженных газов определяются количеством и свойствами пропана и бутана. Эти газы в отличие от метана тяжелее воздуха и поэтому при утечках скапливаются на полу, в смотровых канавах. Эти газы называют нефтяными попутными газами, потому что их получают в основном при добыче и переработке нефти.

Пропан и бутан имеют высокие октановые числа (см. табл. 1) очень маленькое цетановое число 4…5 пунктов. В жидкое состояние они переходят при обычной температуре под действием небольшого давления. Так при +20⁰С для перевода пропана из газообразного состояния в жидкое необходимо давление 0,85 МПа, для н-бутана – 0,21 МПа, для изобутана – 0,32 МПа. В связи с этим для хранения и транспортировки сжиженных газов используют баллоны с рабочим давлением 1,6 МПа. Такое давление обеспечивает содержание в жидком состоянии даже чистого пропана до температуры около +50⁰ C.

Для двигателей грузовых и легковых автомобилей, использующих в качестве моторного топлива сжиженный нефтяной газ, состав его регламентирован ГОСТ 27578-87 «Газы углеводородные сжиженные для автомобильного транспорта. Технические условия». Этот стандарт предусматривает две марки сжиженного нефтяного газа: зимний ПА (пропан автомобильный) и летний ПБА (пропан-бутан автомобильный).

Пропан автомобильный содержит 80…90 % пропана, остальное бутан, этан, метан и непредельные углеводороды. ПА применяется в диапазоне температур окружающей среды от -20 до -35⁰ C. 

Пропан-бутан автомобильный содержит 40…60 % пропана, остальное  бутан, этан, метан и непредельные углеводороды. ПБА применяется в диапазоне температур окружающей среды от +45 до -20⁰ C.

При температурах окружающей среды ниже – 35⁰ C, в соответствии с ТУ 33.1011184–89, применяют для автомобильного транспорта марку сжиженного нефтяного газа ЭПА(этан-пропан автомобильный). По своим физико-химическим и эксплуатационным показателям сжиженные нефтяные газы должны соответствовать значениям, указанным в таблице 2.

Таблица 2 – Показатели качества сжиженных газов  

Показатели	Марка сжиженного нефтяного  газа
	ПБА	ПА	ЭПА
Массовые доли компонентов:    Метан Пропан	Не нормируется 50 ±10                90 ±10              85 ±10
Сумма  предельных  углеводородов,   %   не  более      Объёмная доля жидкостного остатка при +400 C	Отсутствует   Отсутствует	6   то  же	6   Следы
Базовая  температура  ( 0C ) регламентации  избыточного максимального  давления  насыщенных паров    1,6 МПА    То же для минимального давления  0,07  МПА	+45   -20	+30   -35	+5   -40
Массовая доля серы и её соединений,  %, не более В том числе сероводорода, %  не более	0,01 0,003	0,01 0,003	0,01 0,003
Содержание воды и щелочей	Отсутствуют

На автомобильные газонаполнительные станции поступает также газ по ГОСТ 20448-90 «Газы углеводородные сжиженные для коммунально-бытового и промышленного потребления. Технические условия». В соответствии с этими техническими условиями производится топлива двух марок: смесь пропан-бутановая техническая зимняя (СПБТЗ) и смесь пропан-бутановая техническая летняя (СПБТЛ), с содержанием пропана 74% и 34% соответственно. Для этих газов предусмотрены более широкие допуски по содержанию компонентов и воздействию на двигатель и топливную аппаратуру.

 

  Условия  эксплуатации. Автомобильная газобаллонная установка рассчитана на подачу топлива к двигателю под давлением паров газа в баллоне. В связи с этим величина давления насыщенных паров сжиженных нефтяных газов имеет важное эксплуатационное значение. При любой температуре окружающего воздуха в баллоне со сжиженном нефтяным газом должно быть избыточное давление не менее 0,35…0,5 кг/см²., достаточное для надёжной подачи топлива к двигателю, а также для обеспечения пуска и прогрева холодного двигателя на газе из парового пространства баллона. Опыт эксплуатации показывает, что давление насыщенных паров сжиженных нефтяных газов для газобаллонных автомобилей должно быть не менее 2,7 кг/см² при температуре -20⁰ C. Так, углеводороды, входящие в сжиженные нефтяные газы различаются по давлению насыщенных паров, что позволяет производить газы, соответствующие времени года и климатическим условиям применения. Так сжиженный газ из пропана, хорошо отвечает требованиям зимней эксплуатации.

  Существенной особенностью сжиженных нефтяных газов является большой коэффициент объёмного расширения жидкой фазы ( таблица 1). Плотность жидкого пропана при 0⁰ C равна 0,53 кг/л., а при + 50⁰ C она снижается до 0,46 кг/л., при этом удельный объём возрастает на 15,4 % (объём 1 кг жидкого пропана увеличивается с 1,88 до 2,17 литров ). Эта особенность сжиженных нефтяных газов учитывается при заполнении баллонов, а именно, необходимо наличие большого (до 10 %) свободного, не заполненного топливом объёма в топливных баллонах.

В системах смесеобразования в двигатель газ подаётся в паровой фазе. Испарение топлива и подогрев паров, необходимый для компенсации охлаждения при расширении в редукторе, осуществляются в теплообменнике топливной системы. Теплота подводится от системы охлаждения или выпуска отработавших газов.

Для запуска холодного двигателя, когда теплоподвод к газу отсутствует, производят отбор газовой фракции из свободного объёма баллона. Длительная работа двигателя с отбором топлива из свободного объёма недопустима, так как приводит к переохлаждению топлива из-за затрат теплоты на испарение и неравномерному израсходованию компонентов, входящих в топливо. В первую очередь расходуется компоненты, обладающие наибольшим давлением насыщенных паров: пропан и пропилен. Это может привести к перебоям в подаче топлива.

Компоненты ГНС не обладают запахом, поэтому для обнаружения их утечек добавляют специальные продукты – одоранты, обладающие специфическим сильным запахом (С₂Н₅SН – этилмеркаптан), в количестве 0,2-0,3 г на 1000 м³ газа.

Сжиженные газообразные топлива (ГНС) имеют ряд существенных преимуществ перед жидкими топливами:

а) газообразные топлива являются наиболее дешёвыми видами топлива, так как могут использоваться непосредственно после получения с газовых, нефтяных месторождений без дополнительной переработки, иногда лишь после неглубокой очистки.

Огромные ресурсы газообразных топлив, строительство мощных газопроводов, открытие новых газоносных площадей — всё это свидетельствует о несомненной перспективности газообразных топлив;

б) сжиженные нефтяные газы имеют высокую детонационную стойкость, что позволяет использовать их в двигателях с большой степенью сжатия, и соответственно высокими технико-экономическими показателями;

в) при использовании газообразных топлив в результате лучшего смесеобразования и более совершенного протекания процесса сгорания образуется меньшее количество отложений в двигателе, а в отработавших газах уменьшается содержание токсичных компонентов: в 1,7…2,3 раза по окиси углерода и в 5…7 раз по соединениям серы;

г) применение газообразных топлив повышает долговечность двигателя в 1,25…2,0 раза. Отсутствие жидкой фазы топлива предотвращает смывание масляной плёнки со стенок цилиндра и колец и тем самым значительно снижает износ цилиндропоршневой группы; 

д) срок смены масла увеличивается в 2…2,5 раза, угар масла уменьшается на 30…40 %. Межремонтный пробег автомобилей на сжиженном нефтяном газе возрастает в 1,4…2 раза. Улучшаются условия работы свечей зажигания и срок их службы увеличивается в 2…3 раза.

К недостаткам автомобилей, работающих на сжиженном газообразном топливе относят:

а) снижение пробега без дозаправки в 1,5…3,0 раза;

б) уменьшение полезной нагрузки на 5…10 %;

в) уменьшение мощности двигателя на 5-7 % и в связи с этим ухудшение тягово-динамических свойств автомобиля;

г) ухудшение запуска при низких температурах;

д) повышение пожаро- и взрывоопасности;

е) трудоемкость технического обслуживания автомобилей возрастает на 3-5 %.

Одним из преимуществ применения ГНС в сравнении с КПГ является значительно большая концентрация тепловой энергии в единице объема, меньшее давление газа и, следовательно, меньшие масса и стоимость. (Один 50-литровый баллон, заправленный ГНС для автомобиля ВАЗ рассчитан на 500 км, а заправленный КПГ – только на 100 км).

 

 

Компримированный (сжатый) природный газ (КПГ)

Компримированный сжатый газ получают разными способами: непосредственно из газовых скважин, как продукт переработки нефти и путем фракционирования газового конденсата или нефтяного попутного газа. Сжатый природный газ не только может с успехом заменить жидкие моторные топлива, но и превосходит их по ряду параметров. Его основное преимущество состоит в том, что сжатый природный газ может использоваться на автомобильном транспорте без дорогостоящей технологической переработки.

Состав природных газов, добываемых на отечественных месторождениях, достаточно однотипен. В основном (82-98%) это метан СН₄ с небольшими примесями (до 6%) этана С₂Н₆, до 1,5% пропана С₃Н₈ и до 1% бутана С₄Н₁₀. В попутных газах, добываемых на нефтяных месторождениях, в зависимости от района добычи содержание метана может колебаться в пределах от 40 до 82%, а бутана и пропана - от 4 до 20%.

Основной компонент - метан СН₄ характеризуется наивысшей критической температурой (-82°С). Поэтому при нормальных температурах даже при высоком давлении метан не может быть сжижен: для этого необходима низкая температура.

Свойства метана определяются его молекулярным строением. Газ относится к простым углеводородам. Его молекула содержит на один атом углерода максимум водорода. Этим обусловлена высокая теплопроводность метана, широкий диапазон воспламеняемости и низкое содержание токсичных составляющих. Ввиду высокого содержания водорода в сжатом газе происходит его более полное сгорание в цилиндрах двигателя, чем ГНС и бензина. По сравнению с другими газами-углеводородами метан намного легче воздуха, поэтому в случае утечки он скапливается в верхней части помещения. Высокая детонационная стойкость метана допускает форсирование двигателя по степени сжатия (9,5-10,5).

По энергетическим параметрам 1 м3 природного газа приравнивают к 1 л бензина. В то же самое время природный газ обладает очень низкой объемной концентрацией энергии. Если теплота сгорания 1 литра жидкого топлива равна 31426 кДж, то у природного газа она равна 33,52-35,62 кДж, т.е. почти в 1000 раз меньше. Поэтому природный газ необходимо сжать до высокого давления.

На автомобильных газонаполнительных компрессорных станциях в России рабочее давление - 20 МПа.

Для сжатого газа применяют газобаллонные установки (баллоны, арматура, редуктор, газопроводы и др.), рассчитанные на работу при высоком давлении - 19,6 МПа (200 кгс/см²). По мере расходования газа из баллона непрерывно уменьшается и рабочее давление в нем.

Баллоны для КПГ имеют вместимость от 34-400 л, рассчитаны на давление 19,6 МПа.

Поскольку баллоны для хранения сжатого газа изготавливаются толстостенными, батарея из восьми таких баллонов достаточно тяжела. Следовательно, снижается и полезная грузоподъемность автомобилей. Одновременно пробег автомобилей на КПГ становится в 2 раза меньше, чем на бензине. Поэтому более перспективной считают криогенную технологию хранения КПГ на автомобиле. К тому же это направление считают этапным и на пути создания водородных двигателей.

Компримированный (сжатый) природный газ (КПГ) ранее назывался сжатым природным газом (СПГ) регламентируется по ГОСТ 27577-2000 "Газ топливный компримированный для двигателей внутреннего сгорания" определяет физико-химические и эксплуатационные показатели КПГ (табл. 5.7).

Таблица 5.7 Физико-химические показатели и эксплуатационные показатели КПГ

Наименование показателей	Значения
Объемная теплота сгорания низшая, кДж/м3, не менее	31 800
Относительная плотность к воздуху	0,55-0,7
Расчетное октановое число газа (по моторному методу)	105
Концентрация сероводорода, г/м3, не более	0,02
Концентрация меркаптановой серы, г/м3, не более	0,036
Масса механических примесей, мг/м3, не более	1,0
Концентрация паров воды, мг/м3, не более	9,0
Суммарная объемная доля негорючих компонентов, %, не более	7,0
Объемная доля кислорода, %, не более	1,0

Примечание. Значение показателей установлены при температуре 293К (20 °С) и давлении 0,1013 МПа.

В соответствии с ГОСТ на КПГ температура газа, заправляемого в баллоны автомобиля, должна быть не более 40°С. При температуре окружающей среды выше 35°С температура заправляемого газа должна быть не более чем на 5°С выше температуры воздуха. Температуру КПГ при заправке определяют по требованию потребителей.

КПГ воспламеняется при температуре 635-645°С в камере сгорания двигателя, что в 3 раза выше температуры воспламенения бензина.

Это затрудняет запуск двигателя, особенно при пониженных температурах (ниже -5°С) окружающего воздуха. Поэтому на автомобилях имеется резервная система питания бензином. В то же время по опасности воспламенения и пожароопасности КПГ значительно безопаснее бензина.

К положительным факторам применения КПГ можно отнести следующие:

1. Повышается срок службы моторного масла в 1,5-2,0 раза из-за отсутствия его разжижения и уменьшения загрязнения; в результате расход масла уменьшается на 30-40% по сравнению с бензиновыми двигателями;
2. Увеличивается в среднем на 35-40% моторесурс двигателя вследствие отсутствия нагара на деталях цилиндропоршневой группы;
3. Увеличивается на 40% срок службы свечей зажигания;
4. Увеличивается в 1,5 раза межремонтный пробег двигателя;
5. Значительно снижается (до 90%) выброс с отработавшими газами вредных веществ, особенно СО.

Двигатели газобаллонных автомобилей, работающих на КПГ, если газ израсходован, могут быстро перейти на работу на бензине.

Наряду с преимуществами можно отметить следующие недостатки:

1. Трудоемкость ТО и ТР увеличивается на 7-8%, а цена автомобиля возрастает в среднем на 27% из-за наличия дополнительной газобаллонной аппаратуры;
2. Мощность двигателя снижается на 18-20%. Ухудшаются тягово-динамические и эксплуатационные характеристики автомобилей: время разгона увеличивается на 24—30%; максимальная скорость уменьшается на 5-6%; предельные углы преодолеваемых подъемов уменьшаются на 30-40%; эксплуатация автомобиля с прицепом затрудняется; дальность ездки на одной заправке газом уменьшается (не превышает 200-250 км);
3. Грузоподъемность автомобиля снижается на 9-14% в связи с применением стальных баллонов высокого давления (их количество и вес могут быть разными);
4. Коэффициент использования пробега газобаллонных автомобилей снижается на 8-13% по сравнению с бензиновыми;
5. Годовая производительность при работе на городских перевозках уменьшается на 14-16% по сравнению с бензиновыми.

Рассмотренные особенности КПГ как топлива для автомобилей позволяют определить и рациональную область применения газобаллонных автомобилей: перевозки в крупных городах и прилегающих к ним районах (приоритетное значение оздоровления воздушного бассейна).

Очевидна эффективность внутригородских перевозок на газобаллонных автомобилях при обслуживании предприятий торговли, быта, связи и других учреждений.

Газодизели. Для автомобилей с дизельными двигателями выпускается газобаллонное оборудование для работы на КПГ. Но так как КПГ обладает плохой воспламеняемостью (температура воспламенения метана 680 °С, значительно превосходит температуру воспламенения дизельного топлива, которое самостоятельно воспламеняется в конце такта сжатия при 280 °С). Для организации работы дизеля на природном газе применяется газодизельный процесс, заключающийся в подаче в цилиндры двигателя дозы запального дизельного топлива, которая составляет 15-50% от общего расхода топлива, обеспечивающей воспламенение газовоздушной смеси.
Газодизельный двигатель имеет две системы питания: дизельную и газовую. При этом мощность двигателя остается на уровне базового двигателя.

Переоборудование дизельных двигателей для работы по газодизельному циклу позволяет:
-  экономить до 75-80% дизельного топлива, путем замещения его природным газом;
-  увеличить суммарный запас хода автомобилей при использовании обоих видов топлива в 1,5-1,7 раза;
-  снизить дымность отработавших газов дизеля в 2-4 раза.

Газодизельный процесс позволяет качественно регулировать смесеобразование - количество газа подается в соответствии с нагрузкой двигателя. На рисунке 2.1 представлена схема газодизельной аппаратуры. Газодизельное оборудование предназначено для заправки, хранения, управления подачей и дозирования газа, образования газовоздушной смеси, ограничения цикловой подачи дизельного топлива до уровня запальной дозы и защиты дизеля от внештатных режимов работы.
Заправка баллонов 17, производится через заправочный узел 20, наполнительный вентиль 21 и баллонные вентили 19. Из баллонов газ подается через электромагнитный клапан 9 к редуктору высокого давления (РВД) 8 и потом к РНД 5. Имеется газовый смеситель 23, механизм установки запальной дозы дизельного топлива (МУЗД) 30, дозатор газа 22 для управления топливным насосом высокого давления и подачей газа, а также электрооборудование 3, 6, 11, 14, 27, которое обеспечивает информативность и защиту дизеля от нештатных режимов работы.

