Физико-химические свойства топлива

Для судовых двигателей основным видом жидкого топлива являются продукты перегонки сырой нефти.

Нефть состоит из различных углеводоро­дов с примесью кислородных, азотных и сернистых соединений; в ней содер­жится вода, механические примеси и различные соли минеральных кислот. Состав нефти представляет собой одну из следующих групп углеводородов: 1) предельно парафиновые, ряда С_nН _2n+2; 2) нефтеновые, ряда С_nН_2n и 3) ароматические, ряда С_nН_2n-6.

Парафины (алканы) являются предельными алифатическими углево­дородами; отличаются высокой химической стойкостью при нормальной тем­пературе и низкой термической — легко окисляются при температуре 250— 200° С. В зависимости от состава молекулы углеводорода, парафины могут быть в газообразном состоянии (метан СН₄, этан С₂Н₆ и др.), в жидком виде (пентан С₅Н₁₂, гексан С_бН₁₄ и др.) и в твердом состоянии (октодекан С₁₈Н₃₈, эйкозан С_2оН₄₂ и др.). Нормальные парафины имеют «цепное» строе­ние; например, структура молекулы этана изображается

Нефтеновые углеводороды также принадлежат к предельным углеводо­родам, но более устойчивы при высоких температурах, чем парафины. Моле­кулы нефтеновых углеводородов (цикланы) имеют кольцевое строение, ко­торое может быть образовано из алкановых соединений с открытой цепью, если концы цепи углерода соединить в кольцо. Так, например, структура молекулы циклопентана С₅Н₁₀ изображается

Нефтеновые и парафиновые углеводороды являются основными час­тями дизельных топлив.

Ароматические (бензольные) углеводороды обладают большой терми­ческой стойкостью и меньшей химической. Для самовоспламенения арома­тических углеводородов требуется более высокая температура. В основе строения их молекулы — шестиугольный замкнутый каркас, состоящий из связанных между собой атомов углерода и присоединенных к ним атомов водорода.

Молекула бензола С₆Н₆, одного из представителей этой группы угле­водородов, имеет структурный вид

Ароматические углеводороды в основном входят в состав каменноуголь­ных смол и масел и редко встречаются в нефтепродуктах.

Кроме рассмотренных основных групп углеводородов, в нефтях в не­значительных количествах встречаются непредельные углеводороды — олефины (С_nН_2n), терпены (С_nН_{2n - 4}) и др. Непредельные углеводороды легко окисляются на воздухе при нормальной температуре и образуют смолы. Вследствие образования смол происходит укрупнение молекул (полимери­зация). Смолы плохо сгорают и дают нагар на стенках цилиндров.

В качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания используются только различные продукты перегонки нефти. Нефть является исходным материалом для получения не только топлива, но и других ценных продук­тов.

Распространенным методом переработки нефти является фракционная перегонка, в результате которой она разделяется на ряд фракций (дистиллатов) с содержанием примерно одинаковых качеств углеводородов. Перегонка происходит при атмосферном давлении в трубчатых перегонных установках. Путем отбора выкипающих продуктов в различных температурных интер­валах получаются различные фракции перегонки. При отборе в температур­ном интервале от начала кипения до температуры 200—225° С получаются бензиновые погоны, при интервале температур 120—230° С выделяются лигроиновые, при Г50—315° С — керосиновые и при 240—350° С — соля­ровые погоны. Жидкий остаток после отгона указанных продуктов назы­вается мазутом прямой гонки. Мазут прямой гонки может быть использован как топливо и для дальнейшей перегонки. Процесс перегонки мазута пред­ставляет собой процесс разложения и преобразования строения молекул и. называется крекинг-процесс.

В результате крекинг-процесса, который обычно ведется при темпера­туре 475—500° С и давлении 15—16 кГ/см², получаются бензины и другие легкие продукты, а также и высоковязкие продукты.

Элементарный состав жидких топлив нефтяного происхождения в про­центах по весу изменяется в следующих пределах: углерода С = 84 ? 88; водорода Н = 10?14; кислорода О = 0,05 ? 3,0 и серы S =0,01 ? 5,0. Для дизельных топлив с малым содержанием серы при расчетах рабочих циклов принимают следующий элементарный состав: С = 86%, Н = 13% и О = 1 % .

Теплотой сгорания (теплотворностью) жидкого топлива называется количество теплоты, выделяющееся при полном сгорании 1 кг топлива. При определении высшей теплотворности Q_в учитывается тепло, выделяющееся при конденсации паров воды, находящейся в топливе и образовавшейся в результате горения водорода топлива. Высшая теплотворность топлива определяется при сжигании его в калориметре.

