Размещено на http://www.allbest.ru/

ТОПЛИВА

Жидкие топлива имеют существенные преимущества перед другими видами топлив. К числу преимуществ относятся - высокая калорийность, низкая зольность, а так же удобство в транспортировке и хранении.

Калорийность. Теплотворная способность любого топлива определяется его элементным составом. Содержание водорода в нефтяных топливах в 20-25 раз выше, чем, например, в углях, а содержание кислорода меньше в 10-20 раз. Этим и объясняется высокая теплота сгорания нефтяных топлив, причем, чем больше алкановых углеводородов, тем выше удельная теплота сгорания топлива. Так теплота сгорания различных видов топлив (в кДж/кг) составляет:

- древесина-11500-12500

- торф- 8000-11500

- бурый уголь-11000-14000

- антрацит-30000-32000

- бензин автомобильный - 44000-46000

- авиакеросин -43000-45000

- топочные мазуты-41000-44000

- природный газ-48000-48500

Низкая зольность жидких топлив является очень важным их преимуществом. Отсутствие золы делает возможным применение жидких топлив в двигателях внутреннего сгорания.

Удобства транспортировки и хранения жидких топлив заключается в том, что их можно не только перевозить и хранить в герметически закрытых емкостях (цистернах), что предотвращает попадание инородных примесей, но и транспортировать по трубопроводам (топливопроводам) на значительные расстояния.

Нефтяные топлива по основному назначению можно разделить на пять групп.

В первую группу входят топлива для поршневых двигателей с принудительным воспламенением (с воспламенением от искры) - автомобильные и авиационные бензины.

Эксплуатационные свойства топлив

Под эксплуатационными свойствами понимают объективные особенности топлива, которые проявляются в процессе применения его в двигателе или агрегате. Процесс сгорания является главнейшим и определяющим его эксплуатационные свойства. Процессу сгорания топлива, безусловно, предшествуют процессы его испарения, воспламенения и многие другие. Характер поведения топлива в каждом из этих процессов и составляет суть основных эксплуатационных свойств топлив. В настоящее время оценивают следующие эксплуатационные свойства топлив.

Испаряемость характеризует способность топлива переходить из жидкого состояния в парообразное. Это свойство формируется из таких показателей качества топлива, как фракционный состав, давление насыщенных паров при различных температурах, поверхностное натяжение и другие. Испаряемость имеет важное значение при подборе топлива и во многом определяет технико-экономические и эксплуатационные характеристики двигателей. Воспламеняемость характеризует особенности процесса воспламенения смесей паров топлива с воздухом. Оценка этого свойства базируется на таких показателях качества, как температурные и концентрационные пределы воспламенения, температуры вспышки и самовоспламенения и др. Показатель воспламеняемости топлива имеет такое же значение, как и его горючесть; в дальнейшем эти два свойства рассматриваются совместно.

Горючесть определяет эффективность процесса горения топливовоздушных смесей в камерах сгорания двигателей и топочных устройствах.

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

Склонность к образованию отложений - это способность топлива образовывать отложения различного рода в камерах сгорания, в топливных системах, на впускных и выпускных клапанах. Оценка этого свойства базируется на таких показателях, как зольность, коксуемость, содержание смолистых веществ, непредельных углеводородов и т.д.

Коррозионная активность и совместимость с неметаллическими материалами характеризует способность топлива вызывать коррозионные поражения металлов, набухание, разрушение или изменение свойств резиновых уплотнений, герметиков и других материалов. Это эксплуатационное свойство предусматривает количественную оценку содержания в топливе коррозионно-активных веществ, испытание стойкости различных металлов, резин и герметиков при контакте с топливом. Защитная способность - это способность топлива защищать от коррозии материалы двигателей и агрегатов при их контакте с агрессивной средой в присутствии топлива и в первую очередь способность топлива защищать металлы от электрохимической коррозии при попадании воды. Данное свойство оценивается специальными методами, предусматривающими воздействие обычной, морской и дождевой воды на металлы в присутствии топлива.

Противоизносные свойства характеризуют уменьшение изнашивания трущихся поверхностей в присутствии топлива. Эти свойства имеют важное значение для двигателей у которых топливные насосы и топливно-регулирующая аппаратура смазывается только самим топливом без использования смазочного материала (например, в плунжерном топливном насосе высокого давления). Свойство оценивается показателями вязкости и смазывающей способности.

Охлаждающая способность определяет возможность топлива поглощать и отводить тепло от нагретых поверхностей при использования топлива в качестве теплоносителя. Оценка свойств базируется на таких показателях качества, как теплоемкость и теплопроводность.

Стабильность характеризует сохраняемость показателей качества топлива при хранении и транспортировки. 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.

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 пожаро- и взрывоопасности.

Топлива для двигателей с принудительным воспламенением

Эти топлива предназначены для поршневых двигателей с воспламенением от искры. Двигатель состоит из одного или нескольких цилиндров, представляющих собой камеру сгорания, внутри которой движется поршень. Поршень, посредством шатуна, соединен с коленчатым валом. Рабочие цилиндры установлены в блоке двигателя. На верхней части двигателя - головке блока имеются свечи зажигания и впускные и выпускные клапаны. Двигатель может состоять из одного или нескольких цилиндров. Попадая в цилиндр двигателя, топливно-воздушная смесь сгорает. Образующиеся, при этом дымовые газы под большим давлением давят на поршень, совершая при этом работу. Поступательное движение поршня преобразуется во вращательное движение коленчатого вала. И уже с вала снимается мощность. Чем до большей степени сжали топливно-воздушную смесь, т.е. чем больше отношение полного объема цилиндра к объему сжатия, тем большую работу совершат дымовые газы. Отношение полного объема цилиндра к объему сжатия называется - степень сжатия. Полный объем цилиндра достигается тогда, когда поршень находится в крайнем нижнем положении, а минимальный объем - объем сжатия - в крайнем верхнем положении.

