Эксплуатационные материалы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение. О задачах научных направлений - химмотологии и трибоники. Основные способы получения топлива и масел из нефти. Сырьевые ресурсы и основные методы получения альтернативных видов топлив

Химмотология (от химия и лат. motor - приводящий в движение и греч. logos - наука) -- это наука об эксплуатационных свойствах, качестве и рациональном применении в технике топлив, масел, смазок и специальных жидкостей. Название новой науки было предложено советским ученым в области смазочных масел профессором К.К. Папок.

К задачам химмотологии относят: оптимизацию качества топлив и смазочных материалов; повышение эффективности использования топлив и смазочных материалов; создание и совершенствование системы и методов оценки качества топлив и смазочных материалов.

Трибоника (от лат. tribos - трение)-- наука о трении, износе и смазке сопряженных трущихся поверхностей. Следовательно, основными задачами трибоники являются: улучшение фрикционного взаимодействия узлов (уменьшение потерь на трение); подбор наиболее оптимальных материалов и смазки между ними для минимального износа деталей.

Основная масса жидкого топлива и смазочного масла получается путем прямой перегонки нефти, или при перегонке химическим способом (крекинг-способ).

Прямая перегонка нефти представляет собой процесс разделения ее на отдельные фракции, отличающиеся между собой в первую очередь температурой кипения. Для этого нефть нагревают, а образующиеся пары отбирают и конденсируют по частям. В результате перегонки получают топливные дистилляты и остаток, называемый мазутом, который в дальнейшем может быть использован для химической переработки или получения смазочных масел (см. рисунок).



Процесс прямой перегонки нефти проводят на установках непрерывного действия, позволяющих в едином технологическом процессе осуществить испарение и фракционирование дистиллятов.

При прямой перегонке нефти выход светлых фракций, в частности для бензинов составляет не более 9 … 12%, редко до 20%. Повышение спроса на бензин вызвало необходимость увеличения его производства, что оказалось возможным благодаря применению деструктивных методов (расщепления высокомолекулярных фракций на фракции с меньшей молекулярной массой), такой метод получил название крекинг-процесс. Используя этот процесс стало возможным увеличить выход бензиновых фракций из нефти до 50 … 60%. Крекинг-процесс, протекающий под действием теплоты, называется термическим, а в присутствии катализатора - каталитическим. Основными факторами термического крекинга являются температура, давление, время процесса. Если крекинг-процесс осуществляется при давлении 2 … 5 МПа и температуре 400 … 500°С, он называется жидкофазным крекингом, а при давлении 0,2 … 0,6 МПа и температуре 550°С и выше - парофазным. Например, если при 400°С для получения 30% бензина из мазута необходимо около 12 ч., то при нагреве до 500°С время процесса составляет всего лишь 30 мин.

Каталитический крекинг по сравнению с термическим более совершенный технологический процесс, так как часть образующихся непредельных углеводородов превращается в предельные за счет катализатора. Вследствие этого качество бензинов каталитического крекинга более высокое чем термического. Катализаторами служат алюмосиликаты.

Путем выделения из природного газа и газов крекинга легких бензиновых углеводородов с последующим их сжижением получают "газовый" бензин. Такой бензин находит применение в качестве высококачественной добавки к бензинам прямой перегонки и крекинг-бензинам.

Бурное развитие машиностроения вызвало необходимость расширения сырьевой базы для получения жидкого топлива и смазочных масел. Благодаря достижениям науки теперь для получения жидкого топлива могут служить угли, сланцы, торф, газообразные продукты, а также спирты (этиловый и метиловый). Промышленная технология располагает следующими основными способами получения жидкого топлива из: термическая переработка твердых горючих ископаемых (с получением смол для последующей перегонки); деструктивная гидрогенизация; синтез газов.

Также альтернативными источниками энергии являются электричество, водород и биотопливо.



Автомобильные бензины. Теплота сгорания топлив. Понятие «условного топлива». Требования к качеству бензинов. Детонационная стойкость, методы оценки. Присадки к бензинам. Стандарты на отечественные и зарубежные автомобильные бензины. Рекомендации по применению

Количество теплоты, выделяемое при сгорании топливно-воздушной смеси, зависит от теплоты сгорания топлива и состава смеси. Чем выше теплота сгорания, тем меньше затрат топлива на единицу мощности. Теплота сгорания топливно-воздушной смеси подсчитывается по формуле

где Q_н - нижняя удельная теплота сгорания или рабочая - это теплота сгорания, получаемая в практических условиях;

з_п.с- коэффициент полноты сгорания топлива;

б- коэффициент избытка воздуха;

L_т.в. - теоретическое количество воздуха, необходимого для полного сгорания 1 кг топлива.

Условное топливо -- принятая при расчетах единица учёта органического топлива, то есть нефти и ее производных, природного и специально получаемого при перегонке сланцев и каменного угля газа, каменного угля, торфа - которая используется для сличения полезного действия различных видов топлива в их суммарном учёте.

В СССР и России за единицу условного топлива (у.т.) принималась теплотворная способность 1 кг каменного угля = 29,3 МДж или 7000 ккал. Международное энергетическое агентство(IEA) приняло за единицу нефтяной эквивалент, обычно обозначаемый аббревиатурой TOE (англ. Tonne of oil equivalent). Одна тонна нефтяного эквивалента равняется 41,868 ГДж или 11,63 МВт·ч.

Применяется также единица -- баррель нефтяного эквивалента (BOE): 1 toe = 7,11, 7,33 или 7,4 boe.

В зависимости от октанового числа по исследовательскому методу установлено четыре марки бензинов: "Нормаль-80", "Регуляр-91", "Премиум-95", "Супер-98". Бензин "Нормаль-80" предназначен для использования на грузовых автомобилях наряду с бензином А-76. Неэтилированный бензин "Регуляр-91" предназначен для эксплуатации автомобилей взамен этилированного А-93. Автомобильные бензины "Премиум-95" и "Супер-98" полностью отвечают европейским требованиям, конкурентоспособны на нефтяном рынке и предназначены в основном для зарубежных автомобилей, в возимых в Россию.

