Состав, свойства и ассортимент моторных топлив

Моторные топлива — это светлые нефтепродукты, применяемые для сжигания в двигателях. В зависимос­ти от типа двигателя они подразделяются на карбюра­торные, дизельные и реактивные.

Общим для всех видов моторного топлива свойством является высокая теплота сгорания. Например, дизель­ное топливо и бензины имеют низшую теплоту сгорания 42—43 МДж/кг. Чем выше теплота сгорания, тем ниже удельный расход топлива.

Что касается других свойств, то они специфичны для каждого вида топлива.

Карбюраторным называется топливо, применяемое для карбюраторных двигателей самолетов, автомоби­лей и тракторов. В таких двигателях топливо, испаряясь и смешиваясь в определенных пропорциях с воздухом в специальном устройстве (карбюраторе), подается в ка­меру сгорания и воспламеняется от электрической искры.

Основное топливо для карбюраторных двигателей — бензин различных марок и сортов.

Так как в карбюраторных двигателях сжиганию под­вергается не топливо непосредственно, а горючая газо­образная смесь паров бензина и воздуха (рабочая смесь), то одним из важнейших его свойств является испаряемость.

В документах, удостоверяющих качество бензинов, испаряемость оценивают фракционным составом, т. е. температурами, при которых происходит начало кипе­ния, а также выкипания 10, 50 и 90 % топлива. Чем ниже эти температуры, тем выше степень испаряе­мости.

На испаряемость топлива оказывают влияние также его вязкость, плотность и некоторые другие физические характеристики.

Одним из важнейших свойств бензинов является спо­собность его газообразной смеси воспламеняться и сго­рать со скоростью распространения фронта пламени 25—35 м/с. В некоторых случаях процесс горения может резко измениться и приобрести взрывной (детонацион­ный) характер. Скорость такого горения 1500—2000 м/с. Мгновенное сгорание рабочей смеси нежелательно, так как вызывает вибрацию и перегрев деталей двигателя, преждевременный их износ, снижение мощности и др.

Способность бензинов противостоять взрывообразно­му горению называется детонационной стойкостью. Она оценивается октановым числом, равным про­центному содержанию изооктана (октановое число 100) в смеси его с нормальным гептаном (октановое число 0). Так, например, октановое число смеси из 72 % изоокта­на и 28 % нормального гептана равно 72.

В СССР октановое число автомобильных бензинов определяется двумя методами: моторным и исследова­тельским.

По моторному методу октановое число определяется на установке ИТ9-2М методом сравнения детонационной стойкости исследуемого бензина и эталонного топлива, состоящего из изооктана и гептана.

По исследовательскому методу октановое число оп­ределяется на установке ИТ9-6. Испытания проводят в режиме работы легкового автомобиля при его движении в условиях города (ограниченные мощности, частые ос­тановки, пониженный тепловой режим).

Октановые числа, определенные по исследователь­скому методу, на 7—10 единиц больше, чем по моторному. Чем меньше эта разница для бензина одной мар­ки, тем лучше его эксплуатационные свойства.

Для оценки детонационной стойкости авиационных бензинов, октановое число которых 100 и выше, разра­ботан метод «шкала сортности». Октановое число, опре­деленное по данному методу, указывает на увеличение мощности двигателя при работе на данном топливе по сравнению с его работой на изооктане. Например, ави­ационный бензин с октановым числом 100/130 позволяет двигателю развивать мощность на 30 % больше, чем при работе на изооктане.

Известен также температурный метод, позволяющий оценивать детонационную стойкость авиабензинов с ок­тановым числом от 90 по 115.

Для повышения октанового числа бензинов в их со­став добавляются антидетонаторы. Наиболее часто при­меняемым из них является тетраэтилсвинец (ТЭС), пред­ставляющий собой тяжелую маслянистую бесцветную и очень ядовитую жидкость. Так как ТЭС может привести к коррозии системы питания двигателя, отложению окислов свинца в камерах сгорания и даже выходу двигателя со строя, его вводят в топливо в виде этиловой жидкости, имеющей в своем составе выносители свинца.