Эти два положения получили названия, соответственно, нижней и верхней мертвых точек, сокращенно н.м.т. и в.м.т. Топливно-воздушная смесь подготавливается в специальном устройстве - карбюраторе. В последнее время стали довольно распространены двигатели с непосредственным впрыском топлива в цилиндры - двигатели с инжектором и прочие. Для того, чтобы топливо быстро и полностью сгорело необходим избыток кислорода. Поэтому, воздуха всегда берется больше, чем требуется теоретически. Отношение реального количества воздуха к теоретическому носит название коэффициент избытка воздуха

б=G_P/G_T ,

где G_P и G_T соответственно реальное и теоретическое массовое количество воздуха. На горение топлива в таком двигателе особое влияние оказывает испаряемость. В связи с этим их фракционный состав довольно широк - от 35 до 200^оС. Такие топлива получают в основном из легких бензиновых фракций нефти. Они получили название - бензины.

Рассмотрим четыре основные такта работы такого двигателя на примере одного цилиндра.

Первый такт - всасывание: поршень из в.м.т. движется вниз, впускной клапан открыт, выпускной закрыт. За счет создаваемого разряжения, в цилиндр поступает топливная смесь.

Второй такт - сжатие: поршень из н.м.т. движется вверх, оба клапана закрыты. При сжатии топливной смеси увеличивается температура, топливо испаряется. В конце такта сжатия, когда поршень находится вблизи в.м.т. на свечу зажигания подается искра и смесь воспламеняется. Образующиеся при сгорании топлива дымовые газы имеют значительно больший объем, вследствие чего, давление в цилиндре резко повышается.

Под действием давления дымовых газов и закрытых обоих клапанах, поршень движется вниз от в.м.т. совершая работу. Это третий такт - рабочий ход.

По достижении поршнем н.м.т. открывается выпускной клапан, и, когда поршень движется вверх от н.м.т. происходит выпуск отработанных газов, получивших название выпускных или выхлопных газов. Это четвертый такт - выпуск.

Далее цикл повторяется. Каждый такт соответствует 1\2 оборота коленчатого вала. На два оборота колечатого вала работа совершается один раз.

Такого рода двигатели устанавливаются на легковых и грузовых автомобилях, самолетах и вертолетах, лодках, катерах и другой техники. Они получили название - бензиновые двигатели. К топливам для двигателей летательных аппаратов предъявляются более высокие требования, чем к топливам для наземной техники, поэтому они выделены в отдельный класс и, таким образом, существуют два типа бензинов - авиационные и автомобильные. Авиационные бензины маркируются буквой "Б", поле чего идет значение октанового числа и сортности. Например, Б-95/130. Поскольку авиационные бензины применяются ограниченно, в основном, в малой и спортивной авиации, в настоящем пособии не будем на них останавливаться подробно. Уделим больше внимания автомобильным бензинам.

Автомобильные бензины

Нормальная работа современного бензинового двигателя в большой степени зависит от качества топлива. Поэтому при производстве бензинов производитель должен тщательным образом соблюдать требования стандатра по всем показателям. Ниже разберем основные свойства бензинов и то, как они влияют на эксплуатационные свойства двигателей.

Испаряемость. Время, отводимое на испарение и сгорание топлива очень невелико и составляет всего от 0,002 до 0,004 секунд. За две трети этого времени топливо должно полностью испариться. Если к моменту воспламенения часть топлива находится в жидком состоянии ( в виде капель), сгорание затягивается и топливо догорает уже в конце рабочего такта или даже в такте выпуска. В результате этого возможно неполное сгорание топлива, отложение нагара на поршне, выпускных клапанах и даже в выпускной трубе. Двигатель перегревается и его мощность и экономичность снижается. Полнота испарения топлива, а вследствие этого и нормальное сгорание, обуславливается его физическими свойствами, а именно, фракционным составом и давлением насыщенных паров. Причем, за пусковые свойства отвечает температуры начала кипения и выкипания 10% фр. Температура выкипания 50% топлива характеризует приёмистость, а 90% и конец кипения - наличие тяжелых фракций, т.е полноту испарения. Наличие большого количества легких фракций и, тем самым высокое давление насыщенных паров может приводить к образованию паровых пробок в топливопроводах.

Детонационная стойкость. Данный показатель является главным, как для авиационных, так и для автомобильных бензинов и характеризует способность топлива сгорать в двигателе без детонации. Детонация это явление, когда при определенных условиях работы двигателя нарушается процесс нормального сгорания и скорость распространения фронта пламени резко возрастает и достигает скорости 2000-2500 м/с. Сгорание принимает взрывной, или детонационный характер, который сопровождается резкими местными повышениями температуры, характерным резким металлическим звуком и падением мощности двигателя. Наиболее склонны к детонации та рабочая часть топлива, которая сгорает последней. Детонация приводит к перегреву двигателя, дымлению, падению мощности, преждевременному выходу из строя шатунно-поршневой группы за счет прогару поршней и износу поршневых пальцев. Эксплуатировать двигатель в условиях детонации нельзя. Склонность топлива к детонации зависит от его химического и углеводородного состава. Явление детонации связано с образованием в условиях термического окисления гидроперекисей, которые самопроизвольно взрываются. Наиболее стойкими

к образованию гидроперекисей, а следовательно и к детонации являются ароматические и изопарафиновые углеводороды. Наименее стойкие нормальные алканы. Чем выше степень сжатия двигателя, тем интенсивней происходит термоокисление с образованием гидроперекисей, а значит и бензины применяемые в этих двигателях должны быть более детонационно-стойкими.