В соответствии с европейскими требованиями по ограничению содержания бензола введен показатель "объемная доля бензола" - не более 5%. Установлена норма по показателю "плотность при 15°С". Ужесточена норма на массовую долю серы - до 0,05%.

Для обеспечения нормальной эксплуатации автомобилей и рационального использования бензинов введено пять классов испаряемости для применения в различных климатических районах по ГОСТ 16350-80. Наряду с определением температуры перегонки бензина при заданном объеме предусмотрено определение объема испарившегося бензина при заданной температуре 70, 100 и 180°С. Введен показатель "индекс испаряемости". В ГОСТ Р 51105-97 наряду с отечественными включены международные стандарты на методы испытаний (ISO, EN, ASTM). Нормы и требования к качеству автомобильных бензинов и характеристики испаряемости по ГОСТ Р 51105-97 приведены в ниже таблице.

Показатели	Нормаль-80	Регуляр-91	Премиум-95	Супер-98
Октановое число, не менее: моторный метод	76,0	82,5	85,0	88,0
Октановое число, не менее: исследовательский метод	80,0	91,0	95,0	98,0
Содержание свинца, г/дм3, не более	0,010
Содержание марганца, мг/дм3, не более	50	18	-	-
Содержание фактических смол, мг /100 см3, не более	5,0
Индукционный период бензина, мин, не менее	360
Массовая доля серы,%, не более	0,05
Объемная доля бензола,%, не более	5
Испытание на медной пластине	Выдерживает, класс 1
Внешний вид	Чистый, прозрачный
Плотность при 15°С, кг/м3	700-750	725-780	725-780	725-780
Примечания.1. Содержание марганца определяют только для бензинов, с марганцевым антидетонатором (МЦТМ).2. Автомобильные бензины, предназначенные для длительного хранения (5 лет) в Госрезерве и Министерстве обороны, должны иметь индукционный период не менее 1200 мин.

Различают нормальное и детонационное горение топлива. При нормальном сгорании рабочей смеси, ее части воспламеняются постепенно и сгорание происходит полное. Скорость распространения пламени при таком сгорании составляет 25 … м/сек, и скорость распространения пламени можно регулировать обеднением или обогащением рабочей смеси.

При нормальном горении в цилиндре давление нарастает плавно, но в результате повышения температуры и давления может начаться детонационное горение или взрывное. При этом скорость горения нарастает скачкообразно и достигает 1500 … 2500 м/сек. В результате возникающий вибрации появляется характерный металлический стук. В результате взрывного горения часть топлива не успевает полностью сгореть, что внешне сопровождается появлением дымного выхлопа. Взрывное горение приводит к перегреву деталей двигателя, при этом двигатель работает неуравновешенно, из-за перегрева прогорают поршни и клапаны, пригорают поршневые кольца, резко повышается износ цилиндропоршневой и кривошипно-шатунной групп.

Для исследования детонационной стойкости бензина применяется метод сравнения испытуемого бензина с детонационной стойкостью эталонного топлива. Это топливо представляет собой смесь двух углеводородов - изооктана и гептана. Высокая детонационная стойкость изооктана оценивается 100 ед., а низкая гептана - 0 ед., и показателем детонационной стойкости бензинов является октановое число.

Октановым числом называется величина численно равная процентному содержанию (по объему) изооктана в смеси с гептаном. Если октановое число топлива равно 76, то это значит, что детонационная стойкость этого топлива такая же, как у смеси, состоящей из 76% изооктана и 24% гептана.

Существует два метода определения октанового числа топлива - моторный и исследовательский.

Моторный метод определения октанового числа топлива заключается в следующем. Устанавливают нормальный режим работы одноцилиндрового двигателя с изменяемой степенью сжатия на испытуемом топливе. Далее, изменяя степень сжатия, добиваются появления интенсивной детонации. Затем подбирают такую эталонную смесь изооктана с гептаном, которая при тех же условиях работы двигателя, будет также устойчиво детонировать. И по соотношению изооктана и гептана дают заключение об испытуемом топливе.

Исследовательский метод заключается в менее жестком режиме работы лабораторного двигателя на испытуемом топливе. Поэтому октановое число по исследовательскому методу несколько выше, чем октановое число, определенное по моторному методу. Анализ "октанового числа" в процессе эксплуатации показывает, что исследовательский метод лучше характеризует свойства бензина при работе двигателя в условиях загородной езды, а моторный метод - в тяжелых дорожных условиях. Если октановое число было определено исследовательским методом, то в марке бензина ставится индекс "И", например автомобильный бензин АИ-93, а при моторном методе бензин будет иметь обозначение А-76.

Увеличение октанового числа бензина возможно по ряду направлений:

- подбор соответствующего нефтяного сырья;

- совершенствование технологии переработки и очистки бензина.

Но наиболее эффективным и экономичным способом повышения детонационных свойств является добавление к бензинам антидетонаторов. В качестве антидетонаторов применяется тетроэтилсвинец, представляющий собой густую, маслянистую бесцветную жидкость с температурой кипения 200°С, хорошо растворяющаяся в органических веществах (углеводородах, спиртах) и не растворяющаяся в воде. ТЭС - ядовитое вещество, поэтому при обращении с ним, и этилированным бензином необходимо соблюдать меры предосторожности.

Недостатком ТЭС является то, что свинец, находящийся в нем, из камеры сгорания удаляется не полностью, что приводит к освенцовыванию камеры сгорания. С целью уменьшения этого явления к ТЭС добавляют бромистые и хромистые соединения.

В современных двигателях применяют другое органическое соединение свинца - тетраметилсвинец (ТМС), который более эффективен по сравнению с ТЭС. Это объясняется тем, что в форсированных двигателях температурный режим достаточно высок, а ТЭС разлагается слишком рано, так как он не слишком термически устойчив, и в связи с этим часть вещества расходуется непроизводительно, а ТМС в отличии от ТЭС более термически устойчив.

В состав и ТЭС и ТМС входят красители, поэтому все этилированные бензины имеют окраску в отличии от неэтилированных.