Бензин с добавлением этиловой жидкости называют этилированным. Для предупреждения о ядовитости его искусственно окрашивают в красный, зеленый или си­ний цвет.

Кроме названных свойств бензины должны иметь вы­сокую коррозионную стойкость, химическую стабиль­ность, низкую температуру замерзания. Стандартами ус­танавливаются также ограничения по содержанию воды, механических примесей, водорастворимых кислот, ще­лочей, серы, смолистых и смолообразующих соединений.

В настоящее время, согласно ГОСТ 2084—77, авто­мобильный бензин выпускается следующих марок: А-72, А-76, АИ-93, АИ-98, «Экстра».

В маркировке: А — автомобильный; И — исследова­тельский метод определения октанового числа; цифра — октановое число.

Бензин А-72 выпускается неэтилированный. Он ис­пользуется для двигателей автомобилей ГАЗ-52—01, ГАЗ-69, ЗМЗ-21, ЗМЗ-451, ЗМЗ-977, МЗМА-407, а также в тракторных пусковых и мотоциклетных двигателях.

Бензин А-76 выпускается, как правило, этилированный (желтого цвета) и применяется для большинства двигателей грузовых автомобилей (ГАЗ-53, ГАЗ-66, ЗИЛ-130, ЗИЛ-131, ЗИЛ-138) и многих легковых (АЗЛК-408, ЗАЗ-966 и др.).

Этилированный бензин АИ-93 выпускается оранже­во-красного цвета и применяется для эксплуатации вы­сокофорсированных двигателей легковых автомобилей.

Октановое число бензина «Экстра» — не менее 95.

Все бензины, кроме АИ-98, делятся на летние и зим­ние сорта.

Авиационные бензины вырабатываются марок Б-70, Б-91/115, Б-95/130, Б-100/130, где Б — бензин авиацион­ный, цифра — октановое число. Все бензины, за исклю­чением Б-70, этилированы и окрашены соответственно в зеленый, желтый и оранжевый цвета.

В последние годы все шире применяются дизельные топлива. Они используются как на передвижных, так и на стационарных установках с дизельным двигателем, отличающимся от карбюраторного более высокой эконо­мичностью, приемистостью, надежностью, долговеч­ностью, меньшей пожароопасностью.

В качестве дизельного топлива используют нефтя­ную фракцию, основу которой составляют углеводороды с температурой кипения 170—360°C (против 35—200°C для бензинов). По внешнему виду дизельное топливо представляет собой жидкость от желтого до темного цве­та. Как и бензин, дизельное топливо легче воды и в ней практически не растворяется.

Рабочий процесс дизельного двигателя существенно отличается от карбюраторного. Здесь топливо подается в камеру сгорания через форсунки в капельно-жидком состоянии, смешивается с воздухом и воспламеняется от сжатия.

Специфичность процессов смесеобразования и сгора­ния дизельного топлива предопределяет и его свойства.

Наиболее существенным эксплуатационным свойст­вом дизельных топлив является их способность быстро воспламеняться и плавно сгорать.

Воспламенение топлива, поданного в камеру сгора­ния, происходит не сразу. Между моментом впрыскива­ния топлива и воспламенением проходит время, в тече­ние которого происходит его распыление, перемешива­ние с воздухом, нагревание, испарение и окисление (период задержки воспламенения). В результате накапливается тепло, повышается температура и топливо воспламеняется. Температуру, до которой нужно нагреть топливо в смеси с кислородом воздуха, чтобы на­чалось его горение, называют температурой самовоспла­менения. Чем короче период задержки самовоспламене­ния, тем плавнее и эффективнее сгорает топливо.

Воспламеняемость как основное свойство дизельных топлив характеризуется цетановым числом — процентным содержанием (по объему) цетана (цетановое число 100) в искусственно приготовленной смеси с α-метилнафталином (цетановое число 0). Для повыше­ния цетанового числа, особенно для топлив, используе­мых при низких температурах, к ним добавляют специ­альные присадки — изопропилнитраты. При их содер­жании до 1 % цетановое число возрастает на 10—12 единиц. Чем выше цетановое число, тем лучше пусковые свойства дизельного топлива, больше полнота сгорания, меньше нагарообразование в камерах сгорания и фор­сунках.