Детонационную стойкость бензинов измеряют в единицах октанового числа, определенных на одноцилиндровой моторной установке с переменной степенью сжатия. Октановое число есть показатель детонационной стойкости бензина, численно равный объемному содержанию (в %) изооктана в эталонной смеси его с нормальным гептаном, которая по детонационной стойкости эдентична топливу, испытуемому в стандартных условиях. Так, например бензин с октановым числом 92 по своей детонационной стойкости эквивалентен смеси, состоящей из 92 % об. Изооктана и 8% об. н-гептана. Октановое число автомобильных бензинов определяют на установках ИТ9-2М или УИТ- 85 двумя методами: моторным по ГОСТ 511-82 и исследовательским по ГОСТ 8226-82. Разница в октановом числе по моторному и исследовательскому методу составляет 6-9 единиц ( выше по исследовательскому методу) и связана со стандартными условиями испытания. Условия исследовательского метода более мягкие, и приближены к работе двигателя в условиях города - частые трогания с места и торможения.

Бензины производят путем смешения бензиновых компонентов различных технологических процессов. Наиболее высокооктановыми компонентами являются бензины процессов риформинга, изомеризации, алкилирования; наименее - прямогонные бензины и бензины термических процессов. Для улучшения детонационной стойкости (повышения октанового числа применяют различные присадки , получивших название "антидетонаторы" и высокооктановые добавки. Наилучшей приемистостью к бензинам обладает тетраэтилсвинец, однако он ядовит, и применение этилированных бензинов в последние годы резко снижается. Во многих городах России и за рубежом применение этилированных бензинов запрещено. В настоящее время в производстве бензинов используются низкотоксичные присадки и добавки, такие как монометиланилин, ксилидины, марганцесодержащая присадка, метанол, этанол, метил-трет-бутиловый эфир (МТБЭ) и др.

Химическая стабильность, склонность к образованию отложений и нагарообразованию очень важные показатели и зависят не только от химического состава бензинов, но и от условий смесеобразования, отлаженности системы зажигания, каталитического воздействия металлов при сгорании топлива. Поэтому в бензинах используются, кроме антидетонаторов, еще и антиокислительные, противокоррозионные и антидымные присадки.

Ассортимент, состав и качество автомобильных бензинов

В России предусмотрено производство, как этилированных так и неэтилированных автомобильных бензинов. До 1998 года по ГОСТ 2084-77 выпускались бензины марок А-76, АИ-93, АИ-95 и АИ-98, как в этилированном, так и неэтилированном виде. Кроме этих бензинов в последние 5-7 лет стало производиться много бензинов малым предпринимательством по различным Техническим Условиям (ТУ) с различными присадками и добавками, появились такие бензины, как А-80, А-92, А-96. У этих бензинов снижены требования по ряду показателей, которые, вроде бы не являются первостепенными. Кроме того, в паспортах на эти бензины не указывается компонентный состав и антидетонационных добавок. Ввиду этого ряд бензинов одной марки, но от разных производителей практически не подлежат смешению.

С 1999 года в силу вступил новый ГОСТ 51105-97 на неэтилированные бензины, в котором учтены все необходимые требования к свойствам бензинов практически в соответствии с зарубежными стандартами. По ГОСТ в России выпускаются следующие марки неэтилированных бензинов:

Нормаль-80 с октановым числом по исследовательскому методу не ниже 80.

Регуляр-91 с октановым числом по исследовательскому методу не ниже 91.

Премиум -95 с октановым числом по исследовательскому методу не ниже 95. Супер 98 с октановым числом по исследовательскому методу не ниже 98.

Технологические бензины (без антидетонационных присадок и добавок), готовят путем смешения следующих компонентов:

А-76, Нормаль-80 - 80-90% бензина каталитического крекинга, остальное прямогонный легкий бензин;

АИ-93, А-92, Регуляр-91 - 70-80% бензина риформинга,10-15% бензина кат.крекинга, 10-15% прямогонного;

АИ-95, А-96, Премиум-95 - 80-90% бензина риформинга, 10-15 алкилата, 5-10% изомеризата;

АИ-98, Супер - 50-60% бензина риформинга, 35-40% алкилата, 10-15% изомеризата.

Ввиду ожесточений требований к содержанию ароматических углеводородов, в бензинах снижается доля риформата и увеличивается доля алкиолата и изомеризата, а так же бензина гидрокрекинга. Разрешено применять нетоксичные антидетонационные присадки (марганцевосодержащий, Экстралин, Ада и т.п.) и добавки (этанол, МТБЭ и др.) оговаривая их в паспорте на продукцию. Основные физико-химические свойства некоторых бензинов приведены в ниже.