С целью ускорения перехода на производство неэтилированных бензинов взамен этиловой жидкости допускается использование марганцевого антидетонатора в концентрации не более - 5 мг Мn/дм3 для марки "Нормаль-80" и не более 18 мг Мn/дм3 для марки "Регуляр-91".

В качестве металлорганических антидетонаторов испытаны соединения железа, меди, хрома, кобальта и др. Однако практического применения они не получили. начительным вкладом в решение проблемы сокращения производства этилированных бензинов в Росссии является замена токсичных антидетонаторов на значительно менее токсичные антидетонационные присадки, такие, как метил-трет-бутиловый эфир (МТБЭ) - СН₃ОС₄Н₉.

Он не ядовит, отличается более высокою теплотой сгорания, хорошим смешением с бензином в любых соотношениях, не агрессивен к конструкционным материалам. При введении МТБЭ в бензин в количестве 11% на 10--12°С снижается температура холодного запуска двигателя. При добавке 10% МТБЭ октановое число бензинов повышается на 2,1-5,8 ед. (по исследовательскому методу), а при добавке 20% - на 4,6--12,6 ед.

Ряд предприятий вырабатывают МТБЭ (ТУ 38.103704-90) или смесь на его основе под названием "фетерол" (ТУ 301-03-130-93). Максимально допустимое содержание МТБЭ или фетерола в отечественных бензинах составляет 15%.

В качестве антидетонационных присадок предполагается применение композиций, содержащих марганец и железо в виде циклопентадиенилтрикарбонил марганца (ЦТМ) и дициклопентадиенил железа (ферроцен) и его производных. На основе дициклопентадиенил железа разработана присадка "Октан-Максимум" (ТУ 6-00-05008008-002-96). Кроме того, проведены испытания автомобильных бензинов, содержащих в своем составе присадку ФК-4 (ферроценилдиметилкарбонил). Испытания показали, что введение присадки ФК-4 обеспечивает снижение вредных выбросов с отработавшими газами (по СО на 10-20%, по углеводородам - в 1,2-2,4 раза).

Так, бензины с марганцевыми антидетонаторами (ЦТМ, МЦТМ) дают повышенные отложения на поверхностях свечей зажигания и катализаторах дожигателя, снижая эффективность их работы. Кроме того, соединения марганца при вдыхании обладают нейротоксичным действием. Поэтому их применение ограниченно Межведомственной комиссией МВК при Госстандарте РФ по времени (до 2001 г.) и не должно носить массовый характер.

Железосодержащие присадки (ферроцены) не токсичны, сравнительно дешевы и эффективны, но вызывают повышенный износ деталей двигателей и нагаролакоотложения. При малых концентрациях ферроценов (до 40 мг/кг бензина) их негативное влияние на работу двигателя замедляется, но не исчезает.

Автомобильные бензины в России вырабатывают по ГОСТ 2084-77, ГОСТ Р 51105-97, ТУ 38.001165-97, ТУ 38.401-58-122-95, ТУ 38.401-58-127-95, ТУ 38.401-58-171-96, ТУ 38.301-25-41-97 и др.

С целью обеспечения Москвы и других регионов с высокой плотностью автомобильного транспорта экологически чистыми топливами разработан ряд технических условий на автомобильные бензины неэтилированные с улучшенными экологическими показателями:

"Городские" (ТУ 38.401-58-171-96), "ЯрМарка" (ТУ 38.301-25-41-97) и др. ТУ 38.401-58-171-96 распространяются на автомобильные бензины, вырабатываемые ОАО "Московский НПЗ", ТУ 38.301-25-41-97 - на автомобильные бензины, вырабатываемые ОАО "Славнефть-Ярославнефтеоргсинтез". По сравнению с ГОСТ Р 51105-97 в этих технических условиях установлены более жесткие нормы по содержанию бензола, предусмотрено нормирование ароматических углеводородов и добавление моющих присадок.

В таблице представлено соответствие отечественных и некоторых зарубежных марок бензина.



Дизельные топлива. Требования к качеству дизельных топлив. Низкотемпературные свойства дизельных топлив. Самовоспламеняемость дизельных топлив, методы оценки, способы повышения самовоспламеняемости топлив. Влияние цетанового числа на рабочий процесс дизеля. Присадки к дизельным топливам. Марки дизельных топлив

Дизельное топливо используют в двигателях с воспламенением от сжатия, называемых дизелями. Воздух и топливо подаются в камеру сгорания раздельно. В ходе всасывания в цилиндр поступает свежий воздух; при втором ходе сжатия - воздух сжимается до 3 … 4 МПа (30 … 40 кгс/см2).

В результате сжатия температура воздуха достигает 500 … 700°С. В конце сжатия в цилиндр двигателя впрыскивается топливо, образуя рабочую смесь, которая нагревается до температуры самовоспламенения и воспламеняется.

Впрыскиваемое топливо распыляется форсункой, которая помещается в камере сгорания или в форкамере. Средний диаметр капель топлива составляет примерно 10 … 15 мкм. По сравнению с карбюраторными двигателями дизельные двигатели отличаются высокой экономичностью, так как работают с более высокими степенями сжатия (12 … 20 вместо 4 … 10) и коэффициентом избытка воздуха = 5,1 ... 4,1 . Вследствие этого удельный расход топлива у них на 25 … 30% ниже, чем у карбюраторных двигателей.

Дизельные двигатели более надежны в эксплуатации и более долговечны, они обладают лучшей приемистостью, т.е. легче набирают обороты и преодолевают перегрузки. В то же время, дизели от личаются большей сложностью в изготовлении, большими габаритами и меньшей мощностью на единицу веса. Но, исходя из более экономичной и надежной работы, дизели успешно конкурируют с карбюраторными двигателями.

Для обеспечения долговечной и экономичной работы дизельного двигателя дизельное топливо должно отвечать следующим требованиям:

- иметь хорошее смесеобразование и воспламеняемость;

- обладать соответствующей вязкостью;

- иметь хорошую прокачиваемость при различных температурах окружающего воздуха;

- не содержать сернистых соединений, водорастворимых кислот и щелочей, механических примесей и воды.