При работе двигателя температура отработавших газов в выпускном тракте значительно выше 100° С, следовательно, с парами воды уносится и теплота парообразования. В связи с этим в расчетах двигателей пользуются низшей теплотворностью топлива Q_н, которая определяется по формуле Менделеева:

Здесь составные элементы топлива указаны в процентах по весу.

При расчетах цикла двигателей принимают Q_n = 10 000 ккал/кг, а фак­тически (Q_n изменяется от 9750 ккал/кг (у мазутов) до 10500 ккал/кг (у дизель­ных топлив).

Весовая плотность топлива измеряется при температуре 20° С, пересчет измерений плотности при другой температуре к температуре 20° С произво­дится по формуле

Вязкость топлива является одним из важнейших свойств жидкого топ­лива, определяющего текучесть топлива по трубопроводам и качество его распыливания.

Кинематической вязкостью называется сила сопротивления двух слоев жидкости площадью в 1 см², находящихся на расстоянии 1 см друг от друга и перемещающихся друг относительно друга со скоростью 1 см/сек, отнесен­ная к единице плотности.

Если взять жидкость с плотностью, равной 1 г/см³, то при сопротивле­нии в 1 дн получается единица кинематической вязкости — стоке (ст). Сотая часть стокса называется сантистоксом и выражается в см²/сек.

Условной вязкостью называется отношение времени истечения из виско­зиметра 200 см³ испытуемого продукта при данной температуре ко времени истечения 200 см³ дистиллированной воды при температуре +20° С. Услов­ная вязкость измеряется в градусах Энглера (° Е).

В быстроходных двигателях применяется топливо с условной вязкостью при 50° С не выше 1,75° Е. В тихоходных дизелях топливо применяется >с условной вязкостью при 50° С 5—9° Е. При вязкости выше 5° Е необходим

подогрев топлива до 45—50° С и выше.

Вязкость топлива зависит от темпе­ратуры его — с повышением температуры вязкость топлива уменьшается.

На рис. 12 по данным А. И. Толстова приведены вязкости различных топлив при разных температурах (кривые 1 и 2 — дизельного топлива; 3 — соляра парафинистого; 4 — соляра; 5 — керосина и 6 — нефти).

С повышением давления начиная с 200—300 кГ/см² вязкость топлива повышается и при достижении давления 800 кГ1см² возрастает в 5—6 раз.

Пределы температур фракционной разгонки топлива являются призна­ком испаряемости легких сортов топлива. Для оценки фракционной разгон­ки строят кривые разгонки, по оси ординат откладывают объемное со­держание в процентах испарившегося топлива, а по оси абсцисс — темпе­ратуры паров.

На рис. 13 приведены кривые разгонки топлив (1 и 2-дизелыюе топливо; 3 — соляр парафинистый; 4 — соляр; 5 — керосин; 6 — нефть).

Топливо для двигателей должно обладать малым диапазоном фракций. Наличие легких фракций в топливе улучшает пусковые качества двигателя, но увеличивает жесткость работы его. Утяжеление фракционного состава топлива повышает вязкость его, а следовательно, вызывает ухудшение качества распыливания и сгорания.

Температура застывания определяет потерю текучести топлива. Для дизельных топлив быстроходных двигателей температура застывания лежит в пределах от—10 до —60° С; у топлив для тихоходных дизелей в преде­лах от — 5 до + 5° С.

Применение топлив для судовых дизелей с относительно высокой температурой застывания требует специальных устройств для подогрева его в цистернах и в фильтрах.

Температура вспышки — это та минимальная температура, при которой смесь паров топлива с воздухом (нагреваемого в стандартных условиях) вспыхивает при поднесении к ней пламени. Если пары топлива, вспыхнув, торят не менее 5 сек, то температура будет соответствовать температуре воспламенения. Температуры вспышки и воспламенения оценивают топливо с точки зрения пожарной безопасности при хранении и применении его на судне. Сорта легких топлив (бензины и керосин) имеют температуру вспыш­ки ниже 21° С — бензины, до 65° С — керосин и сорта тяжелых топлив — выше 65° С.

Температурой самовоспламенения топлива называется та минимальная температура, при которой топливо или горючая смесь самовоспламеняется без какого-либо внешнего (постороннего) источника зажигания и продол­жает гореть. Температура самовоспламенения топлива определенного со­става зависит от интенсивности отвода тепла. Самовоспламенение топлива возможно начиная с температу­ры, при которой количество теп­ла, выделяемого химической ре­акцией, превышает количество отводимого тепла.

