Вопрос № 3. Классификация топлив. Эксплуатационные свойства моторных топлив

Классификация топлив. Эксплуатационные свойства моторных топлив. Октановое число бензинов. Цетановое число дизтоплив.

Нефтяные топлива делятся на 8 групп:

1. бензины автомобильные

2. бензины авиационные

3. реактивные топлива

4. дизельные топлива

5. котельные топлива

6. тяжелые моторные топлива

7. газотурбинные топлива

8. печное топливо

Эксплуатационными свойствами называются свойства, проявляющиеся при применении нефтепродуктов или при эксплуатации механизмов в которых нефтепродукты применяются.

Эксплуатационные свойства карбюраторных топлив (бензинов)

Бензин – смесь легкокипящих жидких у/в различного строения, преимущественно С₄ – С₁₂ с температурой кипения 40-200°С для автомобильного и 40-180°С для авиационных бензинов.

Требования к бензинам:

1. Топливо должно создавать однородную топливно-воздушную смесь необходимого состава при любых температурных условиях. Хорошо испаряться, иметь хорошие пусковые свойства, обеспечивать быстрый прогрев двигателя, не оказывать влияние на износ цилиндров, не образовывать отложений.

2. Топливно-воздушная смесь должна сгорать с возможно большей теплотой за отведенное время, то есть иметь высокую теплоту сгорания, сгорать с нормальной скоростью без возникновения детонации, сгорать полностью, образовывать минимальное количество токсичных продуктов горения, не образовывать нагара, не образовывать коррозионно-агрессивных продуктов сгорания.

3. должно хорошо транспортироваться, храниться и подаваться в систему питания двигателя в любых климатических условиях, то есть не окисляться при хранении, иметь низкую температуру застывания и помутнения, не содержать механических примесей, воды, не образовывать паровых пробок, не образовывать отложений.

4. Топливо должно быть недорогим, максимально нетоксичным. Производство должно быть обеспечено широкими сырьевыми ресурсами.

Основными показателями качества являются детонационная стойкость, фракционный состав, давление насыщенных паров и химическая стабильность.

Мерой детонационной стойкости бензинов является октановое число. Октановым числом называется число, выражающее объемную долю изооктана в смеси с гептаном.

Для изооктана детонационная стойкость принята равной 100%, а для нормального гептана – 0%. Если, например, испытуемый бензин по своей детонационной стойкости оказался при испытаниях эквивалентным смеси из 80% изооктана и 20% нормального гептана, то октановое число считается равным 80.

Чем выше цифра по октановому числу, тем лучше бензин, так как бензин наиболее близок к чистому изооктану.

Методы определения октанового числа: моторный и исследовательский

Моторный метод применяется для бензинов, которые применяются для двигателей с малой степенью сжатия, то есть для менее ответственной техники.

Исследовательский метод применяется для бензинов, которые применяются для двигателей с высокой степенью сжатия (для двигателей, работающих в условиях города, в условиях частых остановок, частых торможений, неравномерных нагрузок).

Полученные разными методами ОЧ отличаются друг от друга. Разность между ними называют чувствительностью бензинов. Эта величина характеризует возможные отклонения детонационной стойкости в реальных условиях эксплуатации от стойкости, определяемой лабораторными методами. Чем выше чувствительность бензина, тем выше его детонационная стойкость (2÷12 единиц).

Фракционный состав

От фракционного состава карбюраторных топлив зависят условия пуска, длительность прогрева, износостойкость двигателя, полнота сгорания топлива. Для характеристики фракционного состава бензина в стандарте указывается температура, при которой перегоняется 10, 50, 90% бензина, а также температура начала и конца перегонки. Ограничивается количество бензина, которое не перегоняется (остаток в колбе), количество бензина, которое улетучивается процессе перегонки.

По температуре перегонки 10% бензина судят о наличии в нем головных (пусковых) фракций, от которых зависит легкость пуска холодного двигателя. Чем ниже температура, тем легче и быстрее можно пустить холодный двигатель, так как большое количество бензина будет попадать в цилиндры в паровой фазе. Особенно важно, чтобы температура перегонки 10% была невысокой у бензинов, используемых при низких температурах воздуха.