Определенный состав смеси газа с воздухом резюмируется дозатором 22, соединенным с педалью привода рейки ТНВД телескопической тягой 29. Начало подачи газа в двигатель осуществляется нажатием педали привода рейки ТНВД 28 водителем. В этот момент цикловая подача дизельного топлива в цилиндры двигателя равна запальной дозе. Пуск газодизельного двигателя и его работа на холостом ходу происходит только на дизельном топливе. На остальных режимах повышение мощности двигателя достигается путем увеличения подачи газового топлива.

1 - концевой выключатель; 2 - электромагнит МУЗД; 3 - реле МУЗД; 4 - пневмомеханический клапан ограничения подачи газа; 5 - редуктор газовый низкого давления; 6 - реле клапана моторного тормоза; 7 - электромагнитный клапан РНД; 8 - РВД; 9 - электромагнитный клапан; 10 - фильтр газовый; 11 - трехходовой клапан моторного тормоза; 12 - манометр; 13 - крестовина; 14 - выключатель моторного тормоза; 15-расходный вентиль; 16-угольник;17-баллоны; 18-тройник вентильный; 19-баллонный вентиль; 20 - заправочный узел; 21 - наполнительный вентиль; 22 - дозатор газа; 23 - смеситель газа; 24 - тиристорный блок напряжения 12В; 25 - переключатель режимов работы двигателя "Дизель"-"Газодизель"; 26 - предохранитель; 27 - пневмоконтактор отключения газа при неработающем двигателе; 28 - педаль привода рейки ТНВД; 29 - телескопическая тяга; 30 - механизм установки запальной дозы дизельного топлива

Рисунок 2.1– Принципиальная схема газодизельной аппаратуры
ЗАО "Автосистема"

 

Спирты.

Из спиртов наиболее интересен метанол и как самостоятельное топливо, и как компонент нефтяных топлив, в том числе и дизельных. Его можно производить из газа, древесины, биомассы, различного рода отходов. Однако метанол имеет ряд недостатков, над преодолением которых ведутся работы:

- высокая токсичность;

- меньшая теплота сгорания;

- высокая теплота испарения;

- коррозионная активность;

-      гигроскопичность.

Спирты обладают высоким октановым числом и низким цетановым числом, благодаря чему их целесообразно использовать в двигателях с принудительным воспламенением. Октановое число по моторному методу у метанола равняется 90, у этанола – 88; по исследовательскому методу у метанола – 110, у этанола – 106. Стехиометрическое количество воздуха (кг воздуха/кг топлива) у метанола – 6,5; у этанола – 9,0.

Высокая гигроскопичность спиртов (они неограниченно смешиваются с водой) оказывает отрицательное влияние на их эксплуатационные свойства. Увеличение концентрации воды повышает плотность, температуру кипения и кристаллизации, теплоёмкость и теплопроводность при одновременном ухудшении его энергетических показателей и значительном увеличении коррозионноё агрессивности. Метанол вступает в химическую реакцию с водой с выделением водорода.

Теплота сгорания спиртов приблизительно в 2 раза меньше, чем у нефтяных топлив (у метанола – 22000 кДж/кг, у этанола – 26000 кДж/кг), поэтому при практически равных энергетических затратах двигателя, работающие на спирте, имеют по сравнению с бензином большие массовые расходы топлива. Спирты по сравнению с нефтяным топливом характеризуются более устойчивым сгоранием. Благодаря этому расширяется диапазон устойчивого горения на бедных смесях до a = 1,5…1,6.

Сгорание спиртов по сравнению с бензинами характеризуется меньшими задержками воспламенения и большими скоростями горения, более низкими температурами и большей полнотой сгорания. Всё это обеспечивает меньший теплоотвод из зоны реакции, пониженную теплонапряжённость деталей цилиндропоршневой группы, уменьшение нагарообразования, повышенный индикаторный КПД, меньшую токсичность отработавших газов по СО и С_nH_m и оксидам азота.

Высокие значения теплоты испарения спиртов обусловливают снижение температуры заряда, а, следовательно, повышение коэффициента наполнения. Сочетание перечисленных факторов позволяет увеличить мощность двигателя при переходе на спирт на 10…15 % по сравнению с бензином. Использование высоких антидетонационных качеств спиртов позволяет дополнительно увеличить мощность двигателя путём увеличения степени сжатия.

Большая теплота испарения спирта затрудняет пуск двигателя и ухудшает условия внешнего смесеобразования. Для устранения этого недостатка применяют добавку растворимых в спиртах легкокипящих углеводородов – до 20 % бутана, изопентана, диметилового эфира, интенсивный подогрев впускного тракта и карбюратора, частичную рециркуляцию отработавших газов и ввод специальных пусковых систем. Особенностью спирта является малое сажеобразование, а метанол практически не даёт сажи.

Спирты коррозионно активны по отношению к стали, алюминию, магнию, цинку и сплавам на их основе. Они реагируют со свинцом, образуя аморфные соединения, забивающие топливные фильтры и жиклёры. Большинство уплотнительных материалов набухают при контакте со спиртами.

При работе на спиртах возможен повышенный износ двигателя, так как спирты разрушают масляную плёнку на стенках цилиндров. В присутствии воды это действие усиливается. Кроме того, при неполном сгорании этанола образуются органические кислоты, увеличивающие коррозионный износ пар трения. При работе непрогретого двигателя износ увеличивается.

При работе на спиртах токсичность отработавших газов при a = 0,98…1,0 по концентрации СО соответствует бензиновым двигателям; с увеличением коэффициента избытка воздуха свыше 1,0 концентрация СО резко снижается; по мере дальнейшего обеднения смеси оксид углерода в отработавших газах практически отсутствует. Концентрация углеводородов в 10…20 раз меньше, чем в бензиновых двигателях, а оксида азота  в 1,5…2,0 раза.

Для работы на спиртах и спиртобензиновых смесях необходимо увеличить объём топливных баков; ввести системы пуска двигателя; изменить тарировку топливодозирующих устройств (жиклёров); заменить уплотнительные материалы; установить свечи с большим калильным числом.

Препятствием для использования метанола является его высокая токсичность, так как он яд, действующий на нервно-сосудистую систему. Отравление возможно при попадании его в пищеварительный тракт, при вдыхании или попадании жидкости на кожу. Предельно допустимая концентрация паров метанола в воздухе 5 мг/м³ (для сравнения у бензина 100 мг/м³). Попадание в организм свыше 10 мл метанола может окончиться тяжёлым отравлением. Смертельная доза 30 мл. При длительном контакте с метанолом возможно хроническое отравление, сопровождающееся нервным расстройством. Поэтому необходима надёжная герметизация топливных баков и топливоподающей системы.

Этанол менее токсичен, его предельно допустимая концентрация в воздухе 1 г/м³. Препятствием для его массового использования является наркотическое воздействие на организм.

В настоящее время метанол может быть использован как добавка к бензину, и при этом:

1. Нет необходимости вносить изменения в конструкцию двигателя и регулировать его топливную аппаратуру;
2. При добавлении 3-5% метанола обеспечивается экономия 2,5% бензина при сохранении мощности, динамических и экономических показателей, а также уровня токсичности двигателя, что видно из рисунка 2.5;
3. Можно работать на бензине с несколько меньшим октановым числом;
4. Отпадает необходимость в стабилизаторе (например, в таком, как дорогостоящий изобутиловый спирт), так как при такой добавке метанола в бензин смесь сохраняет стабильность, а автотранспортные средства можно эксплуатировать в различных районах страны с мягким и средним климатом.

1 – бензин АИ-93; 2 – бензин + 5% метанола; 3 – бензин + 15% метанола; 4 – чистый метанол
Рисунок 2.5 –  Мощностные и экономические характеристики (а) и характеристики токсичности отработавших газов (б) двигателя при работе на различном топливе

Применение бензометанольной смеси с добавкой 15% метанола и 7% стабилизатора – изобутилового спирта позволяет повысить на 6% динамические качества автомобиля и на 3-5% его мощность; уменьшить выброс окислов азота – на 30-35%, углеводородов – на 20%; получить экономию бензина до 14%. Однако эксплуатационные расходы при работе на такой смеси возрастают. Эксплуатационная надежность деталей системы питания двигателей, работающих на такой смеси и на товарном бензине, практически одинакова. Правда, в первом случае несколько больше отказов, связанных с разбуханием манжеты насоса-ускорителя. Кроме того, применение смеси связано с необходимостью увеличения проходных сечений топливных жиклеров на 18-20% и оборудования системы питания дополнительным сливным трубопроводом.

Смесь становится практически непригодной для эксплуатации даже при увеличении содержания воды от 0,2 до 1,0%, так как температура расслаивания при этом повышается от -20 до +10 °С. Бензометанольные смеси стабилизируют добавлением присадок (гексанол, изопропанол, изобутанол и др.).

Чтобы избежать применения дорогостоящих стабилизаторов, возможно смешивание метанола с бензином в соответствующих пропорциях непосредственно в смесительной камере карбюратора.

Низкая температура самовоспламенения (низкое цетановое число) не исключает использования метанола и этанола для дизелей (при условии конструктивных изменений двигателя) в количествах, не превышающих соответственно 15 и 20% при добавлении в дизельное топливо. Такие смеси не вызывают коррозии и сохраняют чистоту всасывающей системы двигателя.

 

Метилтретичнобутиловый эфир.

К бензину можно добавить метилтретичнобутиловый эфир (МТБЭ – СН₃ОС₄Н₉). Его получают путем синтеза 65% изобутилена и 36% метанола в присутствии катализаторов. Положительные стороны применения МТБЭ в качестве добавки к бензину таковы:

1. Возможно получение неэтилированных высокооктановых смесей, так как по антидетонационной эффективности МТБЭ (см. табл. 6.1) в 3-4 раза превосходит алкилбензин;
2. Нет необходимости изменять регулировки топливной аппаратуры (МТБЭ отличается высокой теплотворной способностью -37 700 кДж/кг);
3. Добавка 10% МТБЭ повышает октановое число бензинов по исследовательскому методу на 2,1-5,9 ед., а 20% - на 4,6-12,6 (болee высокий эффект, чем при использовании алкилбензина и метанола);
4. Облегчается фракционный состав бензинов, в частности снижается температура перегонки 50%-ной точки. Однако несколько возрастает опасность образования паровых пробок;
5. Несколько улучшаются мощностные и экономические показатели двигателя во всем диапазоне нагрузок и частоты вращения; снижается токсичность отработавших газов примерно на 10% (за счет снижения содержания окиси углерода);
6. Снижается расход бензина на 3%, кроме того, введение МТБЭ позволит снизить содержание тетраэтилсвинца в нем почти в 2,5 раза.

МТБЭ практически не токсичен. На автомобилях ВАЗ-2101 и ВАЗ-2103 неэтилированные бензины АИ-93 с 16-18% МТБЭ во всем диапазоне скоростей движения превосходят по антидетонационным качествам товарный неэтилированный бензин. При использовании бензинов АИ-93 с 11% МТБЭ и А-76 с 8% МТБЭ такие показатели, как изнашивание двигателя, нагаро- и лакоотложение, изменение физико-химических свойств масла, нередко превосходят аналогичные показатели при работе на товарных бензинах или немного уступают им.

Возможное использование метилтретичнобутилового эфира справедливо рассматривается сегодня как одно из направлений расширения ресурсов высокооктановых бензинов и в настоящее время используется в качестве антидетонационной присадки.

 

Водород Н₂.

В настоящее время все более широко ведутся работы по применению в качестве топлива водорода, а также его смесей с бензином. Отметим наиболее характерные особенности:

1. Водород самый легкий элемент, даже в жидком состоянии он примерно в 14 раз легче воды;

2. В единице массы водород содержит почти в 3 раза больше тепловой энергии, чем все известные ископаемые топлива. Однако, чтобы его разместить, необходимы довольно большие объемы;

3. водород обладает способностью моментально смешиваться с другими газами и, в частности, с воздухом атмосферы Смесь водород-воздух воспламеняется при содержании водорода от 4 до 74%;

4. Водород горит в газообразном состоянии при температуре выше 500 °С с образованием паров дистиллированной воды (в жидком и твердом состояниях он не горит). Для сжигания 1 кг водорода необходимо в 2 раза больше воздуха, чем для сжигания бензина;

5. Отработавшие газы при работе на водороде не содержат окиси углерода, углеводородов, а окислы азота присутствуют в меньших количествах, чем при работе на бензине.

В то же время из-за низкой теплотворной способности водородно-воздушной смеси мощность двигателя снижается на 15-20%. Если водород будет поступать непосредственно в цилиндр двигателя в такте всасывания или в начале такта сжатия, то этого недостатка можно было бы избежать. Однако в этом случае необходимо значительно усложнять конструкцию системы питания и двигателя в целом.

Использование водорода в качестве добавки к бензовоздушной смеси не требует таких изменений. Если бензин добавлять на режиме холостого хода, малых и средних нагрузках, то обеспечиваются оптимальные мощностные и динамические показатели автомобиля. При этом если расход бензина составлял 12,2 кг/100 км, то в данном случае он снизится до 5,5, а расход водорода составит всего 1,8 кг. Следовательно, 6,7 кг бензина заменяются 1,8 кг водорода, что позволяет сэкономить 50-55% бензина. При этом концентрация окиси углерода в отработавших газах снижается в 13 раз, окислов азота - в 5 раз, углеводородов - на 30%. По предположениям ученых при городском режиме работы автомобиля основным топливом должен служить водород, а бензин использоваться как добавка для стабилизации горения воздуха на режиме холостого хода, малых и средних нагрузках. Эксплуатация автомобиля на трассе (средние и полные нагрузки) обусловливает обратную зависимость: работу двигателя на бензине с минимальной добавкой водорода. Эксплуатация автомобилей на бензоводородных смесях в условиях интенсивного городского движения позволяет экономить топливо нефтяного происхождения и при этом снизить загрязнение окружающей среды токсичными продуктами отработавших газов. Следует иметь в виду, что по стоимости водородное топливо не выше других синтетических топлив.

Известно, что жидкий водород занимает в 3,5 раза больший объем, чем эквивалентное по энергии количество бензина, что усложняет его хранение и распределение (необходима надежная теплоизоляция бака, так как температура жидкого водорода минус 253 °С). В качестве емкостей для транспортирования и хранения приходится использовать криогенные резервуары с двойными стенками, пространство между которыми заполнено изолирующими материалами.

Для комбинированного питания двигателя бензоводородной смесью, когда расход водорода невысок (в пределах 20% от основного топлива), его использование возможно в сжатом виде. Включение и отсечка подачи водорода не вызывают затруднений и обычно производятся с помощью электромагнитного клапана.

В качестве наиболее перспективной формы использования водорода рассматриваются вторичные энергоносители, когда водород аккумулируют, например, в составе металлогидридов. В этом случае успешно решается проблема безопасности эксплуатации водородного топлива, к тому же обеспечивается приемлемый энергозапас без необходимости создания высоких давлений или криогенных температур.

Выделение водорода происходит при подогреве гидридов горячей жидкостью из системы охлаждения или непосредственно отработавшими газами. Для зарядки гидридного аккумулятора через восстановленный металлический компонент пропускается водород под небольшим давлением и одновременно отводится образующееся тепло. Гидридный аккумулятор не требует существенного ухода, быстро наряжается, его себестоимость ниже, а срок службы больше, чем у аккумуляторных батарей.

Водородные автомобили с гидридными аккумуляторами наиболее целесообразно использовать в городских условиях, где они могут успешно конкурировать с обычными автомобилями и электромобилями.

При работе на водороде наблюдается повышенный износ поверхностей, контактирующих с водородом  при высокой температуре. Это происходит из-за того, что при высокой температуре радикалы водорода, обладая высокой растворимостью и большой скоростью диффузии  в стали, частично поглощаются поверхностными слоями металла и вступают в химические соединения с её составляющими. При этом образуется метан и малоуглеродистая сталь. Оставшиеся радикалы водорода восстанавливаются до молекул в поверхностных слоях металла с увеличением объёма. Образовавшиеся газы – метан и водород – создают внутриполостное давление, вызывающее образование сливающихся друг с другом микротрещин по границам зёрен металла. Обезуглероженная сталь теряет механические свойства.

Аммиак NH₃. Его можно рассматривать как энергоноситель, обеспечивающий при его термическом разложении в камере сгорания получение водорода по реакции

 

2 NH₃  N₂ + 3 H₂ – 92,6 кДж.

 

Неограниченные сырьевые ресурсы (аммиак производиться из водорода и азота воздуха) и хорошо развитая промышленная база позволяют рассматривать аммиак как одно из перспективных топлив.

Благодаря высокой температуре самовоспламенения пожарная опасность аммиака относительно невелика. По содержанию энергии в единице массы аммиак уступает водороду в 7 раз и бензину в 2,5 раза. Однако по объёмной энергоёмкости аммиак превосходит водород.

Аммиак обладает высокой детонационной стойкостью: октановое число по моторному методу равняется 111, по исследовательскому методу – 132.