Характеристика автомобильных бензинов (ГОСТ 2084 -77)

Топлива для воздушно-реактивных двигателей

В отличие от бензинового и дизельного двигателя, в которых поступательное движение поршней цилиндров преобразуется во вращательное движение коленчатого вала, в воздушно-реактивном двигателе (ВРД) происходит непрерывное сгорание топлива на форсунках. Тепловое энергия, образующаяся при его сгорании превращается в кинетическую энергию дымовых газов, выходящих через суженое отверстие (сопло), расположенное в тыльной стороне ВРД. За счет этого создается тяговая сила противоположная по направлению движению дымовых газов. Чем выше скорость истечения газов тем большую работу они совершают, и тем выше тяговая сила двигателя. Чтобы скорость истечения газов из сопла была достаточной, необходимо обеспечить высокую интенсивность процесса сгорания топлива, что достигается поддержанием в камере сгорания соответствующих температуры и давления, а так же состава топливовоздушной смеси. Воздух в камеру сгорания подается с помощью турбокомпрессора, приводимого во вращение газовой турбиной, расположенной в задней части двигателя. Отсюда и названия ВРД - турбореактивные (ТРД), турбовинтовые (ТВД), турбокомпрессорные (ТКРД). Топливо сгорает в потоке воздуха, движущемся со скоростью 35-45 м/с, т.е. в 2. Отсюда и высокие требования к теплоте сгорания топлива.

В ВРД могут применяться более тяжелые топлива и с более широким фракционным составом, чем в поршневых двигателях. Однако, утяжеление фракционного состава ведет к ухудшению процесса образования горючей смеси. Это может нарушить непрерывность горения, что вообще недопустимо, или может вызвать неполноту сгорания, что снижает к.п.д. двигателя и может стать причиной нагарообразования.

Наиболее подходящими для такого процесса сгорания являются керосиновые фракции нефти, выкипающие в пределах 120-320^оС. В двигателях для дозвуковой авиации применяются топлива более легкие, для сверхзвуковой - более тяжелые. Кроме испаряемости наиболее важными характеристиками являются: теплотворная способность топлива, кинематическая вязкость, температура начала кристаллизации, содержание серы, воды, механических примесей и др. Низкая калорийность топлива снижает тяговую силу и дальность полета, слишком высокая вязкость ухудшает распыл топлива на форсунке. Однако, топливо имеющее слишком низкую вязкость имеет плохие противоизносные свойства. Повышенное содержание нормальных парафиновых углеводородов вызывает кристаллизацию топлива в верхних холодных слоях атмосферы. Попадание в топливо воды может ухудшить его прокачиваемость. Возможность образования кристаллов льда в авиационных топливах особенно высока в связи с быстрым изменением в полете температуры и влажности воздуха, атмосферного давления. При понижении температуры и атмосферного давления и увеличении влажности растворимость воды в топливе снижается, а избыток ее выпадает в топливных баках в виде тонкодисперсных капель, способных к замерзанию. Для предотвращения образования кристаллов льда в топливо вводится присадка этилцеллюлозных - жидкость “И”. Сернистые соединения, особенно меркаптаны, вызывают коррозию, как топливной аппаратуры, так и камеры сгорания. Механические примеси забивают топливные фильтры, форсунки, приводят к износу лопатки турбины. Все эти явления усугубляются тем, что авиамашина находится в воздухе, и устранить повреждения, а, тем более, остановить двигатель практически невозможно.

Кроме этого реактивное топливо должно обладать хорошими антистатическими свойствами, поскольку трение плоскостей и фюзеляжа авиамашины о воздух вызывает накопление в топливе статического электрического заряда, который может вызвать пожар или взрыв. Таким образом, можно сказать, что к качеству реактивных топлив предъявляются более жесткие требования, чем другим видам моторных топлив.

В России выпускают топлива для дозвуковой по ГОСТ 19227-86 Т-1, ТС-1 и РТ и сверхзвуковой авиации по ГОСТ 12308-89 Т-6 и Т-8В. Топлива Т-1 и ТС-1 получают процессами прямой перегонки нефти, РТ с применением гидроочистки, Т-6 путем глубокого гидрирования керосино-газойлевых фракций нефти. Основные физико-химические свойства некоторых авиакеросинов приведены ниже.

ДИЗЕЛЬНЫЕ ТОПЛИВА

Поршневые двигатели с воспламенением горючей смеси от сжатия (дизели) являются самыми экономичными, поэтому их производство и применение непрерывно возрастают. Во многих отраслях народного хозяйства, в различных видах техники, где используют поршневые двигатели внутреннего сгорания, идет замена двигателей с искровым зажиганием на более экономичные дизели. Этот процесс называют дизелизацией автомобильного парка.

Высокая экономичность дизелей обусловлена следующими причинами. В двигателях с принудительным воспламенением и внешнем смесеобразованием в такте сжатия в цилиндре находится горючая смесь. Для предотвращения преждевременного самовоспламенения смеси или появления детонационного сгорания степень сжатия в таких двигателях ограничивают, и в зависимости от качества применяемого топлива она колеблется в предела 8 -10. В дизелях в такте сжатия цилиндр заполнен воздухом, поэтому степень сжатия может быть более высокой. Известно, что термический к.п.д. двигателя при прочих равных условиях возрастает с увеличением степени сжатия.

Дизели по степени быстроходности, т.е. по частоте вращения коленчатого вала, делят на тихоходные и быстроходные. Степень быстроходности дизеля в значительной мере определяет требования к качеству топлива. Большая часть автомобильных и тракторных дизелей относится к быстроходным, многие стационарные, а также транспортные дизели для судов морского и речного флота - тихоходные.

Одной из основных особенностей дизеля является внутреннее смесеобразование, т.е. топливо подается в цилиндр двигателя в конце такта сжатия. Температура воздуха в этот момент в цилиндре превышает температуру воспламенения топливовоздушной смеси. Перед воспламенением топливо должно испариться, а пары хорошо смешаться с воздухом. Для этого топливо должно быть распылено на мелкие капли и равномерно распределено по объему камеры сгорания. В дизелях все это достигается за счет впрыскивания топлива через форсунку под высоким давлением. В современных дизелях используют такую топливоподающую аппаратуру, которая обеспечивает наиболее полное смесеобразование и, тем самым, способствуют наиболее полному испарению топлива.