Дизельному топливу должно быть присуще и такое свойство, как высокая текучесть. Это необходимо для бесперебойной и надежной его подачи в камеру сгора­ния насосами высокого давления, облегчения фильтра­ции через фильтровальные сетки и сукна, обеспечения тонкого распила и хорошего смесеобразования.

Текучесть дизельного топлива обратна его вязкости. Вязкостью, или внутренним трением, называется свой­ство, проявляющееся в сопротивлении, которое жидкость оказывает при перемещении ее частиц под влиянием действующей на них силы.

Вязкость бывает абсолютной, когда оценива­ются внутренние свойства жидкости, и условной. Абсолютная вязкость может быть динамической и ки­нематической. Динамическая вязкость измеряется соот­ветствующим коэффициентом в пуазах (П) или их сотых долях — сантипуазах (сП). Пуаз — это сопротивле­ние, которое оказывают взаимному перемещению части­цы, если два слоя жидкости площадью в 1 см², находя­щиеся друг от друга на расстоянии 1 см, перемещаются со скоростью 1 см/с под действием внешней силы в 1 дин (г·см/с²). В Международной системе единиц (СИ) единица вязкости — Па·с. Таким образом П= = 0,1 Па·с.

На практике чаще пользуются единицами кинематической вязкости, которая представляет собой отноше­ние динамической вязкости жидкости к ее плотности при одной ή той же температуре. Кинематическую вязкость измеряют в стоксах (Ст) или их сотых долях — санти­стоксах (сСт). В единицах СИ кинематическую вязкость измеряют в м²/с. 1 сСт = 10^-6м²/с.

Условная вязкость показывает отношение вязкости испытуемой жидкости дистиллированной воды при 20°C. Она выражается в условных градусах (°ВУ) или в гра­дусах Энглера (°Э),

При повышении (понижении) температуры вязкость значительно изменяется. Поэтому в стандартах обяза­тельно указывается температура, при которой измеря­лась вязкость. Для дизельного топлива вязкость норми­руют при 20°C. Для топлив различных марок она находится в пределах 1,8—6,0 сСт.

Кроме вязкости на текучесть дизельного топлива, особенно при эксплуатации двигателей в холодное вре­мя года, большое влияние оказывают его низкотемпе­ратурные свойства, оцениваемые температурами помут­нения и застывания.

При понижении температуры происходит помутне­ние дизельного топлива. Это объясняется выделением мельчайших капелек воды и кристаллов льда, но самое главное — образование кристаллов твердых парафино­вых углеводородов. Постепенно, при дальнейшем охлаж­дении, количество твердой фазы увеличивается, крис­таллы парафинов образуют каркас, сковывающий под­вижность топлива.

Температурой помутнения называют ту температуру, при которой оно теряет фазовую однородность, темпера­турой застывания — температуру потери топливом под­вижности.

Для летних сортов дизельного топлива температура помутнения, как правило, выше —5°C, а для зимних — от 25 до 30°C. Температура застывания на 5—10°C ни­же температуры помутнения.

Кроме названных дизельное топливо должно обла­дать способностью обеспечивать чистоту топливоподающей системы, деталей двигателя, не вызывать их кор­розии, полностью сгорать, не образуя дыма, быть ста­бильным в процессах хранения. Эти свойства в стан­дартах нормируются такими показателями качества, как коксовое число, температура вспышки, фильтруемость, содержание серы, кислотность, наличие механических примесей и др.

Коксовое число характеризует способность топлива при температуре 800—900°C без доступа воздуха об­разовывать твердый остаток — кокс. Способность к коксуемости зависит от наличия в топливе смолистых соединений, вязкости и фракционного состава.

Температура вспышки определяет степень пожароопасности топлива при транспортировании, хранении и применении. Желательно, чтобы она была как можно более высокой.