К недостаткам аммиака можно отнести высокую температуру самовоспламенения по сравнению с нефтяными топливами. Вследствие чего малая скорость горения и практически невозможность применения в современных двигателях внутреннего сгорания без проведения специальных мероприятий по интенсификации его воспламенения и сгорания путём увеличения теплопровода в реакционную зону камеры сгорания. К таким мероприятиям можно отнести повышение степени сжатия при сокращении поверхности камеры сгорания, увеличение температуры в пристеночных зонах камеры сгорания, увеличение мощности разряда в свечах зажигания.

Использование аммиака снижает мощность и экономичность двигателя. Аммиак вызывает интенсивную коррозию большинства конструкционных материалов, используемых в двигателе строении.

Товарные моторные и большинство синтетических масел практически не меняют свойства при контакте с аммиаком.

 

 

Топлива из биомассы и дизельные топлива с добавкой растительных масел

Топлива, получаемые из биомассы (биогенное топливо), могут быть в жидком, газообразном и твердом состоянии. Получают биотопливо в результате переработки биомассы и органических отходов коммунально-бытового хозяйства и промышленного производства различными термическими и биологическими способами (пиролиз, газификация, гидрогенизация, анаэробное дигерирование, ферментация, биофотолиз и др., см. рисунок 2.2).

Рисунок 2.2 — Процессы получения продуктов из биомассы (анимация)

Перед переработкой биомасса обычно проходит стадии подготовки, включающие измельчение, сушку и др. При переработке биомассы в моторные топлива наибольший интерес представляет газификация с получением синтез-газа (преобразуемого затем в метанол или углеводороды), а также ферментация с получением этанола.

Биомасса - не что иное, как сложная смесь различных соединений. В ее состав входят (в пересчете на сухое вещество) водорастворимые соединения - сахар, крахмал, мочевина, соли (5-30%), протеины (5-40%), целлюлоза и гемицеллюлозы (25-90%), лигнин (5-30%), неорганические соединения (золы), нерастворимые в воде (1-13%). Содержание кислорода в растительной биомассе очень высокое и достигает 40%.

Использование биомассы в качестве сырья для производства моторного топлива имеет ряд существенных недостатков. Ее запасы расредоточены территориально и могут использоваться лишь в объемах, не нарушающих экологического равновесия. Сырая биомасса имеет высокую влажность - от 30 до 90%, а ее энергоплотность колеблется от 1 до 15 ГДж/м3 и остается низкой даже после сушки - 16-24 ГДж/т.

Для получения этанола могут быть использованы отходы пищевой промышленности, например молочная сыворотка - отход сыроварения и бытовой мусор.

Биомасса - ресурс возобновляемый, а переработка отходов (сельскохозяйственных, лесных и бытовых) очищает окружающую среду от загрязнений.

В ряде стран (США, Франции, Бразилии и др.) проводятся исследования возможности использования в составе дизельных топлив растительных масел. Также разработки ведутся в России.

Содержащиеся в семенах и плодах подсолнечника и сои, клещевины и хлопчатника, кокоса и ряда других культур масла – это окисленные углеводороды, преимущественно триглицериды. По теплоте сгорания они близки к дизельному топливу. Из масличных культур масло получают либо путем выжимки, либо путем экстрагирования (гексаном или трихлортэтиленом). Затем оно очищается одним из методов - нейтрализации, фильтрования или вымораживания.

Растительные масла обладают рядом недостатков, они нестабильны, имеют повышенную вязкость и коксуемость, высокую температуру помутнения (таблица 2.3).

Таблица 2.3 - Показатели качества растительных масел

Показатели	Дизельное топливо	Растительное масло
		пальмовое	арахисовое	соевое
Цетановое число (минимальное)	40-50	38-40	39-41	36-39
Температура, °С:
помутнения	-5	31,0	19,0	13,0
выкипания 90% (об.)	350-360	359	349	370
Высшая теплота сгорания, МДж/кг	45,8	37,5	39,6	39,4
Вязкость при 37,8 °С, мм2/с	2,0-4,3	36,8	41,2	36,8
Содержание, %:
воды	0,05	0,1	0,05	0,05
серы	0,2-0,5	0,03	0,01	0,02
твердых частиц	0,05	8,0	2,0	2,0

Необходимо отметить, что фактически все производимые в мире масла целиком потребляются пищевой и химической промышленностью. Кроме того, стоимость растительных масел превышает стоимость дизельного топлива, получаемого из нефти.

Использование биомассы для производства топлива пока имеет достаточно низкую эффективность. С одной стороны, выращивание, сбор и подготовка сырья требуют значительных затрат топлива, электроэнергии, удобрений, с другой - получаемое топливо имеет при переработке невысокий термический к.п.д.

Вместе с тем некоторые специалисты считают, что в будущем биомасса может более широко использоваться для производства моторного топлива, особенно в тех странах, где имеется дефицит природных горючих ресурсов, но благоприятный теплый климат и наличие свободных земель, например в Бразилии. Здесь уже сейчас производится этанол, который широко используется на транспорте.

 

 

Вода как добавка к топливу

Применение добавок воды в топливо в карбюраторных двигателях рассматривался, главным образом, как способ снижения детонационных требований двигателя.

Вода может добавляться к топливу различными способами:
1) постоянная подача неизменного количества воды независимо от режима работы двигателя;
2) регулируемая подача воды, которая обеспечивает ее определенную долю в топливной смеси;
3) регулируемая подача воды с переменным расходом в соответствии с режимом работы двигателя.

Кроме того, возможно использование воды в качестве добавки к топливу, в результате чего образуется эмульсия.

Известен опыт применения водотопливных эмульсий (ВТЭ) трех типов (рисунок 2.3): эмульсия воды в углеводородах; эмульсия углеводородов в воде; микроэмульсии, позволяющие вводить в топливо различные присадки, нерастворимые в углеводородах (требуется большой расход поверхностноактивных веществ – с 5-15%).

1 – частицы эмульгатора; 2 – сольватный слой; 3 – топливо; 4 – вода

Рисунок 2.3 – Строение водотопливных эмульсий

Согласно исследованиям специалистов НИИАТ, практическое использование эмульгированного топлива в широких масштабах невозможно без решения таких технических задач как:

1. разработка простой, эффективной и надежной технологии получения такого топлива;
2. разработка рецептур эффективных эмульгаторов, способных адсорбироваться на поверхностях раздела фаз (воды и бензина) и понижать вследствие этого поверхностную энергию (поверхностное натяжение), и создание стабильных топливных эмульсий;
3. разработка систем тонкой очистки эмульгированных топлив от механических примесей;
4. повышение эксплуатационной надежности различных типов двигателей при переводе их на ВТЭ.

Основные физико-химические свойства современных ВТЭ практически идентичны базовому бензину. По антидетонационным свойствам отмечается даже некоторое их превосходство вне зависимости от способа добавления воды к топливу: впрыск в цилиндры или впускную систему, применение в виде водо-бензиновой эмульсии. В настоящее время механизм действия воды на процесс сгорания в двигателе изучен далеко не полностью. Антидетонационный эффект от добавления воды к топливу складывается по меньшей мере из трех факторов:

1. охлаждения заряда рабочей смеси;
2. охлаждение деталей камеры сгорания;
3. действия водяного пара как инертной среды, регулирующей процесс сгорания.

Одним из возможных способов эффективного использования в современных карбюраторных двигателях бензинов с более низким октановым числом является впрыск воды во впускной коллектор двигателя или непосредственно в цилиндры двигателя (рисунок 2.4).

Рисунок 2.4 – Впрыск воды в диффузор карбюратора

Этот способ по сравнению с использованием водо-бензиновых эмульсий имеет существенное преимущество. Он обеспечивает с помощью сравнительно несложного приспособления подачу воды во впускной коллектор только на режимах средних и максимальных нагрузок, т.е. когда требования двигателя к ОЧ топлива возрастают. Исследования эффективности впрыска воды показали возможность применения в двигателях с впрыском автомобильных бензинов с ОЧ на 6-8 ед. ниже ОЧ бензинов, рекомендованных автомобильным заводом при сохранении, а в некоторых случаях и улучшении экономических и мощностных характеристик, отсутствии повышенных износов и коррозионных поражений деталей двигателей.

Обводненное дизельное топливо характеризуется пониженным ЦЧ и большим периодом задержки воспламенения. Однако наличие "микровзрывов" капель эмульсии и воздействие на сгорание химических факторов присутствия воды приводят к интенсификации тепловыделения и сокращению продолжительности сгорания, что благоприятствует снижению расхода топлива. Удельный расход топлива может быть снижен на 2-6%. Дымность отработавших газов уменьшается в результате влияния водяных паров на процесс газификации углерода (сажи).

При любом способе подачи воды на каждые 10% добавляемой воды снижается содержание NO_х на 8-10%. В то же время добавка воды способствует повышению содержания углеводородов в отработавших газах.

 

 

Нефтяные топлива

 

Состав нефтяных топлив

 

Свойства топлив в определяющей степени зависят от фракционного и группового состава входящих в них углеводородов и от наличия примесей.

Фракционный состав топлива (ФС) характеризуется количеством содержащихся в нём отдельных фракций в процентах по объёму. ФС определяют путём перегонки топлива. При перегонке бензина фиксируют температуры: начала и конца кипения, выкипания 10, 50 и 90 процентных фракций, при перегонке дизельного топлива - 50 и 96 процентных фракций. За температуру конца кипения бензина принимают ту максимальную температуру, на которой столбик термометра останавливается, а затем начинает опускаться. За температуру конца кипения дизельного топлива принимают температуру выкипания 96 процентной фракции. По температурам перегонки косвенно судят о эксплуатационных свойствах топлива.

Групповой состав топлива определяется группами входящих в него углеводородов.

В общем случае в состав топлива входят все углеводороды, присутствующие в нефти (алканы, циклоалканы, ароматические углеводороды), а так же непредельные углеводороды, которые отсутствуют в природной нефти и образуются в процессе переработки нефти.

Примеси. В топливах наиболее распространены углеводородные примеси, вода и механические примеси.

Углеводородные примеси - это в основном гетероорганические соединения, входящие в состав исходного сырья. Это более всего характерно для дизельного топлива,  вследствие их высокой малярной массы и высоких температур кипения. Прежде всего это сернистые соединения, углеводородные кислоты и смолисто-асфальтовые вещества.

Вода попадает в топливо при перевозке, хранении, заправке и эксплуатации автомобиля. Кристаллы льда забивают трубопроводы, фильтры, нарушают работу жиклёров. Вода ускоряет коррозию металлических деталей двигателя.

Механические примеси ухудшают прокачиваемость топлива по системе топливоподачи, служат основой для образования смолистых отложений, увеличивают механический износ и коррозию металла. Особенно большой вред механические примеси приносят системам топливоподачи дизелей, вызывая повышенный износ прецизионных деталей. Основным источником механических примесей является атмосферная пыль.

 

Эксплуатационные свойства нефтяных топлив

 

Под эксплуатационными свойствами понимают объективные особенности топлива, которые проявляются в процессе его применения. В понятие «применение» включены все процессы, происходящие в топливе с момента его производства до сгорания.

Процессу сгорания топлива предшествуют процессы его испарения, воспламенения и другие. Характер поведения топлива в каждом процессе и составляет суть его эксплуатационных свойств.

По рекомендации стандарта рассматривают и оценивают следующие эксплуатационные свойства топлив:

1. Испаряемость характеризует способность топлива переходить из жидкого состояния в парообразное. Это свойство формируется из таких показателей качества, как фракционный состав, давление насыщенных, поверхностное натяжение и т.д. Испаряемость определяет технико-экономические и эксплуатационные характеристики ДВС.

2. Воспламеняемость характеризует особенности процесса воспламенения смесей паров топлива с воздухом. Оценка этого свойства базируется на таких показателях качества, как температура вспышки, температура самовоспламенения и др. Показатель воспламеняемости имеет такое же значение, как и горючесть топлива.

3. Горючесть определяет эффективность процесса горения топливовоздушной смеси в камерах сгорания.

4. Прокачиваемость характеризует поведение топлива при перекачках его по трубопроводам и топливным системам, а также при его фильтровании. Это свойство определяет бесперебойность подачи топлива в двигатель при разных температурах эксплуатации. Прокачиваемость оценивают вязкостно-температурными свойствами, температурами помутнения и застывания, предельной фильтруемостью, содержанием воды, механических примесей и др.

5. Склонность к образованию отложений - это способность топлива образовывать отложения различного рода в камерах сгорания, в топливных системах, на выпускных и впускных клапанах. Имеются в виду отложения, образующиеся как при низких температурах в системах питания и смесеобразования, так и нагар, получающийся при высоких температурах в процессе сгорания топлива. Оценка этих свойств базируется на таких показателях качества топлива, как зольность, коксуемость, содержание смолистых веществ, непредельных углеводородов и т.д.

6. Коррозионная активность и совместимость с неметаллическими материалами характеризует способность топлива вызывать коррозионные поражения металлов, набухание, разрушение или изменение свойств резины, герметиков и других материалов. Это свойство предусматривает количественную оценку содержания в топливе коррозионно-активных веществ, испытание стойкости металлов, резины и герметиков при контакте с топливом.

7. Защитная способность - это способность топлива защищать от коррозии материалы при их контакте с агрессивной средой в присутствии топлива и в первую очередь защищать металлы от электрохимической коррозии при попадании воды.

8. Противоизносные свойства характеризуют уменьшение изнашиваемости трущихся поверхностей в присутствии топлива. Это свойство имеет важное значение для двигателей, у которых топливные насосы и топливо-регулирующая аппаратура смазываются только самим топливом без подачи смазочного материала. Свойство оценивается показателями вязкости и самосмазывающей способностью.

9. Охлаждающая способность определяет способность топлива поглощать и отводить тепло от нагретых поверхностей. Свойство имеет значение в тех случаях, когда топливо применяют для охлаждения масла (топливо-маслянные радиаторы) или наружной обшивки летательных аппаратов при больших скоростях полёта. Оценка свойства базируется на таких показателях качества, как теплоёмкость и теплопроводность.

10. Стабильность характеризует сохраняемость показателей качества при хранении и транспортировке. Это свойство оценивает физическую и химическую стабильность топлива и его склонность к биологическому поражению бактериями, грибками и плесенью. Уровень этого свойства позволяет установить гарантийный срок хранения топлива в различных климатических условиях.

11. Экологические свойства характеризуют воздействие топлива и продуктов его сгорания на человека и окружающую среду. Оценка этого свойства базируется на показателях токсичности топлива и продуктов его сгорания и пожароопасности.

В зависимости от вида топлива и его назначения значимость того или иного эксплуатационного свойства может быть больше или меньше.

 

Испаряемость

 

Процессу сгорания топлива в двигателе предшествует его испарение и образование смеси паров топлива с кислородом в определённом соотношении. При полном сгорании углеводородов топлива получаются главным образом диоксид углерода и вода:

 

Н₂ + 0,5О₂ Н₂О     С + О₂   СО₂

 

Пользуясь этими уравнениями можно посчитать, что для полного сгорания 1 кг водорода требуется 8 кг кислорода, а для сгорания 1 кг углерода 8/3 кг кислорода. Зная элементный состав топлива можно найти  необходимое количество кислорода для полного сгорания 1 кг топлива, с учётом кислорода, содержащегося в топливе. В результате известно, что для сгорания 1 кг углеводородного топлива необходимо около 15 кг воздуха. Смесь такого состава называют нормальной, теоретической или стехиометрической. Избыток или недостаток воздуха в смеси характеризуют коэффициентом избытка воздуха, который рассчитывается как отношение действительной массы воздуха в смеси к теоретически необходимой для полного сгорания топлива данного состава. для нормальной смеси a = 1, для богатой смеси a меньше 1, для бедной a больше 1.

В современных двигателях испарение топлива и образование паровоздушной смеси может начинаться до начала процесса сгорания при относительно низких температурах и заканчиваться уже в процессе сгорания испарившейся части топлива при высоких температурах.

Некоторые законы испарения. Скорость испарения определяется по уравнению вытекающему из закона Дальтона:

 

V=A*(p_н  - p),

 

где V  - скорость испарения;

       p - парциальное давление паров над поверхностью жидкости; 

       p_н - давление насыщенных паров жидкости при данной температуре;

       A - коэффициент пропорциональности.

Давление насыщенных паров определяется в приборе, называемом «бомба», который состоит из двух соединённых друг с другом камер. В нижнюю камеру, имеющую объём, в четыре раза меньший, чем у верхней, заливают исследуемое топливо. «Бомбу» помещают в водяную «баню», обеспечивающую заданную температуру, и замеряют давление паров прибором. Косвенно давление насыщенных паров можно охарактеризовать по фракционному составу, чем больше в нём низкокипящих фракций, тем выше давление насыщенных паров.

При p = 0, т.е. в начальный момент испарения, скорость процесса максимальна и близка к скорости свободного испарения. В этом случае она прямо пропорциональна давлению насыщенных паров жидкости, тем больше топлива испарится прежде, чем концентрация молекул в паровой фазе достигнет состояния динамического равновесия. При p = p_н скорость испарения становится равной нулю, испарения прекращается, наступает равновесие между жидкой и паровой фазами, когда из жидкости в единицу времени «вылетает» столько же молекул, сколько молекул пара ею поглощается.