Топливо, впрыснутое в цилиндр двигателя, оказывается распыленным в воздухе, сжатом до 3,0-3,5 МПа и нагретом до 550-600⁰С. В этих условиях начинается интенсивный процесс окисления топлива, завершающийся его воспламенением. Чем быстрее идет процесс окисления топлива, т.е. чем меньше промежуток времени от начала впрыска, тем ровнее и лучше работа двигателя.

Требования к дизельным топливам

1. Испаряемость.

Испарение в дизелях начинается сразу после его впрыска в камеру сгорания и продолжается до сгорания последних порций топлива. Весь процесс испарения топлива и образование горючей смеси происходит непосредственно в цилиндре двигателя за очень малый промежуток времени в цилиндре двигателя за очень малый промежуток времени а приготовление горючей смеси в дизеле отводится в 1О раз меньше времени, чем в карбюраторном двигателе, и в то же время в дизеле удается использовать более тяжелые топлива с худшей испаряемостью. Это объясняется тем, что в дизелях хорошо распыленное топливо впрыскиваемая в воздух, нагретый за счет сжатия до 5ОО-6ОО ⁰С. Такие условия обеспечивают интенсивный прогрев и испарение капель топлива.

Процессы испарения и смесеобразования в дизеле зависят от таких свойств топлива, как вязкость, плотность, фракционный состав, давление насыщенных паров, поверхностное натяжение, способность паров топлива диффундировать в окружающую среду, скрытая теплота испарения, теплоемкость.

Увеличение вязкости топлива ведет к укрупнению капель в факеле, ухудшению распыливания и испарения топлива. Топлива с большой вязкостью догорают в ходе такта расширения, снижая экономичность двигателя и повышая дымность отработавших газов.

При использовании топлив с высокой вязкостью крупные капли за счет большой кинетической энергии, приобретаемой при впрыске, увеличивают длину факела, повышая его дальнобойность, При этом частично топливо попадает на стенки камеры сгорания, ухудшая процесс смесеобразования.

С другой стороны, топлива с малой вязкостью также ухудшают процесс смесеобразования. При их распылении образуются мелкие капли, скорость которых в плотном воздухе быстро падает. При укороченном факеле не используется весь объем камеры сгорания для приготовления однородной топливо-воздушной смеси. И не весь воздух участвует в процессе смесеобразования, от чего возникает избыток топлива, и неполное сгорание в той части камеры сгорания, которая расположена около форсунки.

Плотность дизельных топлив влияет на смесеобразование примерно так же, как и их вязкость. С повышением плотности увеличивается дальнобойность факела, снижается экономичность и растет дымность отработавших газов. Плотность топлива для быстроходных дизелей должна быть в пределах 820 - 860 кг/м³.

Важной характеристикой для распыливания для распыливания топлива является поверхностное натяжение: размер капель прямо пропорционален величине поверхностного натяжения. С утяжелением фракционного состава топлив, с повышением их плотности поверхностное натяжение увеличивается. Так, если для бензинов поверхностное натяжение колеблется в пределах 0,020 - 0,024 Н/м, то для дизельных топлив эта величина лежит в пределах 0,027 - 0,030 Н/м, а для топлив тихоходных дизелей - более 0,030 Н/м.

Поверхностное натяжение зависит от содержания в топливе поверхностно-активных веществ, таких, как смолистые, сернистые и другие соединения. Чем выше содержание таких веществ, тем больше поверхностное натяжение на границе с воздухом. Хорошо очищенные малосернистые топлива имеют минимальные значения поверхностного натяжения и обеспечивают хорошее распылившие и смесеобразование.

Фракционный состав дизельных топлив оценивают так же, как и фракционный состав бензинов: температурами выкипания 50 % (об.) и конца кипения топлива. За конец кипения принимают температуру выкипания 96% (об.) топлива. Однако значения отдельных температур выкипания для оценки эксплуатационных свойств дизельных топлив и бензинов существенно различны. Пусковые свойства дизельных топлив, в какой то мере характеризует лишь температура выкипания 50% (об.) топлива. Применение очень легких топлив при низких температурах воздуха не облегчает, а наоборот, затрудняет пуск двигателя. Дело в том, что на испарение большого количества легких фракций топлива затачивается тепло, вследствие чего снижается температура конца сжатия, и скорость протекания предпламенных реакций уменьшается.

Высокая температура выкипания 90 и 96% (об.) топлива свидетельствует о присутствии тяжелых фракций, которые могут ухудшить смесеобразование и тем самым снизить экономичность дизеля и увеличить дымность отработавших газов.

2. Воспламеняемость

Характеристикой воспламеняемости дизельных топлив служит температура самовоспламенения топлива. Чем ниже значение этого показателя, тем легче и быстрее воспламеняемое топливо, тем мягче работа двигателя.

Температура самовоспламенения как физико-химическая характеристика топлива зависит от его группового химического состава. Из трех основных групп углеводородов, встречающихся в топливах, наиболее высокой температурой самовоспламенения обладают ароматические углеводороды, а самой низкой - алканы (парафиновые). Циклановые углеводороды занимают среднее положение между ароматическими и алкановыми.