Фильтруемость дизельного топлива оценивает его спо­собность предотвращать засорение фильтров и харак­теризуется коэффициентом фильтруемости. Чем ближе данный коэффициент к единице, тем выше качество ди­зельного топлива.

Стабильность дизельного топлива характеризуется йодным числом, показывающим концентрацию мало­стабильных углеводородов. Чем оно меньше, тем лучше качество дизельного топлива.

Дизельные топлива вырабатываются двух видов:

§ легкие (маловязкие) — для быстроходных дизелей с частотой вращения вала более 1000 об/мин;

§ тяжелые — для средне- и малооборотных дизелей с частотой вращения вала 200—1000 об/мин.

Легкое автотранспортное дизельное топливо из ма­лосернистых нефтей (содержание серы в топливе не пре­вышает 0,2 %) вырабатывается четырех марок: лет­нее — ДЛ; зимнее — ДЗ; арктическое — ДА и специаль­ное — ДС, а из сернистой нефти — пяти марок: летнее — Л; зимнее — З; северное — ЗС; арктическое — А; спе­циальное — С.

Таким образом, маркировка легкого автотранспорт­ного дизельного топлива из малосернистой нефти состоит из двух букв, из сернистой нефти — из одной (за исклю­чением северного — ЗC).

Выпускается также легкое дизельное топливо для тепловозов и судов марок ТЗ и ТЛ (зимнее и летнее).

Тяжелые дизельные топлива выпускаются марок ДТ для двигателей, не оборудованных средствами предва­рительной подготовки топлива, и ДМ (мазут), — топ­ливо рекомендуемое для двигателей, установленных в помещении и оборудованных приспособлениями для от­стоя с подогревом до 60—70°C и фильтраций,

Топливо для тихоходных двигателей представляет собой темную густую жидкость плотностью 860— 870 кг/м³. Имеет высокие эксплуатационные свойства.

Реактивные топлива представляют собой преимуще­ственно продукты прямой перегонки нефти.

Для двигателей с дозвуковой скоростью полета при­меняют топливо марок T-1, TC-1 и Т-2, для двигателей со сверхзвуковой скоростью полета — Т-5, Т-6, Т-8.

Реактивные топлива должны хорошо прокачиваться по топливоподающей системе при высоких и низких температурах, полностью испаряться в камерах сгорания и воспламеняться в широких пределах состава топлив­ной смеси с небольшим периодом задержки воспламене­ния, устойчиво, полно и с высокой скоростью сгорать при большом избытке воздуха без образования нагара, иметь высокую теплоту сгорания, не корродировать с деталями топливной системы.

Котельное топливо

Котельное топливо предназначено для транспортных и стационарных установок, а также промышленных пе­чей. Основной его вид — мазут флотский марок Ф-5 и Ф-12 и мазут топочный марок 40, 100 и 200 (МТ-40, МТ-100; МТ-200).

Мазут всех марок характеризуется повышенным со­держанием золы, механических примесей, воды и серы. Теплота сгорания — 40,2—41,5 МДж/кг.

В качестве котельного топлива для стационарных установок применяется также масло сланцевое (ГОСТ 4806—79), получаемое при переработке горючих слан­цев. Его кинематическая вязкость — 20 сСт, теплота сгорания — 38,9 МДж/кг (93000 ккал/кг). В зависимос­ти от назначения и качества масло сланцевое выпуска­ется марок А и Б.

Для мартеновских печей производится топливо ко­тельное марок МП (малосернистое) и МПС (сернистое).

Для стационарных котельных установок (паровых и водогрейных котлов, теплогенераторов, агрегатов, обес­печивающих коммунально-бытовые нужды) применяется также топливо печное бытовое (ТПБ). Оно представля­ет собой легкоподвижную маслосмолистую жидкость с кинематической вязкостью при 20°C не более 5 сСТ температурой застывания около -15°C, а вспышки 42°C, Содержание серы в данном топливе — до 1,1 %.

ГАЗООБРАЗНОЕ ТОПЛИВО