После пуска двигателя интенсивность его прогрева, устойчивость работы на малой частоте вращения вала и приемистость (интенсивность разгона автомобиля) зависят главным образом от температуры перегонки 50% бензина. Чем ниже эта температура, тем легче испаряются средние фракции бензина, обеспечивая поступление в непрогретый еще двигатель горючей смеси необходимого состава, устойчивую его работу на малой частоте вращения вала двигателя и хорошую приемистость

По температуре перегонки 90% и температуре конца кипения судят о наличии в бензине тяжелых, трудноиспаряющихся фракций, об интенсивности и полноте сгорания рабочей смеси, о мощности, развиваемой двигателем, о количестве расходуемого топлива. Желательно, чтобы температура была по возможности более низкой для обеспечения испарения всего бензина, поступающего в цилиндры двигателя. Применение бензина с высокой температурой конца кипения приводит к повышению износа цилиндров и поршневой группы. Для нормальной работы двигателя важное значение имеет равномерность распределения рабочей смеси по отдельным цилиндрам. Она обеспечивается полнотой испарения бензина и характеризуется температурами выкипания 90% и концом кипения бензина. При высоких значениях этих температур наиболее высококипящие фракции бензина не успевают испариться во впускном трубопроводе двигателя и в виде жидкой пленки поступают в цилиндры. Вследствие неполного сгорания бензина в камере сгорания повышается его расход и снижается экономичность и мощность двигателя.

По величине потерь при перегонке судят о склонности его к испарению при транспортировке и хранении. Бензин с повышенными потерями при перегонке интенсивно испаряется в жаркое время года.

Давление насыщенных паров.

ДНП (упругость насыщенного пара) – давление пара, находящегося в равновесии с жидкостью или твердым телом при данной температуре. Является одним из показателей испаряемости моторных топлив. По ДНП можно судить:

· О наличии легкоиспаряющихся фракций в бензине, способных образовывать паровые пробки, чем выше давление насыщенных паров, тем больше опасность образования паровых пробок при работе двигателя;

· О пусковых свойствах бензина: чем выше ДНП, тем лучше пусковые качества бензина;

· О возможных потерях бензина при хранении;

· Об огнеопасности.

ДНП зависит от температуры перегонки, уменьшаясь с ее повышением.

Химическая стабильность

В процессах хранения, транспортирования и применения карбюраторных топлив возможны изменения в их химическом составе, вызываемые, в первую очередь, реакциями окисления и полимеризации. Химическую стабильность автомобильных бензинов характеризуют длительностью индукционного периода, содержанием смол. Высокой химической стабильностью обладают компоненты, не содержащие алкенов – прямогонные бензины, бензины каталитического риформинга, алкилаты. В бензинах коксования, термического и каталитического крекингов, наоборот, в заметных количествах содержатся алкены. При хранении и транспортировании эти компоненты товарного бензина легко окисляются с образованием смол. Для повышения химической стабильности к топливам, добавляют антиокислительные присадки.

Теплота сгорания

Является одной из важных характеристик топлив. Она выражается количеством тепла, выделяемого при полном сгорании 1 кг топлива в кислороде, и определяет энергию, которое сообщает топливо двигателю. Это количество тепла зависит от относительного содержания углерода и водорода в топливе, то есть от его элементного, углеводородного состава. Наибольшей теплотой сгорания обладает водород 121100 кДж/кг (углерод 34100кДж/кг). Поэтому углеводороды богатые водородом (например, парафиновые) имеют большую массовую теплоту сгорания, чем углеводороды с меньшим содержанием водорода (ароматические). Теплота сгорания различных марок бензина разного компонентного состава практически одинакова и в настоящее время не определяется.

Эксплуатационные свойства авиационных топлив

К топливам для авиационных двигателей предъявляются следующие требования: должны обеспечивать дальность беспосадочного перелета; высоту полета; возможность брать большой груз; низкий расход топлива; топливо не должно давать нагара, коррозии; не содержать механических примесей и воды; быть калорийным для создания необходимой мощности; топливо должно быть доступным и экологически чистым.

Чаще всего используются фракции 120-280 °С.