Воспламеняемость дизельных топлив определяется на установке ИТ-3 и заключается в сравнении испытуемого образца топлива с эталонными топливами, воспламеняемость которых известна. В качестве эталонных топлив применяют два индивидуальных углеводорода: цетан (н-гексадекан С₁₆Н₃₄) и -метил-нафталин (С₁₁Н₁₀), Цетан имеет малый период задержки самовоспламенения и его воспламеняемость принята за 100 единиц, а -метилнафталин имеет большой период задержки и его воспламеняемость принята за 0. Смеси цетана с -метилнафталином в различных соотношениях обладают разной воспламеняемостью. Цетановое число (Ц.Ч.) определяет скорость химических процессов подготовки смеси к воспламенению и характеризует период задержки самовоспламенения.

Товарные дизельные топлива должны иметь Цетановое число в определенных оптимальных пределах. Применение топлив с цетановым числом менее 40 обычно приводит к жесткой работе двигателя. Повышение цетанового числа выше 50 единиц также нецелесообразно, так как возрастает удельный расход топлива вследствие уменьшения полноты сгорания.

Цетановое число зависит от содержания и строения углеводородов, входящих в состав дизельного топлива. Наибольшие цетановые числа имеют соединения нормального строения. Углеводороды с одной или несколькими боковыми цепями обладают меньшими цетановыми числами.

3. Прокачиваемость

На прокачиваемость топлив влияют вязкость, температуры помутнения и застывания топлив.

Вязкость. В современных дизелях топливо к форсункам подают и дозируют насосы плунжерного типа. Вязкость топлив должна быть такой, чтобы обеспечить минимальное подтекание топлива через зазоры и смазку прецизионных пар топливного насоса. Поэтому ограничивается минимально- допустимый уровень вязкости дизельных топлив.

Топлива с высоким уровнем вязкости имеют плохие низкотемпературные свойства, и их применение при отрицательных температурах воздуха вызывают осложнения при подаче топлива в двигатель.

Температура помутнения. В отличие от бензинов в составе дизельных топлив может содержаться довольно много углеводородов с высокой температурой плавления. К числу их, в первую очередь, относятся алканы нормального строения. При понижении температуры высокоплавкие углеводороды выпадают из топлива в виде кристаллов, и топливо мутнеет, что вызывает опасность забивки фильтров кристаллами парафинов. Поэтому температура помутнения дизельных топлив должна быть несколько ниже температуры применения. Температура застывания. При дальнейшем охлаждении помутневшего топлива выпавшие кристаллы высокоплавких углеводородов сращиваются, образуя пространственную решетку, в ячейках которых остаются жидкие углеводороды. С понижением температуры воздуха топливо теряет подвижность и застывает. Температура застывания дизельного топлива - это величина условная и служит критерием для определения условий применения топлива.

Механические примеси. Во время транспортирования, хранения и применения в дизельных топливах накапливаются загрязняющие примеси. Размеры таких примесей достигают 50 -60 мк. Наличие механических примесей в топливе приводит к абразивному изнашиванию частей двигателя, снижению давления впрыска топлива и ухудшению качества его распыливания. Присутствие в топливе механических примесей оценивается коэффициентом фильтруемости (К. Ф.), показывающим отношение времени фильтруемости последних двух мл. ко времени фильтрования первых двух мл. топлива. Для товарных топлив К.Ф. не должен превышать трех пунктов.

СОВРЕМЕННЫЕ И ПЕРСПЕКТИВНЫЕ ДИЗЕЛЬНЫЕ ТОПЛИВА

Для современных быстроходных дизелей предусмотрено производство по ГОСТ 305-82 трех марок топлива: летнее - Л, зимнее - З и арктическое -А. Летнее топливо предназначено для эксплуатации двигателей при температуре окружающего воздуха 0⁰С, зимнее - до -25 ⁰С, арктическое - до -50⁰С. Ниже представлены основные физико-химические свойства дизельных топлив выпускаемых по ГОСТ 305-82.

Кроме этих топлив отечественная промышленность выпускает значительный объем дизельных топлив по ведомственным ТУ (техническим условиям) по согласованию с потребителем, в том числе, и топлива с депрессорными присадками, понижающими температуру застывания. Поскольку температура помутнения в этом случае остается относительно высокой, в стандарт на топлива с депрессорной присадкой вводится показатель предельной температуры фильтруемости. Физически - это та температура, при которой топливо перестает прокачиваться через фильтр тонкой очистки дизеля. За последние пять лет отечественная промышленность освоила выпуск, так называемых, экологически чистых дизельных топлив с пониженным содержанием ароматических углеводородов и сниженным содержанием общей серы до 0,05% мас.

КОТЕЛЬНЫЕ, ТЯЖЕЛЫЕ МОТОРНЫЕ, ГАЗОТУРБИННЫЕ И ПЕЧНЫЕ ТОПЛИВА

Котельные топлива применяют в стационарных паровых котлах, в промышленных печах. Тяжелые моторные топлива используют в судовых энергетических установках для выработки вторичной энергии, например, водяного пара. К котельным топливам относят топочные мазуты марок 40 и 100, вырабатываемые по ГОСТ 10585-75, к тяжелым моторным топливам флотские мазуты Ф-5 и Ф-12 по ГОСТ 10585-75, моторные топлива ДТ и ДМ - по ГОСТ 1667 - 68.

В общем балансе перечисленных топлив основное место занимают мазуты нефтяного происхождения. Жидкие котельные топлива из сланцев, получаемые на установках полукоксования горючих сланцев и угля, - продукты коксохимической промышленности - составляют лишь небольшую долю общего объема применяемого топлива.