Таким образом, на величи­ну температуры самовоспламе­нения топлива влияют среда, в которой происходит самовос­пламенение (воздух или кис­лород), давление и температура среды и устройство самого при­бора по определению этой тем­пературы и др. С изменением физико-химических свойств топ­лива (изменение вида топли­ва) температура самовоспламе­нения изменяется. Наиболее низ­кую температуру самовоспламе­нения имеют алкановые углево­дороды и наиболее высокую — ароматические.

Сжимаемость дизельных топлив характеризуется сред­ним значением коэффициента сжимаемости (?_ср, который показывает, на ка­кую долю уменьшается начальный объем топлива при увеличении давления на 1 кГ/см²:

С возрастанием давления коэффициент сжимаемости уменьшается. Сжимаемость топлива влияет на закон подачи его и при расчетах топливо­подающей системы двигателя должна учитываться.

На рис. 14 приведено изменение коэффициента сжимаемости (? и (?_ср в зависимости от давления для топлива ДТ-1.

Поверхностное натяжение, определяемое физико-химическими свой­ствами топлива, измеряется в дн/см и при 20° С составляет для алканов 18—28; цикланов 22—29 и ароматиков 28—32. При повышении температуры и давления поверхностное натяжение уменьшается.

Механические примеси в топливе обычно в виде песка, пыли, окалины и других частиц засоряют сопла форсунок, загрязняют фильтры, способ­ствуют ускоренному износу топливных насосов и форсунок. Поэтому в топ­ливах для тихоходных дизелей механические примеси допускаются не более 0,1 % по весу, а в топливах для быстроходных дизелей они совершенно не допускаются.

Вода в топливе снижает его теплотворность, может нарушать процесс подачи топлива и вводит в цилиндр растворенные в ней соли, которые повышают износ втулки цилиндра. Содержание воды в топливе тихоходных дизелей не должно быть больше 1,0%, а в топливах быстроходных дизелей наличие воды совершенно не допускается.

В последнее время ведутся опыты по сжиганию в цилиндре дизеля топ­лива с примесью мелкораспыленной воды. Как показывают результаты не­которых опытов, мелкие частицы воды, равномерно распределенные в жид­ком топливе, способствуют развитию процесса сгорания топлива (интен­сифицируют процесс сгорания). Теплоиспользование в цилиндре при этом повышается, а удельный расход топлива снижается.

Коксуемость топлива в какой-то степени характеризует склонность топлива к нагарообразованию. Коксуемость топлива для быстроходных ди­зелей допускается не более 0,5% и для тихоходных 3—4% по весу. Сера и сернистые соединения, находящиеся в топливе при сгорании его в цилиндре двигателя, образуют SO₂ и SO₃, которые вместе с водой могут образовать кислоты, вызывающие коррозию стенок цилиндра и выпускного тракта. Наличие серы в топливе вредно действует на стенки цилиндра и выпускного тракта не только вследствие газовой коррозии (в зоне высоких температур) и кислотной коррозии (в области пониженных температур), но и по причине механического воздействия. Происходит это вследствие того, что продукты конденсации сернистых соединений, концентрируясь в нагарах и отло­жениях, делают их более твердыми.

Повышение твердости нагара способствует более быстрому износу втулок цилиндра. В связи с изложенным содержание серы в топливе для быстроходных дизелей допускается до 0,2% и для тихоходных до 0,5%. В связи с увеличением содержания серы в добываемых нефтях и вредным ее воздействием в последнее время стали применять присадки к топливам с большим содержанием серы. Наиболее совершенными являются многофункциональные присадки, которые снижают износ и нагарообразование в цилиндре, предотвращают коррозию топливохранилищ и топливопроводов, а также улучшают процесс сгорания тяжелых сернистых топлив.

Результаты испытаний двигателей при работе на топливе с многофункциональной присадкой позволяют сделать следующие выводы:

1.         Присадка способствует снижению отложений нагара на стенках цилиндра.

2.         Присадка снижает износ деталей цилиндро-поршневой группы по сравнению с работой на сернистом топливе без присадки.

3.         При работе двигателя на топливе с присадкой смазочное масло ухуд­шается более медленно, чем при работе двигателя на том же топливе, но без присадки.

Кислотность топлива способствует нагарообразованию и усилению износа; она определяется содержанием КОН (в миллиграммах), требуемого для нейтрализации 100 мл топлива. Кислотность топлив быстроходных ди­зелей не должна превышать 10 мг КОН.