Свойство дизельного топлива, характеризующее мягкую или жесткую работу дизеля, оценивают по его самовоспламеняемости. Эту характеристику определяют путем сравнения дизеля на испытуемом и эталонном топливе. Оценочным показателем служит цетановое число топлива.

Топливо, поступающее в цилиндры дизеля, воспламеняется не мгновенно, а через некоторый промежуток времени, который называется периодом задержки самовоспламенения. Чем он меньше, тем за меньший промежуток времени топливо сгорает в цилиндрах дизеля. Давление газов нарастает плавно, и двигатель работает мягко (без резких стуков). При большом периоде задержки самовоспламенения топливо сгорает за короткий промежуток времени, давление газов нарастает почти мгновенно, поэтому дизель работает жестко (со стуком). Чем выше цетановое число, тем меньше период задержки самовоспламенения дизельного топлива, тем мягче работает двигатель.

Самовоспламеняемость дизельного топлива оценивается обычно путем сравнения ее с самовоспламеняемостью эталонных топлив. В качестве эталонных топлив используется нормальный парафиновый углеводород цетан (С₁₆Н₃₄), имеющий малый период задержки самовоспламенения (самовоспламеняемость цетана условно принята за 100) и ароматический углеводород альфа-метилнафталин С₁₀Н₇СН₃, который имеет большой период задержки самовоспламенения (самовоспламеняемость его условно принята за 0).

Цетановое число топлива численно равно процентному содержанию цетана в его смеси с альфа-метилнафталином, которая по характеру сгорания (по самовоспламеняемости) равноценна испытуемому топливу. Используя эталонные топлива, можно получать смеси с любыми цетановыми числами от 0 до 100.

Цетановое число можно определить тремя способами: по совпадению вспышек, по запаздыванию самовоспламенения и по критической степени сжатия. Цетановое число дизельных топлив обычно определяют по методу "совпадения вспышек" на установках ИТ9-3, ИТ9-ЗМ или ИТД-69 (ГОСТ 3122-67). Это одноцилиндровые четырехтактные двигатели, оборудованные для работы с воспламенением от сжатия. Двигатели имеют переменную степень сжатия е = 7 … 23. Угол опережения впрыска топлива устанавливается равным 13° до верхней мертвой точки (В.М.Т). Изменением степени сжатия добиваются, чтобы воспламенение происходило строго в В.М.Т. При определении цетанового числа дизельных топлив частота вращения вала одноцилиндрового двигателя должна быть строго постоянной (п = 900 ± 10 об/мин).

После этого подбирают два образца эталонных топлив, один из которых дает совпадение вспышек (т.е. задержку самовоспламенения, равную 13°) при меньшей степени сжатия, а второй - при более высокой степени сжатия.

Путем интерполяции находят смесь цетана с альфа-метилнафталином, эквивалентную испытываемому топливу, и таким образом устанавливается его цетановое число. Цетановое число топлив зависит от их улеводородного состава. Наиболее высокими цетанововыми числами обладают парафиновые углеводороды нормального строения. Самые низкие цетановые числа у ароматических углеводородов.

Оптимальным цетановым числом дизельных топлив является 40-50. Применение топлив с ЦЧ < 40 приводит к жесткой работе двигателя, а ЦЧ > 50 - к увеличению удельного расхода топлива за счет уменьшения полноты сгорания. Летом можно успешно применять топлива с ЦЧ равным 40, а зимой для обеспечения холодного пуска двигателя требуется ЦЧ > 45.

Применение дизельного топлива с цетановым числом менее 40 ед. приведет к увеличению периода задержки самовоспламенения и возникновению жесткой работы, а выше 50 ед. - нецелесообразно, так как при этом возрастает расход топлива из-за уменьшения полноты его сгорания, повышается дымность отработавших газов.

Для повышения цетанового числа дизельного топлива к нему добавляют специальные высокоцетановые присадки: синтин (продукт синтеза окиси углерода и водорода), перекис углеводородов, нитросоединения. Однако они широкого распространения не получили из-за невысокой стабильности при хранении, и большой взрывоопастности.

На сгорание дизельного топлива значительное влияние оказывают конструктивные и эксплутационные факторы. Положительно влияет повышение степени сжатия, а, следовательно, температуры и давления воздуха, при этом улучшается процесс сгорания, двигатель работает более мягко.

Увеличение угла опережения впрыска топлива отрицательно сказывается на самовоспламенении, ибо топливо впрыскивается в менее сжатую и нагретую среду и работа двигателя становится более жесткой, а также из-за преждевременного сгорания большей части топлива значительное давление развивается до прихода поршня в ВМТ, что вызывает потерю мощности.

Конструкция камеры сгорания должна обеспечивать интенсивное вихреобразование при сжатии воздуха, что уменьшает время нагрева топлива. В качестве материала для поршней лучше использовать не алюминий, а чугун, так как он обладает меньшей теплопроводностью, следовательно, при поршнях из чугуна более интенсивно будут нагреваться воздух и топливо, что способствует уменьшению времени сгорания топлива.

Оценивают качество дизельного топлива по фракционному составу, который определяют так же как и бензина, и еще по температуре вспышки.

Температура вспышки характеризует пожарную опасность топлива при его транспортировке и хранении. Согласно ГОСТ 305-82 нефтеперерабатывающие предприятия выпускают топлива с температурой вспышки не ниже 40°С - для дизелей общего назначения и не ниже 62°С - для тепловозных и судовых дизелей. Низкая температура вспышки указывает на наличие легких компонентов, присутствие которых может быть опасно также и при работе двигателей. Поднять температуру вспышки дизельного топлива можно, повысив температуру начала кипения, а, следовательно, снизив отбор топлива от нефти.

Низкотемпературные свойства характеризуются такими показателями, как температура застывания помутнения, предельная температура фильтрации.

Температура застывания характеризует потерю текучести (подвижности) топлива с понижением температуры из-за увеличения вязкости и выделения кристаллов парафинов. При достижении данной температуры невозможна подача топлива в цилиндры двигателя.