Давление насыщенных паров зависит от температуры и для углеводородов имеет вид показательной функции.

Нефтяные топлива представляют собой смесь углеводородов с разным давлением насыщенных паров. Поэтому в процессе испарения состав паров всегда отличается от состава жидкости. Есть определённые законы, гласящие, что в паре содержится больше того компонента, добавление которого в раствор повышает общее давление паров. В итоге в паровой фазе над топливом концентрация низкокипящих углеводородов всегда больше, чем в жидкой фазе. Поэтому давление насыщенных паров смеси углеводородов зависит не только от температуры, но и от соотношения объёмов паровой и жидкой фаз. При большом соотношении этих фаз низкокипящих углеводородов может не хватить для заполнения всей паровой фазы, поэтому увеличение паровой фазы по сравнению с объёмом жидкой фазы ведёт к снижению давления насыщенных паров такой смеси углеводородов.

В процессах смесеобразования испаряющееся топливо и газовая среда движутся относительно друг друга, при этом достаточно небольшого движения воздуха, чтобы количество испаряющейся в него жидкости резко возросло.

При испарении в неподвижный воздух скорость испарения определяется скоростью диффузии паров в окружающее пространство. При высоких скоростях воздушного потока и турбулентном режиме его течения скорость диффузии уже не имеет решающего значения; в этих условиях скорость испарения зависит от скорости потоков и скорости движения вихрей. Испарение при этом идёт в условиях вынужденной конвекции.

Скорость испарения жидкости прямо пропорциональна поверхности испарения. Чтобы ускорить процесс смесеобразования, жидкое топливо распыляют на мельчайшие капли. Поверхность испарения, а следовательно, и скорость испарения резко возрастают.

Тонкость распыла зависит как от условий распыла (величина и форма отверстия распылителя, степень турбулизации топлива), так и от свойств топлива и в первую очередь от величины поверхностного натяжения.

Поверхностное натяжение углеводородов зависит от их строения. Наименьшее поверхностное натяжение имеют алканы, наибольшее - ароматические углеводороды. С повышением температуры поверхностное натяжение углеводородов и их смесей уменьшается. На границе двух фаз поверхностное натяжение зависит от свойств обеих фаз. Для углеводородов поверхностное натяжение на границе с воздухом примерно в 2 раза меньше, чем на границе с водой.

Испаряемость топлива оказывает значительное влияние на рабочий процесс и эксплуатационные характеристики двигателей.

Фракционным составом нефтепродуктов называют содержание в них тех или иных фракций, выраженное в объемных или массовых процентах.

Фракционный состав – один из важнейших показателей качества бензина. От фракционного состава бензина зависит пуск, длительность прогрева и приемистость двигателя, перебои в работе двигателя, вызываемые образованием паровых пробок и обледенением карбюратора, надежность работы двигателя в различных эксплуатационных условиях, расход бензина, его потери при транспортировании, хранении и перекачке и износ трущихся деталей двигателя.

Бензины представляют собой сложную смесь углеводородов, обладающих различной испаряемостью, а следовательно, выкипающих не при одной постоянной температуре, а в широком диапазоне температур. Автомобильные бензины выкипают при температуре 35–205°С. Фракционный состав оценивается по температурным пределам его выкипания и по температуре выкипания его отдельных частей фракций.

Оцениваются следующие температурные пределы фракций: температура начала кипения tн.к., температура перегонки 10, 50, 90, 96, 97,5, 98 % объема (t_10%, t_50%, t_90%, t_96%, t_97,5%, t_98%), температура конца кипения tк.к., остаток в колбе. Все эти показатели в той или иной мере характеризуют поведение бензина в карбюраторном двигателе. В стандарты на бензины включены наиболее важные показатели: t_нк, t_10%, t_50%, t_90%, t_к.к., а также остаток в колбе и потери при разгонке.

Ниже на рисунке представлена кривая разгонки бензина и указаны его основные фракции – пусковая, рабочая и концевая (тяжелая).
В состав пусковой фракции бензина входят самые легкокипящие углеводороды, входящие в первые 10% объема дистиллята. Рабочую фракцию составляют дистилляты, перегоняемые от 10 % до 90 % объема и концевую фракцию – от 90 % объема до конца кипения бензина.
В соответствии с ГОСТ 2084–77 автомобильные бензины летнего вида должны иметь t_нк не менее 35°С, а t_10% не выше 70°С. Для летнего бензина АИ-95 tнк не менее 30°С, а t_10% не выше 75°С. Для бензинов зимнего вида t_н.к. не нормируется, а t_10% должно быть не выше 55°С.

Рисунок – Кривая фракционной разгонки автомобильного бензина

Благодаря этому, выпускаемые товарные бензины летнего вида, обеспечивают пуск холодного двигателя при температуре окружающего воздуха выше –10°С, в жаркий летний период они не образуют паровых пробок. Бензины зимнего вида дают возможность запустить холодный двигатель при температуре воздуха  –28°С.

Минимальная температура воздуха t_min, при которой возможен пуск двигателя по формуле

                                                                             

где t_10% – температура перегонки 10% бензина.

Температура перегонки 50% бензина характеризует длительность прогрева, качество смесеобразования в нагретом двигателе и приемистость, а также равномерное распределение бензиновых фракций по цилиндрам.

Согласно ГОСТ 2084–77 у товарных автомобильных бензинов летнего вида t_50% должна быть не более 115°С, а зимнего вида – 100°С (для АИ-95 – 120 и 105°С соответственно).

Температура перегонки 90% и конца кипения бензина характеризует полноту сгорания бензина и его расход. От t_90% и t_к.к. зависит разжижение картерного масла и нагароотложение в камере сгорания двигателя. При высоких значениях температур бензин не успевает полностью испариться во впускном трубопроводе двигателя и поступает в цилиндры двигателя в жидком виде. Это приводит к смыванию смазки с трущихся поверхностей и повышенному износу деталей. Кроме того, плохо испарившееся топливо медленно и недостаточно полно сгорает, что приводит к увеличению нагароотложения в камере сгорания двигателя.

Для автомобильных бензинов летнего сорта t_90% должна быть не выше 180°С, а зимнего вида – 160°С. Конец кипения бензинов летнего вида марки А-76 (АИ-80) должен быть не выше 195°С, а зимнего – 185°С. Для бензина марок АИ-91, АИ-93 и АИ-95 согласно ГОСТ 2084–77 конец кипения не выше 205°С для летнего и не выше 195°С для зимнего.

Процесс испарения топлива в дизельных двигателях начинается после его впрыска в камеру сгорания и продолжается до его сгорания. Испарение происходит за короткое время — 20-40° поворота коленчатого вала или за 0,001-0,004 с.

Фракционный состав оценивается температурами выкипания t_50% и t_90%. Температура t_50% характеризует пусковые свойства дизельных топлив. Для летних дизельных топлив t_50%=260-280°С, для зимних t_50%=240-260°С, а температура t_90%=330-360°С.

От испаряемости дизельного топлива зависит обеспечение быстрой подготовки и эффективного сгорания горючей смеси. Для этого оно должно содержать лёгкие, средние и тяжёлые фракции нефти в оптимальных соотношениях. Чем выше быстроходность двигателя, тем меньше времени отводится для подготовки рабочей смеси, тем выше должна быть испаряемость и топливо должно содержать большее количество лёгких фракций. Топливо более тяжёлого фракционного состава требует для сгорания большего количества воздуха.

Тяжёлые топлива с плохой испаряемостью снижают полноту сгорания, вызывают ухудшение топливной экономичности дизеля, повышение дымления, увеличение образования отложений в камере сгорания, повышенный износ цилиндропоршневой группы, разжижение моторного масла и образование низкотемпературных отложений. С другой стороны значительное облегчение фракционного состава при прочих равных условиях ухудшает пусковые свойства топлив, особенно при низких температурах, т.к. при увеличении количества паров на их прогрев затрачивается большое количество теплоты.

 

Воспламеняемость и горючесть

 

Процессы воспламеняемости и сгорания обусловливают полноту использования химической энергии топлива. Сгорание топлива – это комплекс физико-химических превращений смеси горючего и окислителя, главная роль в котором принадлежит реакции окисления.

Сгорание развивается в условиях резко изменяющихся температур и концентраций взаимодействующих веществ. Температура при горении углеводородно-воздушной смеси изменяется в довольно широких пределах и достигает 2000⁰ С.

В процессе  горения одновременно могут протекать разные стадии реакций предпламенного окисления и горения, детальное изучение которых затруднено. Например, испарение жидкого топлива, смешение его паров с воздухом, при этом необходимая для испарения теплота приводится из зоны горения. Законченной теории горения пока не создано. Химизм сгорания углеводородов и их смесей изучен недостаточно. Однако накоплен огромный экспериментальный материал, который наряду с имеющимися теориями позволяет во многих случаях управлять процессом горения, вести инженерные расчёты тепловых двигателей и разрабатывать мероприятия по повышению эффективности использования топлив.

При изучении сгорания топлива разграничивают два процесса: процесс воспламенения (инициирования горения) и процесс распространения пламени.

Для воспламенения горючей смеси необходимо подвести определённое количество энергии, достаточное для того, чтобы в некотором объёме смеси обеспечить такие начальные скорости химических реакций, при которых тепловыделение начинает превышать скорость отвода тепла от реагирующей смеси в стенки или в окружающую более холодную смесь. Воспламенение возможно самопроизвольное (самовоспламенение) или принудительное зажигание. В поршневых двигателях используют оба способа.

Самовоспламенение осуществляется при таких условиях, когда в отдельных местах камеры сгорания в горючей смеси начинают развиваться прогрессивно самоускоряющиеся реакции окисления углеводородов, завершающиеся возникновением пламени. Необходимая для таких реакций энергия подводится за счёт сильного сжатия воздуха, в который впрыскивается топливо.

Зажигание - это местное нагревание горючей смеси до высокой температуры. Искровой разряд в системе зажигания двигателя позволяет практически мгновенно нагреть  газ в искровом канале до температуры выше 10000⁰ С. При такой температуре  воспламенение некоторого объёма смеси происходит практически мгновенно. Однако для поддержания горения (распространения фронта пламени) количество энергии должно быть достаточным.

В отличии от воспламенения процесс распространения пламени идёт спонтанно, без внешнего воздействия на горючую смесь. Очередные слои или объёмы горючей смеси воспламеняются за счёт энергии, выделяющейся при сгорании предшествующих порций той же смеси.

Процессы распространения пламени различают по способам передачи энергии от горящих слоёв в свежую смесь: диффузионно-цепное и тепловое распространение пламени.

Скорость распространения пламени зависит от давления, температуры, коэффициента избытка воздуха. Поэтому все меры, направленные на повышение давления и температуры в камере сгорания, приводят к увеличению распространения фронта пламени, к увеличению скорости сгорания. Нормальная скорость 20...40 м/с. Максимальное значение скорости происходит при a =0,9. При обогащении или обеднении смеси скорость распространения фронта пламени уменьшается. Это происходит из-за нехватки кислорода при обогащении или за счёт расхода большого количества тепла на нагревание избытка воздуха при обеднении.

Процесс сгорания смеси паров топлива и воздуха с остаточными газами в двигателях с принудительным зажиганием можно разделить на три фазы (рисунок 2.5).

 

Рисунок 2.5 – Фазы горения топливовоздушной смеси

 

Детонационное сгорание. При нормальном сгорании бензина скорость распространения пламени составляет 25...35 м/с. При определенных условиях сгорание может стать взрывным, детонационным, при котором пламя распространяется со скоростью 1500...2500 м/с. Образующиеся при этом детонационные волны многократно отражаются от стенок цилиндра, вызывая резкие звонкие металлические звуки, вибрацию двигателя, периодически возникающий черный дым и желтое пламя в выпускных газах. Мощность двигателя падает, его детали перегреваются. В результате перегрева увеличивается износ деталей, появляются трещины, выгорают поршни и клапаны.

Нa рисунке 2.6 показана индикаторная диаграмма с искровым зажиганием рабочей смеси при работе с детонацией. Возникновение детонации в двигателях объясняется наиболее признанной перекисной теорией.

Рисунок 2.6 — Нормальное (1) и детонационное (2) сгорание смеси в бензиновом двигателе

Детонационное сгорание бензина связано с образованием и распадом первичных продуктов окисления углеводородов — пероксидов, которые представляют собой очень непрочные, легко разлагающиеся вещества, обладающие большой избыточной энергией. Чем выше температура, тем выше скорость окисления углеводородов. На рисунке 2.7 показана схема детонационного сгорания бензина в двигателе.

а — зажигание смеси искрой свечи; б — формирование очага горения; в — движение фронта пламени при нормальном сгорании; г — образование очагов холоднопламенного окисления в несгоревшей смеси; д — образование детонационной волны; е — движение отраженных волн

Рисунок 2.6 — Схема детонационного сгорания бензина в двигателе

При такте сжатия свежая топливная смесь смешивается с остаточными газами. Поршень перемещается от нижней мертвой точки к верхней мертвой точке при закрытых впускном и выпуск-ном клапанах, сжимая рабочую смесь. По мере уменьшения объема рабочей смеси ее давление и температура повышаются. В конце такта сжатия давление составляет 1,0...1,7 МПа, а температура — 330...340°С. Скорость окисления углеводородов также повышается, особенно после воспламенения рабочей смеси.

По мере ее сгорания температура и давление в несгоревшей части рабочей смеси увеличиваются, что способствует образованию большого количества пероксидов. Однако если в состав бензина входят углеводороды, не образующие большого количества пероксидов, то их концентрация не достигает критических значений и сгорание заканчивается нормально.

Если в последних порциях рабочей смеси образуется много пероксидов, то концентрация их достигает критического значения и происходят взрывной распад, цепочно-тепловой взрыв, самовоспламенение смеси. Сгорание рабочей смеси идет с большой скоростью и резким повышением давления, возникает ударная волна, перемещающаяся по камере со сверхзвуковой скоростью. Ударная волна стимулирует воспламенение соседних слоев рабочей смеси.

При детонации значительно повышается отдача теплоты газов стенкам камеры сгорания. Двигатель перегревается, происходит разрушение поверхности камеры сгорания, днища поршня и антифрикционного слоя латунных подшипников. Прокладки между блоком цилиндров и головкой прогорают. Повышается износ поршневых колец и зеркала цилиндра, так как детонационные волны, многократно отражаясь от поверхности цилиндров, снимают с них слой смазочного материала (масла). Часть бензина и продуктов неполного сгорания перемешивается внутри камеры сгорания с продуктами полного сгорания и не сгорает. Поэтому снижается мощность двигателя, повышается расход бензина, увеличивается дымность и появляется пламя в выпускных газах. Последствия детонации изображены на рисунках 2.8-2.....

Рисунок 2.8 — Поршень, поврежденный детонацией

Рисунок 2.9 — Клапан, поврежденный детонацией

Рисунок 2.10 — Свеча зажигания, поврежденная детонацией

На возникновение и интенсивность детонации влияют как конструкционные, так и эксплуатационные факторы. К конструкционным факторам относятся степень сжатия рабочей смеси, диаметр цилиндров двигателя, форма камеры сгорания, материал головки и поршней, место расположения свечей и др.

При увеличении степени сжатия возрастают давление и температура рабочей смеси. Следовательно, чем выше степень сжатия, тем значительнее детонация. В двигателе с большим диаметром цилиндров при других одинаковых условиях детонация усиливается вследствие ухудшения условий охлаждения камеры сгорания и повышения в связи с этим температуры рабочей смеси.

Форма камеры сгорания должна быть компактной, без мест пена и поверхностей, значительно удаленных от свечей зажигания. В бензиновых двигателях широко применяют головки цилиндров с клиновидной камерой сгорания и двусторонним размещением клапанов. Изготовляя головки и поршни из алюминиевых сплавов, а не из чугуна, можно существенно улучшить отвод теплоты из камеры сгорания и снизить температуру рабочей смеси, а, следовательно, и детонацию.

С целью предотвращения детонации свечи зажигания помещают вблизи нагретой зоны у выпускного клапана. При этом в первую очередь воспламеняется более нагретая часть рабочей смеси. В некоторых двигателях свечи располагают наклонно сбоку в углублении — наиболее нагретом месте стенки головки цилиндра.

К эксплуатационным факторам относятся угол опережения зажигания, частота вращения коленчатого вала, температура и влажность окружающего воздуха, состав топливной смеси, количество отложений на поршневой группе, температура охлаждающей жидкости и т. д. С уменьшением угла опережения зажигания детонация в двигателе значительно снижается или полностью исчезает. Это происходит в связи с сокращением времени на развитие процесса детонации и снижением температуры и давления газов в цилиндре во время рабочего хода поршня.

Высокая влажность воздуха также приводит к снижению детонации. В летний период при высоких температурах окружающего воздуха детонация проявляется в большей степени, чем зимой. Работа двигателя как на бедных, так и на богатых топливных смесях сопровождается снижением детонации. Нагар на днище поршня увеличивает степень сжатия и тем самым способствует детонации. Образование нагара в зоне поршневых колец затрудняет отвод теплоты, повышает температуру поршня и газов в камере сгорания и также способствует детонации.

