Виды топлив и требования к ним

В потреблении нефтепродуктов более 50% в настоящее время составляют моторные топлива. Ежегодно в мире потребляется более 1,5 млрд тонн моторных топлив.

Моторные топлива используются в двигателях внутреннего сгорания, которые подразделяются на два типа: двигатели с периодическим сгоранием топлива (поршневые) и двигатели с непрерывным сгоранием топлива. Первая группа, в свою очередь подразделяется на: двигатели с принудительным воспламенением и двигатели с самовоспламенением (дизели). Вторая группа ДВС подразделяется на реактивные двигатели и газовые турбины.

В зависимости от применения в тех или иных двигателях внутреннего сгорания, моторные топлива делят на автомобильные и авиационные бензины, дизельные топлива и реактивные топлива.

Автомобильные и авиационные бензины. Основным показателем качества бензинов служит детонационная стойкость, которая характеризует способность бензина сгорать в ДВС с воспламенением от искры без детонации. Детонацией называется особый ненормальный режим сгорания топлива, при котором последняя порция рабочей смеси, находящаяся перед фронтом пламени мгновенно самовоспламеняется, в результате чего скорость распространения пламени очень резко возрастает и давление нарастает не плавно, а резкими скачками. Этот резкий перепад давления создает ударную детонационную волну, распространяющуюся со сверхзвуковой скоростью. Удар такой волны о стенки цилиндра вызывает вибрацию и характерный металлический стук. При детонационном сгорании двигатель перегревается, быстро изнашивается, что может привести к аварийным последствиям. Особенно опасна детонация в авиационных двигателях.

Детонационная стойкость сильно зависит от химического состава бензина: наибольшей стойкостью обладают ароматические и изопарафиновые у/в, наименьшей – парафиновые у/в нормального строения.

Мерой детонационной стойкости является октановое число бензинов – это показатель, численно равный процентному содержанию изооктана в эталонной смеси с н-гептаном, которая по детонационной стойкости эквивалентна испытуемому бензину в условиях стандартного одноцилиндрового двигателя.

В зависимости от метода определения различают исследовательское октановое число (ОЧИ) и моторное октановое число (ОЧМ), разница между ОЧИ и ОЧМ называется чувствительностью топлива.

Испытания на детонационную стойкость проводят или на полноразмерном автомобильном двигателе, или на специальных установках с одноцилиндровым двигателем. На полноразмерных двигателях при стендовых испытаниях определяют так называемое фактическое октановое число (ФОЧ), а в дорожных условиях — дорожное октановое число (ДОЧ). На специальных установках с одноцилиндровым двигателем определение октанового числа принято проводить в двух режимах: более жёсткий (моторный метод) и менее жёсткий (исследовательский метод). Октановое число топлива, установленное исследовательским методом, как правило, несколько выше, чем октановое число, установленное моторным методом.

Исследовательское октановое число (ОЧИ) (англ. Research Octane Number — RON) определяется на одноцилиндровой установке с переменной степенью сжатия, называемой УИТ-65 или УИТ-85, при частоте вращения коленчатого вала 600 об/мин, температуре всасываемого воздуха 52°C и угле опережения зажигания 13°. Оно показывает, как ведёт себя бензин в режимах малых и средних нагрузок.

Моторное октановое число (ОЧМ) (англ. Motor Octane Number — MON) определяется также на одноцилиндровой установке, при частоте вращения коленчатого вала 900 об/мин, температуре всасываемой смеси 149°C и переменном угле опережения зажигания. ОЧМ имеет более низкие значения, чем ОЧИ. ОЧМ характеризует поведение бензина на режимах больших нагрузок. Оказывает влияние на высокую скорость и детонацию при частичном дроссельном ускорении и работе двигателя под нагрузкой, движении в гору и т. д.

Для увеличения октанового числа бензинов используют специальные вещества-антидетонаторы, называемые присадками, которые обладают способностью при добавлении в бензин в небольших количествах резко повышать его октановое число. Наиболее эффективной присадкой является тетраэтилсвинец (отсюда название – этилированный бензин), однако в последние годы в нашей стране и во многих других странах его использование в качестве присадки полностью запрещено, из-за негативного воздействия на окружающую среду оксида свинца, выделяющегося в процессе сгорания топлива (этилированный бензин запрещен!). Другой эффективной присадкой является метилтретбутиловый эфир, выпускаемый в нашем городе на СНХЗ.

Также важными характеристиками являются испаряемость, коррозионная активность, химическая стабильность бензинов.

Авиационные бензины отличаются от автомобильных, главным образом, детонационной стойкостью. Использование тетраэтилсвинца в авиационных бензинах разрешено.