Температура помутнения - это температура, при охлаждении, до которой топливо начинает мутнеть вследствие образования микрокристаллов парафинов. Надежная подача топлива обеспечивается при температуре окружающей среды на 3 … 5°С выше его температуры помутнения.

Температура помутнения топлива зависит от содержания в нем воды. Кристаллы льда, образующиеся при отрицательных температурах, задерживаются фильтром (повышается коэффициент фильтруемости). Фильтры и калибровочные отверстия форсунки забиваются, нарушается подача топлива. Коэффициент фильтруемости дизельных топлив, отправляемых с предприятий, находится в пределах 1,5-2,5.

Наинизшая температура, при которой еще возможно протекание топлива через топливный фильтр тонкой очистки, называется предельной температурой фильтрации.

Содержание серы, водорастворимых кислот, щелочей, непредельных вредно отражается на долговечности дизелей, приводят к повышенной коррозии и износу, нагарообразованию. Соединения серы образуют при сгорании SO2 и SO3, что повышает точку росы водяного пара, усиливая этим процесс образования H2SO4. Допустимое содержание серы регламентируется стандартами на дизельное топливо и не должно превышать 0,2 … 0,5%.

При сгорании топлив, содержащих непредельные углеводороды, вследствие окисления в цилиндре двигателя образуются смолистые вещества, приводящие к нагарообразованию. Содержание фактических смол не должно превышать 40 мг на 100 мл топлива.

Стандартами предусмотрена предельная кислотность дизельных топлив. Она не должна превышать 5 мг на 100 мл дизельных топлив. Не допускается наличие минеральных (водорастворимых) кислот и щелочей, которые могут остаться в топливе в результате недостаточной промывки и отстоя топлива после его очистки.

На сегодняшний день согласно техническим условиям выпускается дизельное топливо трех марок, взамен восьми выпускаемых ранее.

В зависимости от условий применения утверждены следующие марки дизельного топлива: Л - летнее предназначенное для применения от 0°С и выше, З - зимнее применяемое от -20°С до 0°С, и А - арктическое применяемое от -50°С до -20°С.

Принято следующее условное обозначение дизельного топлива. Например: Л-0,2-40 - здесь Л - летнее, 0,2 - содержание серы 0,2%, 40 - температура вспышки°С; З-0,2-35 - здесь З - зимнее, 0,2 - содержание серы 0,2%, 35 - температура застывания -35°С; у арктического топлива отражается только содержание серы А-0,4 - А - арктическое, 0,4 - содержание серы в%.

Для улучшения качества дизельных топлив на нефтеперерабатывающих заводах применяют присадки: изопропилнитрат и циклогексилнитрат - для повышения цетанового числа, присадка ПДП - для улучшения низкотемпературных свойств.

Товарные топлива для быстроходных дизелей получают путем смешения керосино-газойлевых фракций прямой перегонки нефти до гидроочистки и после гидроочистки в таком соотношении, чтобы обеспечить требования ГОСТ 305-82 по содержанию серы. Показатели	Марки топлива
	Л	З	А
Цетановое число, ед., не менее	45	45	45
Кинематическая вязкость при 20°С, мм2 с/с Ст	3,0 … 6,0	1,8 … 5,0	1,5 … 4,0
Фракционный состав: летнего/зимнего- 50% перегоняется при температуре,°С, не выше- 90% перегоняется при температуре,°С, не выше	280360	280340	255330
Температура,°С, не выше- застывания- помутнения	-10-5	-35 … (-45)-25 … (-35)	-55-
Температура вспышки, определяемая в закрытом тигле,°С, не ниже:- для дизелей общего назначения- для тепловозных и судовых дизелей и газовых турбин	4062	4035	3035
Температура помутнения,°С, не выше, для климатической зоны:умеренной холодной:	-5-	-25-35	--
Содержание меркаптановой серы,% не более	0,01	0,01	0,01
Содержание фактических смол, мг/100г	40	30	30
Испытание на медной пластинке	выдерживает	выдерживает	выдерживает
Кислотность, мг КОН/100 см3, не более	5	5	5
Йодное число, г I2/100 г,не более	6	6	6
Зольность,%, не более	0,01	0,01	0,01
Коксуемость 10%-го остатка, 5, не более	0,3	0,3	0,3
Коэффициент фильтруемости, не более	3	3	3
Массовая доля серы,%,не более	0,2	0,2	0,2
Плотность при 20°С, кг/см2, не более	840	840	830

Газообразные топлива. Классификация газообразных топлив. Свойства компонентов сниженных нефтяных газов и природного газа. Токсичность и взрывоопасность газообразных топлив и продуктов их сгорания. Стандарты на сжатый природный газ и сжиженные нефтяные газы

Газообразное топливо с каждым годом находит все более широкое применение в различных отраслях народного хозяйства. В сельскохозяйственном производстве газообразное топливо широко используется для технологических (при отоплении теплиц, парников, сушилок, животноводческих и птицеводческих комплексов) и бытовых целей. В последнее время его все больше стали применять для двигателей внутреннего сгорания.

По сравнению с другими видами газообразное топливо обладает следующими преимуществами:

- сгорает в теоретическом количестве воздуха, что обеспечивает высокие тепловой кпд и температуру горения;

- при сгорании не образует нежелательных продуктов сухой перегонки и сернистых соединений, копоти и дыма;

- сравнительно легко подводится по газопроводам к удаленным объектам потребления и может храниться централизованно;

- легко зажигается при любой температуре окружающего воздуха;

- требует сравнительно небольших затрат при добыче, а значит, является по сравнению с другими более дешевым видом топлива;

- может быть использовано в сжатом или сжиженном виде для двигателей внутреннего сгорания;

- обладает высокими противодетонационными свойствами;

- при сгорании не образует конденсата, что обеспечивает значительное уменьшение износа деталей двигателя и т.п.

Вместе с тем газообразное топливо имеет также определенные отрицательные свойства, к которым относятся: отравляющее действие, образование взрывчатых смесей при смешении с воздухом, легкое протекание через неплотности соединений и др. Поэтому при работе с газообразным топливом требуется тщательное соблюдение соответствующих правил техники безопасности.