На процесс сгорания в двигателе существенно влияет и температура охлаждающей жидкости. С ее увеличением ухудшается отвод теплоты от стенок цилиндра, повышается температура рабочей смеси в камере сгорания и детонация. При несоблюдении правил технического обслуживания системы охлаждения в рубашке двигателя образуется накипь, имеющая низкую теплопроводность, в результате чего повышается температура цилиндропоршневой группы и рабочей смеси, что приводит к возникновению детонации.

 

Октановое число (ОЧ). Мерой ДС бензинов является ОЧ.

Октановое число — это процентное (объемное) содержание изооктана в смеси с нормальным гепнатом (сравнительная смесь), которая по своим антидетонационным свойствам аналогична испытуемому топливу.

Определяют ОЧ на установках УИТ-65 и УИТ-85 двумя методами, отличающимися режимом работы этого специального одноцилиндрового двигателя с переменной степенью сжатия от 4 до 10. Интенсивность детонации замеряют и регистрируют детонометром. Моторный метод - это форсированный режим работы с большой и длительной нагрузкой (междугородное движение). Исследовательский метод - меньшие нагрузки характерные для городского цикла. ОЧ, найденное исследовательским методом, несколько выше, чем ОЧ, определённого моторным методом. Разница в ОЧ бензина называется «чувствительностью». Чувствительность зависит от химического состава бензина: наибольшая у олефинов (алкенов, одна двойная связь), несколько меньше у ароматических углеводородов, затем идут нафтены (циклоалканы) и самая низкая у парафинов (алканы).

Пути повышения ДС. По ДС определяют необходимое соотношение компонентов в товарных бензинах. Высокая ДС достигается тремя основными способами:

- использование в качестве базы наиболее высокооктановых вторичных продуктов переработки нефти или увеличение их доли в товарных бензинах;

- использование высокооктановых компонентов в товарных бензинах;

- применение антидетонационных присадок.

Используются все три. Товарные бензины готовят смешением компонентов, полученных прямой перегонкой, крекингом, риформингом,  коксованием, алкилированием, полимеризацией, изомеризацией и другими способами переработки нефти и нефтяных фракций.

1. Бензины прямой перегонки имеют большое количество алканов с низким ОК и используют их в небольшом объёме для получения А-76.

Компоненты, полученные термическим методом (большое количество алкенов [олефинов], ДС у которых выше, чем у н-алканов), добавляют только в автомобильные бензины.

Бензины, полученные каталитическим крекингом, имеют более высокую ДС, чем бензины термического крекинга. Это обусловлено повышенным содержанием в них изоалканов и ароматических углеводородов. Их используют как базовые для приготовления товарных высокооктановых бензинов.

В процессе каталитического риформинга получают бензины с высокой ДС за счёт ароматизации и частичной изомеризации углеводородов. В них до 70 % содержатся ароматические углеводороды. Их так же используют в качестве базовых для получения высокооктановых бензинов. Причём не только дистиллят, но и отдельные фракции, оставшиеся после извлечения индивидуальных ароматических углеводородов.

2. Для улучшения тех или иных характеристик базовых бензинов применяют высокооктановые компоненты. К высокооктановым компонентам относятся изооктан, алкилбензин, толуол, изопентан. При добавлении 15…40% высокооктановых компонентов к базовым сортам топлива получают бензины с более высокой детонационной стойкостью.

3. Наиболее эффективным и экономически выгодным способом повышения детонационной стойкости бензинов является введение антидетонаторов. Эти вещества обладают способностью при добавлении в бензин в небольшой концентрации резко повышать его детонационную стойкость. Действие антидетонаторов заключается в обрыве цепных реакций образования пероксидов.

Сюда относятся алкилсвинцовые антидетонаторы (в первую очередь тетраэтилсвинец Pb(C₂H₅)₄, а затем тетраметилсвинец Pb(CH₃)₄), кислородосодержащие соединения (спирты, метил-трет-бутиловый эфир).
Бензины с добавлением этиловой жидкости, содержащей тетраэтилсвинец, называют этилированными. Так как этиловая жидкость ядовита, то бензины окрашивают.

Применение этилированных бензинов вызывает освинцовывание деталей камеры сгорания (рисунок 2.11), а также приводит к выходу из строя каталитических нейтрализаторов выхлопных газов.

Рисунок 2.11 — Отложение свинца на свече зажигания

Значительным вкладом в решение проблемы сокращения производства этилированных бензинов в Росссии является замена токсичных антидетонаторов на значительно менее токсичные антидетонационные присадки, такие, как метил-трет-бутиловый эфир (МТБЭ) - СН₃ОС₄Н₉.

Он не ядовит, отличается более высокою теплотой сгорания, хорошим смешением с бензином в любых соотношениях, не агрессивен к конструкционным материалам. При введении МТБЭ в бензин в количестве 11% на 10—12 °С снижается температура холодного запуска двигателя. При добавке 10% МТБЭ октановое число бензинов повышается на 2,1-5,8 ед. (по исследовательскому методу), а при добавке 20% - на 4,6—12,6 ед.

Ряд предприятий вырабатывают МТБЭ (ТУ 38.103704-90) или смесь на его основе под названием "фетерол" (ТУ 301-03-130-93). Максимально допустимое содержание МТБЭ или фетерола в отечественных бензинах составляет 15%.

В качестве антидетонационных присадок предполагается применение композиций, содержащих марганец и железо в виде циклопентадиенилтрикарбонил марганца (ЦТМ) и дициклопентадиенил железа (ферроцен) и его производных. На основе дициклопентадиенил железа разработана присадка "Октан-Максимум" (ТУ 6-00-05008008-002-96). Кроме того, проведены испытания автомобильных бензинов, содержащих в своем составе присадку ФК-4 (ферроценилдиметилкарбонил). Испытания показали, что введение присадки ФК-4 обеспечивает снижение вредных выбросов с отработавшими газами (по СО на 10-20%, по углеводородам - в 1,2-2,4 раза).

Так, бензины с марганцевыми антидетонаторами (ЦТМ, МЦТМ) дают повышенные отложения на поверхностях свечей зажигания и катализаторах дожигателя, снижая эффективность их работы. Кроме того, соединения марганца при вдыхании обладают нейротоксичным действием. Поэтому их применение ограниченно Межведомственной комиссией МВК при Госстандарте РФ по времени (до 2001 г.) и не должно носить массовый характер.

Железосодержащие присадки (ферроцены) не токсичны, сравнительно дешевы и эффективны, но вызывают повышенный износ деталей двигателей и нагаролакоотложения. При малых концентрациях ферроценов (до 40 мг/кг бензина) их негативное влияние на работу двигателя замедляется, но не исчезает (рисунок 2.12).

По черным полоскам на рыжем изоляторе искра стекает на «массу», минуя искровой промежуток:
1 - свечи А17ДВРМ (энгельсского и уфимского заводов) и RN9YC (CHAMPION)	2 - свечи WR 7 DP PLATINUM (BOSCH), платиновый электрод так же бессилен, как и стандартный	3 - боковые электроды WR 78 SUPER 4 (BOSCH) не затеняют искру от камеры сгорания, но между электродами ее нет

Рисунок 2.12 — Отложение оксида железа на свече зажигания

Исходя из постоянно возрастающих требований к надежности и экологическим характеристикам двигателей, применение бензинов с металлосодержащими присадками можно рассматривать лишь в качестве временной альтернативы этилированным бензинам, не соответствующим по техническому уровню Европейскому стандарту EN 228.

Калильное зажигание. Рабочая смесь в конце такта сжатия готова к воспламенению, поэтому создаются условия для самопроизвольного, неуправляемого воспламенения независимо от времени подачи искры зажигания. Источником воспламенения могут служить перегретые клапана, свечи, кромки прокладок, тлеющие частички нагара и т.д. КЗ нарушает протекание процесса сгорания, снижает мощность, ухудшает топливную экономичность. КЗ принципиально отличается от ДС, хотя в условиях работы ДВС тесно переплетаются. Сгорание смеси после КЗ протекает с нормальными скоростями и может не сопровождаться детонацией. Пути борьбы с ним – улучшение конструкций камеры сгорания и введение присадок, изменяющих свойства образующегося нагара. Наиболее распространены фосфорные присадки, например, трикрезилфосфат.

Рисунок 2.12 — Свеча при калильном зажигании

 

Жёсткая работа дизеля. В дизельном двигателе воспламенение и сгорание топлива происходит иначе, чем в бензиновом. Для дизельного топлива одной из важнейших характеристик является время задержки воспламенения, оцениваемое цетановым числом (ЦЧ). Определяют ЦЧ на установке ИТ-9. Цетановое чилсло — это показатель воспламеняемости дизельного топлива, численно равный объемному проценту цетана в эталонной смеси, которая в условиях испытания равноценна по воспламеняемости испытываемому топливу. Эталонная смесь состоит из цетана с ЦЧ=100 и ?-метилнафталин с ЦЧ=0 .

Применение топлив с ЦЧ менее 40 обычно приводит к жёсткой работе ДВС, а более 50 - к повышению удельного расхода топлива, вследствие уменьшения полноты сгорания.

Рисунок 2.13 — Мягкая (а) и жёсткая (б) работа дизеля

ЦЧ зависит от содержания и строения углеводородов, входящих в его состав. Воспламеняемость углеводородов различных классов существенно различна. Парафины (алканы) и олефины (алкены, одна двойная связь) термически менее устойчивы, имеют высокие ЦЧ, особенно н-алканы. Углеводороды с одной или несколькими боковыми цепями обладают меньшим ЦЧ.

Для окисления ароматических углеводородов необходимы более высокая температура и большой промежуток времени, поэтому их ЦЧ невелики.

Увеличение числа углеродных атомов в молекуле ведёт к увеличению ЦЧ. ЦЧ высококипящих фракций дизельного топлива, как правило, выше ЦЧ низкокипящих фракций.

Углеводороды, имеющие высокие ЦЧ, обладают низкой детонационной стойкостью. Отсюда была выведена эмпирическая зависимость ЦЧ топлива от его ОЧ:

ЦЧ = 60 - ОЧ/2.

 

Чем выше ЦЧ топлива, тем ниже его ОЧ и наоборот. Поэтому добавление в дизельное топливо бензиновых фракций снижает его ЦЧ.

Для повышения ЦЧ в дизельное топливо добавляют специальные присадки. Наиболее эффективными являются некоторые пероксидные соединения и алкилнитраты. Пероксидные соединения при хранении подвергаются дальнейшему  окислению и их эффективность падает, поэтому широкого применения не получили. В качестве присадки чаще используют в небольших концентрациях изопилнитрат.

ЦЧ характеризует пусковые свойства дизельного топлива: с увеличением ЦЧ пуск двигателя облегчается. Однако это справедливо для топлив, незначительно различающихся по фракционному составу. Тяжёлое топливо с высоким ЦЧ оказывается хуже по пусковым свойствам, чем лёгкое топливо с низким ЦЧ.

 

Прокачиваемость

 

Для нормальной работы двигателя необходима бесперебойная подача топлива в определённом объёме. Уменьшение подачи ведёт к обеднению топливо-воздушной смеси, снижению мощности и надёжности работы двигателя. Увеличение подачи также ухудшает нормальную работу двигателя и экономически невыгодно из-за повышенного расхода двигателя.

Нарушение подачи связано со следующими показателями качества топлива:

ü вязкостью;

ü образованием кристаллов льда и углеводородов;

ü загрязнением механическими примесями, смолистыми веществами и т.д.;

ü испарением топлива в системе подачи.

Вязкость. От вязкости топлива зависит гидравлическое сопротивление всех элементов системы питания – при увеличении вязкости гидравлическое сопротивление элементов увеличивается. Например, с понижением температуры окружающего воздуха вязкость всех жидких топлив резко возрастает. Вследствие этого гидравлическое сопротивление может настолько увеличиться, что подача топлива окажется недостаточной для нормальной работы двигателя.

Скорость нарастания вязкости топлива при его охлаждении зависти от строения и молекулярной массы, входящих в него углеводородов. При увеличении молекулярной массы всех углеводородов вязкость увеличивается, а скорость её нарастания при охлаждении становится всё больше. Из всех классов углеводородов наименьшая вязкость у алифатических углеводородов, то есть с ациклическим углеродным скелетом. Эти же углеводороды в меньшей степени изменяют свою вязкость при охлаждении. Нормальные, неразветвлённые углеводороды имеют меньшую вязкость и при охлаждении изменяют её в не так резко, как разветвлённые. При этом чем больше атомом углерода в боковых цепях, тем вязкость выше и её изменения сильнее. У алифатических углеводородов с двойной связью в молекуле вязкость меньше.

Ароматические углеводороды в молекуле повышают вязкость и ухудшают вязкостно-температурную характеристику, деля её кривую более крутой. Бициклические углеводороды (два цикла в молекуле) при одинаковой молекулярной массе с моноциклическими имеют более высокую вязкость и более резкое её изменение с понижением температуры.

Из жидких топлив наименьшую вязкость и самую пологую вязкостно-температурную характеристику имеют бензины. Гидравлическое сопротивление системы питания при прокачке бензина с понижением температуры растёт незначительно и практически не влияет на работу двигателя. Однако и изменение вязкости бензина также влияет на работу двигателя: чем ниже вязкость, тем больше подача бензина и тем больше расход топлива.

Образование в топливе кристаллов воды. При температуре окружающего воздуха 20⁰ С содержание воды в топливе незначительно – не более 0,02…0,03 %. При положительных температурах окружающего воздуха такое содержание воды не влияет на их эксплуатационные свойства.

Однако с понижением температуры окружающего воздуха ниже 0⁰ С растворимость воды в топливе уменьшается, появляется её избыток и если этот избыток воды не успевает перейти в воздух, образуются мелкие капли, превращающиеся в кристаллы льда. Такие условия создаются в топливных баках. Эти кристаллы задерживаются в фильтрующих элементах, что в начале ведёт к частичной, а затем к полной забивке фильтров и прекращении подачи топлива. В большой степени это явление зависит от растворимости воды в топливе.

Наибольшая растворяющая способность по отношению к воде у ароматических углеводородов. С увеличением молекулярной массы и разветвлённостью молекулы растворимость воды в ароматических углеводородах уменьшается. Алкены (непредельные углеводороды, олефины) растворяют воды значительно больше, чем алканы (наиболее насыщенные углеводороды, парафины) и циклоалканы (предельные углеводороды, нафтены). При увеличении молекулярной массы парафинов и нафтенов растворимость воды в них снижается, однако не так резко, как у ароматических углеводородов. В смесях растворимость воды изменяется аддитивно, то есть суммируется.

Для топлив, мало различающихся по фракционному составу, растворимость воды тем выше, чем больше в них содержится ароматических углеводородов. При равном содержании ароматических углеводородов в разных топливах растворимость воды уменьшается с утяжелением их фракционного состава.

Содержание воды в топливе зависит и от влажности воздуха, и чем выше влажность, тем выше содержание воды в топливе. При этом вода переходит из воздуха в топливо и обратно очень быстро, так как находится в топливе в молекулярном состоянии. Из воздуха вода переходит в топливо гораздо быстрее, чем из жидкой фазы.

Кристаллы льда образуются в топливе не только за счёт замерзания капель избыточной воды, но и за счёт перехода в топливо инея со стенок сосудов, ёмкостей, баков. Стенки охлаждаются быстрее, чем само топливо и воздух над ним. В результате пары воды конденсируются на стенках и образуется иней, который либо переходит в топливо, либо просто осыпается или смывается.

Для борьбы с кристаллами льда разработаны конструктивные и физико-химические способы.

Конструктивные способы заключаются в подогреве топлива в системе питания или впрыскивании на фильтр специальных жидкостей, растворяющих воду.

К физико-химическим способам борьбы со льдом относятся специальные присадки, вводимые в товарное топливо. Они способны не только предотвращать кристаллообразование льда, но и растворять ранее образовавшиеся кристаллы. Они увеличивают растворимость воды в топливах и сами хорошо растворяются как в топливе, так и в воде.

Образование кристаллов углеводородов. В состав топлив входят с разной температурой кристаллизации. В топливе они находятся в растворённом состоянии и при понижении температуры, их растворимость уменьшается, и они выпадают в виде кристаллов. Такая температура называется температурой помутнения. При дальнейшем понижении температуры кристаллы углеводородов «сращиваются» образуя каркас. При этом топливо теряет подвижность, а температура называется температурой застывания. Считается, что температура помутнения топлива характеризует фильтруемость топлив при низкой температуре, а температура застывания – прокачиваемость.

Растворимость отдельных углеводородов в топливах и температуры выпадения кристаллов зависят от строения углеводородов и состава топлива. Как правило, температура кристаллизации всех углеводородов повышается с увеличением молекулярной массы, а следовательно, и температура кипения. В большой степени температура кристаллизации зависит от строения углеводородов. Самую высокую температуру кристаллизации имеют нормальные алканы (парафины с неразветвлённым углеродным скелетом). С увеличением длины скелета температура кристаллизации повышается. У изомеров алканов (разветвлённый углеродный скелет) температура кристаллизации понижается. Олефины (алкены, ненасыщенные углеводороды) имеют более низкую температуру кристаллизации, чем соответствующие алканы. Нафтеновые (циклоалканы, циклопарафины, предельные углеводороды) и ароматические углеводороды с разветвлёнными алкильными цепями кристаллизуются при более низких температурах, чем соответствующие алканы. С увеличением длины неразветвлённой боковой цепи температура кристаллизации этих углеводородов повышается.