Топливо нефтяное для газотурбинных установок предназначено для работы в стационарных паротурбинных и парогазовых энергетических установках, а также в газотурбинных установках водного транспорта. Газовые турбины являются относительно новым видом теплового двигателя. Благодаря своим специфическим свойствам, таким, как сравнительно малая масса на единицу мощности, способность к быстрому запуску и работе без охлаждающей жидкости, возможность полной автоматизации и дистанционного управления, газовые турбины получили широкое применение в авиации, а затем в различных отраслях промышленности и транспорта. Их используют также для покрытия пиков нагрузки на электрических станциях, Общей тенденцией газотурбостроения в настоящее время является увеличение к.п.д. и мощности установок за счет повышения температуры газов перед турбиной. Это и определяет требования к качеству топлива. Требования предъявляемые к качеству котельных и тяжелых моторных топлив и устанавливающие условия их применения, определяются такими показателями качества, как вязкость, содержание серы, теплота сгорания, температуры застывания и вспышки, содержание воды, механических примесей и зольность.

Ниже рассмотрим основные свойства тяжелых топлив.

Вязкость. Эта техническая характеристика является важнейшей для котельных и тяжелых моторных топлив. Она определяет методы и продолжительность сливно-наливных операций, условия перевозки и перекачки, гидравлические сопротивления при транспорте топлива по трубопроводам, эффективность работы форсунок. От вязкости в значительной мере зависят скорость осаждения механических примесей при хранении, а также способность топлива отстаиваться от воды.

При положительных температурах (50 и 80^оС) условную вязкость топлив определяют по ГОСТ 6258 - 85 с помощью вискозиметра ВУМ. В США для определения вязкости используют вискозиметр Сейболта универсальный и Сейболта Фурола (для высоковязких мазутов), в Англии - вискозиметр Редвуда. Между всеми этими вязкостями существует определенная зависимость. В ряде спецификаций указывают вязкость, найденную экспериментально и пересчитанную в кинематическую (мм²/с).

Для мазутов, как и для всех темных нефтепродуктов, зависимость вязкости от температуры приближенно описывается уравнением Вальтера:

lg lg(н^.10^-6+0,8)=A-BlgT,

где н - кинематическая вязкость, мм²/с. А и В - коэффициенты; Т - абсолютная температура, ^оК.

Вязкость не является аддитивным свойством топлива. При смешении различных котельных топлив вязкость смеси следует определять экспериментально. Ориентировочно вязкость таких смесей можно определить по формуле:

lglg(н_cm+0,8)=x₁ lglg(н₁+0,8)+x₂ lglg(н₂+0,8),

где н₁, н₂, н_cm - вязкость кинематическая компонентов 1, 2 и смеси, мм²/с; х₁, х₂ - содержание компонентов, % об.

Котельные и тяжелые моторные топлива являются структурированными системами. Для их характеристики, особенно при выполнении сливно-наливных операций, помимо ньютоновской вязкости необходимо учитывать реологические свойства топлив. Вязкость при низких температурах определяют по ГОСТ 1929 - 87 с помощью ротационного вискозиметра <<Реотест>>.

Принцип действия прибора <<Реотест>> основан на изменении сопротивления, которое оказывает испытуемый продукт вращающемуся внутреннему цилиндру. Это сопротивление зависит только от внутреннего трения жидкости и прямо пропорционально абсолютной вязкости. По мере того как скорость сдвига увеличивается, вязкость уменьшается. Когда вся структура полностью разрушена, вязкость становится постоянной. Эта вязкость называется динамической. Методика позволяет определять как вязкость полностью разрушенной структуры мазута, так и начальное напряжение, являющееся мерой прочности структуры мазута, значение которого необходимо знать при расчете трубопроводов.

Для всех остаточных топлив характерна аномалия вязкости: после термической обработки или соответствующего механического воздействия повторно определяемая вязкость при той же температуре оказывается ниже начальной. Объясняется это присутствием в котельных топливах высокомолекулярных парафиновых углеводородов и асфальтно-смолистых веществ: чем их больше в топливе, тем выше вязкость и начальное напряжение сдвига:

Содержание серы. В остаточных топливах содержание серы зависит от типа перерабатываемой нефти (сернистой или высокосернистой) и технологии получения топлива. Сера в остаточных топливах находится в свободном состоянии или в связанном - меркаптановая сера, сероводород. Наиболее коррозионно-агрессивных соединений - меркаптановой серы - в остаточных топливах меньше, чем в среднедистиллятных фракциях. Поэтому коррозионная активность сернистых мазутов ниже, чем сернистых светлых нефтепродуктов.

При сжигании сернистых топлив сера превращается в оксиды - SO₂ и SO₃. Наличие в дымовых газах SO₃ повышает температуру начала конденсации влаги - точку росы. В связи с тем, что температура хвостовых поверхностей котлов (воздухоподогревателей, экономайзеров) равна точке росы дымовых газов, на этих поверхностях конденсируется серная кислота, которая и вызывает усиленную коррозию металла. Содержание серы в мазутах оказывает значительное влияние на экологическое состояние воздушного бассейна. В ряде ведущих стран мира в последние годы приняты ограничения по содержанию серы в мазутах до уровня 0,5 - 0,1%.

Теплота сгорания.. Это одна из важнейших характеристик топлива, от которой зависит его расход, особенно для топлив применяемых в судовых энергетических установках, так как при заправке топливом с более высокой теплотой сгорания увеличивается дальность плавания. Теплота сгорания зависит от элементного состава топлива и определяется отношением Н/С и зольностью. Для котельных топлив она находится в пределах 39900 - 41580 Дж/кг при плотности 940 - 970 кг/м³ Q_н=42000 Дж/кг. Теплота сгорания высокосернистых топлив всегда ниже, чем сернистых или малосернистых.