Зольность топлива способствует износу втулки цилиндра и поршневых колец, плунжерных пар и др., а потому должна быть минимальной. Содер­жание золы в топливах быстроходных двигателей не должно быть более 0,01—0,025%, а в топливах для тихоходных двигателей — не более 0,04— 0,08%.

Рассмотренные физико-химические свойства топлива определяют собой важнейшее качество его — воспламеняемость. Для дизельных топлив важ­нейшим качеством является самовоспламеняемость, оцениваемая в услов­ных цетановых единицах (цетановое число). Для определения цетанового числа топлива берут смесь, состоящую из легковоспламеняющегося угле­водорода алканного ряда цетана С₁₆Н₃₄, цетановое число которого прини­мается за 100, и трудно воспламеняющегося углеводорода ароматического ряда ?-метилнафталина С₁₀Н₇СН₃, цетановое число которого принимается за нуль.

Цетановым числом называется показатель воспламеняемости дизель­ного топлива, который численно равен такому процентному (по объему) содержанию цетана в смеси с ?-метилнафталином, при котором периоды за­держки воспламенения этой смеси и испытуемого топлива будут одинаковы. Период задержки воспламенения (или самовоспламенения) измеряется в се­кундах или, соответственно, в градусах угла поворота коленчатого вала двигателя и равняется в данном случае периоду от момента достижения тем­пературы самовоспламенения до момента самовоспламенения смеси.

Для определения цетанового числа топлива пользуются так называе­мыми моторными методами и лабораторными методами.

К числу моторных методов относятся: метод критической степени сжа­тия, метод определения задержки воспламенения и метод совпадения вспы­шек.

Метод критической степени сжатия сводится к определению на спе­циальном двигателе наименьшей степени сжатия (критической), при которой еще происходит вспышка (самовоспламенение).

Если критические степени сжатия для смеси эталонных топлив и для испытуемого одинаковы, то цетановое число испытуемого топлива будет равно цетановому числу смеси. Данный метод является неточным, так как степени сжатия определяются на холодном двигателе и результаты таких измерений скорее характеризуют пусковые качества топлива.

Метод определения задержки воспламенения (самовоспламенения) состоит в сравнении периода задержки воспламенения испытуемого и эта­лонного топлив при одних и тех же условиях испытаний. Испытания про­изводятся на нормально работающем двигателе.

Метод совпадения вспышек принят в СССР в качестве основного для определения цетанового числа дизельных топлив. Сущность этого метода состоит в сравнении воспламеняемости испытуемого и эталонного топлив при одинаковых условиях испытаний.

Испытания проводятся на особом одноцилиндровом дизеле ИТ⁹/₃, у ко­торого диаметр цилиндра равен 82,6 мм; ход поршня равен 114,3 мм и скорость вращения вала 900 ± 9 об/мин. Методика испытания изложена в ГОСТ 3122—52.

Кроме рассмотренных методов определения цетанового числа топлива, получили применение и лабораторные методы. Из лабораторных методов наибольшее распространение получил метод определения дизельного ин­декса (д. и.).

Дизельный индекс в зависимости от анилиновой точки А⁰ С и удельного веса топлива при 15° С ?_? определяется по формуле

Анилиновой точкой является температура помутнения раствора испы­туемого топлива в анилине в пропорции 1:1.

Определение цетанового числа по дизельному индексу производится на основании приведенной ниже зависимости, полученной путем моторных испытаний:

Цетановые числа топлив для тихоходных дизелей колеблются в пре­делах 30—50; для быстроходных — 40—60.

Важнейшим качеством топлива для карбюраторных двигателей яв­ляется его антидетоиационное свойство, которое измеряется октановым числом.

Октановым числом называется процентное содержание (по объему) изооктана С₈Н₁₈ (детонационную стойкость которого принимают равной 100 октановым единицам) в смеси с нормальным гектаном С₇Н₁₆ (октановое число которого равно 0), при котором эта смесь начинает детонировать при

тех же условиях, что и испытуемое топливо. Октановое число определяется на специальном одноцилиндровом двигателе.

Чем больше октановое число топлива, тем выше его детонационная стойкость. Обычно октановое число бензинов колеблется от 60 до 90, а керо­сина от 40 до 45. Для повышения детонационной стойкости к топливу добав­ляют присадки (антидетонаторы). Наиболее распространенной антидетонационной присадкой к бензину является тетраэтилсвинец (сокращенно ТЭС). Бензин с этой присадкой называется этилированным. Присадка тетраэтил­свинец представляет собой ядовитую жидкость, получаемую при взаимо­действии хлористого этила со сплавом металлического натрия и свинца.