Содержащиеся в бензинах низкомолекулярные углеводороды имеют приемлемые низкотемпературные свойства. В тяжёлых углеводородных фракциях дизельных топлив наиболее высокими температурами кристаллизации обладают нормальные малоразветвлённые алканы. Застывание дизельных топлив вызывают и моноциклические нафтеновые и ароматические углеводороды с длинными боковыми цепями нормального (неразветвлённые) строения.

Возникновение кристаллов зависит и от концентрации и строении примесей: смолистых веществ и сераорганических соединений.

Вязкость топлива пропорциональна скорости роста кристаллов: с повышение вязкости топлива размеры выпадающих кристаллов уменьшаются, и скорость их роста замедляется. После выдерживания топлива при постоянной температуре содержащиеся в нём кристаллы сращиваются друг с другом, образуя каркасы. Эти каркасы захватывают в свои ячейки жидкие углеводороды, не кристаллизующиеся при данной температуре.

В настоящее время для устранения застывания топлива используют депрессорные присадки. Такие присадки снижают температуру застывания топлива и не влияют на температуру помутнения. Твёрдые углеводороды начинают кристаллизоваться при одной и той же температуре независимо от присутствия в топливе депрессорной присадки. Но сращивание кристаллов в присутствии присадки происходит при более низкой температуре.

Загрязнение и механические примеси. В процессе транспортирования топливо загрязняется механическими примесями: почвенная пыль, продукты коррозии ёмкостей и трубопроводов, продукты износа перекачивающих средств. На этих неорганических примесях адсорбируются органические асфальтено-смолистые вещества – продукты окисления нестабильных составляющих топлива.

К основным компонентам механических примесей относятся: оксиды кремния, алюминия, железа, соединения кальция, магния, натрия. В почвенной пыли содержится от 50 до 95 % кварца, твёрдость которого больше твёрдости конструкционных материалов двигателя. Поэтому именно кварц вызывает абразивное изнашивание деталей, засорение каналов и жиклёров, отложение во впускном трубопроводе, в камерах сгорания, на клапанах, нарушает плотность посадки. Для снижения содержания механических примесей необходимо топливо отстаивать и отфильтровывать.

 

Стабильность топлив. Склонность к образованию отложений

 

В процессе транспортировки, хранении и применении свойства топлив могут изменяться в результате физических и химических процессов. Кроме того, в топливах могут развиваться грибки и бактерии. Поэтому различают физическую, химическую и биологическую стабильность.

Физическую стабильность определяют: склонность топлива к испарению и способность расслаиваться и образовывать осадки при смешивании.

Химическая стабильность: склонность к окислению углеводородов и неуглеводородных примесей при обычных и повышенных температурах с образование смолистых кислородосодержащих соединений.

Биологическая стойкость: стойкость к воздействию бактерий, грибков и плесени.

Физическая стабильность. Испарение топлива во время транспортировки и хранении ведёт не только к материальным потерям, Но и к ухудшению эксплуатационных свойств и загрязнению окружающей среды.

Чем больше в топливе легкокипящих фракций углеводородов, чем ниже температура начала кипения топлива, чем выше давление его насыщенных паров. тем больше склонность топлива к испарению. Из жидких топлив максимальную склонность к потерям от испарения имеют бензины.

Топлива, содержащие только углеводородные компоненты, не расслаиваются при любых температурах. Попадание воды в такие топлива не сопровождается вымыванием каких-либо компонентов, и после отстоя топлива не изменяют своих свойств. Иначе ведут себя топлива, в которых присутствуют кислородосодержащие компоненты, например, спирты.

Растворимость метанолов и этанолов в углеводородах ограничена. При попадании воды концентрация спиртов снижается, ухудшается их растворимость и топливо мутнеет. Топлива тяжёлого фракционного состава смешиваются с метанолом хуже бензинов и расслаиваются при более высоких температурах.

Химическая стабильность. На любой стадии – хранение, транспортировка, применение – происходит соприкосновение топлива с воздухом. Нестабильные соединения находящиеся в топливе под воздействием кислорода изменяются с образование смолистых веществ. Эти продукты окисления способны вызвать коррозию деталей двигателя, забивать фильтры и жиклёры, образовывать отложения на клапанах и в камерах сгорания.

Химическая стабильность топлив зависит от состава и строения углеводородов и содержания и природы неуглеводородных примесей, входящих в состав топлива. Кроме того, химическая стабильность зависит от температуры, концентрации кислорода, солнечного света и других факторов.

Окислению подвергаются все углеводороды, но с разной скорость, но самопроизвольно без подвода внешней энергии. Автоокисление углеводородов процесс самоускоряющийся.

В большей степени окислению подвержены непредельные углеводороды. Их склонность зависит от строения углеродного скелета и расположению двойных связей. Углеводороды с сопряжёнными двойными связями (ациклические или циклические) и с одной двойной связью в боковой цепи, связанной с ароматическим ядром, являются инициаторами окисления остальных углеводородов. Среди алкенов менее склонны к окислению циклоалкены с одной двойной связью, диены с удалёнными двойными связями и олефины. По мере разветвления углеродного скелета и приближения двойной связи к середине молекулы склонность олефинов к окислению возрастает.

Наименее подвержены к окислению алканы, нафтены, бензол. Ароматические углеводороды с боковыми цепями окисляются легче бензола. Склонность к окислению возрастает с увеличением молекулярной массы, увеличением числа и длины боковых цепей и  несимметричности молекулы.

Биологическая стойкость. Образование микробиологических масс и продуктов их жизнедеятельности способствует коррозии металлов, ведёт к забивке трубопроводов, фильтров и каналов топливной аппаратуры. Микроорганизмы, попадая в топливо, могут длительное время сохраняться в нём, не размножаясь, но и не отмирая. Многие микроорганизмы развиваются в системах из топлива и воды. При этом микробиологические массы развиваются на поверхности раздела между водой и топливом. Росту микроорганизмов способствует повышение температуры. Большая влажность с высокой температурой способствуют развитию микроорганизмов.

 

 

Коррозионная активность.

Совместимость с неметаллическими материалами

 

В процессе хранения, транспортирования, применения топлива могут вызывать коррозию металлов, набухание, разрушение или другие изменения свойств резин, герметиков и других эксплуатационных материалов. Продукты сгорания топлив вызывают коррозию деталей цилиндропоршневой группы, газораспределительного механизма, агрегатов выпускного тракта и увеличивать коррозионную активность атмосферы.

Коррозия обычно протекает на границе двух фаз – металла и жидкости или газа. Причиной коррозии является термодинамическая неустойчивость металлов. Все металлы в условиях эксплуатации стремятся перейти в стабильное окисленное состояние, в чём и проявляе5тся суть коррозии.

Химический и электрохимический процессы коррозии различны по принципу и по скорости протекания.

Химическая коррозия возникает при прямом химическом взаимодействии металла с окружающей средой или её компонентами. Это обычная химическая реакция, протекающая в средах, не проводящих электрического тока: сухие газы и неэлектрики. Например, газовая коррозия выпускного тракта отработавшим газами или коррозия топливной системы за счёт взаимодействия с сернистыми соединениями, находящимися в топливе.

Электрохимическая коррозия происходит в том случае, когда на поверхности металла имеется электролит: водный раствор солей, кислот, щелочей, проводящих электрический ток. Такая коррозия протекает со значительной скоростью и играет ведущую роль в разрушении металлов во взаимодействии с топливом.

Вода может попасть в топливо при заправке, резком перепаде температур, высокой влажности воздуха. Газы, находящиеся в воздухе, растворяются в этой воде. Так возникает электрохимическая реакция в плёнке получившегося электролита на поверхности границ металла и топлива или газа.

Коррозионная активность зависит от состава топлив. Углеводороды не оказывают коррозионного воздействия на металлы. Коррозионная активность топлив зависит от неуглеводородных примесей: сернистых и кислородных соединений, и водорастворимых кислот и щелочей.

Водорастворимые кислоты и щёлочи являются случайными примесями, попавшие в топливо после одного из видов очистки или при использовании недостаточной чистой тары и трубопроводов. Кислоты вызывают сильную коррозию любых металлов, щёлочи корродируют алюминий.

 К другим примесям, вызывающим коррозию, относятся сераорганические соединения. Активность соединений серы при обычных температурах различна. К активным относят сероводород, свободную серу и меркаптаны. Сероводород особенно опасен для цинка, меди, железа, латуни, сера воздействует на медь и железо, меркаптаны взаимодействую почти со всеми металлами.

Такие соединения серы, как сульфиды, дисульфиды, тиофены, тиофаны относятся к неактивным и при обычных температурах не взаимодействуют с металлами. Но в процессе сгорания все сернистые соединения образуют активные оксиды серы – SO₂ и SO₃. Именно поэтому общее содержание серы в топливах ограничивается.

Характер коррозионного действия оксидов серы на металлы зависит от температуры. При низкой температуре, когда возможна конденсация водяных паров из продуктов сгорания, происходит электрохимическая коррозия. При температуре выше критической конденсации влаги на поверхностях не происходит и протекает высокотемпературная сухая газовая химическая коррозия.

В области оптимальных температур коррозия минимальна. Снижение температуры ниже оптимальной резко увеличивает скорость электрохимической коррозии, скорость химической коррозии возрастает с повышением температуры не так быстро. Таким образом, высокотемпературные режимы менее опасны, чем низкотемпературные. В бензиновых двигателях коррозия оказывает более сильное влияние на износ цилиндров, чем в дизелях. Наибольший износ наблюдается при пуске двигателя, особенно в зимнее время и при эксплуатации с частыми и длительными остановками.

При необходимости использования сернистых топлив снижение коррозионного износа цилиндро-поршневой группы возможно за счёт щелочных присадок в моторное масло.

Сложнее защитить от коррозии детали выпускного тракта и особенно глушителя. Оксиды серы растворяются в воде, конденсирующейся  из продуктов сгорания. Здесь снижения коррозии можно достигнуть уменьшением содержания серы в топливе.

Кислородосодержащие соединения всегда присутствуют в топливах. Они попадают из нефти при её переработке, при окислении непредельных углеводородов при хранении и транспортировке.

Высокой коррозионной активностью из кислородосодержащих обладают нафтеновые кислоты. Но они заметное влияние оказывают на свинец и цинк, а на другие цветные металлы и на чёрные металлы они действуют незначительно.

Кислые продукты окисления нестабильных углеводородов обладают значительно большей коррозионной активностью, чем нафтеновые кислоты, тем более часть их растворима в воде.

Для снижения коррозионной активности топлива подвергают очистке. Антиокислительные присадки предотвращают окисление углеводородов и сернистых соединений. Действие этих присадок различно:

-    ингибиторы хемосорбционного действия, химически взаимодействуя присадки с металлом, образуют не его поверхности защитную плёнку;

-    ингибиторы адсорбционного действия, образуют на поверхности металла защитную плёнку вследствие адсорбции полярных групп поверхностно-активных веществ;

-    ингибиторы нейтрализующего действия нейтрализуют кислотно-агрессивные продукты.

Добавка азотосодержащих присадок к топливам уменьшает газовую коррозию выпускного тракта.

Микроорганизмы в результате своей жизнедеятельности образуют кислые коррозионно-активные вещества в виде коричнево-чёрной слизи, скапливающейся на границе раздела двух фаз: топливо–вода – на дне резервуара, топливного бака, на стенках трубопроводов. Эти продукты жизнедеятельности микроорганизмов не только разрушают защитные покрытия металлов, но и вызывают разложение антикоррозионных присадок. Для борьбы с микроорганизмами применяют бактерицидные присадки.

Углеводороды являются растворителями многих неметаллических материалов, их которых изготавливают детали топливных систем двигателя. Особенно высокая растворяющая способность у ароматических углеводородов, входящих в состав топлив до 50%.  Неметаллические материалы набухают, из них вымываются присадки и ингредиенты. Это приводит к преждевременному выходу из строя прокладок, герметиков, сальников, шлангов и т.д.

 

Защитная способность

 

Даже после очистки топлив после практически полного удаления коррозионно-активных компонентов коррозия металлов не только не уменьшилась, но в ряде случаев даже увеличилась. Коррозионная активность топлив действительно уменьшилась, но серо- и кислородосодержащие соединения, являясь поверхностно-активными веществами, способны образовывать на поверхности металлов плёнки, предотвращающие электрохимическую коррозию в присутствии воды. Это свойство получило название защитной способности.

Коррозионная активность и защитная способность проявляются одновременно и это учитывается при разработке антикоррозионных и защитных присадок.

 

Противоизносные свойства

 

В автомобильных двигателях внутреннего сгорания детали топливоподающей аппаратуры смазываются самим топливом. Создавать дополнительную масляную систему для смазки элементов топливной системы сложно, так как смазочное масло применять здесь невозможно.

Интенсивность износа трущихся деталей системы питания двигателя при контакте с топливом зависит от конструктивных (контактирующие металлы и их сплавы, чистота обработка поверхности, величина и характер нагрузок) и эксплуатационных (температурный режим работы деталей, степень нагрева топлива) факторов.

Степень загрязнённости топлива механическими примесями влияет на интенсивность износа, но является величиной переменной и зависит от системы фильтрования. Поэтому в понятие противоизносных свойств топлива не включается.

Противоизносные свойства топлив зависят от вязкости и её температурных изменений, от наличия в топливе поверхностно-активных веществ. Смазывающие свойства топлив значительно хуже, чем у масел. И вязкость, и содержание поверхностно-активных веществ в топливе значительно меньше, чем  в масле. С увеличением пределов выкипания топлива, увеличивается его вязкость и содержание поверхностно-активных веществ и, следовательно, Противоизносные свойства.

 На поверхности трущихся пар при контакте с топливом образуется граничный слой, выполняющий роль смазочной плёнки. Образование этой плёнки связано с активностью поверхностного слоя металла, притягивающего серо-, кислородо- и азотосодержащие соединения и создающие на поверхности смазочную плёнку. Наилучшими противоизносными свойствами обладают кислородные соединения.

Образование смазочной плёнки на поверхности трущихся деталей связано не только с адсорбцией (физическим взаимодействием), но и с хемосорбцией (химическим взаимодействием). Хемосорбционная плёнка более прочная, чем адсорбционная, поэтому её стараются создать в самых нагруженных узлах.

После очистки из топлива удаляются гетероорганические соединения и ухудшаются противоизносные свойства. Поэтому в товарное топливо добавляют противоизносные присадки.

Противоизносные свойства топлив ухудшаются в присутствии механических примесей, так как они разрушают плёнку и вызывают абразивный износ.

 

Охлаждающая способность

 

Расход топлива в двигателях большой, что позволяет отвести значительное количество тепла от объекта и одновременно нагреть топливо, что улучшает его испаряемость перед сгоранием.

Но для эффективности использования топлива в качестве охлаждающей жидкости оно должно отвечать определённым требованиям:

-    Температура начала кипения должна быть выше возможного нагрева топлива при выходе из теплообменника. Закипание топлива может нарушить работу системы питания двигателя.

-    Топливо должно обладать высокой термической стабильностью и не окисляться при температурах в теплообменнике.

-    Топливо должно иметь высокую теплоёмкость.

-    У топлива должна быть высокая теплопроводность, обуславливающая скорость протекания процесса теплоотдачи. Наибольшей теплоёмкостью обладают алканы нормального строения (неразветвлённые парафины). При увеличении разветвлённости у изомеров теплоёмкость всех углеводородов падает.

 

Некоторые эксплуатационные свойства дизельных топлив

 

Рабочий процесс в дизельных двигателях принципиально иной, чем в бензиновых: топливо смешивается с воздухом непосредственно в камере сгорания и отсутствует принудительное воспламенение рабочей смеси. Отсюда и специфические требования к качеству дизельного топлива. В цилиндрах дизеля сжимается не рабочая топливовоздушная смесь, а воздух. В сжатый до 3…7 МПа и нагретый за счёт высокого давления до 500…800⁰ С воздух под высоким давлением через форсунку впрыскивается топливо. Оно испаряется, нагревается до температуры воспламенения, перемешивается с горячим воздухом и самовоспламеняется.

Для обеспечения полного и качественного сгорания топлива оно должно обладать:

§    хорошей прокачиваемостью для бесперебойной работы ТНВД;

§    тонким распылом и хорошим смесеобразованием;

§    отсутствием: нагарообразования на клапанах, кольцах, поршнях; зависания иглы; закоксовывания форсунки;

§    отсутствием коррозионного воздействия на резервуары, топливопроводы;

§    химической стабильностью.

Низкотемпературные свойства. При понижении температуры в дизельном топливе появляются разрозненные кристаллы парафинов, которые оседают на фильтрах и ухудшают подачу топлива в цилиндры.