Применение газообразных видов топлива обусловливается их составом и свойствами углеводородной части. Наиболее широко применяются природный или попутный газ нефтяных или газовых месторождений, а также заводские газы нефтеперерабатывающих и других заводов. Основными составляющими компонентами этих газов являются углеводороды с числом углеродных атомов в молекуле от одного до четырех (метан, этан, пропан, бутан и их производные).

Природные газы из газовых месторождений практически полностью состоят из метана (82 ... 98%), с небольшой примесью этана (до 6%), пропана (до 1,5%) и бутана (до 1%). В попутных нефтяных газах содержание метана колеблется в более широких пределах (40 ... 85%), но в них, кроме того, содержится этан и пропан (до 20% каждый). Заводские газы содержат как парафиновые, так и олефиновые углеводороды, которые чаще всего используются как сырье для синтеза пластических масс и других веществ.

В горючих газах, кроме углеводородов, могут содержаться и другие компоненты, такие, как водород, оксиды углерода, азот, кислород, сероводород, пары воды и др. Входящие в состав газа неуглеводородные компоненты - водород, оксидуглерода (II) и др. - имеют невысокую теплоту сгорания, а некоторые из них (диоксид углерода, азот), не участвуя в сгорании вообще, снижают теплотворную способность топлива. Поэтому в зависимости от назначения газ специально очищают от нежелательных соединений.

Газообразное топливо по теплоте сгорания условно делят на три группы:

- высококалорийное - с теплотой сгорания более 20 000 кДж/м3 (природные газы из газовых скважин и нефтяные, получаемые из скважин попутно с нефтью и при переработке ее);

- среднекалорийное - с теплотой сгорания 10 000 ... 20 000 кДж/м3 (коксовый, светильный газы и др.);

- низкокалорийное - с теплотой сгорания до 10 000 кДж/м3 (доменный, генераторный газы и др.).

В зависимости от физических свойств газы могут быть разделены на сжатые и сжиженные. Некоторые газы, обладающие низкой критической температурой, не переходят в жидкое состояние при обычной температуре даже под действием высокого давления. Так, метан до температуры -82°С находится в газообразном состоянии. При температуре ниже -82°С метан под воздействием небольшого избыточного давления превращается в жидкость, а при охлаждении до -161°С метан сжижается уже в условиях атмосферного давления. Газы, которые имеют критическую температуру ниже обычных температур их применения, используют в основном в сжатом виде (при давлении до 20 МПа), поэтому их называют сжатыми газами. Сжиженные газы - это газы, критическая температура которых выше обычных температур их применения. Такие газы используют в сжиженном виде при повышенном давлении (до 1,5 … 2 МПа).

Непрерывно увеличивающийся парк автомобилей требует все большего количества топлива. Решить важнейшие народнохозяйственные проблемы стабильного обеспечения автомобильных двигателей эффективными энергоносителями и сокращения потребления жидкого топлива нефтяного происхождения возможно за счет использования газообразного топлива - сжиженного нефтяного и природного газов.

Для автомобилей используют только высококалорийные или среднекалорийные газы. При работе на низкокалорийном газе двигатель не развивает необходимой мощности, а также сокращается дальность пробега автомобиля, что экономически невыгодно.

Выпускают следующие виды сжатых газов: природный, коксовый механизированный и коксовый обогащенный

Основным горючим компонентом этих газов является метан. Так же как и для жидкого топлива, наличие в газообразном топливе сероводорода нежелательно из-за его коррозионного воздействия на газовую аппаратуру и детали двигателя. Октановое число газов позволяет форсировать автомобильные двигатели по степени сжатия (до 10 ... 12).

В газе для автомобилей крайне нежелательно присутствие циана CN. Соединяясь с водой, он образует синильную кислоту, под действием которой в стенках баллонов образуются мельчайшие трещины. Наличие в газе смолистых веществ и механических примесей приводит к образованию отложений и загрязнений на приборах газовой аппаратуры и на деталях двигателей.

Наиболее часто на автомобилях устанавливают цилиндрические баллоны, рассчитанные на рабочее давление 20 МПа. В одном баллоне (вместимостью по воде 50 л) находится 10 м3 газа при температуре 20°С и давлении 101,08 кПа. Масса заполненного баллона составляет около 65 кг, т.е. на 1 м3 газа приходится приблизительно 6,5 кг. Установка на автомобиль газовых баллонов вызывает снижение полезной грузоподъемности на 12 … 20%, дальность пробега примерно на 200 км. Мощность также несколько снижается. Мощность двигателей снижается из-за меньшей теплоты сгорания газовоздушной смеси по сравнению с бензовоздушной и меньшего коэффициента наполнения цилиндров. Эксплуатационные качества автомобилей, работающих на бензине и гаге, выравнивают за счет повышения на 23 ... 25% степени сжатия в двигателях, работающих на газе.

Для газобаллонных автомобилей используют пропанбутановые фракции нефтяных и не нефтяных газов. Теплота сгорания этих фракций составляет около 46 055 кДж/м3, октановое число у сжиженных газов выше, чем у бензинов, и находится в пределах 90 … 120 ед. При работе двигателей на газообразном топливе улучшаются условия работы моторного масла, которое значительно меньше загрязняется различными примесями.

По ГОСТ выпускаются сжиженные газы трех марок: СПБТЗ - зимняя техническая пропанобутановая смесь для коммунально-бытового потребления; СПБТЛ - летняя техническая пропанобутановая смесь для коммунально-бытового потребления; БТ - технический бутан для коммунально-бытового потребления.

Пропан и пропилен являются основными компонентами сжиженного газа, которые обеспечивают оптимальное давления насыщенных паров в газовом баллоне. Бутановая составляющая, которая включает в себя нормальный бутан, изобутан, бутилен, изобутилен и другие изомеры, является наиболее калорийной составляющей сжиженных газов и легкосжимаемым компонентом. Наиболее целесообразно применять газ с большим содержанием бутановых фракций в летнее время, особенно в районах с жарким климатом.