Дизельные топлива. По частоте вращения различают быстроходные и тихоходные дизели. Степень быстроходности определяет требования к качеству дизельного топлива. К преимуществам дизельного двигателя можно отнести меньший расход топлива, меньшую среднюю температуру рабочего цикла, лучшую пожарную безопасность (вследствие присутствия более тяжелых у/в), меньшую токсичность выхлопных газов, полное отсутствие детонации. К недостаткам следует отнести их большую удельную массу, меньшую быстроходность и большую затрудненность запуска в зимних условиях. К наиболее важным показателям качества дизельного топлива относятся: цетановое число, воспламеняемость (способность к самовоспламенению), испаряемость, вязкость, коррозионная активность, низкотемпературные и экологические свойства.

Цетановое число — характеристика воспламеняемости дизельного топлива, определяющая период задержки горения рабочей смеси (то есть свежего заряда) (промежуток времени от впрыска топлива в цилиндр до начала его горения). Чем выше цетановое число, тем меньше задержка и тем более спокойно и плавно горит топливная смесь.

Цетановое число численно равно объёмной доле цетана (С₁₆Н₃₄, гексадекана), цетановое число которого принимается за 100, в смеси с α-метилнафталином (цетановое число которого, в свою очередь, равно 0), когда эта смесь имеет тот же период задержки воспламенения, что и испытуемое топливо в тех же условиях. Начиная с 1962 года, для смешения используется не α-метилнафталин, а 2,2,4,4,6,8,8-гептаметилнонан, иногда называемый ГМН или изоцетан, которому присвоено цетановое число 15. В ГОСТ 3122 до сих пор предписывается использовать смесь н-гексадекана и α-метилнафталина. Для исключения α-метилнафталина было несколько причин: во-первых, он легко образует пероксиды, которые меняют цетановое число основанных на нём смесей, во-вторых, возникло подозрение, что он обладает канцерогенным действием. Он также обладает неприятным запахом, и его сложно получить в достаточно чистом виде.

Когда дизельное топливо характеризуется такой же воспламеняемостью, определённой на опытном двигателе, что и модельная смесь этих двух углеводородов, цетановое число данного топлива считается равным % доли цетана в этой смеси. Чем оно больше, тем лучше воспламеняемость смеси при сжатии.

Оптимальную работу современных дизельных двигателей обеспечивают дизельные топлива с цетановым числом от 45 до 55. При цетановом числе меньше 40 резко возрастает задержка горения (время между началом впрыскивания и воспламенением топлива) и скорость нарастания давления в камере сгорания, увеличивается износ двигателя. Стандартное топливо характеризуется цетановым числом 48-51, а топливо высшего качества (премиальное) имеет цетановое число 51-55. Согласно российским стандартам, цетановое число летнего и зимнего дизтоплива должно быть не менее 48 единиц. Кроме того, технические условия для зимних сортов с депрессорными присадками разрешают выпуск арктического топлива с цетановым числом не менее 40.

Премиальное дизельное топливо более лёгкое, содержит больше легковоспламеняющихся лёгких фракций и поэтому более пригодно для запуска двигателя в холодную погоду. Кроме того, отношение водорода к углероду в лёгких фракциях выше, поэтому при сгорании такого дизельного топлива образуется меньше дыма.

При цетановом числе больше 60 снижается полнота сгорания топлива, возрастает дымность выхлопных газов, повышается расход топлива.

Цетановое число зависит от группового состава топлива (доли парафинов, олефинов, нафтенов, ароматики). Парафины, способные к самовоспламенению при низких температурах, являются полезным компонентом дизельного топлива. Неразветвлённые алифатические углеводородывоспламеняются при низкой температуре и давлении, тогда как более прочные молекулы — например, ароматические углеводороды,— требуют более жёстких условий для воспламенения.

Реактивные топлива. Воздушно-реактивные двигатели получили широкое применение в гражданской и военной авиации. К реактивным топливам применяются наиболее повышенные требования: оно должно полностью испаряться, легко воспламеняться и быстро сгорать в двигателе без срыва и проскока пламени, не образуя паровых пробок в системе питания, нагара и других отложений в двигателе, должно легко прокачиваться по системе питания в любых условиях эксплуатации, не вызывать коррозию, быть стабильным и безопасным при хранении и эксплуатации.

Газотурбинные топлива. Газотурбинные двигатели по принципу работы схожи с ВРД, в них отсутствует только реактивное сопло, а вся энергия продуктов сгорания преобразуется во вращательное движение вала газовой турбины и затем в соответствующий вид энергии. Газотурбинные двигатели обладают рядом преимуществ, таких как малые габариты, быстрый запуск, простота управления, высокая надежность, возможность работы на дешевом топливе (мазут, газ). Главный их недостаток – низкий КПД (24-27%).

К газотурбинным топливам предъявляются значительно менее жесткие требования. Главное требование – низкое содержание ванадия, натрия и калия, вызывающих коррозию камер и лопаток газовых турбин.

Котельные топлива. В нашей стране котельные топлива являются наиболее массовым нефтепродуктом. Однако в связи с интенсивной газификацией котельных установок производство котельных топлив будет сокращаться.

Качество котельных топлив нормируется следующими показателями: вязкость, температура вспышки, небольшое содержание серы.