Основные нормируемые показатели:

1. Плотность – чем выше плотность, тем большая масса продуктов сгорания образуется, тем большее количество тепла образуется. Самолет может взять лишь определенный объем топлива, значит, в одно и то же количество баков мы набираем большее количество топлива по массе;

2. Нормируется теплота сгорания топлива – характеризует энергетические возможности самолета;

3. Фракционный состав – углеводороды выкипающие ниже 150°С не обеспечивают необходимую калорийность, углеводороды выше 250°С не сгорят;

4. Кинематическая вязкость – зависит надежность работы и долговечность топливной аппаратуры, возможность использования топлива при низких температурах; процесс испарения и сгорания топлива. Топливо, обладающее малой вязкостью, может переобогощать горючую смесь в отдельных зонах, что приводит к уменьшению химической полноты сгорания из-за недостатка кислорода. При повышенной вязкости топлива уменьшается физическая полнота сгорания топлива из-за невозможности полного испарения крупнораспыленного топлива на всем протяжении камеры сгорания.

5. Температура начала кристаллизации – не выше -60°С. Обеспечивается фракционным составом. Необходимо для обеспечения высоты полета, а там холодно.

6. Содержание аренов – нагарообразующие углеводороды, плохо сгорают даже при избытке кислорода

7. Йодное число – характеризует содержание непредельных углеводородов алкенов (полимеризуются, циклизуются и дают нагары).

8. Содержание общей серы, содержание ССС (элементарной серы, меркаптановой серы). Топливо должно быть экологически чистым, не выбрасывать в атмосферу продуктов неполного сгорания SO₂, SO₃.

9. Содержание фактических смол – забивают систему подачи топлива. Попадают в топливо при перегонке с нефтью.

10. Высота некоптящего пламени – характеризует присутствие плохосгораемых углеводородов.

11. Люминометрическое число – как и октановое число, характеризует яркость пламени. Чем ярче пламя, тем интенсивнее светятся раскаленные частицы сажи.

12. Содержание воды и механических примесей- категорически недопустимы, кристаллы льда и механические примеси забивают систему подачи топлива.

13. Термоокислительная стабильность – выражает образование осадков в результате окисления.

Эксплуатационные свойства дизельных топлив

Должно отвечать следующим требованиям: бесперебойно поступать в цилиндры при любых температурах и обеспечивать легкий пуск двигателя; обеспечивать хорошее распыление и смесеобразование в цилиндрах двигателя; легко воспламеняться и плавно сгорать, обеспечивая легкую бездымную работу двигателя; образовывать минимальное количество нагара, отложений и не вызывать коррозии и коррозионных износов деталей.

К основным эксплуатационным характеристикам дизельных топлив относят: воспламеняемость, фракционный состав, вязкость, коксуемость, температуру вспышки, температуру помутнения, температуру застывания0 содержание смол.

В дизельных двигателях топливо впрыскивается в сжатый и нагретый воздух под большим давлением. Капли топлива переходят в парообразное состояние и распределяются в воздухе. Через некоторое время топливо самовоспламеняется и сгорает. Время между началом впрыска и самовоспламенением называют периодом задержки самовоспламенения. Некоторые топлива воспламеняются сразу же (сгорание происходит с постоянной скоростью), другие – спустя некоторое время (в цилиндр успевает поступить большое количество топлива, оно воспламеняется одновременно, сгорание носит взрывной характер, по внешнему виду напоминает детонацию). Взрывное сгорание дизельного топлива называют жестким сгоранием. Признаки и последствия такие же, как и у детонации. Причиной жесткой работы двигателя является наличие аренов. Хороши алканы – хорошо воспламеняются, чем их больше, тем двигатель работает спокойнее.

Склонность дизельного топлива к жесткой работе характеризуется цетановым числом. Цетановое число – это число, которое показывает объемную долю цетана в смеси с альфаметилнафталином, причем эта смесь сгорает с такой же жесткостью, что и исследуемое дизельное топливо. Цетан С₁₆Н₃₄ принят за идеальное топливо для дизельного двигателя. Цетановое число его равно 100, а у альфаметилнафталина Цетановое число равно 0, так как он тяжелый арен, не способный самовоспламеняться.

Химия и физика нефти и газа. Курс лекций. И.В. Мозговой, Г.М. Давидан, Л.Н. Олейник. Омск. 2005, 142, 147

Смотри:

Химия и технология нефти и газа, Эрих В.Н., Ленинград, Химия, 1985, стр. 70-86