Показатели, характеризующие начало кристаллизации и потерю подвижности топлива стандартизованы. К ним относятся:

-      температура помутнения, при которой топливо теряет прозрачность из-за начавших выпадать кристаллов парафинов;

-      температуру застывания, при которой дизельное топливо теряет подвижность из-за образования кристаллической решётки из выпавших парафинов. Определяют её в стандартном приборе, наклонённом под углом в 45⁰ в течении одной минуты..

Нормальная работа двигателя возможна в условиях, когда температура окружающего воздуха на 5…10⁰ С выше температуры застывания.

Вязкостные свойства. Понижение или повышение вязкости (для топлив различных марок вязкость изменяется в пределах 1,8…6,0 мм²/с) приводит к нарушению работы топливоподающей аппаратуры, а также процессов смесеобразования и сгорания.

Загустевание топлива приводит к повышению сопротивления подачи топлива и, как следствие, к нарушению нормальной работы двигателя. Крупные капли повышенной вязкости испаряются медленнее, частично оседают на днище поршня и стенках цилиндра, что приводит к нарушению процесса горения и, как следствие, снижению. КПД, увеличению нагара.

Испаряемость. Топлива, содержащие высококипящие углеводороды, в условиях камеры сгорания во время рабочего процесса испаряются медленно и неполно. Это затрудняет пуск двигателя, снижает его экономичность и увеличивает дымность отработавших газов. С другой стороны, если топливо имеет облегчённый фракционный состав, оно способно испариться быстро и полно. Однако, из-за плохой самовоспламеняемости возникают трудности с запуском двигателя, а после прогрева его работа становится жёсткой. Поэтому дизельное топливо должно обладать оптимальной испаряемостью.

Для повышения поверхности испарения топливо тщательно распыляют, что достигается при прохождении его с большой скоростью через сопло форсунки.

Такой показатель, как температура выкипания 50 % фракции характеризует пусковые качества дизельных топлив, а температура выкипания 96 % фракции указывает на содержание в топливе трудно испаряющихся фракций, которые ухудшают смесеобразование и вызывают неполное сгорание.

Склонность к образованию отложений. Высокой химической стабильностью отличаются топлива, получаемые при разгонке нефти с низким содержанием  сернистых соединений.

Образование нагара и смолистых отложений зависит не только от состояния и режимов работы двигателя, но и от качества топлива. Наибольший вред приносит присутствие в них смолистых веществ. Оказывают влияние так же вязкость, углеводородный и фракционный состав.

На процесс нагарообразования оказывают влияние зольность и количество неорганических механических примесей.

 

Присадки к топливам

 

В настоящее время присадки к топливам в России приобрели широкое распространение. Раньше их ассортимент был невелик и они использовались исключительно нефтеперерабатывающими заводами для обеспечения требуемых показателей качества топлив. Теперь же к присадкам проявляют интерес и владельцы транспортных средств. При этом преследуется несколько целей. Одних привлекает возможность использовать более дешёвый низкооктановый бензин, улучшив его антидетонационные свойства специальными присадками, других – возможность улучшения потребительских качеств стандартных топлив, например понижение температуры застывания летнего дизельного топлива путём добавки депрессоров. Грамотные потребители используют многофункциональные присадки, улучшающие моющие, защитные и др. свойства топлив. Затраты на присадки окупаются повышением комфортности обслуживания автомобиля, поддержанием оптимальных характеристик рабочих режимов и увеличением ресурса двигателя. Могут использоваться и присадки улучшающие экологические свойства топлив. К ним относятся многофункциональные присадки и антидымные, антисажевые.

Необходимо отметить, что присадки не предназначены для компенсации недостатков, связанных с низким качеством топлив или плохим техническим состоянием двигателя. Наоборот, чем лучше топливо и двигатель, тем больший эффект может быть получен от присадок.

В настоящее время в мире выпускается около 1,5 млн. т присадок к топливам в год. На 95 % это присадки к автомобильным бензинам. В России растёт интерес к присадкам. Например, за 1996…1998 годы допущено присадок больше, чем за предыдущие 15 лет. В 90^е годы в центре внимания находятся модификаторы горения и антидетонаторы.

К топливам добавляют более 30 основных присадок, а композиций этих присадок насчитывается более сотни. Мировой ассортимент присадок насчитывает несколько тысяч товарных марок. В России присадки к топливам стали применятся позже, чем в других странах мира, поэтому их число не так велико, а возможности используются не в полной мере.

Деление присадок на типы при их классификации производят исходя из назначения. Затем присадки различных типов подразделяют по механизму действия. Например, предлагается разделять присадки на стабилизаторы, т. е. позволяющие сохранять физико-химические  и эксплуатационные свойства, присущие самим топливам, и модификаторы, придающие топливам новые качества. Последние, кроме того, подразделяются на модификаторы радикального и коллоидно-химического характера. Следует отметить, что современные присадки в большинстве своём многофункциональны. Однако большинство многофункциональных присадок к бензинам и дизельным топливам базируется на агентах моющего действия, которое является основным. Ассортимент присадок представлен в таблице 3.

Таблица 3 – Ассортимент присадок к топливам  

Тип присадки	Топливо	Концентрация, %	Пример активного компонента	Назначение
Модификаторы воспламенения: Антидетонаторы	Бензины	0,01…0,1   1…2	Металлоорганические соединения свинца, железа и марганца   N-метиланилин	Предотвращают преждевременное воспламенение бензина в двигателях с принудительным воспламенением
Промоторы воспламенения	Дизельные топлива	0,1…1	Алкилнитраты, Пероксиды	Повышают цетановое число топлив за счёт снижения температуры
Модификаторы горения:     Антинагарные	Этилированные бензины	0,01…0,05 зависит от содержания ТЭС в бензине	Эфиры фосфорной кислоты (трикрезилфосфат), алкиборные кислоты	Предотвращают образование нагара на деталях двигателя, вызванного отложением оксидов свинца на свечах и стенках камеры сгорания
Антинагарные	Дизельные топлива	0,05…0,1	Термостойкие ПАВ в сочетании с катализаторами горения и модификаторами нагара	Препятствуют образованию нагара в камере сгорания, предотвращают закоксовывание поршневых колец
Антидымные	Дизельные топлива	0,05…0,2	Топливорастворимые соединения бария, железа и др. металлов	Ускоряют выгорание сажи на последних стадиях процесса горения топлива
Антисажевые	Дизельные топлива	0,001…0,05	Топливорастворимые соединения железа, меди, церия и др. металлов	Препятствуют забиванию сажевых фильтров, снижая температуру выгорания сажи до температуры ОГ
Инициаторы горения	Бензины, дизельные топлива	0,001…0,01	ПАВ с добавками малых количеств беззольных промоторов горения: нитратов, пероксидов	Интенсифицируют процесс горения топлива
Катализаторы горения	Бензины, дизельные топлива	0,001…0,01	Композиции на основе топливорастворимых соединений металлов	Интенсифицируют процесс горения топлива
Модификаторы коллоидно-химических свойств   Коагулирующие	Реактивные и дизельные топлива	0,002…0,01	ПАВ: амиды, сложные эфиры высших жирных кислот и спиртов	Ускоряют коагуляцию мелкодисперсной фазы в крупные, легкоотделяющиеся частицы
Модификаторы структуры потока   Противотурбулентные	Дизельные топлива	0,001…0,01	Линейные полимеры с высокой молекулярной массой	Снижают энергетические затраты на перекачку за счёт поддержания ламинарного режима течения
Модификаторы трения:   Противоизносные	Бензины, дизельные топлива	0,01…0,1	Карбоновые кислоты, жирные амины,	Образуют на поверхности трения плёнку, защищающую от износа
Антифрикционные	Бензины, дизельные топлива	0,01…0,05	Соединения молибдена, ПАВ	Повышают механический КПД за счёт снижения потерь на трение
Приработочные	Дизельные топлива	0,05…0,2	Соединения алюминия, хрома и др. металлов, продукты сгорания которых обладают абразивным и полирующим действием	Ускоряют обкатку двигателей и топливной аппаратуры
Стабилизаторы   Антиоксиданты	Все виды топлив	0,005…0,05	Экранированные фенолы, N-диалкилпарафенилдиамины	Ингибируют радикально-цепное окисление углеводородов топлив
Деактиваторы металлов	Все виды топлив	0,001…0,01	Салицилиденалкилендиамины	Ингибируют действие металлов – катализаторов окисления
Стабилизаторы комплексного типа	Дизельные топлива	0,01…0,05	Композиции антиоксидантов, деактиваторов металлов, нейтрализующих агентов и диспергаторов	Предотвращают смоло- и осадкообразование в результате окисления и процессов уплотнения
Биоциды	Все виды топлив	0,0001…0,005	Целлозольвы, соединения никеля, меди и др. металлов, гетероциклические соединения	Предотвращают биокоррозию топливных баков и загрязнение топлив продуктами жизнедеятельности микроорганизмов
Кислородопоглощающие	Реактивные и дизельные топлива	0,01…0,05	Гидразин	Реагируют с кислородом, растворённым в топливе, образуя неактивные соединения
Газовытесняющие	Реактивные и дизельные топлива	0,01…0,05	Бензофенон, гидрокарбонат аммония	Разлагаются с образованием большого количества нейтральных газов, вытесняющих кислород из топлива и газовой фазы
Экранирующие	Реактивные и дизельные топлива	0,01…0,1		Взаимодействуют с кислородом, образуя сравнительно лёгкие, растворимые в топливе соединения
Диспергирующие	Реактивные и дизельные топлива	0,001…0,01	ПАВ: сульфонаты, алифатические амины, сукцинимиды	Диспергируют смолистые соединения, переводят в раствор выпавшие осадки и отложения
Моющие   Очистители карбюраторов	Бензины	0,005…0,05	Аминоамиды на основе карбоновых кислот и полиалкиленполиаминов	Удаляют загрязнение с заслонки карбюратора
Очистители впускных клапанов	Бензины	0,05…0,1	Полибутенамины, полиэфирамины	Предотвращают образование отложений в карбюраторе и на поверхности впускных клапанов двигателей с впрыском
Очистители камеры сгорания	Бензины, дизельные топлива	0,05…0,1	Сукцинимиды	Удаляют нагар из камеры сгорания, снижая тем самым рост требований к октановому числу
Присадки для эксплуатации топлив при низких температурах   Депрессорные	Дизельные топлива, мазуты	0,01…0,1	Сополимеры олефинов с винилацетатом, полиакрилаты	Предотвращают рост кристаллов парафинов и образование пространственной структуры
Диспергаторы парафинов	Дизельные топлива	0,01…0,1	Азотосодержащие ПАВ различного строения	Диспергируют парафины, предотвращая их кристаллизацию
Противоводокристаллизующие	Все виды топлив	0,5…2	Спирты, целлозольвы	Образуют низкозамерзающие смеси с водой, растворённой в топливе
Повышающие безопасность применения топлив   Антистатические	Бензины	0,00005…0,0005	Композиции ПАВ с солями (например, хрома) высших карбоновых кислот	Снижают пожароопасность при работе с топливом за счёт уменьшения статической электризации
Противотуманные	Реактивные топлива	0,05…2	Полимеры (полипропилен, полиизобутилен)	Образуют в топливе трёхмерную структуру, препятствующую образованию пожароопасного тумана при авариях
Одоранты	Бензины, дизельные топлива	0,0001…0,001	Производные терпенов, эфирные масла	Придают топливам приятный запах
Отвращающие	Бензины, дизельные топлива	0,0001…0,001	Соединения с ярко выраженным неприятным запахом	Придают топливам неприятный запах с целью предотвращения использования не по назначению
Дезодоранты	Бензины, дизельные топлива	0,0001…0,001	Эфирные масла	Маскируют неприятный запах компонентов топлив
Антикоррозионные   Антиржавейные (защитные)	Все виды топлив	0,005…0,05	Производные алкенилянтарного ангидрида, амиды и комплексные соли сульфокислот	Уменьшают электрохимическую коррозию металлов на границе раздела фаз топливо-воздух, топливо-вода
Антикоррозионные	Все виды топлив	0,0005…0,005	ПАВ, препятствующие попаданию агрессивных продуктов на поверхности; вещества, нейтрализующие продукты сгорания сернистых соединений	Снижают химическую коррозию, вызванную агрессивными продуктами сгорания топлива или продуктами гидролиза компонентов топлив и присадок
Маркирующие	Бензины, дизельные топлива	0,0005…0,001	Топливорастворимые пигменты типа фталоцианинов, азосоединений, производных антрахинона	Свидетельствуют о наличии в бензине свинца или о повышенном содержании серы в дизельных топливах

 

 

Ассортимент топлив

 

В производстве и применении товарных топлив имеется чёткое разделение на бензины и дизельные топлива, обладающие значительными отличиями друг от друга по нескольким физико-химическим параметрам и методам их контроля.

При анализе свойств топлив необходимо учитывать, что групповой состав топлив одной и той же марки может значительно отличаться в зависимости  от  вида  используемого  сырья и  технологии его переработки, однако все контрольные показатели должны удовлетворять нормативным документам.

 

Бензины

 

Товарные бензины готовят, как правило, смешением нескольких компонентов. Непосредственное получение товарных бензинов в готовом виде на отдельных нефтеперерабатывающих установках невозможно по некоторым причинам технического и экономического характера. Смешение компонентов позволяет получать товарный продукт с заданными показателями качества при рациональном использовании физических и химических свойств каждого компонента. Кроме того, получение товарных бензинов путём смешения позволяет наиболее полно использовать все ресурсы бензиновых фракций, имеющихся на заводе.

Основными показателями, определяющими компонентный состав товарных бензинов, являются требования по детонационной стойкости и по их фракционному составу. Иногда содержание разных компонентов в товарных бензинах ограничивается требованиями по содержанию серы, химической стабильности и т.д.

Во все товарные бензины добавляются присадки, улучшающие одно или несколько эксплуатационных свойств.

В России действует ГОСТ Р 51313-99 "Бензины автомобильные. Общие технические требования". Установленные этим стандартом требования следует обязательно включать во все нормативные документы на автомобильные бензины. Стандарт не ограничивает стремление производителей улучшать эксплуатационные свойства бензинов и снижать их себестоимость с целью повышения конкурентоспособности.

Все автомобильные бензины, выпускаемые по техническим условиям, должны проходить сертификацию на соответствие общим техническим требованиям ГОСТ Р 51313-99.

Таблица – Бензины автомобильные. Общие технические требования. (ГОСТ Р 51313–99)

Показатель	Тип бензина
	I	II	III	IV
Октановое число, не менее, определенное:
исследовательским методом	80	91	95	98
моторным методом	76	-	-	-
Концентрация свинца, г/дм3, не более, в бензине:
неэтилированном	0,013	0,013	0,013	0,013
этилированном	0,17	-	-	-
Давление насыщенных паров, кПа	35…100	35…100	35…100	35…100
Фракционный состав
Температура перегонки 90% бензина, °С, не выше	190	190	190	190
Температура конца кипения, °С, не выше	215	215	215	215
Остаток в колбе %, не более	1,5	1,5	1,5	1,5
Массовая доля серы, %, не более	0,1	0,05	0,05	0,05
Объемная доля бензола, %, не более	5	5	5	5

Бензины классифицируются по назначению (автомобильные авиационные), по методу определения октанового числа и значению октанового числа. Кроме того, бензины разделяются по сезонам их применения (на зимние и летние – по ГОСТ 2084–77, на 5 классов – по ГОСТ 16350).
Схема маркировки выглядит следующим образом.

Рисунок – Схема маркировки бензинов

Пояснение к рисунку 1.1:
1 – назначение (А – автомобильный, В – авиационный);
2 – метод определения октанового числа (если буква отсутствует – моторный метод, И – исследовательский);
3 – октановое число (для авиационного также указывается сортность).
Пример маркировки: А-76 – бензин автомобильный, октановое число 76, определено моторным методом; АИ-93 – бензин автомобильный, октановое число 76, определено исследовательским методом; В-91/115 – бензин авиационный, октановое число по моторному методу не менее 91, сортность 115. Следует обратить внимание на вторую часть марки авиабензина (после дробной черты), которая характеризует сортность авиабензина, т.е. степень повышения мощности двигателя на богатой топливовоздушной смеси. Для эксплуатантов, этот показатель бензина обеспечивает надеж-ность работы двигателя на взлетных и форсированных режимах работы двигателя, а также в случае резкого наращивания мощности обеспечит его бесперебойную (без «хлопков» и «прова-лов»)  работу. Его величина по норме = 115 (не менее), определяется и гарантируется поставщиком при выпуске продукции. Т.е. сортность на богатой смеси показывает, что в силу своих свойств бензин обеспечивает повышение мощности на богатой смеси на 15%. 

По ГОСТ 2084-77 производятся бензины марок А-76, АИ-91, АИ-93, АИ-95. Бензин АИ-98 выпускается по ТУ 38401-58-122-95.