Температура застывания. Как и вязкость, температура застывания характеризует условия слива и перекачки топлива. Она зависит от двух основных факторов: качества перерабатываемой нефти и способа получения топлива. Для топочных мазутов марок 40 и 100 t_заст находится в пределах 22 - 25^оС и практически постоянна при хранении топлив. Тяжелые моторные топлива, получаемые смешением остаточных и дистиллятных фракций, довольно нестабильны, и их t_заст при хранении может повышаться на 4 - 15^оС. Явление это присуще только топливам, содержащим остаточные компоненты, таким как флотский мазут Ф-5, моторное топливо ДТ и ДМ и экспортный мазут. Полагают, что повышение t_заст при хранении (регрессия) обусловлено взаимодействием парафиновых углеводородов и асфальтено-смолистых веществ с образованием во времени более жесткой кристаллической структуры. Это свойство топлив очень затрудняет их применение и не позволяет гарантировать сохранение качества после хранения и транспортирования топлив.

Большое влияние на t_заст оказывают температура нагрева, скорость охлаждения, наличие или отсутствие перемешивания и даже диаметр сосуда, в котором она определяется. Для котельных топлив t_заст изменяется в зависимости от условий термической обработки. С повышением температуры термообработки до 40 - 70^оС t_заст топлива возрастает. Дальнейшее повышение температуры термообработки до 100^оС приводит к резкому ее снижению, что связано с изменением структуры топлива, а именно: с повышением температуры в структуре мазута, представляющего собой сплошную сетку, составленную из мелких игл с вкраплениями в нее крупных кристаллических конгломератов парафинов, последние постепенно исчезают и структура становится однородно сетчатой. Не менее важна и скорость охлаждения топлив. С увеличением скорости охлаждения t_заст , как правило, повышается за счет возникновения большого числа центров кристаллизации, равномерно распределенных по всему объему и способствующих созданию прочной структурной решетки парафина.

Учитывая нестабильность t_заст , стандарты на мазут флотский, экспортный и на моторное топливо предусматривают гарантии изготовителя: по истечении 3 месяцев хранения температура застывания не должна превышать установленную стандартом величину: минус 5^оС - для флотского мазута Ф-5 и моторного топлива, плюс 10^оС - для экспортного. Срок гарантии установлен, исходя из экспериментальных данных. Как правило, изменение t_заст после 3 месяцев Хранения крайне редко. Регрессия t_заст обусловливает необходимость выработки топлива с запасом качества по этому показателю, что приводит к вовлечению в состав таких продуктов неоправданно большого количества дизельного топлива. Так, для получения флотского мазута Ф-5 на нефтеперерабатывающем предприятии вовлекают в мазут 50 - 70% дизельного топлива, а для получения топлива, удовлетворяющего требованиям ГОСТ 10585 - 75 по всем показателям качества, кроме t_заст , достаточно 12,5 - 40% дизельного топлива.

Для снижения температуры застывания применяют депрессорные присадки, синтезированные на основе сополимера этилена с винилацетатом. Механизм их действия заключается в модификации структуры кристаллизующегося парафина, препятствующей образованию прочной кристаллической решетки. Эффективность действия депрессорных присадок к котельным топливам зависит, прежде всего от содержания н-парафиновых углеводородов и их температуры плавления: чем больше их в топливе и чем выше t_пл , тем менее эффективен депрессор.

Наибольшее депрессорное действие оказывают асфальтено-смолистые вещества. Это свойство асфальтено-смолистых веществ использовали ранее как единственный способ улучшения низкотемпературных свойств котельных топлив. Количество вводимых в топливо компонентов, содержащих асфальтено-смолистые вещества, например крекинг-остаток, ограничено, тат как последний повышает вязкость и содержание серы. Наличие в топливах крекинг-остатка вызывает при эксплуатации повышенное нагарообразование, высокотемпературную коррозию за счет ванадия, концентрирующегося в асфальтено-смолистой части, делает топлива нестабильными при хранении. Асфальтено-смолистые вещества оседают и отлагаются на днищах резервуаров, мазутопроводов, что затрудняет их очистку и приводит к дополнительным затратам в эксплуатации. Отложения асфальтено-смолистых веществ на поверхности нагрева теплообменной аппаратуры увеличивают сопротивление стенки и ухудшают теплообмен. С углублением переработки нефти содержание асфальтено-смолистых веществ в топливах будет увеличиваться, поэтому все более острой становится проблема производства стабильных котельных топлив. Асфальтены в мазутах находятся в коллоидном состоянии. Устойчивость асфальтено-содержащих дисперсных систем зависит от природы циклического углеводорода и его концентрации в дисперсионной среде. Наличие ароматических и нафтеновых углеводородов повышает седиментационную устойчивость дисперсной системы, причем для ароматических углеводородов этот эффект значительно больше, чем для нафтеновых углеводородов: ароматические углеводороды более склонны к взаимодействию с молекулами асфальтенов, растворимость последних тем больше, чем выше концентрация ароматического компонента. В такой среде асфальтены диспергируются с образованием тонкодисперсных коллоидных и молекулярно-дисперсных частиц. В среде парафиновых углеводородов образуется преимущественно грубодисперсная система. Так как нафтеновые углеводороды по строению являются промежуточными между парафиновыми и ароматическими углеводородами, то и кинетическая и агрегативная устойчивость асфальтенов в них меньше, чем в ароматических, и больше, чем в парафиновых углеводородах.