На данный момент существуют следующие стандарты на сжатый природный газ и сжиженные нефтяные газы: ГОСТ 27577-87 - Газ природный топливный сжатый для газобаллонных автомобилей. Технические условия (заменен на ГОСТ 27577-2000 - Газ природный топливный компримированный для двигателей внутреннего сгорания. Технические условия) и ГОСТ 27578-87 - Газы углеводородные сжиженные для автомобильного транспорта. Технические условия.

По физико-химическим показателям углеводородные сжиженные газы должны соответствовать требованиям и нормам, приведенным в таблице

Наименование показателя	Норма для марки	Метод испытания
	ПА	ПБА
1. Массовая доля компонентов, %:			По ГОСТ 10679
сумма метана, этана	Не нормируется
пропан	85+10	50+10
сумма углеводородов °С и выше	Не нормируется
сумма непредельных углеводородов, не более	6	6
2. Содержание жидкого остатка при 40°С, свободной воды и щелочи	Отсутствие	По п.3.2
3. Давление насыщенных паров, избыточное, МПа, при температуре			По п. 3.3
плюс 45°С,не более	-	1,6
минус 20°С,не менее	-	0,07
минус 35°С,не менее	0,07	-
4. Массовая доля серы и сернистых соединений, %, не более	0,01	0,01	По ГОСТ 22985
в том числе сероводорода, не более	0,003	0,003	По ГОСТ 22985 или ГОСТ 11382

По физико-химическим показателям сжатый газ должен соответствовать требованиям и нормам, приведенным в таблице

Наименование показателя	Значение	Метод испытания
1. Объемная теплота сгорания низшая, кДж/м3, не менее	31800	По ГОСТ 22667
2. Относительная плотность к воздуху	0,55-0,70	По ГОСТ 22667
3. Расчетное октановое число газа (по моторному методу), не менее	105	По п. 6.4
4. Концентрация сероводорода, г/м3, не более	0,02	По ГОСТ 22387.2
5. Концентрация меркаптановой серы, г/м3, не более	0,036	По ГОСТ 22387.2
6. Масса механических примесей в 1 м3, мг, не более	1,0	По ГОСТ 22387.4
7. Суммарная объемная доля негорючих компонентов,%, не более	7,0	По ГОСТ 23781
8. Объемная доля кислорода,%, не более	1,0	По ГОСТ 23781
9. Концентрация паров воды, мг/м3, не более	9,0	По ГОСТ 20060, раздел 2
Примечание - Значения показателей установлены при температуре 293 К (20°С) и давлении 0,1013 МПа.

Заменители традиционных топлив. Основные свойства и рекомендации по применению возможных заменителей традиционных топлив (синтетические спирты, водород, вода, как добавка к топливу)

Бурное развитие машиностроения вызвало необходимость расширения сырьевой базы для получения жидкого топлива и смазочных масел. Благодаря достижениям науки теперь для получения жидкого топлива могут служить угли, сланцы, торф, газообразные продукты, а также спирты (этиловый и метиловый). Промышленная технология располагает следующими основными способами получения жидкого топлива из: термическая переработка твердых горючих ископаемых (с получением смол для последующей перегонки); деструктивная гидрогенизация; синтез газов.

При такой переработке твердое горючее нагревают без доступа воздуха до температуры 500 … 550°С. Конечным продуктом является полукокс, смола и газы. Полученную смолу подвергают фракционной перегонке как нефть. При этом получают бензина 18 … 22%, керосина 20 … 25% и мазута 50 … 60%. Последний - используют как сырье для крекинг-процесса.

Деструктивная гидрогенизация заключается в расщеплении исходного сырья и гидрирования с целью присоединения водорода для получения смеси углеводородов. Процесс происходит следующим образом. Исходное сырье измельчают в порошок, а затем смешивают со смолой или остатком нефти. Полученную пасту вводят в реактор, где находится водород и определенные катализаторы. При температуре 480 … 500°С и давлении 20 … 30 МПа пасту насыщают водородом, и она сжижается. И далее полученную жидкую массу направляют на фракционную перегонку. При гидрогенизации угля выход бензина доходит до 60%, газа до 30%.

Синтез газов основан на получении углеводородов путем взаимодействия оксида углерода СО с водородом, при повышенном давлении в присутствии катализатора. В результате синтеза газов получается бензин и конденсатное масло. Выход бензина составляет 40 … 45%, дизельного топлива 15 … 20% и тяжелой фракции 10 … 17%.

Электричество может использоваться в качестве альтернативного вида топлива для транспортных средств с питанием от аккумуляторных батарей, или работающих на топливных элементах. Работающие от батарей электрические транспортные средства накапливают энергию в батареях, которые заряжаются путем подключения транспортного средства к стандартному источнику питания. Транспортные средства на топливных элементах работают на электрической энергии, которая вырабатывается за счет электрохимической реакции, имеющей место при соединении водорода и кислорода. Топливные элементы производят электроэнергию без внутреннего сгорания и загрязнения окружающей среды.

Водород также можно смешивать с природным газом для создания альтернативного вида топлива для транспортных средств, в которых используются некоторые виды двигателей внутреннего сгорания.

Биодизельное топливо представляет собой альтернативный вид топлива на основе растительных масел или животных жиров, даже тех, которые остаются в ресторанах после приготовления пищи. Двигатели транспортных средств можно модифицировать так, чтобы можно было сжигать биодизельное топливо в чистом виде; биодизельное топливо можно также смешивать с углеводородным дизельным топливом и использовать в неадаптированных двигателях. Биодизельное топливо безопасно, поддается биохимическому разложению и снижает содержание веществ, загрязняющих воздух таких как, твердые примеси, монооксид углерода и углеводороды.