Таблица – Характеристика автомобильных бензинов (по ГОСТ 2084–77)

Показатель	А-76		АИ-91	АИ-93			АИ-95
	неэтилированный	этилированный	неэтилированные
1	2	3	4		5	6
	Детонационная стойкость
Октановое число, не менее, определенное:
моторным методом	76	76	82,5	85			85
исследовательским методом	Не нормируется		91	93			95
Массовое содержание свинца, г/дм3, не более	0,013	0,17	0,013	0,013			0,013
	Фракционный состав
Температура начала перегонки бензина, °С, не ниже:
летние сорта	35	35	35	35			30
зимние сорта		Не нормируется
Температура перегонки 10 % бензина, °С, не выше:
летние сорта	70	70	70	70			75
зимние сорта	55	55	55	55			55
Температура перегонки 50 % бензина, °С, не выше:
летние сорта	115	115	115	115			120
зимние сорта	100	100	100	100			105
Температура перегонки 90 % бензина, °С, не выше:
летние сорта	180	180	180	180			180
зимние сорта	160	160	160	160			160
Температура конца кипения бензина, °С, не выше:
летние сорта	195	195	205	205			205
зимние сорта	185	185	195	195			195
Остаток в колбе, %, не более	1,5	1,5	1,5	1,5			1,5
Остаток и потери, %, не более	4	4	4	4			4
Давление насыщенных паров бензина, кПа:
летнего сорта, не более	66,7	66,7	66,7	66,7			66,7
зимнего сорта	66,7..93,3	66,7..93,3	66,7.. 93,3	66,7..93,3			66,7..93,3
Кислотность, мг КОН в 100 см3, не более	1,0	3,0	3,0	0,8			2,0
Содержание фактических смол, мг/100см3, не более:
на месте производства	5	5	5	5			5
на месте потребления	10	10	10	10			10
Индукционный период на месте производства бензина, мин, не менее	1200	1200	900	1200			900
Массовая доля серы, %, не более	0,1	0,1	0,1	0,1			0,1
Примечания: 1. Бензины выдерживают испытание на медной пластинке и не содержит водорастворимых кислот, щелочей, механических примесей и воды. 2. Плотность при 20°С не нормируется. Ее обязательно надо определять. 3. Цвет этилированного бензина марки А-76 – желтый.

С целью повышения качества бензина до европейских стандартов разработан ГОСТ Р 51105-97 «Топлива для двигателей внутреннего сгорания. Неэтилированный бензин. Технические условия».

В зависимости от октанового числа, определённого исследовательским методом, устанавливаются следующие марки неэтилированного автомобильного бензина:

-      нормаль-80 – не менее 80;

-      регуляр-91 – не менее 91;

-      премиум-95 – не менее 95;

-      супер-98 – не менее 98.

Их основные физико-химические и эксплуатационные показатели представлены в таблице 4.

Таблица 4 – Характеристика автомобильных бензинов (по ГОСТ 55105–97 – разработан с целью повышения качества бензина до уровня европейских стандартов)

Показатель	«Нормаль-80»	«Регуляр-91»	«Премиум-95»	«Супер-98»
Октановое число, не менее, определенное:
моторным методом	76	82,5	85	88
исследовательским	80	91	95	98
Содержание свинца, г/дм3, не более	0,01	0,01	0,01	0,01
Содержание марганца, мг/дм3, не более	50	18	-	-
Содержание фактических смол, мг/100дм3, не более	5	5	5	5
Индукционный период бензина, не менее	360	360	360	360
Массовая доля серы, %, не более	0,05	0,05	0,05	0,05
Объемная доля бензола, %, не более	5	5	5	5
Примечание. Все бензины выдерживают испытание на медной пластинке.

 

 

В зависимости от климатического района применения по ГОСТ 16350 автомобильные бензины подразделяют на пять классов:

1 – для района II₉ с 1 апреля по 1 октября;

2 – для района II₄ и II₅ с 1 апреля по 1 октября;

3 – для района I₁ и I₂ с 1 апреля по 1 октября и для района II₉ с 1 октября по 1 апреля;

4 – для района II₄ и II₅ с 1 октября по 1 апреля;

5 – для района I₁ и I₂ с 1 октября по 1 апреля.

Характеристики испаряемости бензинов показаны в таблице 5.

Как правило все товарные бензины выпускают с запасом качества по основным показателям. Наименьший запас качества обычно бывает по детонационной стойкости. ОЧ товарных бензинов либо точно соответствует требованиям, либо превышает их на десятые доли октановой единицы.  

Таблица 5 – Испаряемость бензинов  

Показатели	Значение для класса
	1	2	3	4	5
Фракционный состав:
температура начала кипения, 0 С,			не нормируется	то же	то же
не ниже	35	35	-	-	-
пределы перегонки, 0 С, не выше :
10 %	75	70	65	60	55
50 %	120	115	110	105	100
90 %	190	185	180	170	160
конец кипения, 0 С, не выше	215	215	215	215	215
остаток в колбе, % (по объёму)	2	2	2	2	2
остаток и потери, % (по объёму)	4	4	4	4	4

 

По фракционному составу товарные бензины имеют существенный запас качества, что позволяет использовать свежие бензины для исправления качества некондиционных бензинов по фракционному составу за счёт смешения.

По содержанию фактических смол и кислотности свежие бензины имеют значительный запас качества.

Для эксплуатации автомобилей с бензиновыми двигателями в условиях севера, на газоконденсатных месторождениях и районах к ним прилегающих, применяются бензины АГ, вырабатываемые прямой перегонкой газовых конденсатов (таблица 6).

Показатели бензинов АГ отличаются от показателей автомобильных бензинов по ГОСТ Р 51105-97 более лёгким фракционным составом 90 процентной фракции и конца кипения в связи с необходимостью обеспечить требования по детонационной стойкости и одновременно увеличить выход дизельного топлива с пониженным содержанием серы, кислот, смол.

Таблица 6 – Физико-химические характеристики автомобильных бензинов
из газовых конденсатов  

Показатели	ТУ 51-106-83		ТУ 51-03-06-86
	АГ-82	АГ-76	АГ летний	АГ зимний
Детонационная стойкость:
Октановое число по моторному методу, не менее	72	76	76	76
Фракционный состав:
температура начала кипения, 0 С, не ниже	-	-	35	не норм.
пределы перегонки, 0 С, не выше
10 %	55	55	70	55
50 %	100	100	115	100
90 %	140	130	145	145
конец кипения, 0 С, не выше	150	150	170	150
остаток в колбе, %, не более	1,5	1,5	1,0	1,0
остаток и потери, %, не более	4,0	4,0	4,0	4,0
Кислотность, мг КОН/100 мл, не более	1,0	1,0	3,0	3,0
Концентрация фактических смол, мг/100 мл, не более	3,0	3,0	5,0	5,0
Массовая доля серы, %, не более	0,1	0,1	0,1	0,1
Испытание на медной пластине	выдерживает	то же	то же	то же
Водорастворимые кислоты и щёлочи	отсутствие	то же	то же	то же
Механические примеси и вода	отсутствие	то же	то же	то же
Плотность при 200 С	не нормируется	то же	то же	то же

 

Чтобы обеспечить крупные города и другие регионы с высокой плотностью автомобильного транспорта экологически чистым топливом, были разработаны бензины с улучшеными экологическими показателями: "Городские" (ТУ 38.401-58-171-96) и "Яр-Марка" (ТУ 38.301-25-41-97). Марки городских бензинов: АИ-80ЭК, АИ-92ЭК, АИ-95ЭК, АИ-98ЭК. Ярославским заводом выпускаются: "Яр-Марка 92Е" и "Яр-Марка 95Е"

По ТУ 38.401-58-244-99 производят неэтилированные автомобильные бензины, содержащие этанол (как высокооктановый компонент). Они предназначены как для карбюраторных автомобилей, так и для автомобилей с системами впрыска легкого топлива. Обозначение: АИ-92Э, АИ-93Э, АИ-95Э, АИ-98Э.

По ТУ 38.401-58-288-01 производят неэтилированные автомобильные бензины, содержащие метанол: АИ-80М, АИ-92М, АИ-95М, АИ-98М. В эти технические условия включены норми начала помутнения, содержания метанола и железа.

 

Дизельные топлива

 

Товарные дизельные топлива получают, как правило, путём прямой перегонки нефти. Для улучшения эксплуатационных свойств в топлива добавляют присадки.

  Дизельные топлива классифицируются по температурным диапазонам применения (по ГОСТ 305–82 – летнее, зимнее и арктическое), по величине цетанового числа, по содержанию серы (по ГОСТ 305–82 на две категории), а также по температурам вспышки (летнее) и застывания (зимнее).

   Рисунок – Схема маркировки дизельных топлив по ГОСТ 305–82

Пояснение к рисунку :
1 – марка (Л – летнее (используется от 0°С и выше), З – зимнее (используется от температуры, которая выше температуры застывания на 15°С и выше), А – арктическое (-50°С и выше));
2 – содержание серы в процентах (массовых);
3 – для летнего – температура вспышки, для зимнего – температура застывания, для арктического – не указывается.
По содержанию серы дизельные топлива разделяются на 2 категории:
I – 0,2 % серы (для марок Л, З и А);
II – 0,5 % серы (для марок Л и З) и 0,4 % серы (для марки А)

Пример маркировки: Л-0,2-45 – летнее дизельное топливо, первой категории с содержанием серы 0,2 %, имеющее температуру вспышки не ниже 45°С;

З-0,5-35 – зимнее дизельное топливо, второй категории с содержанием серы 0,5%, имеющее температуру застывания не выше -35°С.

Таблица 7 – Показатели качества дизельных топлив по ГОСТ 305-82  

Показатели	Нормы для марок
	Л	З	А
Цетановое число, не менее	45	45	45
Температура перегонки, 0 С: не выше
50 %	280	280	255
96 % (конец перегонки)	360	340	330
Кинематическая вязкость при 200 С, мм2/с (сСТ)	3…6	1,8…5	1,5…4
Температура застывания, 0 С: не выше
для умеренной климатической зоны	-10	-35	-
для холодной зоны	-	-45	-55
Температура помутнения, 0 С: не выше
для умеренной климатической зоны	-5	-25	-
для холодной зоны	-	-35	-
Температура вспышки в закрытом тигле, 0 С, не ниже	40	35	30
Массовая доля серы, %, не более
в топливе подгруппы I	0,2	0,2	0,2
в топливе подгруппы II	0,5	0,5	0,4
Массовая доля меркаптановой серы, %, не более	0,01	0,01	0,01
Содержание сероводорода	отсутствие	то же	то же
Испытание на медной пластине	выдерживает	то же	то же
Содержание водорастворимых кислот и щелочей	отсутствие	то же	то же
Концентрация фактических смол, мг/100 см3, не более	40	30	30
Кислотность, мг КОН/100 см3, не более	5	5	5
Коксуемость 10 % остатка, %, не более	0,2	0,3	0,3
Коэффициент фильтруемости, не более	3	3	3
Содержание механических примесей и воды	отсутствие	то же	то же
Плотность при 200 С, не более	860	840	830

Для удовлетворения потребности в ДТ в летний период времени стандартом предусмотрено разрешение на выработку топлива в период с 1.04 по 1.09 с температурой застывания не выше 0°С без нормирования температуры помутнения:

- топливо утяжелённого фракционного состава (УФС) ТУ-38.001.355-86, конец кипения 380-390 С, температура выкипания 90 % фракции не выше 360°С, 50 % - не выше 290...300°С, вязкость при 20°С не более 8 мм /с.

- топливо расширенного фракционного состава (РФС) ТУ 38.401.652-87, выкипает в пределах 60...400°С, ЦЧ - 40 ед.

Для улучшения экологической обстановки с 1991 г . организован выпуск экологически чистого ДТ по ТУ 38.1011348-90, отличающегося низким содержанием серы: не более 0,05 % - ДТ I вида и не более 0,1 % - ДТ II вида. Оно предназначено для применения в крупных городах, курортных зонах и в др. местах с ограниченным воздухообменом. Летнее топливо выпускается двух марок, применяемых до температуры окружающего воздуха до – 5°С:

- ДЛЭЧ-В с ограничением содержания ароматических углеводородов не более 20 %, двух видов I и II;

-      ДЛЭЧ с ограничения содержания ароматических углеводородов не более 10 %.

Кроме того, выпускают одну марку зимнего топлива ДЗЭЧ.

По ТУ 38.401-58-170-96 выпускают ДТ с улучшенными экологическими показателями: ДЭК-Л; ДЭК-З; ДЭК_п-Л; ДЭК_п-З (-15°С); ДЭК_п-З (-20°С). Эти топлива отличаются от экологически чистого в основном наличием присадок: летом – антидымной, зимой – антидымной и депрессорной. Дымность и токсичность отработавших газов снижены на 30…50 %.

Для использования в районах Крайнего Севера и Арктики вырабатывается арктическое экологически чистое ДТ ТУ 38.4015.845-92, температура застывания – 55°С.

Зимнее ДТ с депрессорной присадкой марки ДЗ_п по ТУ 38.101889-81 применяют при температуре окружающего воздуха –15°С и выше. Изготавливают его на основе летних ДТ с температурой помутнения –5°С, добавляя депрессорную присадку, снижающую предельную температуру фильтруемости до –15°С и температуру застывания.

ДТ с депрессорной присадкой марки ДЗ_п-15/-25  ТУ  38.401-58-36-92 рекомендовано для применения при –25°С (предельная температура фильтруемости) и выше. Базовое топливо имеет температуру помутнения –15°С.

ДТ получают компаудированием гидроочищенных и прямогонных дизельных фракций в соотношениях, обеспечивающих требования нормативных документов по содержанию серы. В качестве сырья гидроочистки используют  прямогонные и вторичные дистиллятные фракции. Разрешается использование присадок различного функционального назначения.

По ТУ 38.401-58-296-2001 "Топливо дизельное автомобильное" соответствует требованиям европейских норм EN 590-2000. Установлены жесткие требования на содержание серы и на цетановое число (не менее 51). При этом нормируются четыре новых показателя качества: цетановый индекс, смазывающая способность, содержание полициклических ароматических углеводородов и окислительная стабильность. Предусмотрена дифференциация дизельных топлив по низкотемпературным свойствам. Например, для умеренного климата выпускают шесть сортов топлива с предельной температурой фильтрации от +5 до -20°С.

В районах газовых месторождений к применению допущено широкофракционное летнее, зимнее и арктическое дизельное топливо. Это топливо имеет следующие преимущества перед дизельными топливами по ГОСТ 305-82:

•    лучше теплообмен и испаряемость в области низких температур;
•     сравнительно равные периоды задержки воспламеняемости;
•     большая  скорость и меньшая длительность горения;
•     меньшая дымность  отработавших газов;
•     меньшие индикаторные и эффективные расходы топлива;
•     пониженный износ деталей цилиндро-поршневой группы.

Газоконденсатное арктическое топливо и фракция газоконденсатного дизельного топлива очень близки по качеству к реактивному топливу Т-2.

К недостаткам конденсатов следует отнести низкую температуру начала кипения, вследствие чего возникает парообразование и затруднённый запуск горячего двигателя.

В таблице 8 представлены основные показатели качества дизельных топлив, вырабатываемых из газовых конденсатов.  

 

Таблица 8 – Показатели качества дизельных топлив из газовых конденсатов

 

Показатели	Нормы для марок
	ТУ 51-274-86 ФГД	ТУ51-125-86 ГШЛ	ТУ51-28-86 ГШЗ	ТУ51-03-16-89 ГША
Цетановое число, не менее	35	42	40	40
Температура перегонки,°С, не менее
начало кипения	110	90	-	-
10%	-	120	120	120
50 %	250	260	260	260
96 %	330	360	340	340
Вязкость кинематическая при 20°С, мм2/с, не менее	1,2	2,0	1,45	1,45
Температура застывания,°С, не выше:
умеренный климат	-	-15	-25	-
холодный климат	-55	-	-45	-55
Температура помутнения,°С, не выше:
умеренный климат	-	-5	-25	-
холодный климат	-	-	-35	-
Массовая доля серы, %, не более	0,2	0,2	0,2	0,2
Массовая доля меркаптановой серы,  %, не более	-	0,01	0,01	0,01
Содержание сероводородов	отсутствие
Испытание на медной пластине	выдерживает
Наличие водорастворимых кислот и щелочей	отсутствие
Содержание воды и механических примесей	отсутствие
Содержание фактических смол, мг/100 мл, не более	30	40	30	30
Зольность, %, не более	0,01	0,01	0,01	0,01
Коэффициент фильтруемости, не более	-	3	3	3
Температура вспышки в закрытом тигле,°С, не ниже	30	12	15	12
Плотность при 20°С, не более	840	860	840	840

  Для снижения температуры дизельных топлив в условиях эксплуатации допускается как исключение добавление керосина. С этой целью используют низкозамерзающие сорта керосина (типа реактивного топлива). При сильном разбавлении дизельного топлива керосином снижается цетановое число, что приводит к жёсткой работе двигателя и резко ухудшаются смазочные свойства, в связи с чем повышается износ плунжерных пар. При температуре воздуха – 20…–30°С смесь состоит из 90 % дизельного топлива и 10 % керосина, а при температуре –30…–35°С – из 75 % дизельного топлива и 25 % керосина. Обычный осветительный керосин непригоден для данной цели, так как имеет плохие низкотемпературные свойства. Температура помутнения осветительного керосина – 12…– 15°С.