Технологий производства биотоплива несколько. Одна из них - это переработка сельскохозяйственных отходов в топливо. Сырьем, для этого процесса, могут служить и куски древесины, и солома, и навоз. Производство именно такого топлива, получившее название SunDiesel, начала немецкая химическая компания Choren Industriers при поддержке концернов DaimlerChrysler и Volkswagen. После сушки отходы нагреваются до 400-500°С, выделившийся газ проходит ряд превращений в присутствии катализатора - и на выходе из реактора получается дизельное топливо без содержания серы и других вредных примесей. Кроме того, биодизельное топливо «СО2-нейтрально» по отношению к окружающей среде - при его сгорании в атмосферу возвращается та углекислота, что была поглощена растениями при росте. Чистота такой биосолярки тоже играет положительную роль - испытания показали, что она позволяет выполнять нормы токсичности Евро 4 даже тем двигателям, которые рассчитаны только на Евро 3. Конечно, пока литр «солнечной» солярки дороже обычной. По оценкам авторов проекта, нынешние возможности сельского хозяйства Европы способны обеспечить таким топливом от половины до 80% всех легковых дизелей.

Вторая - это добавление рапсового масла в дизельное топливо. Именно добавление, поскольку рапсовое масло в чистом виде как топливо не используется. Из-за более высокой вязкости (почти в 20 раз выше по сравнению с дизельным горючим) требуется другая топливная аппаратура и изменение камеры сгорания. В качестве горючего применяются сложные эфиры рапсового масла, добавляемые в количестве от 5 до 30% в дизельное топливо или используемые самостоятельно (биодизель). Интересно, что в ходе переработки масла в биодизель получают ряд дополнительных продуктов, пользующихся спросом (например, глицерин, сульфат калия).

Третий вид биологического топлива - синтетическое горючее. Современные технологии переработки углеводородов позволяют производить синтетическое дизельное топливо и синтетический бензин. В качестве сырья используются отходы деревообрабатывающей промышленности, сельского хозяйства и даже бытовой мусор. Особенности разработанных технологических процессов заключаются в том, что из одного и того же сырья могут получаться различные виды топлива. Первое в мире синтетическое дизельное топливо, в 2003-м году, разработала корпорация DaimlerChrysler. Новое топливо, которое разработчики назвали BIOTROLL, производится из древесных отходов, а при его сгорании в атмосферу вообще не выбрасывается углекислый газ. Биотопливо можно смешивать с обычной соляркой, улучшая экологические показатели дизельных двигателей, однако пока не получены точные данные о том, возможна ли эксплуатация современных дизельных двигателей только на новом виде топлива без проведения каких-либо доработок. Первая заправка, на которой можно пополнить баки новым топливом, уже функционирует в Штутгарте.

Метанол, также известный, как древесный метиловый спирт, может использоваться в качестве альтернативного вида топлива в транспортных средствах с универсальной топливной системой, которые спроектированы для работы на M85, смеси, содержащей 85% метанола и 15% бензина. Но в наши дни не производят транспортных средств с метаноловыми двигателями. Тем не менее, в будущем метанол может стать важным альтернативным видом топлива в качестве источника водорода, который необходим для работы топливных элементов.

Более известен как метиловый (или древесный) спирт. Процесс получения основан на каталитической конверсии углеводородов природного, коксового и других углеводородсодержащих газов с водяным паром. Как самостоятельное горючее и в качестве добавок к бензину применяется редко и только для двигателей спортивных мотоциклов, не рассчитанных на длительную эксплуатацию. В то же время достаточно широко используется как сырье, из которого автомобили на топливных элементах черпают водород.

Этанол (еще называется этиловым спиртом или хлебным спиртом) представляет собой альтернативный вид топлива, его можно смешивать с бензином для получения топлива с более высоким октановым числом и меньшим содержанием вредных веществ в выбросах по сравнению с чистым бензином. Этанол производится за счет брожения зерновых продуктов таких как: кукуруза, ячмень или пшеница; и дистилляции. Также его можно производить из многих видов трав и деревьев, хотя здесь технология будет более сложной, в таком случае эго называют биоэтанолом. Этанол в качестве топлива для четырехтактного двигателя внутреннего сгорания в 1876 году применял немецкий изобретатель Николаус Отто, а в 1908 году Генри Форд предложил покупателям «жестянку Лиззи» Ford T с двигателем, работающим на этаноле, бензине или их смеси. Биоэтанол.

Этанол, или этиловый спирт, более известен как сырье для изготовления алкогольных напитков. Биоэтанол - это обезвоженный этиловый спирт, изготовленный из биологически возобновляемого сырья. Есть три способа получения этилового спирта: сбраживанием пищевого сырья (переработкой содержащегося в сырье сахара в спирт при помощи дрожжей), гидролизом растительного сырья и гидратацией этилена (синтетический спирт). Энергетическая ценность спирта почти в полтора раза ниже, чем у бензина.

Топливо серии P представляет собой смесь этанола, газоконденсатной жидкости и метилтетрагидрофурана, вспомогательного растворителя, полученного из биомассы. Виды топлива серии P представляют собой прозрачные альтернативные виды топлива с высоким октановым числом, которые можно использовать в транспортных средствах с универсальной топливной системой. Топлива серии P можно использовать в чистом виде или в смеси с бензином в любом соотношении путем простого добавления бензина в бак.

Применение добавок воды в топливо в карбюраторных двигателях рассматривался, главным образом, как способ снижения детонационных требований двигателя.

Вода может добавляться к топливу различными способами:

1) постоянная подача неизменного количества воды независимо от режима работы двигателя;

2) регулируемая подача воды, которая обеспечивает ее определенную долю в топливной смеси;

3) регулируемая подача воды с переменным расходом в соответствии с режимом работы двигателя.

Кроме того, возможно использование воды в качестве добавки к топливу, в результате чего образуется эмульсия.

Известен опыт применения водотопливных эмульсий (ВТЭ) трех типов: эмульсия воды в углеводородах; эмульсия углеводородов в воде; микроэмульсии, позволяющие вводить в топливо различные присадки, нерастворимые в углеводородах (требуется большой расход поверхностноактивных веществ - с 5-15%).

Согласно исследованиям специалистов НИИАТ, практическое использование эмульгированного топлива в широких масштабах невозможно без решения таких технических задач как:

- разработка простой, эффективной и надежной технологии получения такого топлива;

- разработка рецептур эффективных эмульгаторов, способных адсорбироваться на поверхностях раздела фаз (воды и бензина) и понижать вследствие этого поверхностную энергию (поверхностное натяжение), и создание стабильных топливных эмульсий;